混合气水合反应过程中的离子浓度多层位监测装置及监测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及天然气领域。
【背景技术】
[0002]气体水合物是由小型气体分子和水分子构成的似冰状固态化合物，其中客体气体分子被吸附在由水分子构成的笼型晶格中。自然界中水合物的客体分子可为二氧化碳、硫化氢或氮气，但分布最为广泛的是甲烷水合物。水合物的形成需要低温高压环境，并且当孔隙水含甲烷浓度超过甲烷溶解度时才能形成水合物，在大陆架边缘地区和极地永冻区赋存大量天然气水合物(主要是甲烷水合物)，被认为是最有前景的新能源之一。
[0003]天然气水合物因其巨大能源意义、潜在环境反馈效应、海底灾害或钻井安全影响，而成为世界各国重要研究对象。自然条件下，天然气水合物是沉积物介质中水和天然气在温度-压力变化条件下，流通过程中历经形成、发育、聚集、移动、分解等复杂阶段而形成的。复杂体系天然气水合物晶体成核和生长主要受温度、压力、气体组分和饱和度、沉积物颗粒及孔隙水组成等因素影响。孔隙水作为充填于海洋沉积物孔隙中的流体，其各层位所含各种离子成分异常(如C1浓度、S0 42浓度梯度)可有效示踪天然气水合物的存在。因此探明气体水合物形成过程各层位孔隙水离子分布特征，对海洋天然气水合物矿藏勘探起到重要指示作用。
[0004]目前，气体水合反应过程离子测定装置多为底部取液、单层测定溶液离子浓度。即在水合实验装置底部设有采水口，在水合物形成过程中采集水样。该类装置可实现气体水合反应过程中底部离子浓度取样测量的目的，但仅能测量水合反应过程中反应体系底部单层的离子浓度变化，无法实现反应体系底部以上各层位的离子浓度监测目的。混合气水合过程中的离子浓度多层位监测装置具有实时监测不同层位离子浓度的功能，可在混合气水合反应过程中依据要求测得反应体系内各层位离子浓度分布情况。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是解决目前的混合气水合物中的离子浓度无法实现多层位监测的问题，提出了混合气水合反应过程中的离子浓度多层位监测装置及监测方法。
[0006]混合气水合反应过程中的离子浓度多层位监测装置，该装置包括:外壳1、η个水合反应釜2、进气装置、压力监测装置4、恒温循环水装置5、离子色谱仪6和温度监测装置7 ;η为大于等于1的整数；
[0007]水合反应釜2位于外壳1内，且所述水合反应釜2和外壳1之间充满恒温循环水，水合反应釜2用于放置反应溶液；所述恒温循环水连通恒温循环水装置5，恒温循环水装置5用于提供恒温循环水，控制水合反应釜2内的温度；
[0008]所述水合反应釜2的顶端连通进气装置、压力监测装置4和温度监测装置7 ;进气装置用于向水合反应釜2内提供/排放混合气；压力监测装置4用于监测水合反应釜2内的混合气的压力；温度监测装置7用于监测水合反应釜2内的温度；
[0009]所述水合反应釜2的釜体从下至上开有m个取液口 ；离子色谱仪6用于分析测定从水合反应釜2的取液口取出的液体离子浓度；m多2。
[0010]混合气水合反应过程中的离子浓度多层位监测装置，它还包括进气驱动装置，进气驱动装置包括高压气体增压栗31、静音空气压缩机32和高压气源装置33 ;高压气源装置33用于提供混合气；高压气体增压栗31和静音空气压缩机32用于将所述混合气压入所述进气装置。
[0011]所述高压气体增压栗31和水合反应釜2之间串联有进气/放气阀门3。
[0012]混合气水合反应过程中的离子浓度多层位监测装置，它还包括数据采集装置8、控制面板9和工控机；数据采集装置8用于采集所述压力监测装置4输出的压力并将压力发送至工控机，还用于采集所述温度监测装置7输出的温度并将温度发送至工控机，控制面板9用于控制高压气体增压栗31、静音空气压缩机32和电磁阀11工作，还用于控制恒温循环水装置5中的恒温循环水的温度。
[0013]所述取液口的出口处设置有流量计10和电磁阀11 Γ流量计10用于监测取液口流出的液体的流量；电磁阀11用于控制取液口开关；电磁阀11由控制面板9控制。
[0014]所述水合反应釜2的釜体上设置有视窗。
[0015]水合反应爸2为不锈钢反应爸。
[0016]所述水合反应釜2的釜体底部设置有放液口 ；所述放液口用于使水合反应釜内的液体从该口排出；所述放液口外接阀门12，阀门12用于开启和关闭放液口。
[0017]基于混合气水合反应过程中的离子浓度多层位监测装置的离子浓度多层位监测方法，该方法包括下述步骤:
[0018]步骤一、安装混合气水合反应过程中的离子浓度多层位监测装置，并检查该装置的气密性；
[0019]步骤二、向水合反应釜2内注入实验所需反应溶液，然后循环水恒温装置5向水合反应釜2和外壳1之间注入恒温循环水，控制面板9控制循环水恒温装置5中的恒温循环水的温度达到目标值；
[0020]步骤三、关闭外接阀门12，打开进气/放气阀门3，控制面板控制关闭电磁阀11并打开高压气体增压栗31、静音空气压缩机32和高压气源装置33，使进气装置向水合反应釜2内通入0.5MPa混合气，然后关闭进气/放气阀门3、高压气体增压栗31和静音空气压缩机32，20s后排出混合气，反复通入排出混合气三次；
[0021 ] 步骤四、打开进气/放气阀门3和高压气源装置33，控制面板9控制静音空气压缩机32和高压气体增压栗31启动，向水合反应釜2内通入目标压力值混合气后，控制面板9控制静音空气压缩机32和高压气体增压栗31停止向水合反应釜2内通入混合气，关闭进气/放气阀门3和高压气源装置33 ;由控制面板9控制高压气体增压栗31将管线残余气体排出，工控机通过数据采集装置8实时监测水合反应釜2内的压力和温度；
[0022]步骤五、当水合反应釜2内出现可视晶体后，控制面板9控制与取液口连通的电磁阀11，使设定体积的溶液从取液口取出移至离子色谱仪6，流量计10监测该过程液体的流量，离子色谱仪6分析测定水合反应釜2内的反应液体该时刻不同层位的离子浓度。
[0023]有益效果:本装置考虑到海洋沉积物孔隙中流体各层位所含各种离子成分异常(如Cl浓度、so42浓度梯度)可有效示踪天然气水合物的存在这一现象，设计出混合气水合反应过程中的离子浓度多层位监测装置及监测方法。该装置具有实时监测不同层位离子浓度的功能，可在混合气水合反应过程中依据要求测得反应体系内各层位离子浓度分布情况。解决目前设备仅能底部取液、单层测定而无法实现反应体系底部以上各层位的离子浓度监测的限制。
[0024]本发明所具有的优点:离子浓度多层位监测装置及监测方法可在水合反应过程中依据要求实现定间隔不同层位电动取样的功能，从而实现获取气体水合反应过程中各层位离子浓度分布情况的目的，进而探明气体水合物形成过程各层位孔隙水离子分布特征。本发明适用于其他反应的离子浓度测量，具有广泛的应用前景和较大的推广价值。
【附图说明】
[0025]图1为混合气水合反应过程中的离子浓度多层位监测装置的结构示意图；
[0026]图2为基于混合气水合反应过程中的离子浓度多层位监测装置的离子浓度多层位监测方法中的混合气水合反应过程中的离子浓度多层位监测装置的示意图。
【具体实施方式】
[0027]【具体实施方式】一、参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的混合气水合反应过程中的离子浓度多层位监测装置，外壳1、η个水合反应釜2、进气装置、压力监测装置4、恒温循环水装置5、离子色谱仪6和温度监测装置7 ;η为大于等于1的整数；
[0028]水合反应釜2位于外壳1内，且所述水合反应釜2和外壳1之间充满恒温循环水，水合反应釜2用于放置反应溶液；所述恒温循环水连通恒温循环水装置5，恒温循环水装置5用于提供恒温循环水，控制水合反应釜2内的温度；
[0029]所述水合反应釜2的顶端连通进气装置、压力监测装置4和温度监测装置7 ;进气装置用于向水合反应釜2内提供/排放混合气；压力监测装置4用于监测水合反应釜2内的混合气的压力；温度监测装置7用于监测水合反应釜2内的温度；
[0030]所述水合反应釜2的釜体从下至上开有m个取液口 ；离子色谱仪6用于分析测定从水合反应釜2的取液口取出的液体离子浓度；m多2。
[0031]本实施方式中，水合反应釜2内事先注入离子溶液，即反应溶液，该反应溶液用于与混合气反应，从而生成混合气水合物。恒温循环水装置5提供的恒温循环水在外壳1和水合反应釜2内流动，控制水合反应釜2内温度达到所需温度，混合气从进气装置进入水合反应釜2内，压力监测装置4和温度监测装置7实时监测水合反应釜2内的压力和温度，当压力达到目标值后，停止向水合反应釜2内供入混合气。当水合反应釜2内出现可视晶体后，通过取液口获取不同层次的液体，取出的液体移至离子色谱仪6后分析得到混合气水合反应过程中不同层位的溶液离子浓度。
[0032]【具体实施方式】二、本实施方式是对【具体实施方式】一所述的混合气水合反应过程中的离子浓度多层位监测装置的进一步说明，本实施方式中，它还包括进气驱动装置，进气驱动装置包括高压气体增压栗31、静音空气压缩机32和高压气源装置33 ;高压气源装置33用于提供混合气；高压气体增压栗31和静音空气压缩机32用于将所述混合气压入所述进气装置。
[0033]本实施方式中，高压气源装置33的混合气经高压气体增压栗31增压输入至水合反应釜2内，使混合气与水合反应釜2内的溶液进行反应生成混合气水合物。
[0034]【具体实施方式】三、本实施方式是对【具体实施方式】二所述的混合气水合反应过程中的离子浓度多层位监测装置的进一步说明，本实施方式中，所述高压气体增压栗31和水合反应釜2之间串联有进气/放气阀门3。
[0035]本实施方式中，进气/放气阀门3用于开始向水合反应釜2内供入混合气、停止供气和实验结束后排放残气时使用。
[0036]【具体实施方式】四、本实施方式是对【具体实施方式】一或三所述的混合气水合反应过程中的离子浓度多层位监测装置的进一步说明，本实施方式中，它还包括数据采集装置8、控制面板9和工控机；数据采集装置8用于采集所述压力监测装置4输出的压力并将压力发送至工控机，还用于采集所述温度监测装置7输出的温度并将温度发送至工控机，控制面板9用于控制高压气体增压栗31、静音空气压缩机32和电磁阀11工作，还用于控制恒温循环水装置5中的恒温循环水的温度。
[0037]本实施方式中，所述压力监测装置4将