煤岩高压气体吸附量和吸附膨胀量同时测量的方法及测量装置

摘要

一种煤岩高压气体吸附量和吸附膨胀量同时测量的方法及测量装置能够在压力0-20MPa，温度0-80℃的范围内，同时自动测量煤岩在高压气体中的吸附量和吸附膨胀量。在测量过程中，测量控制仪对位移传感器，测温热电阻，压力变送器的电信号进行信号变换和模数转换，计算机自动接收来自测量控制仪的压力，温度和位移信号数据，对接收到的数据进行记录和保存，在计算机屏幕上实时显示实验过程中的压力，温度，吸附量和膨胀量数据，并且实时显示压力，温度和膨胀量随时间的变化规律曲线。本发明所具有一次性完成吸附量和吸附膨胀量的测量，更为简便，快捷，结构简单，高压密封可靠安全，易于操作，测量精度高，耐压高，自动测量的优点。

主权项

1.一种煤岩高压气体吸附量和吸附膨胀量同时测量的方法，其特征在于包括如下步骤：(1)测试煤岩样品的准备：首先将待测煤岩加工成圆柱型或长方体型的块状样品，并确保煤岩样品上下端面平行且光滑，然后根据需要将煤岩样品进行平衡水分处理或干燥处理，准确测量煤岩样品的高度L₀，并准确称取煤岩样品的重量G₀；(2)测试煤岩样品的安装：首先打开测量控制仪(23)电源，启动计算机(27)并运行；将煤岩样品装入测量装置的样品筒(6)，将样品筒(6)与高压测试容器(1)的上缸体(11)的下部连接，通过调节样品筒(6)的位置，确保煤岩样品与装在上缸体(11)的位移传感器(3)测杆可靠接触；同时观察测量控制仪(23)或计算机(27)屏幕上显示的位移数据，准确调节位移传感器的零点，用锁紧片(7)将上缸体(11)的下部与样品筒(6)固定，然后将样品筒(6)装入高压测试容器(1)的下缸体(10)，用卡套(12)将高压测试容器(1)的上缸体(11)与下缸体(10)密封连接；(3)测试前工作准备：根据实验方案，设定实验所需温度T，启动加热控制，对恒温浴(18)进行加热，待恒温浴(18)温度到达设定温度T时，启动真空泵抽取高压参考容器(2)和高压测试容器(1)以及测量系统内部空气，使高压参考容器(2)和高压测试容器(1)以及测量系统内部处于真空状态，然后停止真空泵，关闭所有的阀门；(4)自由空间体积测定：打开高压氦气阀门，向系统中充入氦气，打开进气阀(20)，向高压参考容器(2)充入的氦气，调节高压参考容器(2)压力至目标压力，然后关闭进气阀(20)，待压力稳定以后，记录此时高压参考容器(2)内部压力P₂和高压测试容器(1)内部压力P₃，打开高压参考容器(2)与高压测试容器(1)之间的平衡阀(21)，使氦气从高压参考容器(2)进入高压测试容器(1)，待高压参考容器(2)和高压测试容器(1)内部压力稳定平衡后，记录此时压力P₁，此时得到一组数据T，P₁，P₂，P₃，通过如下公式计算得到放置煤岩样品后的高压测试容器(1)内部自由空间的体积V_F； 自由空间体积计算公式为：V_F＝V_R(ρ_R0-ρ_R1)/(ρ_F1-ρ_F0)——(1)其中：ρ_R0＝f(T，P₂)ρ_F0＝f(T，P₃)ρ_R1＝ρ_F1＝f(T，P₁)式中：V_F：表示自由空间体积，单位为立方厘米；V_R：表示高压参考容器(2)体积，单位为立方厘米)；P₁：表示平衡后压力，单位为兆帕；P₂：表示高压参考容器(2)初始压力，单位为兆帕；P₃：表示高压测试容器(1)初始压力，单位为兆帕；T：表示实验温度，单位为K；ρ_R0：表示高压参考容器(2)初始气体密度，单位为毫摩尔每立方厘米；ρ_F0：表示高压测试容器(1)初始气体密度，单位为毫摩尔每立方厘米；ρ_R1：表示高压参考容器(2)平衡后气体密度，单位为毫摩尔每立方厘米；ρ_F1：表示高压测试容器(1)平衡后气体密度，单位为毫摩尔每立方厘米；自由空间体积测定完以后，将气体排空，再次启动真空泵抽取高压参考容器(2)和高压测试容器(1)以及测量系统内部气体，使高压参考容器(2)和高压测试容器(1)以及测量系统内部处于真空状态，然后停止真空泵，关闭所有的阀门；(5)吸附量和吸附膨胀量同时测量：打开高压测试气体阀门，根据需要启动高压气体增压泵，首先打开进气阀(20)，向高压参考容器(2)充入的高压测试气体，调节高压参考容器(2)压力至目标压力，然后关闭进气阀(20)，待压力稳定后，记录此时高压参考容器(2)内部压力P₅和高压测试容器(1)内部压力P₆；打开高压参考容器(2)与高压测试容器(1)之间的平衡阀(21)，使高压测试气体从高压参考容器(2)进入高压测试容器(1)，待高压参考容器(2)和高压测试容器(1)内部压力稳定平衡后，记录此时平衡压力P₄，此时得到一组数据T，P₄，P₅，P₆；通过如下公式计算得到吸附量n和吸附膨胀量ε；吸附量的计算公式为：n＝Δn₁+Δn₂+Δn₃+....+Δn_i——(3)其中：ρ_R0＝f(T，P₅)ρ_F0＝f(T，P₆)ρ_R1＝ρ_F1＝f(T，P₄)吸附膨胀量计算公式为：ε＝ΔL/L₀×10⁶——(4)以上各式中：Δn：表示各平衡压力点的吸附变化量，单位为毫摩尔每克；r：表示总的吸附量，单位为毫摩尔每克；G₀：表示煤岩样品的重量，单位为克；ΔL：表示煤岩样品的膨胀高度，单位为毫米；L₀：表示煤岩样品初始高度，单位为毫米；ε：表示吸附膨胀量，无量纲；V_F：表示自由空间体积，单位为立方厘米；V_R：表示高压参考容器(2)体积，单位为立方厘米；P₄：表示平衡后压力，单位为兆帕；P₅：表示高压参考容器(2)初始压力，单位为兆帕；P₆：表示高压测试容器(1)初始压力，单位为兆帕；T：表示实验温度，单位为K；ρ_R0：表示高压参考容器(2)初始气体密度，单位为毫摩尔每立方厘米；ρ_F0：表示高压测试容器(1)初始气体密度，单位为毫摩尔每立方厘米；ρ_R1：表示高压参考容器(2)平衡后气体密度，单位为毫摩尔每立方厘米；ρ_F1：表示高压参考容器(1)平衡后气体密度，单位为毫摩尔每立方厘米；(6)吸附膨胀平衡以后，关闭平衡阀(21)，再次打开高压气体阀门，启动高压气体增压泵，打开进气阀(20)，向高压参考容器(2)内部继续充入高压测试气体，调节高压参考容器(2)压力至下一目标压力，重复第(5)步骤，进行下一个实验压力点吸附量和吸附膨胀量的测试，就这样，自低而高逐个压力点进行试验，直至最后一个压力点试验结束，即可得到不同平衡压力下的吸附量和吸附膨胀量，即吸附等温线和吸附膨胀等温线；改变系统温度，即可测量不同温度下的吸附等温线和吸附膨胀等温线。