[發明專利]一種模擬電場條件下水合物相變的微尺度實驗裝置及方法

在審

• 申請號: 202110664468.0
• 申請日: 2021-06-16
• 公開（公告）號: CN113358703A
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發明（設計）人: 徐加放;李慕儀;王博聞;郝勇超;王金堂;丁廷稷;王健;王亞華
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: G01N27/00
• 分類號: G01N27/00;G01N31/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種模擬電場條件下水合物相變的微尺度實驗裝置及方法，該裝置包括微尺度水合物反應器和配套的流體注入系統、溫度控制系統、圖像采集系統、電場發生裝置及氣液收集裝置。本發明能夠應用于多種外加電場的水合物微尺度實驗，如電場對多孔介質中水合物相變的影響、電場對水合物抑制劑作用效果的影響、電場對水合物記憶效應的影響等；且能夠在微流控芯片通道中形成多個等間距的相界面，便于控制反應的氣液比例，縮短水合物在微尺度下生成所需的時間；并在提高芯片夾具密封性的基礎上，使芯片的拆卸和更換更簡便，具有良好的可操作性和創新性。

技術領域

本發明涉及天然氣水合物室內模擬實驗領域，具體涉及一種模擬電場條件下水合物相變的微尺度實驗裝置及方法。

背景技術

氣體水合物是一種由小分子氣體和水分子在一定的溫度、壓力下形成的非化學計量型固態類冰化合物。水分子之間通過較強的氫鍵形成多面體籠型結構，氣體分子則在范德華力作用下包圍在晶格中，故又稱為籠型水合物。其中，天然氣水合物是指由烴類氣體分子和水分子組成的晶體化合物，俗稱可燃冰，是一種新型能源，具有資源量大、分布廣、埋藏淺、清潔無污染等特點。因此，天然氣水合物具有極高的研究價值，已成為國內外學者研究的熱點。

水合物的相變過程實際上是一個三相平衡變化的過程，研究各種條件下水合物的三相平衡條件及其影響因素，可以提供水合物的生成或分解信息。因此，相變研究是天然氣水合物勘探開發、管道水合物防控和CO₂埋存、海水淡化等涉及水合物分解和生成的技術領域中最基礎和最重要的前沿問題。

目前已有研究證明電場可以改變水的物理化學性質，影響水的結冰過程。而水合物的結構性質與冰相似，且水合物的生成過程與水結冰的過程相似，因此外加電場也很可能是一種潛在的控制水合物相變的方法，在此方面需要開展進一步的研究。

微流控技術是一種研究、處理和控制納微米尺度流體的技術，它可以在微米甚至納米通道結構中對流體進行流動控制和傳質。當前外加電場的水合物實驗研究較少，且大多在宏觀反應釜中放置電極作為反應場所，不能直接觀察水合物在電場下的變化。而通過微流控技術進行外加電場實驗，不僅可以縮小實驗尺度，對電場和其他實驗條件實現精確控制，而且可以模擬多孔介質中的孔隙環境，對水合物的動態生成和分解過程實時可視測量，從而揭示水合物在電場作用下的相變規律。因此，使用微流控方法研究電場作用下水合物的生成和分解過程具有重要的意義。

根據調研結果，目前還沒有一套適用于模擬電場條件下水合物相變的微尺度實驗裝置。一方面，水合物微流控實驗技術尚不成熟；另一方面，兼具外加電場和水合物可視化的功能難以實現。

發明內容

本發明為了探究外加電場的水合物在微尺度下的反應過程，針對現有技術的不足，提供一種模擬電場條件下水合物相變的微尺度實驗裝置。

與現有實驗裝置相比，本發明的有益效果是：

(1)本發明實現了在水合物微尺度實驗中外加電場，使用微流控芯片降低了達到一定電場強度所需的電壓，單面局部鍍膜的ITO玻璃電極便于安裝和調整，均保證了實驗的安全性；

(2)本發明改良了微流控芯片夾具與管線的連接方式，在提高夾具密封性的基礎上，使管線的拆卸和更換更簡便；

(3)本發明可在芯片通道內形成若干等間距的氣-液界面，便于控制反應的氣液比例，增大了氣體和水的接觸面積，縮短了水合物在微尺度下生成所需的時間，提高了實驗效率；

(4)本發明能夠應用于多種外加電場的微尺度水合物生成和分解實驗，如電場對多孔介質中水合物相變的影響、電場對水合物抑制劑作用效果的影響、電場對水合物記憶效應的影響等，具有良好的可操作性和創新性。

附圖說明

圖1為本發明所述的一種模擬電場條件下水合物相變的微尺度實驗裝置示意圖；

圖2為本發明所述的金屬夾具、下電極和芯片的組合示意圖；