Стенд для исследования образования и разложения газогидратов

Авторы патента:

Полезная модель относится к лабораторной технике, а именно к устройствам, применяемым для исследования различных процессов в широком диапазоне температур и давлений, и может быть использована, например, для исследования образования и разложения газогидратной корки на пузырьках. Стенд состоит из пульта управления, камеры высокого давления, системы регулирования температуры, датчиков температуры и давления, блока видеорегистрации, акустического блока, системы напуска водогазовой смеси в камеру высокого давления. Наличие акустического блока позволяет расширить функциональные возможности устройства, заключающиеся в возможности изучения процессов генерации пузырьков, образования и разложения газогидратов в мутной среде, а также получить более точные характеристики протекающих процессов за счет установления датчика температуры внутри камеры высокого давления.

В настоящее время значительно возрос научный и практический интерес к изучению процессов образования и разложения газогидратов, в частности газогидрата метана. Одна из причин заключается в том, что газогидраты метана рассматриваются как потенциальный резерв углеводородного сырья. Другая причина связана с парниковым эффектом и резким увеличением эмиссии метана в водную толщу и атмосферу, обусловленным разложением газогидратов в осадочной толще и пузырьковым транспортом метана со дна океана. Поэтому актуальным сейчас является исследование образования и разложения газогидратов в воде, осадочных породах и на поверхности пузырьков.

Известна установка, обеспечивающая получение гидратов и изучение кинетики их роста и диссоциации (Данько М.Ю. Кинетика роста газогидратов в объемной и дисперсной фазах воды // Автореферат диссертации. Тюмень. 2012). Она состоит из камеры высокого давления, термостата, теплообменника, системы контроля давления, баллона с газом, источника питания. Установка позволяет визуально наблюдать за тем, как в реакторе высокого давления при контролируемых условиях образуются и разлагаются гидраты. Недостатками известной установки являются отсутствие единого пульта управления, что затрудняет управление, и невозможность регистрирования измеряемых параметров. Кроме того, известная установка не имеет блока видеорегистрации, что не позволяет непрерывно снимать происходящие в камере высокого давления процессы.

Указанных недостатков лишена установка для исследования гидратов «Газогидрат-3М» (http://www.gubkin.ru/departaments/scientific_activity/kb/production/Gazogidrat3m/).

Известная установка состоит из камеры высокого давления, с установленными на ней блоком температуры, блоком видеорегистрации и датчиком давления, которые соединены с пультом управления, системы напуска водогазовой смеси, соединенной через насос с камерой высокого давления. Известная установка работает следующим образом. Первоначально оператор производит напуск водогазовой смеси через систему напуска водогазовой смеси в насос. Затем с помощью насоса через патрубок производится поступление водогазовой смеси в камеру высокого давления. Значение давления в камере высокого давления контролируется по индикации величины давления, измеренной датчиком давления, на пульте управления. Затем оператор на пульте управления задает необходимые параметры для температуры. Сигнал с пульта управления поступает на блоки температуры и видеорегистрации. Блок температуры производит соответствующее изменение температуры камеры высокого давления путем ее нагрева или охлаждения. Блок видеорегистрации производит съемку процессов, происходящих в камере высокого давления, и передает сигнал в блок управления для визуализации изображения и его регистрации. Известная установка позволяет производить исследования образования и разложения газогидратов с регистрацией измеряемых параметров в диапазоне температур от 0 до +30°C и в диапазоне давлений до 20 МПа. Известная установка позволяет также исследовать процессы образования и разложения газогидратной корки на границе раздела вода - газ и изучать особенности отрыва и всплытия газовых пузырьков. Основной недостаток известной установки заключается в ее низкой универсальности при изучении особенностей образования и всплытия газовых пузырьков. Она не позволяет изучать пузырьки различного диаметра, поскольку размер образующихся в камере высокого давления пузырьков определяется внутренним диаметром отверстия в патрубке.

Указанных недостатков лишена установка, предназначенная для исследования образования и разложения газогидратов (п. РФ 133022 U1), выбранная в качестве прототипа. Известная установка включает камеру высокого давления, с установленными на ней блоком температуры, блоком видеорегистрации и датчиком давления, соединенными с пультом управления, а также систему напуска водогазовой смеси, соединенной через насос и сопло с камерой высокого давления. Блок температуры состоит из системы регулирования температуры и датчика температуры, которые установлены на камере высокого давления.

Известная установка работает следующим образом. Первоначально оператор производит напуск водогазовой смеси из системы напуска водогазовой смеси в насос. Затем с помощью насоса через сопло производится поступление водогазовой смеси в камеру высокого давления. Значение давления в камере высокого давления контролируется на пульте управления по индикации величины давления, измеренной датчиком давления. Затем оператор на пульте управления задает необходимые параметры для температуры. Сигнал с пульта управления поступает на блоки температуры и видеорегистрации. Блок температуры производит соответствующее изменение температуры камеры высокого давления путем ее нагрева или охлаждения. Блок видеорегистрации производит съемку процессов, происходящих в камере высокого давления, и передает сигнал в блок управления для визуализации изображения и его регистрации.

При изучении особенностей образования и всплытия газовых пузырьков в условиях образования газогидратов известная установка работает следующим образом. Первоначально на камере высокого давления устанавливается сопло с нужными внешними размерами и внутренним диаметром. Затем оператор производит напуск воды из системы напуска водогазовой смеси в камеру высокого давления. Значение давления в камере высокого давления контролируется на пульте управления по индикации величины давления, измеренной датчиком давления. Затем оператор на пульте управления задает необходимые параметры для температуры. Сигнал с пульта управления поступает на блок температуры, который производит соответствующее изменение температуры камеры высокого давления путем ее нагрева или охлаждения. После достижения установленных параметров сигнал с пульта управления поступает на блок видеорегистрации, который производит съемку процессов, происходящих в камере высокого давления, и передает сигнал в блок управления для визуализации изображения и его регистрации. Оператор производит напуск газа из системы напуска водогазовой смеси в насос. Затем с помощью насоса через сопло производится поступление газа в камеру высокого давления. В результате в камере высокого давления на выходе сопла образуются пузырьки, диаметр которых при отрыве определяется внутренним диаметром сопла.

Известная установка позволяет исследовать процессы образования и разложения газогидрата, в том числе и на поверхности пузырьков. Основной недостаток известной установки заключается в невозможности проведения исследований в мутной среде, например, в мелкодисперсной взвеси осадков. Кроме того, в известной установке, датчик температуры блока температуры установлен непосредственно на камере высокого давления, что приводит к ошибкам при оценке температуры внутри камеры высокого давления.

Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в расширении функциональных возможностей устройства, а именно в возможности изучения процессов образования и разложения газогидратов в мутной среде, а также уточнение характеристик процесса образования и разложения газогидратов за счет повышения точности измерения температуры процессов.

Технический результат достигается стендом для исследования образования и разложения газогидратов, состоящим из камеры высокого давления, пульта управления, блока температуры, включающего систему регулирования температуры и датчик температуры, блока видеорегистрации, датчика давления, системы напуска водогазовой смеси, соединенной через насос и сопло с камерой высокого давления, при этом датчик давления, блок видеорегистрации и система регулирования температуры соединены с пультом управления и установлены на камере высокого давления, стенд дополнительно содержит акустический блок, который соединен с пультом управления, и расположен на камере высокого давления, а датчик температуры установлен внутри камеры.

На фиг. схематически изображен заявляемый стенд для исследования образования и разложения газогидратов, где 1 - пульт управления, 2 - блок видеорегистрации, 3 - датчик давления, 4 - акустический блок, 5 - камера высокого давления, 6 - система напуска водогазовой смеси, 7 - насос, 8 - сопло, 9 - блок температуры, выполненный раздельно и состоящий из 10 - системы регулирования температуры и 11 - датчика температуры.

Стенд для исследования образования и разложения газогидратов работает следующим образом. Первоначально оператор производит напуск водогазовой смеси из системы напуска водогазовой смеси (6) в насос (7). Затем с помощью насоса (7) через сопло (8) производится поступление водогазовой смеси в камеру высокого давления (5). Значение давления в камере высокого давления контролируется на пульте управления (1) по индикации величины давления, измеренной датчиком давления (3). Затем оператор на пульте управления (1) задает необходимые параметры для температуры. Сигнал с пульта управления поступает на систему регулирования температуры (10) блока температуры (9) и блок видеорегистрации (2). Система регулирования температуры (10) производит соответствующее изменение температуры внутри камеры высокого давления (5) путем ее нагрева или охлаждения. Температура внутри камеры (5) измеряется датчиком температуры (11). Блок видеорегистрации (2) производит съемку процессов, происходящих в камере (5), и передает сигнал в блок управления (1) для визуализации изображения и его регистрации. Одновременно акустический блок (4) производит регистрацию акустического сигнала в камере высокого давления (5) и передает сигнал в блок управления (1) для регистрации и обработки.

При изучении особенностей образования и всплытия газовых пузырьков в условиях образования газогидратов стенд работает следующим образом. На камере высокого давления (5) устанавливается сопло (8) с нужными внешними размерами и внутренним диаметром. Затем с помощью насоса (7) через сопло (8) производится поступление воды в камеру высокого давления (5). Значение давления в камере высокого давления (5) контролируется на пульте управления (1) по индикации величины давления, измеренной датчиком давления (3). Затем оператор на пульте управления (1) задает необходимые параметры для температуры. Сигнал с пульта управления (1) поступает на систему регулирования температуры (10) блока температуры (9), которая производит соответствующее изменение температуры внутри камеры (5). После достижения установленных параметров сигнал с пульта управления (1) поступает на блок видеорегистрации (2), который начинает съемку процессов, происходящих в камере высокого давления (5), и передает сигнал в блок управления (1) для визуализации изображения и его регистрации. Оператор производит напуск газа из системы напуска водогазовой смеси с помощью насоса (7) через сопло (8) в камеру высокого давления (5). В результате в камере высокого давления (5) на выходе сопла (8) образуются пузырьки, диаметр которых при отрыве определяется внутренним диаметром сопла (8). Процессы, происходящие при отрыве пузырьков от сопла (8), а также при образовании и разложении газогидратов сопровождаются генерацией акустических сигналов, которые регистрируются акустическим блоком (4) и передаются в блок управления (1) для регистрации и обработки.

Достижение заявленного технического результата, а именно расширение функциональных возможностей стенда, заключающееся в возможности изучения процессов образования и разложения газогидратов не только в прозрачной, но и в мутной среде, а также в уточнении количественных характеристик процессов образования и разложения, обеспечивается тем, что в заявляемом стенде помимо оптического наблюдения процессов происходит регистрация акустического сигнала при образовании и разложении газогидрата, а измерение температуры процессов производится непосредственно внутри камеры высокого давления. Технически это достигается тем, что установка дополнительно оборудована акустическим блоком, соединенным с пультом управления, а блок температуры выполнен раздельно и состоит из связанных между собой системы регулирования температуры, установленной на камере высокого давления, и датчика температуры, установленного внутри камеры

Конкретное аппаратурное оформление заявляемой установки, а именно, пульт управления, камера высокого давления, система регулирования температуры, блок видеорегистрации, датчик давления, датчик температуры, система напуска водогазовой смеси, насос, являются стандартными и их характеристики зависят от поставленной задачи и требуемой точности. Пульт управления может быть выполнен на базе персонального компьютера. Сопло может быть изготовлено, например, из нержавеющей стали. Акустический блок может быть выполнен из акустического датчика и стандартного усилителя акустических сигналов. Акустический датчик может быть стандартным, например пьезокерамическим, и устанавливается на камере высокого давления с обеспечением хорошего акустического контакта.

Заявителем был создан и испытан стенд для исследования образования и разложения газогидратов. Пульт управления был выполнен на базе обычного персонального компьютера. Система регулирования температуры была выполнена на базе промышленного контроллера фирмы ОВЕН ТРМ-210 с использованием в качестве охлаждающих элементов стандартных термоэлектрических модулей Пельтье. Датчик температуры был выполнен из термопары K-типа. В качестве датчика давления использовался цифровой датчик давления (тип A-10, фирмы Wika), в качестве насоса - насос высокого давления (модель HIP 112-5.75-5, http://www.highpressure.com/pdfs/section/ps.pdf). Блок видеорегистрации был выполнен на базе цифрового микроскопа UM012B с матрицей 2 мегапикселя и восьмью светодиодами для подсветки. Основу системы напуска водогазовой смеси составили стандартный баллон с метаном с рабочим давлением 19,6 МПа и емкость с водой. Основу камеры высокого давления составил прозрачный цилиндр из лейкосапфира длиной 50 мм с внутренним диаметром 11 мм и внешним диаметром 30 мм. В качестве газа использовался метан или углекислый газ. Для исследования пузырьков использовался набор сопел из нержавеющей стали с диаметром выходного отверстия от 0.2 мм до 3 мм, что позволило получать в камере высокого давления пузырьки диаметром от 0.5 до 7 мм. Акустический блок был выполнен на базе стандартного акустического усилителя и пьезокерамического акустического датчика диаметром 5 мм и толщиной 0.5 мм, который устанавливался на камеру высокого давления вблизи сопла. Проведены исследования особенностей образования и разложения газогидратной корки на поверхности пузырьков метана и углекислого газа при температуре в диапазоне 0-5°C и давлении 1-8 МПа в условиях, когда камера высокого давления была заполнена прозрачной водой и мутной средой (вода с осадками). Эксперименты показали, что во всех случаях моменты отрыва пузырьков от сопла, образования и разложения газогидратов на поверхности пузырьков и стенках камеры высокого давления сопровождались генерацией акустического сигнала с амплитудой, превышающей фоновые значения.

Заявляемое устройство позволяет регистрировать моменты отрыва пузырьков от сопла, а также образование и разложение газогидратов не только оптическим, но и акустическим методами, что позволяет проводить исследование не только в прозрачной, но и в мутной среде. Поскольку датчик температуры установлен внутри камеры высокого давления, то точность измерения температуры внутри камеры высокого давления по сравнению с прототипом повышается, что позволяет получить более точные характеристики протекающих процессов.

Стенд для исследования образования и разложения газогидратов, состоящий из камеры высокого давления, пульта управления, блока температуры, включающего систему регулирования температуры и датчик температуры, блока видеорегистрации, датчика давления, системы напуска водогазовой смеси, соединенной через насос и сопло с камерой высокого давления, при этом датчик давления, блок видеорегистрации и система регулирования температуры соединены с пультом управления и установлены на камере высокого давления, отличающийся тем, что стенд дополнительно содержит акустический блок, который соединен с пультом управления и расположен на камере высокого давления, а датчик температуры установлен внутри камеры.

Похожие патенты: