变压可控气体置换反应装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术属于岩土工程海底含气沉积物的人工模拟制样试验设备技术领域，具体公开了一种变压可控气体置换反应装置。本装置包括固定在同一底座上表面的反应釜和量筒，可通过调节反应釜及量筒内的压力，实现不同压力下的气体置换反应及气体产出量的精确量测；可建立恒温条件下，不同压力环境中气体吸附性固体颗粒的质量与其置换出的气体间的定量关系，基于这一关系，实现含气土样制备的人为定量控制。制备土样中，借助沸石特殊的晶体结构和强亲水性，且沸石比重与土颗粒比重相近，将吸附饱和甲烷气体的沸石颗粒与土颗粒均匀混合，而后加入水，用水置换出沸石颗粒中吸附的甲烷气体，从而形成含气泡土体，所制备的含气土样均匀。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本技术属于岩土工程海底含气沉积物的人工模拟制样试验设备
，具体公开了一种变压可控气体置换反应装置。本装置包括固定在同一底座上表面的反应釜和量筒，可通过调节反应釜及量筒内的压力，实现不同压力下的气体置换反应及气体产出量的精确量测；可建立恒温条件下，不同压力环境中气体吸附性固体颗粒的质量与其置换出的气体间的定量关系，基于这一关系，实现含气土样制备的人为定量控制。制备土样中，借助沸石特殊的晶体结构和强亲水性，且沸石比重与土颗粒比重相近，将吸附饱和甲烷气体的沸石颗粒与土颗粒均匀混合，而后加入水，用水置换出沸石颗粒中吸附的甲烷气体，从而形成含气泡土体，所制备的含气土样均匀。【专利说明】变压可控气体置换反应装置
本技术涉及岩土工程海底含气沉积物的人工模拟制样试验设备
，具体涉及一种变压可控气体置换反应装置。
技术介绍
海底浅层气通常指在海底面以下IOOOm之内沉积物中所聚集的气体。浅层气的组分主要包括甲烷、二氧化碳、硫化氢、乙烷等，其中一般以甲烷含量最高，普遍分布在湖泊、河谷、海湾、三角洲等水域以及含油气资源相对丰富的海域地层中。气体主要源自于有机质分解形成的生物成因气和深部油气、地幔及岩浆活动所产后经上部运移被封闭在浅部沉积层中的气体。气体常以游离气泡、溶解或水气化合物等赋存形态赋存于沉积物中，常将以水合物赋存的含气沉积物称为天然气水合物，而将以游离气、溶解气形态赋存的含气沉积物称为含气土。含气土中富含的气体可作为能源加以利用，但又会因为土中含有气体而导致工程性状恶化，给工程带来灾害。如:海底含气土常引发海岸滑坡、土体液化、基础沉陷、油气井喷、平台倾覆、井壁垮塌、管线断裂等灾害事故，给海洋油气勘探与开发、钻井平台、港口码头、跨海隧道、海底输油管线和通讯电缆等工程建设和近海岸基础设施构成严重威胁，是海洋工程中的重要安全隐患。含气土被认为是土颗粒、孔隙水、气体、压力、温度及上覆层完美平衡的产物，一旦平衡被打破，就会导致其工程性状迅速发生改变。人们虽然已认识到海底含气土的危害性问题，但开展的科学研究却十分有限，尤其缺乏对其土力学特性的研究，主要困难源于土中气体压力大，且易于逸散，难以获取现场原状含气土土样。即便采用特殊装备能够获得保压原状土样品，仍然受到对室内试验环境要求过高、难以二次加工、试样不均匀等问题的困扰，促使室内人工模拟技术成为研究该类土的基础技术。人工模拟首先需要解决的就是含气土的制样问题。目前，有采用厌氧发酵微生物与土颗粒混合，在适宜的环境中利用微生物发酵产生甲烷气体，来模拟含气土的天然形成过程，进而制成含气土样的方法。但该法费时、费力，更重要的是含气土中气体量无法实现人为定量控制，所制样品不均匀，且所制样品间不具备可重复性，只能用于特定的模型试验研究，而对于一般的室内三轴试验无法使用。也有采用非饱和土的制备方法，利用空气或氮气逐步驱替饱和土中水分的方法来制备含气土样的方法，但该方法只能制备饱和度小于85%，土中气相连续的土样，而实际的海底含气沉积土中气体以游离气泡形式存在，饱和度一般均大于85%，故该方法亦无法有效实现海底含气土样的人工模拟制备。
技术实现思路
针对现有技术中存在的不足，本技术的一个目的在于提供了一种变压可控气体置换反应装置，利用该装置可以实现不同压力环境下土中气体含量的定量控制，进而制备出符合实验要求的含气土样。该专利技术目的通过下述技术方案实现:—种变压可控气体置换反应装置，包括反应釜、量筒和底座，所述反应釜和量筒固定在底座上表面；为便于外部观测反应釜内部的液面变化，所述反应釜的侧壁设有竖向观察窗，观察窗为透明材质，可选用透明耐压玻璃板，与反应釜体组装为一体，并保持整个反应釜的密闭性与耐压性。所述反应釜和量筒上端开口，分别盖有反应釜密封盖和量筒密封盖，进一步，反应釜与反应釜密封盖、量筒与量筒密封盖均通过螺纹连接，保证反应釜和量筒的密闭；所述反应釜由耐高压材料制备而成，其耐压极限不低于5MPa，反应釜的容积可根据需要确定；所述反应釜密封盖的外表面为平面，内表面为内凹的圆锥形，在反应釜密封盖内形成一个内凹圆锥形空间，使得反应釜密封盖为边缘厚中间薄的盖体结构；所述反应釜密封盖内表面内凹的圆锥形顶部开孔，开孔处设反应釜进排气口，所述反应釜进排气口的管道上设置有反应釜压力表，所述反应釜进排气口的开口处设置有反应釜进排气阀门，反应釜进排气阀门用于控制排出或充入反应釜内气体，反应釜压力表则用于量测反应釜内的压力；所述反应爸密封盖上还设有一个进水口和两个排水口 ；所述进水口设置于反应釜密封盖的一侧，所述进水口处开平孔贯穿至反应釜密封盖内表面，内表面的孔口处安装有进水管，进水管从反应釜密封盖内的内凹圆锥形空间穿出并伸进反应釜内，开平孔的高度低于内凹圆锥形的锥顶，这样将反应釜内部与外部进水系统连通；反应釜密封盖外进水口处的管道上安装有进水口阀门，进水口阀门用于切断外部进水系统与反应釜内部的联系，所述反应釜内的进水管的耐压极限同反应釜，也不低于5MPa ；所述两个排水口分别为第一排水口和第二排水口 ；所述第二排水口设置于反应釜密封盖的另一侧，与所述进水口相对，所述第二排水口处开平孔贯穿至反应釜密封盖内表面，开孔高度同进水口，内表面的孔口处安装有排水滤管，所述排水滤管伸入至反应釜内距离反应釜底面3?5cm处，排水滤管由过滤头和耐压管组成，过滤头设置于耐压管的下端，过滤头用于过滤反应釜内的固体颗粒物，确保排出的液体中不会带走反应釜内的固体颗粒物质，给试验造成误差，所述耐压管的耐压极限同反应釜，也不低于5MPa ；反应釜密封盖外部的第二排水口孔口外接耐压排水连接管的一端，耐压排水连接管的另一端穿过量筒密封盖伸至量筒内，所述耐压排水连接管上设有第二阀门；所述第一排水口设置在反应釜密封盖的侧壁，所述第一排水口位于进水口和第二排水口之间，所述第一排水口处开平孔，开孔高度与反应釜密封盖内的内凹圆锥形的锥顶齐平，平孔贯穿至反应釜密封盖内表面的锥顶，反应釜密封盖外的第一排水口的管道上安装有第一阀门，用于切断反应釜内液体向外溢流的通道，所述反应釜密封盖如此结构的目的在于液体经进水口输进密闭的反应釜内后，能彻底排尽釜内的所有气体，确保反应釜内部空间全部被液体充满，而不残余气体。由于所述量筒上盖有量筒密封盖，因此与一般敞口量筒不同，为密封量筒容器，量筒采用耐压透明材料制成圆筒形，筒体壁面带有分格刻度用于计量体积，耐压极限与反应釜匹配，不低于5MPa ；所述量筒密封盖上还开设有一个孔，该孔与管道相连，管道的一端伸进量筒内；另一端在量筒外，为量筒进排气口 ；在管道上沿着排气方向依次设有量筒压力表和量筒进排气阀门，量筒压力表用于量测量筒内压力。本技术的变压可控气体置换反应装置的整体与各组成部件的尺寸可以根据试验精度要求灵活设置，量筒刻度的精度可根据需要分格。所述两个压力表(反应釜压力表和量筒压力表)可根据试验要求的压力范围来选择量程合适的气压表，机械式、电测式等均可，无其它特别要求。所述变压可控气体置换反应装置中各管路/道除耐压能力均需满足与反应釜一致的极限压力要求，即均不低于5MPa以外，各管路/道的管内径不宜过大，宜选择(p3mm ?(p5mm;各管路/道上的阀门本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种变压可控气体置换反应装置，包括反应釜、量筒和底座，所述反应釜和量筒固定在底座上表面；所述反应釜的侧壁设有竖向观察窗，观察窗为透明材质；所述反应釜和量筒上端开口，分别盖有反应釜密封盖和量筒密封盖；所述反应釜密封盖的外表面为平面，内表面为内凹的圆锥形，在反应釜密封盖内形成一个内凹圆锥形空间；所述反应釜密封盖内表面内凹的圆锥形顶部开孔，开孔处设反应釜进排气口，所述反应釜进排气口的管道上设置有反应釜压力表，所述反应釜进排气口的开口处设置有反应釜进排气阀门；所述反应釜密封盖上还设有一个进水口和两个排水口；所述进水口设置于反应釜密封盖的一侧，所述进水口处开平孔贯穿至反应釜密封盖内表面，内表面的孔口处安装有进水管，进水管从反应釜密封盖内的内凹圆锥形空间穿出并伸进反应釜内，开平孔的高度低于内凹的圆锥形的锥顶；反应釜密封盖外进水口处的管道上安装有进水口阀门；所述两个排水口分别为第一排水口和第二排水口；所述第二排水口设置于反应釜密封盖的另一侧，与所述进水口相对，所述第二排水口处开平孔贯穿至反应釜密封盖内表面，开孔高度同进水口，内表面的孔口处安装有排水滤管，所述排水滤管伸入至反应釜内距离反应釜底面3～5cm处，排水滤管由过滤头和耐压管组成，过滤头设置于耐压管的下端，过滤头用于过滤反应釜内的固体颗粒物；反应釜密封盖外部的第二排水口孔口外接耐压排水连接管的一端，耐压排水连接管的另一端穿过量筒密封盖伸至量筒内，所述耐压排水连接管上设有第二阀门；所述第一排水口设置在反应釜密封盖的侧壁，所述第一排水口位于进水口和第二排水口之间，所述第一排水口处开平孔，开孔高度与反应釜密封盖内的内凹圆锥形的锥顶齐平，平孔贯穿至反应釜密封盖内表面的锥顶，反应釜密封盖外的第一排水口的管道上安装有第一阀门；所述量筒密封盖上还开设有一个孔，该孔与管道相连，管道的一端伸进量筒内；另一端在量筒外，为量筒进排气口；在管道上沿着排气方向依次设有量筒压力表和量筒进排气阀门。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王勇，孔令伟，杨爱武，王艳丽，许鹏程，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：新型
国别省市：湖北;42