СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЗАМЕЩЕНИЯ МЕТАНА ДИОКСИДОМ УГЛЕРОДА В ГИДРАТЕ МЕТАНА Российский патент 2025 года по МПК G01N7/14 

Изобретение относится к экспериментальному оборудованию, а именно к стендам для проведения анализа материалов путем измерения давления или объема газа, и может быть использовано для исследования процесса замещения метана диоксидом углерода в гидрате метана.

Известна экспериментальная установка для исследования процесса замещения метана диоксидом углерода в гидрате метана [Heydari A., Peyvandi K. Study of biosurfactant effects on methane recovery from gas hydrate by CO₂ replacement and depressurization //Fuel. - 2020. - Т. 272. - С. 117681], содержащее вертикальный реактор с двойными стенками, между которыми образована полость, соединенная с рефрижератором. В реактор вмонтированы датчик температуры и конец первого трубопровода, снабженный предохранительным клапаном и датчиком давления, которые подключены к регистратору данных, соединенному с персональным компьютером. Сверху реактор вторым трубопроводом через клапан соединен с инжекторной ячейкой, которая снабжена датчиками давления и температуры, подключенными к регистратору данных. Верхняя часть инжекторной ячейки через клапан трубопроводом соединена с баллоном, наполненным диоксидом углерода. На дне реактора выполнено отверстие, через которое внутренний объем реактора четвертым трубопроводом, содержащим клапан, соединен с баллоном, наполненным метаном. Сверху реактор пятым трубопроводом через клапан, фильтр и газовый регулятор соединен с газовым хроматографом. Пятый трубопровод содержит ответвление с клапаном сброса давления. К газовому хроматографу через клапан подведен шестой трубопровод от баллона с гелием.

Однако в данной установке не предусмотрены дополнительные емкости для хранения использованных газов.

Известна экспериментальная установка для исследования процесса замещения метана диоксидом углерода в гидрате метана [Zhang X. et al. Experimental study of gas recovery behaviors from methane hydrate-bearing sediments by CO₂ replacement below freezing point //Energy. - 2024. - Т. 288. - С. 129836], выбранное в качестве прототипа, содержащее реактор объемом 200 мл, погруженный в низкотемпературную ванну. В реактор вмонтированы датчик температуры и датчик давления, которые подключены к персональному компьютеру. Реактор первым трубопроводом соединен с баллоном, наполненным метаном и баллоном, наполненным диоксидом углерода, каждый из которых снабжен редукционным клапаном. Из реактора в атмосферу выведен второй трубопровод, содержащий выпускной клапан. Третьим трубопроводом реактор через поворотный клапан соединен с вакуумным насосом. Третий трубопровод содержит канал отбора проб в виде емкости, которая соединена с газовым хроматографом.

Однако в экспериментальной установке для охлаждения реактора используют низкотемпературную ванну, температура которой не регулируется.

Техническим результатом предложенного нами изобретения является создание стенда по исследованию процесса замещения метана диоксидом углерода в гидрате метана.

Предложенный стенд для исследования процесса замещения метана диоксидом углерода в гидрате метана, также как в прототипе, содержит реактор, снабженный датчиками температуры и давления, причем к первому газопроводу подведен канал отбора проб, который соединен с газовым хроматографом, баллон, наполненный метаном и баллон, наполненный диоксидом углерода, каждый из которых снабжен соответствующим клапаном регулировки давления, персональный компьютер.

Согласно изобретению, реактор выполнен в виде стального вертикального стакана с двойными стенками, между которыми образована полость, трубопроводами соединенная с термостатом. В крышку реактора вмонтированы датчик температуры, воронка, снабженная вентилем, выпускной вентиль, и патрубок для отвода газа в атмосферу, снабженный предохранительным клапаном и датчиком давления. Датчик температуры и датчик давления подключены к блоку преобразования, соединенному с персональным компьютером. Внутри реактора, вдоль его дна проложена труба, в которой на равном расстоянии друг от друга выполнены отверстия. Концы трубы через стенки реактора выведены наружу. Один конец трубы трубопроводом через первый клапан регулировки давления и первый газовый расходомер соединен с баллоном, наполненным метаном. Другой конец трубы трубопроводом через второй клапан регулировки давления и второй газовый расходомер соединен с баллоном, наполненным диоксидом углерода. Внутренний объем реактора через отверстие в его крышке первым газопроводом через третий газовый расходомер соединен с вакуумным насосом. К первому газопроводу подведен канал отбора проб, который через первый клапан соединен с газовым хроматографом, подключенным к персональному компьютеру. Вакуумный насос вторым газопроводом через второй клапан соединен с емкостью для хранения метана и третьим газопроводом через третий клапан соединен с сепаратором, который трубопроводами через первый компрессор соединен с емкостью для хранения метана и через второй компрессор соединен с емкостью для хранения диоксида углерода. К вакуумному насосу подсоединен четвертый газопровод, который содержит четвертый клапан и выведен в атмосферу.

С помощью стенда регистрируют температуру и давление внутри реактора, на основе которых строят графики зависимости полученных данных от времени, на которых отображаются перепады давления и температуры при образовании газового гидрата или его диссоциации. Кроме того, стенд позволяет исследовать газонасыщение полученного газового гидрата, то есть на сколько качественно прошел процесс и какое количество метана было замещено диоксидом углерода.

Таким образом, с помощью стенда исследуют процесс замещения метана диоксидом углерода в гидрате метана для определения наиболее оптимальных параметров, при которых процесс происходит быстро и с эффективной заменой молекул метана на диоксид углерода.

Полученные при исследованиях результаты в дальнейшем могут быть использованы в газодобывающей отрасли для извлечения из природного гидратного пласта, расположенного на морском дне или в районах вечной мерзлоты, ценного горючего газа, а также для одновременного захоронения диоксида углерода, который является парниковым газом. Это позволит извлечь горючий газ без нарушения целостности гидратного пласта, которое может повлечь за собой серьезные геологические катастрофы.

На фиг. 1 представлена схема стенда для исследования процесса замещения метана диоксидом углерода в гидрате метана.

Стенд для исследования процесса замещения метана диоксидом углерода в гидрате метана содержит цилиндрический вертикальный реактор 1 объемом 600 мл из стали с двойными стенками, между которыми образована полость (фиг. 1), трубопроводами соединенная с термостатом 2 (Т). В крышку реактора 1 вмонтированы датчик температуры 3, выпускной вентиль 4, патрубок для отвода газа в атмосферу, снабженный предохранительным клапаном 5 и датчиком давления 6. Датчик температуры 3 и датчик давления 6 подключены к блоку преобразования 7 (БП), соединенному с персональным компьютером 8 (ПК).

Внутри реактора 1, вдоль его дна проложена труба 9, в которой на равном расстоянии друг от друга выполнены отверстия. Концы трубы 9 через стенки реактора 1 выведены наружу. Один конец трубы 9 трубопроводом через первый клапан регулировки давления 10 и первый газовый расходомер 11 соединен с баллоном, наполненным метаном 12 (БМ). Другой конец трубы 9 трубопроводом через второй клапан регулировки давления 13 и второй газовый расходомер 14 соединен с баллоном, наполненным диоксидом углерода 15 (БДУ). В крышку реактора 1 вмонтирована воронка 16, снабженная вентилем 17.

Внутренний объем реактора 1 через отверстие в его крышке первым газопроводом 18 через третий газовый расходомер 19 соединен с вакуумным насосом 20.

К первому газопроводу 18 подведен канал отбора проб, который через первый клапан 21 соединен с газовым хроматографом 22 (ГХ), подключенным к персональному компьютеру 8 (ПК). Вакуумный насос 20 вторым газопроводом 23 через второй клапан 24 соединен с емкостью для хранения метана 25 (М), третьим газопроводом 26 через третий клапан 27 соединен с сепаратором 28 (С), который трубопроводами через первый компрессор 29 соединен с емкостью для хранения метана 25 (М) и через второй компрессор 31 соединен с емкостью для хранения диоксида углерода 30 (ДУ). Четвертый газопровод 32 от вакуумного насоса 20 содержит четвертый клапан 33 и выведен в атмосферу.

В качестве термостата 2 (Т) может быть использован термостат жидкостный низкотемпературный КРИО-ВТ-12-1 с диапазоном рабочих температур от -30°С до +200°С. Газовый хроматограф 22 (ГХ) представляет собой газовый хроматограф ХРОМОС ГХ-1000. Сепаратор 28 (С) - газовый сепаратор ГС-1-6,3-800 диаметром 800 мм, рассчитанный на давление 6,3 МПа. Блок преобразования 7 (БП) представляет собой блок, в котором содержится Овен АС4 преобразователь интерфейсов RS-485, USB c гальванической изоляцией и Овен МВ110-224.2А модуль аналогового ввода с универсальными входами для преобразования сигнала в RS-485.

Для исследования процесса замещения метана диоксидом углерода в газовом гидрате используют либо природный гидрат метана, либо гидрат метана, синтезированный непосредственно в реакторе 1.

Если используют природный гидрат метана, то его насыпают в реактор 1 при снятой крышке в объеме 300 мл.

Для синтезирования гидрата метана в реактор 1 через воронку 16, открыв вентиль 17, заливают дионизированную воду объемом 150 мл, затем перекрывают вентиль 17, и из реактора 1 через первый газопровод 18 вакуумным насосом 20 выкачивают воздух, который выводят в атмосферу по четвертому газопроводу 32 при открытом четвертом клапане 33 и закрытых втором 24 и третьем 27 клапанах. При достижении вакуума в реакторе 1 четвертый клапан 33 закрывают. С помощью термостата 2 (Т) реактор 1 охлаждают до -10°С. Затем, открыв первый клапан регулировки давления 10, внутрь реактора 1 через отверстия в трубе 9 подают метан из баллона, наполненного метаном 12 (БМ). Метан нагнетают в реактор 1 до достижения давления внутри 80 бар, при этом внутри реактора 1 происходит смешивание газа с водой и постепенное растворение в ней. Количество поступившего в реактор 1 метана измеряют первым газовым расходомером 11.

Показания датчиков температуры 3 и давления 6 в течение всего процесса синтезирования гидрата метана обрабатывают с помощью блока преобразования 7 (БП), данные из которого передают в персональный компьютер 8 (ПК).

Гидрат метана образуется преимущественно на поверхности пузырьков газа и на стенках реактора 1. Во время синтезирования гидрата метана происходит изменение давления и температуры в реакторе 1. В случае возможного скачка давления в реакторе 1 предусмотрен предохранительный клапан 5, при открытии которого производят сброс метана в атмосферу. Процесс гидратообразования метана считают законченным, когда давление в реакторе 1 достигнет равновесного значения в 25 бар, а температура остается неизменной в течение 20 минут.

После завершения гидратообразования из реактора 1 с помощью вакуумного насоса 20, через второй газопровод 23, открыв второй клапан 24, удаляют свободный метан в емкость для хранения метана 25 (М). Затем второй клапан 24 закрывают. Количество выведенного метана фиксируют с помощью третьего газового расходомера 19.

Далее в реактор 1, открыв второй клапан регулировки давления 13, подают диоксид углерода из баллона, наполненного диоксидом углерода 15 (БДУ) до достижения давления в 20 бар. Количество введенного в реактор 1 диоксида углерода регистрируют с помощью второго газового расходомера 14. При таком давлении гидрат метана находится в нестабильном состоянии, он начинает диссоциировать и происходит замещение молекул метана в гидрате метана на молекулы диоксида углерода. Каждые 30 минут, открывая первый клапан 21, из реактора 1 берут пробы газа для анализа его состава на газовом хроматографе 22 (ГХ). Данные, измеренные газовым хроматографом 22 (ГХ), передают в персональный компьютер 8 (ПК).

Затем смесь газов удаляют из реактора 1 с помощью вакуумного насоса 20 и через третий газопровод 26, открыв третий клапан 27, разделяют в сепараторе 28 (С), откуда диоксид углерода с помощью второго компрессора 31 направляют в емкость для хранения диоксида углерода 30 (ДУ), а метан с помощью первого компрессора 29 направляют в емкость для хранения метана 25 (М).

Для оценки газонасыщения полученного газового гидрата диоксидом углерода и метаном гидратную смесь нагревают в реакторе 1 для осуществления процесса диссоциации. Температуру в реакторе повышают с помощью термостата 2 (Т) до 20°С. Количественное определение состава газовой смеси осуществляют газовым хроматографом 22 (ГХ).

Эксперимент завершают тем, что из реактора 1 выводят весь оставшийся газ в атмосферу с помощью выпускного вентиля 4, выкручивают трубопроводы, соединяющие его с баллоном, наполненным метаном 12 (БМ) и баллоном, наполненным диоксидом углерода 15 (БДУ), снимают крышку реактора 1 и, перевернув его, сливают оставшуюся воду.

Изобретение относится к экспериментальному оборудованию и может быть использовано для исследования процесса замещения метана диоксидом углерода в гидрате метана. Сущность: стенд содержит реактор (1), выполненный в виде стального вертикального стакана с двойными стенками, между которыми образована полость, трубопроводами соединенная с термостатом (2). В крышку реактора (1) вмонтированы датчик (3) температуры, воронка (16), снабженная вентилем (17), выпускной вентиль (4) и патрубок для отвода газа в атмосферу, снабженный предохранительным клапаном (5) и датчиком (6) давления. Датчики температуры (3) и давления (6) подключены к блоку (7) преобразования, соединенному с персональным компьютером (8). Внутри реактора (1) вдоль его дна проложена труба (9), в которой на равном расстоянии друг от друга выполнены отверстия. Концы трубы (9) через стенки реактора (1) выведены наружу. При этом один конец трубы (9) соединен с баллоном (12), наполненным метаном, а другой конец - с баллоном (15), наполненным диоксидом углерода. Внутренний объем реактора (1) соединен с вакуумным насосом (20). К газопроводу (18) подведен канал отбора проб, который через клапан (21) соединен с газовым хроматографом (22), подключенным к персональному компьютеру (8). Вакуумный насос (20) соединен с емкостью (25) для хранения метана и с сепаратором (28). Сепаратор (28) соединен с емкостью (25) для хранения метана и с емкостью (30) для хранения диоксида углерода. Вакуумный насос (20) через газопровод (32) выведен в атмосферу. Технический результат: исследование процесса замещения метана диоксидом углерода в гидрате метана. 1 ил.

Стенд для исследования процесса замещения метана диоксидом углерода в гидрате метана, содержащий реактор (1), снабженный датчиками температуры (3) и давления (6), причем к первому газопроводу (18) подведен канал отбора проб, который соединен с газовым хроматографом (22), баллон, наполненный метаном (12), и баллон, наполненный диоксидом углерода (15), каждый из которых снабжен соответствующим клапаном регулировки давления (10) и (13), персональный компьютер (8), отличающийся тем, что реактор (1) выполнен в виде стального вертикального стакана с двойными стенками, между которыми образована полость, трубопроводами соединенная с термостатом (2), в крышку реактора (1) вмонтированы датчик температуры (3), воронка (16), снабженная вентилем (17), выпускной вентиль (4) и патрубок для отвода газа в атмосферу, снабженный предохранительным клапаном (5) и датчиком давления (6), причем датчик температуры (3) и датчик давления (6) подключены к блоку преобразования (7), соединенному с персональным компьютером (8), внутри реактора (1) вдоль его дна проложена труба (9), в которой на равном расстоянии друг от друга выполнены отверстия, концы трубы (9) через стенки реактора (1) выведены наружу, при этом один конец трубы трубопроводом через первый клапан регулировки давления (10) и первый газовый расходомер (11) соединен с баллоном, наполненным метаном (12), другой конец трубы (9) трубопроводом через второй клапан регулировки давления (13) и второй газовый расходомер (14) соединен с баллоном, наполненным диоксидом углерода (15), внутренний объем реактора (1) через отверстие в его крышке первым газопроводом (18) через третий газовый расходомер (19) соединен с вакуумным насосом (20), к первому газопроводу (18) подведен канал отбора проб, который через первый клапан (21) соединен с газовым хроматографом (22), подключенным к персональному компьютеру (8), причем вакуумный насос (20) вторым газопроводом (23) через второй клапан (24) соединен с емкостью для хранения метана (25) и третьим газопроводом (26) через третий клапан (27) соединен с сепаратором (28), который трубопроводами через первый компрессор (29) соединен с емкостью для хранения метана (25) и через второй компрессор (31) соединен с емкостью для хранения диоксида углерода (30), а к вакуумному насосу (20) подсоединен четвертый газопровод (32), который содержит четвертый клапан (33) и выведен в атмосферу.