СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ И РАЗЛОЖЕНИЯ ГАЗОГИДРАТОВ

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 метана.
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 возможным 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-ЗМ», которая выбрана в качестве прототипа (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 и патрубок 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°С 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.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении универсальности установки при изучении особенностей образования и всплытия газовых пузырьков в условиях образования газогидратов, а именно в возможности изучения указанных процессов для пузырьков газа различного диаметра.
Технический результат достигается стендом для исследования образования и разложения газогидратов, который состоит из камеры высокого давления, с установленными на ней блоком температуры, блоком видеорегистрации и датчиком давления, соединенными с пультом управления, системы напуска водогазовой смеси, соединенной через насос, патрубок и сопло с камерой высокого давления.
На фиг.1 схематически изображен предложенный стенд для исследования образования и разложения газогидратов. Он состоит из пульта управления (1), блока температуры (2), блока видеорегистрации (3), датчика давления (4), камеры высокого давления (5), системы напуска водогазовой смеси (6), насоса (7), патрубка (8) и сопла (9).
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 патрубок (8) и сопло (9) производится поступление водогазовой смеси в камеру высокого давления (5). Значение давления в камере высокого давления контролируется по индикации величины давления, измеренной датчиком давления (4), на пульте управления (1). Затем оператор на пульте управления (1) задает необходимые параметры для температуры. Сигнал с пульта управления поступает на блоки температуры (2) и видеорегистрации (3). Блок температуры (2) производит соответствующее изменение температуры камеры высокого давления (5) путем ее нагрева или охлаждения. Блок видеорегистрации (3) производит съемку процессов, происходящих в камере высокого давления (5), и передает сигнал в блок управления (1) для визуализации изображения и его регистрации.
При изучении особенностей образования и всплытия газовых пузырьков в условиях образования газогидратов стенд для исследования образования и разложения газогидратов работает следующим образом. Первоначально на камере высокого давления (5) устанавливается сопло (9) с нужными внешними размерами и внутренним диаметром. Затем оператор производит напуск воды из системы напуска водогазовой смеси (6) в насос (7). Затем с помощью насоса (7) через патрубок (8) и сопло (9) производится поступление воды в камеру высокого давления (5). Значение давления в камере высокого давления (5) контролируется по индикации величины давления, измеренной датчиком давления (4), на пульте управления (1). Затем оператор на пульте управления (1) задает необходимые параметры для температуры. Сигнал с пульта управления (1) поступает на блок температуры (2), который производит соответствующее изменение температуры камеры высокого давления (5) путем ее нагрева или охлаждения. После достижения установленных параметров сигнал с пульта управления (1) поступает на блок видеорегистрации (3), который производит 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 (6) в насос (7). Затем с помощью насоса (7) через патрубок (8) и сопло (9) производится поступление газа в камеру высокого давления (5). В результате в камере высокого давления (5) на выходе сопла (9) образуются пузырьки, диаметр которых при отрыве определяется внутренним диаметром сопла (9).
Достижение заявленного технического результата, а именно повышения универсальности установки при изучении особенностей образования и всплытия газовых пузырьков, происходит за счет того, что в предлагаемом стенде для исследования образования и разложения газогидратов появляется возможность получения пузырьков различного диаметра. Технически это достигается тем, что установка дополнительно содержит сопло, установленное на камере высокого давления и соединенное с выходом патрубка.
Конкретное аппаратурное оформление заявляемой установки, а именно, пульт управления, камера высокого давления, блок температуры, блок видеорегистрации, датчик давления, 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. Крепления сопла к патрубку и камере высокого давления являются стандартными, обеспечивающими надежное, герметичное соединение с учетом высоких давлений и используемого диапазона рабочих температур.
Авторами был создан и испытан стенд для исследования образования и разложения газогидратов. Пульт управления был выполнен на базе обычного персонального компьютера. Блок температуры был выполнен на базе промышленного контроллера фирмы ОВЕН ТРМ-200 с использованием в качестве датчика температуры термопары К-типа. Термостатирование осуществлялось с помощью элементов Пельтье в сочетании с терморегулятором фирмы ОВЕН ТРМ-210. В качестве датчика давления использовался цифровой датчик давления (тип А-10, фирмы Wika), в качестве насоса - насос высокого давления (модель HIP 112-5.75-5, http://www.highpressure.com/pdfs/section/ps.pdf), а в качестве патрубка - капилляр высокого давления из нержавеющей стали S316 с внешним диаметром 1\16 дюйма. 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. Для получения и исследования пузырьков различного диаметра был изготовлен набор сопел из нержавеющей стали длиной 15-20 мм с диаметром выходного отверстия от 0.2 мм до 3 мм, что позволило получать в камере высокого давления пузыри диаметром от 0.5 до 7 мм. Проведены исследования особенностей образования и всплытия пузырьков метана различного диаметра при температуре 4°С и давлении 5 МПа.
Таким образом, созданный стенд для исследования образования и разложения газогидратов позволил достичь заявленного технического результата, а именно, повысить универсальность при изучении особенностей образования и всплытия газовых пузырьков в условиях образования газогидратов, которая заключается в возможности изучения указанных процессов для пузырьков газа различного диаметра.