本實(shí)用新型涉及煤礦安全開采領(lǐng)域，特別是涉及一種確定含重?zé)N煤不同組分配比的氣體吸附量的實(shí)驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

煤層氣屬于非常規(guī)天然氣，主要以吸附狀態(tài)賦存與煤層中。煤層氣是一種新型潔凈能源，開采這種能源對(duì)保護(hù)人類的生存環(huán)境、解決煤炭開采安全問題、實(shí)施可持續(xù)發(fā)展等都具有十分重要的意義。中國煤層氣資源儲(chǔ)量豐富，據(jù)2006年煤層氣資源評(píng)價(jià)結(jié)果，我國埋深2000m以淺煤層氣資源量為36.8×10¹²m³，位居世界第二位。

煤層氣的主要組分是CH₄，次要組分含有CO₂、N₂和重?zé)N(C₂₊)等，煤除了可以吸附CH₄外，還能吸附CO₂、N₂、C₂H₆、C₃H₈等氣體。中國煤層氣組分多以干氣為主，但盤江、鄂東、攀枝花等中階煤地區(qū)出現(xiàn)濕氣，煤層氣成分異常，重?zé)N濃度達(dá)到5％-43％。煤層中重?zé)N類氣體組分的含量由高到低依次為：C₂H₆、C₃H₈、C₄H₁₀，其中C₂H₆組分占到重?zé)N氣體的90％以上。因此采用純甲烷氣體進(jìn)行煤的等溫吸附解吸實(shí)驗(yàn)，所獲得的煤儲(chǔ)層的吸附解吸特性不能真正代表煤儲(chǔ)層的真實(shí)情況。如果據(jù)此來判斷煤層氣資源量、煤儲(chǔ)層特性參數(shù)和評(píng)價(jià)煤層氣產(chǎn)能時(shí)，勢(shì)必會(huì)影響煤層氣開發(fā)。

目前，實(shí)驗(yàn)室主要用單一組分的吸附裝置進(jìn)行甲烷吸附量的測試，對(duì)于含重?zé)N煤層氣等溫吸附特性未見報(bào)道，因此，提出一種針對(duì)含重?zé)N煤層的實(shí)驗(yàn)室測試氣體吸附量的方法十分有必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種確定含重?zé)N煤不同組分配比的氣體吸附量的實(shí)驗(yàn)裝置，能夠在實(shí)驗(yàn)室中快速的測定出含重?zé)N煤樣不同組分配比的氣體吸附量，能夠完善和豐富多元?dú)怏w吸附解吸理論，深入了解煤層氣儲(chǔ)集機(jī)理，評(píng)價(jià)煤層氣開發(fā)潛力，促進(jìn)儲(chǔ)層模擬研究。

為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種確定含重?zé)N煤不同組分配比的氣體吸附量的實(shí)驗(yàn)裝置，包括自動(dòng)配氣裝置、儲(chǔ)存罐、氣相色譜儀、自動(dòng)氣體采集裝置、真空泵、煤樣罐、恒溫箱、三通閥門、四通閥門，自動(dòng)配氣裝置與儲(chǔ)存罐通過第一連接管相連通，儲(chǔ)存罐與三通閥門通過第二連接管相連通，三通閥門與真空泵通過第三連接管相連通，三通閥門與四通閥門通過第四連接管相連通，四通閥門與氣相色譜儀通過第五連接管相連通，四通閥門與自動(dòng)氣體采集裝置通過第六連接管相連通，四通閥門與煤樣罐通過第七連接管相連通，其中第一連接管上設(shè)有第一高壓閥門，第四連接管上設(shè)有第二高壓閥門，第五連接管上設(shè)有第三高壓閥門，第六連接管上設(shè)有第四高壓閥門，第七連接管上設(shè)有第五高壓閥門，所述煤樣罐位于恒溫箱中。

所述第三連接管上設(shè)有真空計(jì)。

所述煤樣罐上連接有壓力表。

本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：本實(shí)用新型的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法能夠在實(shí)驗(yàn)室中快速的測定出含重?zé)N煤樣不同組分配比的氣體吸附量，完善和豐富多元?dú)怏w吸附解吸理論，深入了解煤層氣儲(chǔ)集機(jī)理，評(píng)價(jià)煤層氣開發(fā)潛力，促進(jìn)儲(chǔ)層模擬研究。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型實(shí)施方式實(shí)驗(yàn)樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線圖。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

如圖1所示，本實(shí)用新型提供了一種確定含重?zé)N煤不同組分配比的氣體吸附量的實(shí)驗(yàn)裝置，包括自動(dòng)配氣裝置1、儲(chǔ)存罐2、氣相色譜儀3、自動(dòng)氣體采集裝置4、真空泵5、煤樣罐6、恒溫箱7、三通閥門8、四通閥門9，自動(dòng)配氣裝置1與儲(chǔ)存罐2通過第一連接管10相連通，儲(chǔ)存罐2與三通閥門8通過第二連接管11相連通，三通閥門8與真空泵5通過第三連接管12相連通，三通閥門8與四通閥門9通過第四連接管13相連通，四通閥門9與氣相色譜儀3通過第五連接管14相連通，四通閥門9與自動(dòng)氣體采集裝置4通過第六連接管15相連通，四通閥門9與煤樣罐6通過第七連接管16相連通，其中第一連接管10上設(shè)有第一高壓閥門17，第四連接管13上設(shè)有第二高壓閥門18，第五連接管14上設(shè)有第三高壓閥門19，第六連接管15上設(shè)有第四高壓閥門20，第七連接管16上設(shè)有第五高壓閥門21，所述煤樣罐6位于恒溫箱7中。

所述第三連接管12上設(shè)有真空計(jì)22，便于顯示整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)的真空氣壓壓強(qiáng)。

所述煤樣罐6上連接有壓力表23，便于顯示煤樣罐內(nèi)的氣體氣壓壓強(qiáng)。

使用時(shí)，按照以下步驟操作即可：

第一步：首先將從現(xiàn)場采集的煤樣進(jìn)行粉碎和篩分，制成煤粉粒度為0.17mm～0.25mm的實(shí)驗(yàn)樣品，然后將煤粉實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行平衡水分處理，稱取100g實(shí)驗(yàn)樣品裝入煤樣罐6中，并進(jìn)行密封處理，最后將密封好的煤樣罐6放置于恒溫箱7中。

第二步：檢查實(shí)驗(yàn)裝置的氣密性，確認(rèn)實(shí)驗(yàn)裝置沒有漏氣情況后，打開第一高壓閥門17、第二高壓閥門18、第三高壓閥門19、第四高壓閥門20、第五高壓閥門21，打開真空泵5對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行抽真空處理，當(dāng)真空計(jì)22顯示的真空度低于10Pa時(shí)，停止抽真空。

第三步：將恒溫箱7的溫度設(shè)定為20℃，打開第一高壓閥門17、第二高壓閥門18、第四高壓閥門20、第五高壓閥門21，關(guān)閉第三高壓閥門19，利用自動(dòng)配氣裝置1分別將純氣體CH₄和純氣體C₂H₆充入煤樣罐6中，并且通過煤樣罐6上的壓力表23觀察煤樣罐6內(nèi)氣體的吸附壓力，并達(dá)到所要求的不同吸附平衡壓力，本實(shí)施例中其吸附平衡壓力分別設(shè)定為1MPa、2MPa、3MPa、4MPa、5MPa、6MPa、7MPa、8MPa、9MPa，通過儲(chǔ)存罐2和自動(dòng)氣體采集裝置4分別測出純氣體CH₄和純氣體C₂H₆各自的吸附量，利用Langmuir模型得到CH₄的Langmuir體積和Langmuir壓力及C₂H₆的Langmuir體積和Langmuir壓力。

第四步：利用自動(dòng)配氣裝置1將CH₄的體積摩爾分?jǐn)?shù)與C₂H₆的體積摩爾分?jǐn)?shù)分成四種不同的組分配比，將恒溫箱7的溫度設(shè)定為20℃，然后打開第一高壓閥門17、第二高壓閥門18、第四高壓閥門20、第五高壓閥門21，關(guān)閉第三高壓閥門19，進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)，本實(shí)施例中將CH₄的體積摩爾分?jǐn)?shù)與C₂H₆的體積摩爾分?jǐn)?shù)分配比分成95％:5％、80％:20％、60％:40％、50％:50％。

當(dāng)CH₄的體積摩爾分?jǐn)?shù)和C₂H₆的體積摩爾分?jǐn)?shù)分配比是95％:5％時(shí)，當(dāng)煤樣罐6內(nèi)的實(shí)驗(yàn)樣品吸附平衡以后，達(dá)到不同的吸附平衡壓力情況下，本實(shí)施例中吸附平衡壓力分別設(shè)定為0.54MPa、1.76MPa、2.95MPa、4.59MPa、6.72MPa、8.15MPa。關(guān)閉第一高壓閥門17、第二高壓閥門18、第四高壓閥門20，打開第三高壓閥門19、第五高壓閥門21，利用氣相色譜儀3測定二元混合氣體的游離相摩爾分?jǐn)?shù)，然后關(guān)閉第一高壓閥門17、第二高壓閥門18、第三高壓閥門19，打開第四高壓閥門20、第五高壓閥門21，通過儲(chǔ)存罐2和自動(dòng)氣體采集裝置4測出不同CH₄的體積摩爾分?jǐn)?shù)和C₂H₆的體積摩爾分?jǐn)?shù)分配比總的吸附量。

同樣的操作過程，當(dāng)CH₄的體積摩爾分?jǐn)?shù)和C₂H₆的體積摩爾分?jǐn)?shù)分配比是80％:20％，吸附平衡壓力分別設(shè)定為0.61MPa、1.64MPa、2.85MPa、4.64MPa、6.83MPa、8.03MPa時(shí)，測出不同CH₄的體積摩爾分?jǐn)?shù)和C₂H₆的體積摩爾分?jǐn)?shù)分配比總的吸附量。

當(dāng)CH₄的體積摩爾分?jǐn)?shù)和C₂H₆的體積摩爾分?jǐn)?shù)分配比是60％:40％，吸附平衡壓力分別設(shè)定為0.59MPa、1.72MPa、2.77MPa、4.50MPa、6.61MPa、8.08MPa時(shí)，測出不同CH₄的體積摩爾分?jǐn)?shù)和C₂H₆的體積摩爾分?jǐn)?shù)分配比總的吸附量。

當(dāng)CH₄的體積摩爾分?jǐn)?shù)和C₂H₆的體積摩爾分?jǐn)?shù)分配比是50％:50％，吸附平衡壓力分別設(shè)定為0.71MPa、1.70MPa、2.91MPa、4.55MPa、6.79MPa、8.10MPa時(shí)測出不同CH₄的體積摩爾分?jǐn)?shù)和C₂H₆的體積摩爾分?jǐn)?shù)分配比總的吸附量。

將不同CH₄的體積摩爾分?jǐn)?shù)和C₂H₆的體積摩爾分?jǐn)?shù)分配比，在設(shè)定的不同吸附平衡壓力下總的吸附量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。

其中當(dāng)自動(dòng)配氣裝置1向儲(chǔ)氣罐2內(nèi)添加氣體的時(shí)候，控制第一高壓閥門17及自動(dòng)配氣裝置1上壓力表的讀數(shù)可以準(zhǔn)確的計(jì)算出進(jìn)入儲(chǔ)氣罐2內(nèi)的氣體量，以此來實(shí)現(xiàn)CH₄和C₂H₆的準(zhǔn)確分配比，在這里儲(chǔ)氣罐2只作為一個(gè)臨時(shí)存儲(chǔ)氣體的裝置，儲(chǔ)氣罐2對(duì)進(jìn)入煤樣罐6內(nèi)的氣體起到一個(gè)參考對(duì)照的作用。

第五步：利用分離關(guān)系式和x₁+x₂＝100％，可以得到四種不同組分配比時(shí)的各組分吸附相摩爾分?jǐn)?shù)，根據(jù)質(zhì)量守恒定律和二元混合氣體等溫吸附實(shí)驗(yàn)測定的總吸附量，即可分別計(jì)算出CH₄和C₂H₆各自的吸附量，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

式中：x_i、x_j表示在吸附相中組分i、j的摩爾分?jǐn)?shù)，y_i、y_j表示在游離相中組分i、j的摩爾分?jǐn)?shù)，V_Li、V_Lj表示氣體i、j的Langmuir體積，P_Li、P_Lj表示氣體i、j的Langmuir壓力。

表1 CH₄和C₂H₆混合氣體不同分配比在等溫吸附實(shí)驗(yàn)中的吸附相濃度和吸附量

第六步：分別計(jì)算出四種不同組分配比的CH₄吸附相摩爾分?jǐn)?shù)與C₂H₆吸附相摩爾分?jǐn)?shù)的比值γ，并將γ與對(duì)應(yīng)的吸附平衡壓力P的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，得到指數(shù)函數(shù)關(guān)系同時(shí)將指數(shù)關(guān)系中的參數(shù)A、B、C與不同組分配比x進(jìn)行回歸，得到A＝0.29x+0.38，B＝0.58x+0.55，C＝0.25x+2.35，將參數(shù)A、B、C重新帶入γ，得到

第七步：如圖2所示，對(duì)四種不同組分配比下CH₄與C₂H₆吸附總量，按照Langmuir模型進(jìn)行擬合，可以得到四種不同組分配比下各自的Langmuir體積和Langmuir壓力，然后與不同組分配比x進(jìn)行擬合，得到二元混合氣體在吸附平衡壓力P時(shí)總的吸附量為：聯(lián)立方程y+z＝100％。

將方程y+z＝100％聯(lián)立起來，式中：表示CH₄、C₂H₆各自的吸附量；y表示二元混合氣體中CH₄的吸附摩爾分?jǐn)?shù)；z表示二元混合氣體中C₂H₆的吸附摩爾分?jǐn)?shù)。因此，在已知CH₄和C₂H₆混合氣體分配比時(shí)，可快速得到不同吸附平衡壓力P下CH₄與C₂H₆各自的吸附量。

本實(shí)用新型的實(shí)驗(yàn)裝置能夠在實(shí)驗(yàn)室中快速的測定出含重?zé)N煤樣不同組分配比的氣體吸附量，能夠完善和豐富多元?dú)怏w吸附解吸理論，深入了解煤層氣儲(chǔ)集機(jī)理，評(píng)價(jià)煤層氣開發(fā)潛力，促進(jìn)儲(chǔ)層模擬研究。

本專利中使用了“第一”、“第二”等詞語來限定零部件的話，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知曉：“第一”、“第二”的使用僅僅是為了便于描述本實(shí)用新型和簡化描述，上述詞語并沒有特殊的含義。

以上顯示和描述了本實(shí)用新型的基本原理、主要特征和本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實(shí)用新型不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本實(shí)用新型的原理，在不脫離本實(shí)用新型精神和范圍的前提下本實(shí)用新型還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的實(shí)用新型范圍內(nèi)。本實(shí)用新型要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及等同物界定。