天然气水合物表面分子吸附机理实时测试装置及测试方法与流程

本发明涉及天然气水合物领域，尤其涉及一种天然气水合物表面分子吸附机理实时测试装置及测试方法。

背景技术：

天然气水合物是甲烷分子和水分子在低温高压条件下形成的类冰状固体水合物。目前，对于天然气水合物在微观层面的表面吸附机理研究方法主要包括分子动力学模拟和搭建的微观测力装置。其中微观测力装置主要包括原子力显微镜以及其他测试表面力学的装置。而这类测试装置只能局部的了解天然气水合物表面的吸附特性，不能实时的测试天然气水合物从形成再到分解过程中的力学变化及表面吸附情况。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种天然气水合物表面分子吸附机理实时测试装置，解决了现有测试装置不能实时测试天然气水合物表面分子吸附从形成再到分解过程中的力学变化及表面吸附情况的问题，本发明还提供了一种天然气水合物表面分子吸附机理实时测试方法，利用本发明提供的测试方法能够实现天然气水合物从形成到分解过程中表面吸附机理的实时测量。

本发明提供一种天然气水合物表面分子吸附机理实时测试装置，包括天然气气瓶、恒温槽、计算机、数据采集电路、驱动电路、显微观察设备和可视高压反应釜，所述天然气气瓶内储存天然气，所述天然气气瓶的出气口与可视高压反应釜的进气口连通，所述可视高压反应釜包括釜体，所述恒温槽与釜体连通，其内储存循环介质，用来降低釜体的温度，所述釜体内设置qcm探头，所述qcm探头内放置qcm芯片，所述qcm芯片与驱动电路的一端连接，所述驱动电路的另一端与计算机连接，所述数据采集电路的接收端与qcm芯片连接，所述数据采集电路的输出端与计算机连接，所述qcm芯片在驱动电路的驱动下振动产生稳定的振动频率，所述数据采集电路实时采集qcm芯片的振动频率，并将振动频率数据传输给计算机进行监测和存储，所述显微观察设备位于可视高压反应釜的上方，用来观测qcm芯片上的被测天然气水合物。

进一步地，所述釜体的釜壁设置夹水套，所述夹水套的进水口与恒温槽的出水口连通，所述夹水套的出水口与恒温槽的进水口连通。

进一步地，所述可视高压反应釜包括上盖，所述上盖与釜体螺纹连接，所述上盖的上方设置圆形视窗。

进一步地，所述釜体连接温度变送器和压力变送器，所述温度变送器用来测量釜体内的气相环境的温度，所述压力变送器用来测量釜体内的气相环境的压力。

本发明还提供了利用上述天然气水合物表面分子吸附机理实时测试装置进行测试的方法，包括以下步骤：

s1，将qcm芯片用氮气清洗干净后置于qcm探头中；

s2，通过计算机调试驱动电路和数据采集电路；

s3，在qcm芯片上用喷雾形成一层薄的水膜；

s4，开启恒温槽将循环介质输送到釜体内，将釜体内的温度调至实验所需温度；

s5，通过显微观察设备观察到qcm芯片上的水膜结冰后，将天然气气瓶调节到实验压力，将天然气缓慢通入釜体内形成天然气水合物；

s6，降压或升温，通过显微观察设备观察天然气水合物分解。

本发明提供的测试装置利用qcm芯片和qcm探头能实时测试天然气水合物表面甲烷分子和水分子在相互作用时的振动频率变化，从而实现天然气水合物从形成到分解过程中，表面吸附机理的实时测量，包括：吸附测量分子层间的实时相互作用，硬度、厚度、含水量和粘弹性的变化，目前qcm芯片的精度可以实时监测到芯片表面吸附质量在纳克级别时的振动频率变化，从而轻松实现实时表面分子间吸附的观测；本发明提供的测试装置通过恒温槽能够迅速降低釜体的温度。

附图说明

图1是本发明一种天然气水合物表面分子吸附机理实时测试装置的结构示意图。

图2是本发明一种天然气水合物表面分子吸附机理实时测试装置的可视高压反应釜的结构示意图。

图中：天然气气瓶-1、恒温槽-2、计算机-3、数据采集电路-4、驱动电路-5、显微观察设备-6、可视高压反应釜-7、上盖-71、釜体-72、圆形视窗-73、qcm探头-74、qcm芯片-75、第一水平阀-81、第二水平阀-82、第三水平阀-83、温度变送器-84、压力变送器-85、第四管路-86、第一管路-11、第二管路-21、第三管路-22。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种天然气水合物表面分子吸附机理实时测试装置，包括天然气气瓶1、恒温槽2、计算机3、数据采集电路4、驱动电路5、显微观察设备6、可视高压反应釜7。

天然气气瓶1内储存天然气，天然气气瓶1的出气口通过第一管路11与可视高压反应釜7的进气口连通，第一管路11上设置第一水平阀81、第二水平阀82和第三水平阀83，第一水平阀81配合第二水平阀82和第三水平阀83调节可视高压反应釜7内的压力，第二水平阀82配合第一水平阀81和第三水平阀83在实验结束后排放可视高压反应釜7及第一管路11内的气体。

可视高压反应釜7包括螺纹连接的上盖71和釜体72，上盖71的上部设置圆形视窗73，釜体72内设置qcm(quartzcrystalmicrobalance，石英晶体微天平)探头74，qcm探头74内放置qcm芯片75，qcm芯片75通过电缆与驱动电路5的一端连接，驱动电路5的另一端通过电缆与计算机3连接，数据采集电路4的接收端通过电缆与qcm芯片75连接，数据采集电路4的输出端通过电缆与计算机3连接，qcm芯片75在驱动电路5的驱动下振动产生稳定的振动频率，数据采集电路4实时采集qcm芯片75的振动频率，并将振动频率数据传输给计算机3进行监测和存储；qcm芯片75选用瑞典百欧林公司qcm-d系列芯片，驱动电路5和数据采集电路4为与qcm芯片75对应配合的电路。

釜体72设置温度变送器84和压力变送器85，温度变送器84和压力变送器85通过第四管路86与釜体72连接，温度变送器82用来测量釜体72内的气相环境的温度，压力变送器85用来测量釜体72内的气相环境的压力。

釜体72的釜壁设置夹水套，夹水套的进水口通过第二管路21与恒温槽2的出水口连通，夹水套的出水口通过第三管路22与恒温槽2的进水口连通，恒温槽2内储存循环介质，通过第二管路21将恒温槽2内的循环介质输送到夹水套以快速降低釜体72的温度，夹水套内的循环介质通过第三管路23返回到恒温槽2内，恒温槽2具有较好的降温能力，其控制精度可以达到0.1度；循环介质选用乙二醇或硅油，可以在-40℃流动。

显微观察设备6位于圆形视窗73的上方，可以从更好的角度观测qcm芯片75上的被测天然气水合物。

本发明的实施例还提供了一种天然气水合物表面分子吸附机理实时测试方法，包括以下步骤：

步骤s1，将qcm芯片75用氮气清洗干净后置于qcm探头74中；

步骤s2，通过计算机3调试驱动电路5、数据采集电路4；

步骤s3，在qcm芯片75上用喷雾形成一层薄的水膜76；

步骤s4，盖上上盖71并拧紧，开启恒温槽2将乙二醇或硅油输送到釜体72内，将釜体72内的温度调至实验所需温度(小于0℃)；

步骤s5，通过显微观察设备6观察到qcm芯片75上的水膜76结冰后，将天然气气瓶1调节到实验压力(10mpa)，然后开启第一水平阀81和第三水平阀83将天然气缓慢通入釜体72内形成天然气水合物；

步骤s6，降压或升温，通过显微观察设备6观察天然气水合物分解；降压过程为：第一水平阀81、第二水平阀82和第三水平阀83在关闭的情况下缓慢开启第二水平阀82和第三水平阀83，将釜体72内的天然气气体排出以降低釜体72内气体压力，升温过程为：将恒温槽2内的乙二醇或硅油加热到90℃，然后将乙二醇或硅油输送到釜体72内给釜体72加热。

上述步骤进行的过程中，qcm芯片75在驱动电路5的驱动下振动产生稳定的振动频率，数据采集电路4实时采集qcm芯片75的振动频率，并将振动频率数据传输给计算机3进行监测和存储，振动频率数据包括水膜76从结冰到形成水合物，以及到水合物分解这一系列过程中实时的频率记录，通过分析振动频率数据，可以得到实时的表面吸附数据，进而开展表面吸附机理研究。

若将显微观察设备6采用椭圆偏振仪进行测试，还可以同时测量水膜76的厚度、折射率以及吸收率、表面结构、表面过程和表面反应，进而进行相应的分析研究。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。