[发明专利]一种超临界CO2

权利要求书

1.一种超临界CO₂置换开采CH₄水合物的实验装置，其特征在于，包括CH₄水合物生成系统，超临界CO₂生成系统、反应釜主体装置、温度控制系统以及气样分析系统；所述CH₄水合物生成系统包括CH₄气瓶(1)、第一三通阀(8)和真空泵(6)；

所述超临界CO₂生成系统包括CO₂气瓶(2)、CO₂加热装置(9)、CO₂加热管线(10)、缓冲罐(11)、活塞釜(14)、CO₂平流泵(15)和岩棉管保温材料(27)；

所述温度控制系统包括外循环水浴夹套(31)和一台制冷加热控温循环机(32)，夹套外部包裹有岩棉管保温材料(27)；

所述气样分析系统包括取样活塞容器(23)、第二三通阀(21)和气相色谱分析仪(34)，在取样活塞容器(23)内，通过扩大容器体积使得流出的流体膨胀气化后，通过气相色谱分析仪(34)得到组分情况，并输送到电脑(35)上显示结果并保存；

混合气回收系统包括膜分离组件(19)，CH₄/CO₂混合气经过膜分离组件(19)分别回收利用CH₄和CO₂；

所述CH₄气瓶(1)通过管线与气体流量计(18)、反应釜主体装置(25)顺次连接，所述反应釜主体装置(25)，其上部法兰开有三个进料口，内部装有一根伸至釜底端的不锈钢鼓泡管(26)，底部开有一个出料口；所述出料口与取样活塞容器(23)连接，所述取样活塞容器(23)的出口设置有第二三通阀(21)分别与气相色谱分析仪(34)和回收CH₄/CO₂混合气的膜分离组件(19)连接；所述反应釜主体装置(25)外设置有外循环水浴夹套(31)，且所述外循环水浴夹套(31)与制冷加热控温循环机(32)连接，所述外循环水浴夹套(31)外部包裹有岩棉管保温材料(27)；所述CH₄气瓶(1)与气体流量计(18)之间的管道上设置有第一三通阀(8)，通过所述第一三通阀(8)与真空泵(6)连接；

所述CO₂气瓶(2)与设置于CO₂加热装置(9)内的CO₂加热管线(10)、缓冲罐(11)和活塞釜(14)顺次连接，所述活塞釜(14)与CO₂平流泵(15)连接；所述活塞釜(14)通过管道与反应釜主体装置(25)连接；所述活塞釜(14)与反应釜主体装置(25)之间管道上包裹有岩棉管保温材料(27)；

所述的CO₂加热管线(10)为螺旋状管线；

还包括数据采集系统；所述数据采集系统包括第一压力传感器(12)、第一温度传感器(13)、第二温度传感器(28)、第二压力传感器(29)和第三温度传感器(30)、气体流量计(18)、数据采集仪(33)和电脑(35)，实时监测并记录数据，并通过数据采集仪(33)输送到电脑(35)上显示和保存；所述第一压力传感器(12)、第一温度传感器(13)分别插设于活塞釜(14)上；所述第二温度传感器(28)、第二压力传感器(29)和第三温度传感器(30)分别插设于反应釜主体装置(25)内，所述数据采集仪(33)与电脑(35)连接，所述电脑(35)与气相色谱分析仪(34)连接；所述数据采集仪(33)分别与第一压力传感器(12)、第一温度传感器(13)、第二温度传感器(28)、第二压力传感器(29)和第三温度传感器(30)连接；

还包括截止阀；所述截止阀包括第一截止阀(7)、第二截止阀(17)、第三截止阀(5)、第四截止阀(16)、第五截止阀(24)、第六截止阀(22)和第七截止阀(20)；所述第一截止阀(7)位于第一三通阀(8)与真空泵(6)之间的管线上；所述第二截止阀(17)位于第一三通阀(8)与气体流量计(18)之间的管线上；所述第三截止阀(5)位于CO₂减压阀(4)与CO₂加热管线(10)之间的管线上；所述第四截止阀(16)位于活塞釜(14)与反应釜主体装置(25)之间的管线上；所述第五截止阀(24)位于反应釜主体装置(25)与取样活塞容器(23)之间的管线上；所述第六截止阀(22)位于第二三通阀(21)与气相色谱(34)之间的管线上；所述第七截止阀(20)位于第二三通阀(21)与膜分离组件(19)之间的管线上；

还包括减压阀；所述减压阀包括CH₄减压阀(3)和CO₂减压阀(4)；所述CH₄减压阀(3)位于CH₄气瓶(1)与第一三通阀(8)之间的管线上；所述CO₂减压阀(4)位于CO₂气瓶(2)与第三截止阀(5)之间的管线上；

所述的CO₂加热装置(9)和CO₂平流泵(15)连接；

所述的膜分离组件(19)是聚酰亚胺中空纤维膜组件。

2.一种如权利要求1所述的超临界CO₂置换开采CH₄水合物的实验装置的使用方法，其特征包括以下步骤：

(1)检查反应釜气密性良好后，向釜内填满石英砂和冰粉的混合物，抽真空后关闭第一截止阀，打开第二截止阀，利用鼓泡管向反应釜内通入甲烷气至～10.0Mpa，随后将体系温度设定至2℃，通过控制减压阀，实现7.5MPa恒压生成CH₄水合物，并用气体质量流量计测量充入反应釜的CH₄量；

(2)在CH₄水合物生成过程结束前，启动超临界CO₂生成系统，关闭第四截止阀，打开第三截止阀、CO₂循环加热装置和CO₂平流泵，在活塞釜内生成超临界CO₂；

(3)在CH₄水合物生成过程结束后，关闭CH₄减压阀，将体系温度降至271.15K，利用CH₄水合物自保护效应，打开第一截止阀和第二截止阀迅速排空釜内残余CH₄气，并用气体质量流量计测量排出的CH₄量；

(4)关闭第一截止阀，打开第四截止阀，利用CO₂注射泵将超临界CO₂逐步注入反应釜内，注入次数为4-6次，每次注入的恒定速率为2.5-5mL·min^-1，注入间隔为12h，即总的反应时间为48-72h；

(5)每次注入超临界CO₂后，打开第五截止阀，将流出的流体收集在取样活塞容器内，并扩大取样活塞容器体积，使得流出的流体膨胀气化成气体后，打开第六截止阀，通入气相色谱仪测量气体组分，测得气体组分情况；

(6)关闭第六截止阀，打开第七截止阀，缩小取样活塞容器体积，将开采得到的CH₄/CO₂混合气通入膜分离组件，分别分离和回收CH₄和CO₂；

(7)当前后两次测得气相组分中CH₄含量变化小于1％，打开第五截止阀，利用取样活塞容器扩大体积，将反应釜内压力降低至CO₂液化温度压力以下，使得反应釜内和取样活塞容器内的CO₂均处于气态，利用气相色谱分别测量得到反应釜内和取样活塞容器内的气相组分情况，计算CH₄置换率；

(8)调节水浴温度至25℃，分解釜内水合物，扩大取样活塞容器体积，打开第五截止阀，将釜内气体排空到取样活塞容器中，打开第七截止阀，将釜内CH₄/CO₂混合气经过膜分离组件，分别分离回收CH₄和CO₂。