本發(fā)明涉及一種基于微焦點X射線CT的水合物生長速率及有效體積測量裝置及方法，屬于新能源與新材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著世界工業(yè)的高度發(fā)展，傳統(tǒng)化石能源的需求和消耗急劇增大，能源短缺問題成為每個國家不得不面對的問題之一。水合物由于其儲量巨大，能量密度高，受到世界各國的廣泛關(guān)注。日本等國先后開展了水合物的現(xiàn)場試開采，但是由于各方面的限制因素，開采效果并不理想。水合物開采分解過程實質(zhì)上是水合物生成的逆過程；另一方面，在油氣輸送管道中，水合物的生成經(jīng)常會引起管路堵塞，發(fā)生安全事故。另外，基于水合物的氣體分離、海水淡化及污水處理等應用技術(shù)不斷發(fā)展，水合物生成是水合物應用技術(shù)的基礎(chǔ)。因此，理解水合物的生成過程、生長速率及有效體積對于增強水合物開采、預防水合物引起的管路堵塞及水合物應用技術(shù)推廣具有重要意義。

但是，目前的水合物生長速率及有效體積測量仍然停留在以光學顯微鏡為主要手段的表面階段，并不能觀察到球形水合物內(nèi)部物質(zhì)分布規(guī)律，難以精確計算水合物生成速率及有效體積。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種基于微焦點X射線CT的水合物生長速率及有效體積測量裝置及方法，其目的在于精確測量水合物生長速率及有效體積，深刻理解水合物生成過程。

一種基于微焦點X射線CT的水合物生長速率及有效體積測量裝置，包括微焦點X射線CT掃描系統(tǒng)、溫度控制及檢測系統(tǒng)、反應物添加系統(tǒng)和反應釜；

所述的反應釜通過反應釜底座24底部的定位栓28固定在CT載物臺11上，外套筒19和內(nèi)套筒20的上下兩端均通過小O型圈22分別與反應釜底座24和上封頭26密封相連；水滴臺21位于內(nèi)套筒20內(nèi)部，固定在反應釜底座24上，水滴臺21下部為空心圓柱狀，上部為內(nèi)凹半球狀，內(nèi)套筒20和外套筒19均為空心圓柱狀。

所述的微焦點X射線CT掃描系統(tǒng)由X射線發(fā)射源4發(fā)射X射線穿過反應釜，接收器5接收衰減后的X射線；微焦點X射線CT3與計算機2相連；微焦點X射線CT3拍攝所得圖像分為水29、水合物30和水合劑31；

所述的溫度控制及檢測系統(tǒng)包括制冷循環(huán)水浴9和熱電偶12；制冷循環(huán)水浴9中的冷卻液通過水浴出口7，經(jīng)過第二閥門10b與反應釜底座24側(cè)面的冷卻液入口27相連，冷卻液通過反應釜上封頭26的冷卻液出口18，依次經(jīng)過第一閥門10a和水浴入口8回流至制冷循環(huán)水浴9，冷卻液循環(huán)管路由橡膠管6連接；熱電偶12一端通過數(shù)據(jù)采集儀1與計算機2連接，另一端從上封頭26插入內(nèi)套筒20；

所述的反應物添加系統(tǒng)包括水合劑注入部分和水注入部分；水合劑罐15依次通過第六閥門10f、第二注射泵13b和第三閥門10c由反應釜上封頭26正中心的水合劑入口17進入反應釜內(nèi)套筒20；水箱16依次通過第五閥門10e、第一注射泵13a和第四閥門10d由反應釜底座24側(cè)面的水入口25進入反應釜水滴臺21；水合劑注入部分和水注入部分的注入管路采用不銹鋼管路14連接；

一種基于微焦點X射線CT的水合物生長速率及有效體積測量方法，步驟如下：

步驟一，打開計算機2和數(shù)據(jù)采集儀1，設(shè)置微焦點X射線CT3操作參數(shù)；

步驟二，打開第二閥門10b和第一閥門10a，開啟制冷循環(huán)水浴9，設(shè)置制冷循環(huán)水浴9溫度在大氣壓對應水合劑相平衡溫度以下；

步驟三，打開第六閥門10f和第二注射泵13b，設(shè)置第二注射泵13b的流量，將水合劑罐15中的水合劑注入第二注射泵13b中，關(guān)閉第五閥門10f，打開第三閥門10c，向反應釜內(nèi)套管20注入水合劑，關(guān)閉第三閥門10c和第二注射泵13b；

步驟四，打開第五閥門10e和第一注射泵13a，設(shè)置第一注射泵13a的流量，將水箱16中的水注入第一注射泵13a中，關(guān)閉第五閥門10e，打開第四閥門10d，向反應釜內(nèi)套管20注入一個水滴，關(guān)閉第四閥門10d和第一注射泵13a；

步驟五，打開微焦點X射線CT3的發(fā)射源4，接收器5開始接收X射線，通過計算機2操作，多次拍攝水合物生成狀況，得到CT灰度圖，記錄兩次拍攝時間t_i、t_i+1；

步驟六，對步驟五所得CT灰度圖處理及三維重建，得到圖像中球形水29的半徑R₁，球形水合物30的半徑為R₂，球形水合劑31的半徑為R₃，則球形水合物有效體積為4π(R₂³-R₁³)/3，生長速率為4π(R₂³-R₁³)/3(t_i+1-t_i)。

所述的內(nèi)套筒20和外套筒19采用透明有機玻璃，反應釜底座24采用不銹鋼材料，水合劑應為能夠生成水合物的液體。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明公開一種基于微焦點X射線CT的水合物生長速率及有效體積測量裝置及方法，屬于新能源與新材料領(lǐng)域。本發(fā)明由包括微焦點X射線CT掃描系統(tǒng)、溫度控制及檢測系統(tǒng)、反應物添加系統(tǒng)、反應釜四部分組成，利用微焦點X射線CT對單個水滴的水合物生成過程進行動態(tài)拍攝，能夠精確計算水合物的生成速率及有效體積，有助于加深對水合物生成過程的理解，對水合物開采、水合物流動安全及水合物應用技術(shù)具有重要指導意義。

附圖說明

圖1是一種基于的球狀水合物生長速率及有效體積測量裝置圖。

圖2是反應釜示意圖。

圖3是微焦點X射線拍攝CT球狀水合物生成灰度圖示意圖。

圖中：1數(shù)據(jù)采集儀；2計算機；3微焦點X射線CT；4發(fā)射源；5接收器；6橡膠管；7水浴出口；8水浴入口；9制冷循環(huán)水??；10閥門；11CT載物臺；12熱電偶；13注射泵；14不銹鋼管路；15水合劑罐；16水箱；17水合劑入口；18冷卻液出口；19外套筒；20內(nèi)套筒；21水滴臺；22小O型圈；23大O型圈；24反應釜底座；25水入口；26上封頭；27冷卻液入口；28定位栓；29水；30水合物；31水合劑。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和技術(shù)方案，進一步說明本發(fā)明的具體實施方式。

實施例

一種基于微焦點X射線CT的水合物生長速率及有效體積測量方法，步驟如下

步驟一，打開計算機2和數(shù)據(jù)采集儀1，設(shè)置微焦點X射線CT3操作參數(shù)；

步驟二，打開第二閥門10b和第一閥門10a，開啟制冷循環(huán)水浴9，設(shè)置制冷循環(huán)水浴9溫度在大氣壓對應水合劑相平衡溫度以下；

步驟三，打開第六閥門10f和第二注射泵13b，設(shè)置第二注射泵13b的流量，將水合劑罐15中的水合劑注入第二注射泵13b中，關(guān)閉第五閥門10f，打開第三閥門10c，向反應釜內(nèi)套管20注入水合劑，關(guān)閉第三閥門10c和第二注射泵13b；

步驟四，打開第五閥門10e和第一注射泵13a，設(shè)置第一注射泵13a的流量，將水箱16中的水注入第一注射泵13a中，關(guān)閉第五閥門10e，打開第四閥門10d，向反應釜內(nèi)套管20注入一個水滴，關(guān)閉第四閥門10d和第一注射泵13a；

步驟五，打開微焦點X射線CT3的發(fā)射源4，接收器5開始接收X射線，通過計算機2操作，多次拍攝水合物生成狀況，得到CT灰度圖，記錄兩次拍攝時間t_i、t_i+1；

步驟六，對步驟五所得CT灰度圖處理及三維重建，得到圖像中球形水29的半徑R₁，球形水合物30的半徑為R₂，球形水合劑31的半徑為R₃，則球形水合物有效體積為4π(R₂³-R₁³)/3，生長速率為4π(R₂³-R₁³)/3(t_i+1-t_i)。