專利名稱：用于氫氣水合物特性研究的可視化實驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可視化實驗裝置，尤其涉及一種用于氫氣水合物特性研究的可視
化實驗裝置。
背景技術(shù)：
能源是人類社會存在的基石。隨著社會發(fā)展、人口增長，人類對能源的需求將越來 越大。以煤、石油、天然氣等為代表的化石能源是當(dāng)前的主要能源。但化石能源屬不可再生 資源，在地球上的儲量是有限的，而且化石能源的大量使用，造成了越來越嚴(yán)重的環(huán)境污染 問題。因此，可持續(xù)發(fā)展的壓力迫使人類去尋找更為清潔的新型能源，比如氫能。氫能具有 諸多優(yōu)點，如氫燃燒釋能后的產(chǎn)物是水，沒有任何污染，是清潔能源；氫的來源廣泛，既可 以由化石燃料轉(zhuǎn)換而來，也可以由太陽能、風(fēng)能分解水而來，是可再生能源，取之不盡，用之 不竭；氫具有很高的燃燒熱值，燃燒lkg氫氣可產(chǎn)生1. 25X 106Kj的熱量，相當(dāng)于3kg汽油 或4. 5kg焦炭完全燃燒所放出的熱量。由此可以預(yù)見，未來社會將從以碳為基礎(chǔ)的化石能 源經(jīng)濟形態(tài)轉(zhuǎn)變成以氫為基礎(chǔ)的清潔能源經(jīng)濟形態(tài)，人類最終將進入"氫能"時代。
目前來看，氫能的儲存是氫經(jīng)濟發(fā)展的主要瓶頸。氫能工業(yè)對儲氫的要求是儲氫 系統(tǒng)要安全、容量大、成本低、使用方便。美國能源部將儲氫系統(tǒng)的目標(biāo)定為質(zhì)量密度為 6.5X，體積密度為62kg H2/m3。目前采用或正在研究的主要儲氫材料與技術(shù)，包括高壓氣 態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、金屬氫化物儲氫、碳基材料儲氫、有機液體氫化物儲氫等。與以上材 料、技術(shù)相比，采用水合物的方式儲存氫能具有很多的優(yōu)點首先，儲氫和放氫過程完全互 逆，儲氫材料為水，放氫后的剩余產(chǎn)物也只有水，對環(huán)境沒有污染，而且水在自然界中大量 存在且價格低廉；其次，形成和分解的溫度壓力條件相對較低、速度快、能耗少。從粉末冰形 成氫水合物只需要幾分鐘，從塊狀冰形成氫水合物只需要幾小時。因為氫氣以分子的形態(tài) 包含在水分子中，釋放氫也比較容易，不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，只需要常溫常壓就行了。因此，研 究采用水合物的方式來儲存氫氣是很有意義的，美國、歐洲l、日本、加拿大和韓國等已經(jīng)開 始了初步的實驗研究和理論分析工作。 水合物儲氫技術(shù)能否得到實際應(yīng)用的關(guān)鍵是氫氣水合物在較低壓力、較高溫度的
條件下能否快速密實生成。目前制備氣體水合物主要有三種不同的反應(yīng)器攪拌式反應(yīng)器、
鼓泡式反應(yīng)器和噴霧式反應(yīng)器。這三種反應(yīng)器均是采用擾動的方式來增加氣-水接觸面
積，降低氣體水合物生成的驅(qū)動力(如降低壓力、升高溫度)，加快成核以減少誘導(dǎo)時間。 由于水合物儲氫技術(shù)的研究還處于初級階段，所以水合物快速密實生成的工藝技
術(shù)以及相應(yīng)的理論基礎(chǔ)還不成熟，有必要搭建相應(yīng)的實驗研究裝置，進一步開展不同擾動
方式、不同溫度、不同壓力下的氫氣水合物的相平衡特性、動力學(xué)特性研究。 在已有技術(shù)中，關(guān)于儲氫用高壓可視化水合物的實驗研究裝置不多。在《一種噴射
制備氣體水合物的可視化裝置》(申請?zhí)枮?00910038985. 6)的中國專利申請中，公開了一
種采用噴射器來增加氣_水接觸面積的技術(shù)，雖然可以大大提高水合物的生成速率，但系
統(tǒng)復(fù)雜、成本高、能耗大。此外，該可視化裝置采用橢圓形玻璃視窗來觀測實驗現(xiàn)象，觀測效
4果不佳，且難以記錄實驗過程中的圖像和視頻。
因此，迫切需要研發(fā)一種監(jiān)控便利且成本低廉的可視化裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、使用安全、監(jiān)控便利、且造價低 的用于氫氣水合物特性研究的可視化實驗裝置。 為了達到上述目的及其他目的，本發(fā)明提供的用于氫氣水合物特性研究的可視化
實驗裝置，包括儲存有氫氣且具有抽真空設(shè)備的供氣系統(tǒng)；儲存有水源且能計量水量的
供水系統(tǒng)；分別通過管道與所述供氣系統(tǒng)和所述供水系統(tǒng)相連接且具有腔體的高壓可視化
反應(yīng)釜，用于將所述供氣系統(tǒng)送入所述腔體內(nèi)的氫氣和供水系統(tǒng)送入所述腔體內(nèi)的水進行
反應(yīng)生成氫氣水合物、以及用于將生成的氫氣水合物予以分解，其中，各管道上分別設(shè)有控
制閥，所述抽真空設(shè)備用于抽取所述腔體內(nèi)的空氣；具有電機和攪拌葉片的攪拌設(shè)備，其
中，所述攪拌葉片設(shè)在所述腔體內(nèi)；具有夾套的溫度控制系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)所述高壓可視化反
應(yīng)釜的溫度，所述夾套裹附所述腔體，且其內(nèi)裝有冷媒；裝設(shè)在所述供氣系統(tǒng)與所述高壓可
視化反應(yīng)釜相連接的管道上且用于調(diào)節(jié)輸往所述高壓可視化反應(yīng)釜的氫氣的壓力的壓力
控制系統(tǒng)；以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其包括設(shè)在所述腔體內(nèi)且用于采集氫氣水合物生成及分解
過程圖像的電子內(nèi)窺鏡、設(shè)在所述腔體內(nèi)且用于感測溫度的溫度傳感器、設(shè)在所述腔體內(nèi)
且用于感測壓力的壓力傳感器、裝設(shè)在所述供氣系統(tǒng)與所述高壓可視化反應(yīng)釜相連接的管
道上且用于計量輸往所述高壓可視化反應(yīng)釜的氫氣流量的氣體流量計、與所述溫度傳感、
壓力傳感器、及氣體流量計相連接且用于采集氫氣流量、所述腔體內(nèi)的溫度和壓力數(shù)據(jù)的
數(shù)據(jù)采集儀、與所述數(shù)據(jù)采集儀和電子內(nèi)窺鏡相連接且用于處理所采集的溫度、壓力、氫氣
的流量及圖像數(shù)據(jù)，以便觀測氫氣水合物生成及分解的實驗過程的計算機。 較佳的，所述供氣系統(tǒng)可包括儲存氫氣的鋼瓶、通過第一管道與所述鋼瓶相連接
的緩沖罐、設(shè)在所述第一管道上的減壓閥和截止閥、裝在所述緩沖罐上的壓力表和安全閥；
所述抽真空設(shè)備通過第二管道與所述緩沖罐相連接，所述緩沖罐通過第三管道與所述高壓
可視化反應(yīng)釜連接，其中，所述第二管道上設(shè)有截止閥，所述第三管道上設(shè)有旁通閥；所述
抽真空設(shè)備可為真空泵。 較佳的，所述壓力控制系統(tǒng)可包括作為動力源的空壓機、被所述空壓機驅(qū)動的氣 體增壓泵、連接所述氣體增壓泵和所述第一管道的第四管道、設(shè)在所述第四管道上的截止 閥。 較佳的，所述供水系統(tǒng)可包括儲液杯、以及通過管道與所述儲液杯相連接且用于 計量水量的手動計量泵，其中，所述出水口設(shè)在所述手動計量泵上。 較佳的，所述腔體底部可設(shè)排水通道，在所述排水通道上可設(shè)排水閥；所述高壓可 視化反應(yīng)釜可設(shè)排氫氣通道，在所述排氫氣通道上可設(shè)排氣閥。 較佳的，所述溫度控制系統(tǒng)可包括用于制取一定溫度冷媒的恒溫水浴、連接所述
恒溫水浴和夾套的管道、及設(shè)在所述恒溫水浴和夾套相連的管道上的截止閥。 較佳的，所述夾套裹附所述腔體的側(cè)面。 綜上所述，本發(fā)明的用于氫氣水合物特性研究的可視化實驗裝置可以非常方便地 研究氫氣水合物在不同的溫度、壓力條件下，以及采用靜態(tài)法或是磁力攪拌法等不同擾動
5方法情況下的相平衡特性和動力學(xué)特性。實驗過程中，進氣、進水非常方便，可以自由調(diào)節(jié) 溫度、壓力，采集實驗數(shù)據(jù)(氣體流量、溫度、壓力、圖像、視頻)也很便捷精確。


圖1為本發(fā)明的用于氫氣水合物特性研究的可視化實驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
請參閱圖l，本發(fā)明的用于氫氣水合物特性研究的可視化實驗裝置至少包括供 氣系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、高壓可視化反應(yīng)釜、攪拌設(shè)備、溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、及數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)。 所述供氣系統(tǒng)用于提供氫氣，其包括儲存氫氣的鋼瓶1、通過第一管道與所述鋼 瓶1相連接的緩沖罐7、設(shè)在所述第一管道上的減壓閥2和截止閥30、裝在所述緩沖罐7上 的壓力表5和安全閥6、通過第二管道與所述緩沖罐7相連接的抽真空設(shè)備10、以及設(shè)在所 述第二管道上的截止閥8，所述緩沖罐7通過第三管道與所述高壓可視化反應(yīng)釜連接，且在 所述第三管道上設(shè)有旁通閥12。在本實施例中，所述抽真空設(shè)備為真空泵。
所述供水系統(tǒng)儲存有水源且能計量水量，其包括儲液杯24、以及通過管道與所 述儲液杯24相連接且用于計量水量的手動計量泵25。所述儲液杯24中的水流入所述手動 計量泵25的腔體內(nèi)，然后被所述手動計量泵25壓入所述高壓可視化反應(yīng)釜。
所述高壓可視化反應(yīng)釜分別通過管道與所述供氣系統(tǒng)和所述供水系統(tǒng)相連接，其 具有腔體28，用于將所述供氣系統(tǒng)送入所述腔體28內(nèi)的氫氣和供水系統(tǒng)送入所述腔體28 內(nèi)的水進行反應(yīng)生成氫氣水合物、以及用于將生成的氫氣水合物予以分解。所述腔體28具 有外螺紋，與端蓋17相連，所述端蓋17上安裝有和供氣系統(tǒng)相連的進氣口 18，用于進氣； 所述端蓋17上安裝有與供水系統(tǒng)相連的進水口 19，用于進水。所述腔體28底部設(shè)有排水 通道，在所述排水通道上設(shè)有排水口 31和排水閥32，所述高壓可視化反應(yīng)釜的端蓋17上設(shè) 有排氫氣通道，在所述排氫氣通道上設(shè)有排氣閥14。所述腔體28選用不銹鋼材料，其最高 耐壓可達60MPa。在所述進氣口 18與所述緩沖罐7相連的管道上設(shè)有控制閥，即截止閥9 和13，在所述進水口 19和所述手動計量泵25相連的管道上設(shè)有控制閥，即截止閥34。
所述攪拌設(shè)備可為永磁體攪拌機，其具有電機23和攪拌葉片33，所述電機23安裝 在所述端蓋17上，所述攪拌葉片插入所述腔體28內(nèi)，所述電機23通過磁感應(yīng)驅(qū)動所述攪 拌葉片33 ，用于攪拌所述高壓可視化反應(yīng)釜內(nèi)的氫氣和水。 所述溫度控制系統(tǒng)具有夾套16，用于調(diào)節(jié)所述高壓可視化反應(yīng)釜的溫度，所述夾 套16裹附所述腔體28，其內(nèi)裝有冷媒。所述溫度控制系統(tǒng)還包括用于制取一定溫度冷媒 的恒溫水浴15、連接所述恒溫水浴15和夾套16的管道、及設(shè)在所述恒溫水浴和夾套相連的 管道上的截止閥35和36。在本實施例中，所述夾套僅裹附所述腔體28的側(cè)面。
所述壓力控制系統(tǒng)裝設(shè)在所述供氣系統(tǒng)與所述高壓可視化反應(yīng)釜相連接的管道 上，用于調(diào)節(jié)輸往所述高壓可視化反應(yīng)釜的氫氣的壓力，其包括作為動力源的空壓機4、 被所述空壓機4驅(qū)動的氣體增壓泵3、連接所述氣體增壓泵3和所述第一管道的第四管道、 設(shè)在所述第四管道上的截止閥29。 所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括設(shè)在所述腔體28內(nèi)且用于采集氫氣水合物生成及分解過程圖像的電子內(nèi)窺鏡20、設(shè)在所述腔體28內(nèi)且用于感測溫度的溫度傳感器22、設(shè)在所述
腔體28內(nèi)且用于感測壓力的壓力傳感器21、裝設(shè)在所述供氣系統(tǒng)與所述高壓可視化反應(yīng)
釜相連接的管道上且用于計量輸往所述高壓可視化反應(yīng)釜的氫氣流量的氣體流量計11、與
所述溫度傳感22、壓力傳感器21、及氣體流量計11相連接且用于采集氫氣流量、所述腔體
內(nèi)的溫度和壓力數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集儀26、與所述數(shù)據(jù)采集儀26和電子內(nèi)窺鏡20相連接且用
于處理所采集的溫度、壓力、氫氣的流量、及圖像數(shù)據(jù)，以便觀測氫氣水合物生成及分解的
實驗過程的計算機27。 生成水合物的過程如下( — )進水儲存于儲液杯24中的水在手動計量泵25的推動下經(jīng)過進水口 19進 入所述腔體28 ; ( 二 )抽真空啟動真空泵IO，對腔體28、緩沖罐7、各種連接管道進行抽真空，排 除其中的空氣；(三)進氣開啟氫氣鋼瓶1，使氫氣經(jīng)過緩沖罐7、氣體流量計11、進氣口 18進入 腔體28 ;(四)設(shè)定壓力和溫度開啟空壓機4和氣體增壓泵3，對緩沖罐7和腔體28中的 氫氣進行加壓，同時開啟恒溫水浴15，對腔體28內(nèi)的反應(yīng)物進行降溫，使腔體28內(nèi)的壓力 和溫度達到可以生成氫氣水合物的條件；(五)開啟攪拌設(shè)備開啟攪拌電機23，設(shè)定到一定的轉(zhuǎn)數(shù)，使腔體28內(nèi)的氫氣和 水混合；(六)采集實驗數(shù)據(jù)開啟電子內(nèi)窺鏡20、數(shù)據(jù)采集儀26、計算機27，對氫氣水合 物的生成過程中的溫度、壓力、圖像、視頻進行采集和存儲，一直采集到氫氣水合物的生成 過程完成為止，整個生成過程中的溫度、壓力、圖像、視頻數(shù)據(jù)即可反映出該生成過程的動 力學(xué)特性。 所述用于氫氣水合物特性研究的可視化實驗裝置還可用于測定氫氣水合物的相 平衡特性，測定時采用觀察法，即在氫氣水合物生成過程完成的基礎(chǔ)上，調(diào)高恒溫水浴15 的冷媒溫度使其高于氫氣水合物的分解溫度，從而使氫氣水合物分解，當(dāng)僅有極少量的氫 氣水合物晶體存在時，保持溫度不變，使腔體28中的氫氣水合物能存在3小時，如果溫度稍 微浮動上升0. rC左右，腔體28中的氫氣水合物完全分解，則腔體28中壓力、溫度可以看作 是該氫氣水合物體系的相平衡數(shù)據(jù)，整個分解過程中的壓力、溫度、圖像、視頻數(shù)據(jù)即可以 反映出該分解過程的動力學(xué)特性。 由上可見，本發(fā)明的用于氫氣水合物特性研究的可視化實驗裝置的高壓可視化反 應(yīng)釜采用不銹鋼作為加工材料，采用螺紋方式連接端蓋與腔體，價格便宜，密封性能好，耐 壓最高可達60MPa ;此外，還采用永磁體攪拌器，其密封性能好，轉(zhuǎn)數(shù)調(diào)節(jié)方便；還采用電子 內(nèi)窺鏡觀測實驗過程，并且可以將實驗過程以圖像、視頻的方式記錄下來，密封性能好，觀 測效果好，圖像、視頻便于存儲、分析；還采用冷卻夾套調(diào)節(jié)腔體內(nèi)的溫度，不需要冷卻水 槽，可以簡化裝置，降低成本，高壓可視化反應(yīng)釜的放置也比較靈活；還采用氣體增壓泵調(diào) 節(jié)高壓可視化反應(yīng)釜內(nèi)的壓力，調(diào)節(jié)效果好；還采用手動計量泵向高壓可視化反應(yīng)釜注入 反應(yīng)水或溶液，操作方便，注入量可以精確計量；本發(fā)明的裝置既可以用于研究氫氣水合物 的相平衡特性，又可以研究氫氣水合物的動力學(xué)特性。
上述實施例僅列示性說明本發(fā)明的原理及功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉 此項技術(shù)的人員均可在不違背本發(fā)明的精神及范圍下，對上述實施例進行修改。因此，本發(fā) 明的權(quán)利保護范圍，應(yīng)如權(quán)利要求書所列。
權(quán)利要求
一種用于氫氣水合物特性研究的可視化實驗裝置，其特征在于包括儲存有氫氣的供氣系統(tǒng)，用于提供氫氣，其具有抽真空設(shè)備；儲存有水源且能計量水量的供水系統(tǒng)；分別通過管道與所述供氣系統(tǒng)和所述供水系統(tǒng)相連接且具有腔體的高壓可視化反應(yīng)釜，用于將所述供氣系統(tǒng)送入所述腔體內(nèi)的氫氣和供水系統(tǒng)送入所述腔體內(nèi)的水進行反應(yīng)生成氫氣水合物、以及用于將生成的氫氣水合物予以分解，其中，各管道上分別設(shè)有控制閥，所述抽真空設(shè)備用于抽取所述腔體內(nèi)的空氣；具有電機和攪拌葉片的攪拌設(shè)備，其中，所述攪拌葉片設(shè)在所述腔體內(nèi)；具有夾套的溫度控制系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)所述高壓可視化反應(yīng)釜的溫度，所述夾套裹附所述腔體，且其內(nèi)裝有冷媒；在所述供氣系統(tǒng)與所述高壓可視化反應(yīng)釜相連接的管道上裝設(shè)的壓力控制系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)輸往所述高壓可視化反應(yīng)釜的氫氣的壓力；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其包括設(shè)在所述腔體內(nèi)且用于采集氫氣水合物生成及分解過程圖像的電子內(nèi)窺鏡、設(shè)在所述腔體內(nèi)且用于感測溫度的溫度傳感器、設(shè)在所述腔體內(nèi)且用于感測壓力的壓力傳感器、裝設(shè)在所述供氣系統(tǒng)與所述高壓可視化反應(yīng)釜相連接的管道上且用于計量輸往所述高壓可視化反應(yīng)釜的氫氣流量的氣體流量計、與所述溫度傳感、壓力傳感器及氣體流量計相連接且用于采集氫氣流量、所述腔體內(nèi)的溫度和壓力數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集儀、與所述數(shù)據(jù)采集儀和電子內(nèi)窺鏡相連接且用于處理所采集的溫度、壓力、氫氣的流量及圖像數(shù)據(jù)，以便觀測氫氣水合物生成及分解的實驗過程的計算機。
2. 如權(quán)利要求1所述的用于氫氣水合物特性研究的可視化實驗裝置，其特征在于所 述供氣系統(tǒng)包括儲存氫氣的鋼瓶、通過第一管道與所述鋼瓶相連接的緩沖罐、設(shè)在所述第 一管道上的減壓閥和截止閥、裝在所述緩沖罐上的壓力表和安全閥。
3. 如權(quán)利要求2所述的用于氫氣水合物特性研究的可視化實驗裝置，其特征在于所 述抽真空設(shè)備通過第二管道與所述緩沖罐相連接，所述緩沖罐通過第三管道與所述高壓可 視化反應(yīng)釜連接，其中，所述第二管道上設(shè)有截止閥，所述第三管道上設(shè)有旁通閥。
4. 如權(quán)利要求2所述的用于氫氣水合物特性研究的可視化實驗裝置，其特征在于所 述壓力控制系統(tǒng)包括作為動力源的空壓機、被所述空壓機驅(qū)動的氣體增壓泵、連接所述氣 體增壓泵和所述第一管道的第四管道、設(shè)在所述第四管道上的截止閥。
5. 如權(quán)利要求1所述的用于氫氣水合物特性研究的可視化實驗裝置，其特征在于所 述抽真空設(shè)備為真空泵。
6. 如權(quán)利要求1所述的用于氫氣水合物特性研究的可視化實驗裝置，其特征在于所 述供水系統(tǒng)包括儲液杯、以及通過管道與所述儲液杯相連接且用于計量水量的手動計量 泵，其中，所述出水口設(shè)在所述手動計量泵上。
7. 如權(quán)利要求1所述的用于氫氣水合物特性研究的可視化實驗裝置，其特征在于所 述腔體底部設(shè)有排水通道，在所述排水通道上設(shè)有排水閥；所述高壓可視化反應(yīng)釜設(shè)有排 氫氣通道，在所述排氫氣通道上設(shè)有排氣閥。
8. 如權(quán)利要求1所述的用于氫氣水合物特性研究的可視化實驗裝置，其特征在于所 述溫度控制系統(tǒng)包括用于制取一定溫度冷媒的恒溫水浴、連接所述恒溫水浴和夾套的管 道、及設(shè)在所述恒溫水浴和夾套相連的管道上的截止閥。
9.如權(quán)利要求1所述的用于氫氣水合物特性研究的可視化實驗裝置，其特征在于所 述夾套裹附所述腔體的側(cè)面。
全文摘要
本發(fā)明的用于氫氣水合物特性研究的可視化實驗裝置，包括儲存有氫氣且具有抽真空設(shè)備的供氣系統(tǒng)；儲存有水源且能計量水量的供水系統(tǒng)；分別通過管道與供氣系統(tǒng)和供水系統(tǒng)相連接且具有腔體的高壓可視化反應(yīng)釜；具有電機和設(shè)在腔體內(nèi)的攪拌葉片的攪拌設(shè)備；具有夾套的溫度控制系統(tǒng)；裝設(shè)在供氣系統(tǒng)與高壓可視化反應(yīng)釜相連接的管道上且用于調(diào)節(jié)氫氣壓力的壓力控制系統(tǒng)；以及包括電子內(nèi)窺鏡、溫度傳感器、壓力傳感器、氣體流量計、數(shù)據(jù)采集儀和計算機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，此裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低，而且，采用本發(fā)明的裝置可進行氫氣水合物的相平衡特性研究，以及氫氣水合物生成、分解過程的動力學(xué)特性研究。
文檔編號G01N21/84GK101718710SQ200910199099
公開日2010年6月2日 申請日期2009年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月20日
發(fā)明者劉妮, 劉道平, 祁影霞, 謝應(yīng)明, 龔金明 申請人:上海理工大學(xué)