一种多孔介质吸附扩散动态自测实验系统

1.本实用新型涉及多孔介质吸附扩散技术领域，具体涉及一种多孔介质吸附扩散动态自测实验系统。


背景技术：

2.随着近年来我国经济的飞跃发展，对能源的需求量也稳步上涨，煤层气和页岩气能源的开发成为研究热点。因此研究瓦斯和页岩气在煤岩和页岩中的解吸扩散特性，对煤层气和页岩气的开发利用意义重大。煤岩、页岩、各种气体吸附剂等都是典型的多孔介质材料，其内部具有复杂的孔隙网络，这些孔隙
‑
裂缝系统为储气和运移提供了主要场所。多孔介质内气体运移可分为吸附、解吸、扩散和渗流。其中，气体的吸附和解吸扩散主要发生在微孔内，受到吸附浓度梯度和孔隙结构两方面影响。大量专家学者用吸附扩散系数来定量描述气体在多孔材料中的流动特征，而这些参数往往需要通过大量实验测试得出。这些吸附扩散实验耗时较长，特别是气体扩散阶段，实验人员往往需要进行长时间高频率的数据记录。然而，目前气体扩散实验大多采用排水法并用量筒读数，这种实验方式存在以下不足之处：1、研究人员通过人工读数要花费大量的时间和精力，而且很难高频率采集和记录数据；2、实验过程中量筒内液体液面在不断变化，人眼观测读数难免会存在较大误差，特别是气体扩散初期阶段速度较快，研究人员无法准确读数；3、根据理想气体状态方程可知，气体温度对体积存在较大影响。由于整个实验过程往往需要4个小时以上，因此外界环境温度的变化对实验的精度有较大影响；4、排水法测量时，量筒内气体与外界存在压差，此时气体体积会存在较大误差；5、排水法测量时，每次实验都要将量筒内重新充满水并检验气密性，操作繁琐费时费力。


技术实现要素：

3.针对现有吸附解吸实验装置存在的不足，本实用新型提出一种多孔介质吸附扩散动态自测实验系统。
4.为了实现上述技术目的，本实用新型采用如下技术方案：
5.一种多孔介质吸附扩散动态自测实验系统，包括：扩散气体恒温储集系统、数据高频自动采集系统、压差自动调平系统和气体恒温吸附系统，
6.扩散气体恒温储集系统包括底部通过软管连通的集气柱、储水柱，集气柱上方设有进气管，软管上设有水管，水管上设有三通阀门；集气柱、储水柱、软管、进气管外侧均套设有外层恒温水浴管，外层恒温水浴管内设有加热电阻丝，集气柱、储水柱内均设有去离子水，
7.压差自动调平系统包括储水柱下方设置的自动升降平台，集气柱去离子水液面上方设有漂浮板，漂浮板上方设有朝向储水柱方向的发射器，储水柱去离子水液面上方设有不透光油，储水柱远离集气柱的侧壁上设有条形感应开关，条形感应开关连接有升降开关，升降开关调节自动升降平台高度；集气柱上端设有排气管a，排气管a上设有排气阀a；储水
柱上端设有排气管b，排气管b上设有排气阀b；
8.数据高频自动采集系统包括设置于储水柱上方的超声波发射器、储水柱底端的金属板、与超声波发射器通过数据传输线连接的计算机；
9.气体恒温吸附系统通过管路连接进气管。
10.优选地，扩散气体恒温储集系统还包括调节加热电阻丝温度的数显水浴温度控制器。
11.优选地，扩散气体恒温储集系统还包括设置在集气柱下方的手动升降平台。
12.优选地，超声波发射器通过固定支架固定在储水柱上方，超声波发射器由直流电源通过电源线供电。
13.优选地，气体恒温吸附系统包括真空泵、吸附罐、参比罐、吸附气体钢瓶、氦气钢瓶，真空泵通过管路连接吸附罐，真空泵、吸附罐之间的管路上设有电磁阀c，电磁阀d的第一端通过管路连接在电磁阀c与吸附罐之间的管路上，电磁阀d的第二端通过管路连接电磁阀b的第一端，电磁阀b的第二端通过管路分别连接吸附气体钢瓶、氦气钢瓶，参比罐通过管路连接在电磁阀d第二端与电磁阀b第一端之间，参比罐出口处的管路上设有气体压力传感器，气体压力传感器与计算机信号连接，电磁阀a入口通过管路连接在电磁阀c与吸附罐之间的管路上，电磁阀a第一出口通过管路与进气管连接，电磁阀a第二出口通过管路连接外部空气，吸附罐和参比罐置于水槽中，水槽中设有水浴加热器。
14.优选地，气体恒温吸附系统还包括控制水浴加热器温度的恒温水浴控制器。
15.与现有技术相比，本实用新型的有益效果：
16.本实用新型从多孔介质吸附解吸扩散实验系统的整体优化设计出发，用压差自动调平系统和恒温系统解决了气体温度和压力变化带来的系统性误差。压差自动调平系统设计巧妙，光电感应控制灵敏度高可靠性强。利用超声波反射读取数据信息，能够做到高频率和高准确性读数。气体吸附平衡压力和扩散量变化数据实时记录在计算机上，通过公式编程计算可以实现实验数据的动态可视化显示，提高了科研工作效率。整个实验系统自动化程度高，很大程度上减少了人为操作带来的误差，同时为科研人员节省了大量时间。本实用新型适用范围广，能够进行各类多孔介质的吸附解吸扩散实验，同时可以研究不同温度、不同吸附压力、不同吸附气体种类对多孔介质吸附解吸扩散特性的影响。本实用新型操作简单、自动化程度高、数据精准、适用性广，与传统实验系统相比能够取得较好的实验效果。
附图说明
17.为了更清楚的说明本实用新型实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。
18.图1为本实用新型的结构示意图；
19.图2为不同吸附气体平衡压力下多孔介质气体扩散率曲线，qt为气体累计扩散量。
20.图中：1
‑
进气管；2
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外层恒温水浴管；3
‑
排气阀a；4
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排气管a；5
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发射器；6
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漂浮板；7
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去离子水；8
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加热电阻丝；9
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三通阀门；10
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软管；11
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水管；12
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手动升降平台；13
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排气管b；14
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排气阀b；15
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数显水浴温度控制器；16
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直流电源；17
‑
电源线；18
‑
超声波发射器；19
‑
固定支架；20
‑
储水柱；21
‑
集气柱；22
‑
不透光油；23
‑
条形感应开关；24
‑
金属板；25
‑
升降开关；26
‑
自动升降平台；27
‑
计算机；28
‑
数据传输线；29
‑
真空泵；30
‑
电磁阀a；31
‑
电磁阀b；32
‑
电磁阀c；33
‑
电磁阀d；34
‑
恒温水浴控制器；35
‑
水槽；36
‑
通气管路；37
‑
吸附罐；38
‑
气体压力传感器；39
‑
参比罐；40
‑
水浴加热器；41
‑
吸附气体钢瓶；42
‑
氦气钢瓶。
具体实施方式
21.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
22.实施例1
23.一种多孔介质吸附扩散动态自测实验系统，包括：扩散气体恒温储集系统、数据高频自动采集系统、压差自动调平系统和气体恒温吸附系统。
24.扩散气体恒温储集系统包括底部通过软管10连通的集气柱21、储水柱20，集气柱21、储水柱20为等截面圆柱或立方柱且两者截面面积相同，储水柱20高度为集气柱21高度的2倍。集气柱21下方的手动升降平台12，集气柱21上方设有进气管1，软管10上设有水管11，水管11上设有三通阀门9；集气柱21、储水柱20、软管10、进气管1外侧均套设有外层恒温水浴管2，外层恒温水浴管2内设有加热电阻丝8维持管内气体温度恒定，集气柱21、储水柱20内均设有去离子水7，加热电阻丝8温度通过数显水浴温度控制器15调节。
25.压差自动调平系统包括储水柱20下方设置的自动升降平台26，集气柱21去离子水7液面上方设有漂浮板6，漂浮板6上方设有朝向储水柱20方向的发射器5，发射器5为激光发射器或红外线发射器。储水柱20去离子水7液面上方设有不透光油22，储水柱20远离集气柱21的侧壁上设有条形感应开关23，条形感应开关23连接有升降开关25，升降开关25调节自动升降平台26高度。集气柱21上端设有排气管a4，所述排气管a4上设有排气阀a3；储水柱20上端设有排气管b13，排气管b13上设有排气阀b14，排气阀b14保持打开，使得储水柱20内部为一个大气压。
26.数据高频自动采集系统包括设置于储水柱20上方的超声波发射器18、储水柱20底端的金属板24、与超声波发射器18通过数据传输线28连接的计算机27；超声波发射器18通过固定支架19固定在储水柱20上方，超声波发射器18由直流电源16通过电源线17供电。
27.气体恒温吸附系统包括真空泵29、吸附罐37、参比罐39、吸附气体钢瓶41、氦气钢瓶42，吸附罐37和参比罐39内部容积相等。真空泵29通过管路36连接吸附罐37，真空泵29、吸附罐37之间的管路36上设有电磁阀c32，电磁阀d33的第一端通过管路36连接在电磁阀c32与吸附罐37之间的管路36上，电磁阀d33的第二端通过管路36连接电磁阀b31的第一端，电磁阀b31的第二端通过管路36分别连接吸附气体钢瓶41、氦气钢瓶42，参比罐39通过管路36连接在电磁阀d33第二端与电磁阀b31第一端之间，参比罐39出口处的管路36上设有气体压力传感器38，气体压力传感器38与计算机27信号连接，电磁阀a30入口通过管路36连接在电磁阀c32与吸附罐37之间的管路36上，电磁阀a30第一出口通过管路36与进气管1连接，电磁阀a30第二出口通过管路36连接外部空气，所述吸附罐37和参比罐39置于水槽35中，水槽35中设有水浴加热器40，水浴加热器40通过恒温水浴控制器34控制温度。
28.实施例2
29.一种多孔介质吸附扩散动态自测实验方法，包括如下步骤：
30.s1：打开三通阀门9向水管11中注入去离子水7，调节手动升降平台12和自动升降平台26高度，使得集气柱21中液面高度与排气管a4齐平，储水柱20中液面高度与集气柱21中液面高度齐平；
31.s2：将被测多孔介质固体放入吸附罐37，打开电磁阀c32和电磁阀d33，用真空泵29对吸附罐37、参比罐39抽真空12小时；
32.s3：关闭电磁阀d33，打开电磁阀b31向参比罐39中充入压力为p
h1
的氦气，然后关闭电磁阀b31，打开电磁阀d33，记录吸附罐37、参比罐39内压力p
h2
；
33.s4：打开电磁阀c32和电磁阀d33，用真空泵29对吸附罐37、参比罐39抽真空2小时；
34.s5：关闭电磁阀d33，打开电磁阀b31向参比罐39内充入压力为p
c1
的高纯吸附气体，然后关闭电磁阀b31，打开电磁阀d33，等待12小时使其达到吸附平衡，记录吸附罐37、参比罐39内压力p
c2
；
35.s6：打开电磁阀a30的第二出口，排空吸附罐37、参比罐39内的游离气体至气体压力传感器38示数为0.1mpa，即使得吸附罐37、参比罐39压力和外部大气压相同；然后关闭电磁阀a30的第二出口，打开电磁阀a30的第一出口；
36.s7：气体由进气管1扩散至集气柱21内，压差自动调平系统使得储水柱20、集气柱21液面平齐，过程如下：
37.气体由进气管1扩散至集气柱21内，使得储水柱20内液面升高，集气柱21液面降低，发射器5发射的光线穿过储水柱20的去离子水7照射在条形感应开关23上，条形感应开关23激活并控制升降开关25调节自动升降平台26的高度；直至储水柱20、集气柱21液面平齐，不透光油22遮挡发射器5发射的光线，条形感应开关23失活，自动升降平台26保持现有高度；
38.集气柱21内气体体积变化量等于储水柱20内去离子水7体积变化量，打开超声波发射器18和直流电源16，以固定的时间间隔垂直液面向下高频发射超声波，相邻两次发射超声波时间间隔为2s，超声波遇到不透光油22发生第一次反射，遇到储水柱20底部的金属板24发生第二次反射，超声波发射器18将反射信号通过数据传输线28传入计算机27并进行记录和计算；
39.计算机27计算标准状况下多孔介质的气体吸附量q
∞
，计算公式如下：
[0040][0041]
其中，t0、t
a
分别为标准状况下气体吸附、解吸扩散过程中的气体温度；p
h1
为充入参比罐的氦气压力；p0为标准状况下气体的压力；p
h2
为吸附罐氦气平衡压力；p
c1
为充入参比罐的吸附气体压力；p
c2
为吸附罐吸附气体的平衡压力；v
c
为系统中参比罐的体积；
[0042]
计算机27计算超声波发射器18相邻两次发射间隔的气体扩散的体积δv
d
，计算公式如下：
[0043][0044]
其中，分别为相邻两次发射超声波第一次发射时、第二次发射时液柱的体
积；v
w
为超声波在水中的波速；分别为相邻两次发射超声波第一次发射的第一次反射时间、第二次反射时间；分别为相邻两次发射超声波第二次发射的第一次反射时间、第二次反射时间；a为储水柱20的横截面积；
[0045]
s8：打开排气阀a3并升高自动升降平台26，由于压差作用气体从排气管a4中排出并无害处理，直至恢复步骤s1中液面的初始状态；
[0046]
s9：更换其他待测多孔介质固体，重复步骤s2
‑
s8，直至实验工作结束。
[0047]
实施例3
[0048]
一种多孔介质的气体吸附量动态自测实验方法，包括如下步骤：
[0049]
s1：将被测多孔介质固体放入吸附罐37，打开电磁阀c32和电磁阀d33，用真空泵29对吸附罐37、参比罐39抽真空12小时；
[0050]
s2：集气柱21液面上方充入吸附气体，初始状态储水柱20、集气柱21液面平齐，不透光油22遮挡发射器5发射的光线，条形感应开关23失活；
[0051]
s3：打开电磁阀a30第二出口，根据气体压力传感器38示数向吸附罐37充入一个标准大气压力的氦气，然后关闭电磁阀a30第二出口；
[0052]
s4：打开电磁阀a30第一出口，吸附气体被吸附罐37内的多孔介质固体吸附减少，使得储水柱20内液面降低，集气柱21液面升高，发射器5发射的光线穿过储水柱20照射在条形感应开关23上，条形感应开关23激活并控制升降开关25调节自动升降平台26的高度；直至储水柱20、集气柱21液面平齐，不透光油22遮挡发射器5发射的光线，条形感应开关23失活，自动升降平台26保持现有高度；
[0053]
s5：集气柱21内气体体积变化量等于储水柱20内去离子水7体积变化量，打开超声波发射器18和直流电源16，以固定的时间间隔垂直液面向下高频发射超声波，相邻两次发射超声波时间间隔为2s，超声波遇到不透光油22发生第一次反射，遇到储水柱20底部的金属板24发生第二次反射，超声波发射器18将反射信号通过数据传输线28传入计算机27并进行记录和计算；计算机27计算超声波发射器18相邻两次发射间隔的气体吸附的体积δv
d
，计算公式如下：
[0054][0055]
其中，分别为相邻两次发射超声波第一次发射时、第二次发射时液柱的体积；v
w
为超声波在水中的波速；分别为相邻两次发射超声波第一次发射的第一次反射时间、第二次反射时间；分别为相邻两次发射超声波第二次发射的第一次反射时间、第二次反射时间；a为储水柱20的横截面积。