RU2583061C1

RU2583061C1 - Installation for investigation and method of investigating effect of porous media on phase behaviour of liquid and gaseous fluids

Info

Publication number: RU2583061C1
Application number: RU2014149062/28A
Authority: RU
Inventors: Валерий Михайлович Булейко; Борис Афанасьевич Григорьев; Владимир Александрович Истомин; Евгений Борисович Григорьев
Priority date: 2014-12-05
Filing date: 2014-12-05
Publication date: 2016-05-10

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: group of inventions relates to thermodynamics and can be used for the purpose of calorimetric measurements. Apparatus for investigating effect of porous media on phase behaviour of liquid and gaseous fluids comprises two calorimetric cells, each of which is surrounded by two adiabatic covers and is placed in appropriate vacuum container. According to disclosed method, in one of calorimetric cells analysed porous medium sample is placed, in which specific surface area is preliminary determined. Then identical samples of analysed fluid simultaneously placed in both calorimetric cells, after which measured simultaneously thermodynamic parameters of fluid in both calorimetric cells. Derived data diagram is plotted change phase of analysed fluid and as result of comparing obtained phase diagrams are evaluated effect of analysed porous medium on analysed fluid.

EFFECT: broader functional capabilities, as well as high accuracy and reliability of calorimetric measurements.

2 cl, 1 tbl, 3 dwg

Description

Группа изобретений относится к термодинамике и может использоваться для проведения калориметрических измерений.The group of inventions relates to thermodynamics and can be used for calorimetric measurements.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому способу (прототипом) является способ измерения тепловыделения с помощью дифференциального микрокалориметра (патент РФ №2475714, G01K 17/08, опубл. 20.02.2013), по которому в обе калориметрические ячейки испытуемый порошок засыпается в равных количествах по массе, после чего в одну из ячеек вводится вода или другая жидкость и тепловыделение фиксируется с момента соприкосновения порошка и жидкости. Недостатком указанного способа является невозможность проведения одновременного сравнительного измерения тепловыделения в разных пористых средах. Кроме того, при измерении указанным способом определяют тепловыделение для единицы массы пористой среды и при этом остается неизвестной дисперсность (удельная поверхность) исследуемой пористой среды, в результате чего полученные данные нельзя распространить на пористые среды одного и того же минерального состава, но разной дисперсности.The closest analogue to the proposed method (prototype) is a method for measuring heat generation using a differential microcalorimeter (RF patent No. 2475714, G01K 17/08, publ. 02.20.2013), in which the test powder is poured into both calorimetric cells in equal quantities by weight, then water or another liquid is introduced into one of the cells and the heat release is fixed from the moment the powder and liquid come into contact. The disadvantage of this method is the inability to conduct a simultaneous comparative measurement of heat in different porous media. In addition, when measuring in this way, the heat release is determined for a unit mass of a porous medium, and the dispersion (specific surface) of the studied porous medium remains unknown, as a result of which the obtained data cannot be distributed to porous media of the same mineral composition, but of different dispersion.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемой установке является адиабатический калориметр (а.с. №1093913, G01K 17/00, опубл. 23.05.84), содержащий калориметрический сосуд для исследуемого вещества, снабженный термопреобразователем, нагревателем и окруженный двумя адиабатическими оболочками с нагревателями, два блока регулирования температуры оболочек, входы которых соединены с датчиками разности температур, а выходы подключены к нагревателям оболочек. С целью повышения точности измерения и сокращения времени на подготовку к измерениям, в него введены дополнительный блок регулирования температуры оболочки с датчиком разности температур и дополнительная адиабатическая оболочка с нагревателем, подключенным к дополнительному блоку регулирования температуры оболочки, при этом дополнительная адиабатическая оболочка размещена между с калориметрическим сосудом и первой адиабатической оболочкой, а датчики разности температур установлены между калориметрическим сосудом и каждой адиабатической оболочкой. Недостатком известного адиабатического калориметра является невозможность одновременного определения термодинамических параметров исследуемого образца в разных средах.The closest technical solution (prototype) to the claimed installation is an adiabatic calorimeter (AS No. 1093913, G01K 17/00, publ. 23.05.84), containing a calorimetric vessel for the test substance, equipped with a thermal converter, a heater and surrounded by two adiabatic shells with heaters, two shell temperature control units, the inputs of which are connected to temperature difference sensors, and the outputs are connected to shell heaters. In order to increase the accuracy of measurements and reduce the time required to prepare for measurements, an additional block for controlling the temperature of the shell with a temperature difference sensor and an additional adiabatic shell with a heater connected to an additional block for controlling the temperature of the shell are introduced into it, while an additional adiabatic shell is placed between the calorimetric vessel and the first adiabatic shell, and temperature difference sensors are installed between the calorimetric vessel and each adiab cal shell. A disadvantage of the known adiabatic calorimeter is the inability to simultaneously determine the thermodynamic parameters of the test sample in different environments.

Задачей, на решение которой направлена предлагаемая группа изобретений, является создание установки и способа, позволяющих проводить исследование влияния различных пористых сред на фазовое поведение жидких и газообразных флюидов.The problem to which the proposed group of inventions is directed is to create an installation and a method allowing to study the effect of various porous media on the phase behavior of liquid and gaseous fluids.

Техническим результатом, достигаемым при реализации предлагаемой установки, является расширение функциональных возможностей за счет одновременного определения термодинамических параметров исследуемого образца в разных средах, а при реализации предлагаемого способа - расширение функциональных возможностей за счет определения удельной поверхности пористой среды, а также повышение точности и достоверности проводимых исследований.The technical result achieved by the implementation of the proposed installation is to expand the functionality by simultaneously determining the thermodynamic parameters of the test sample in different environments, and when implementing the proposed method is to expand the functionality by determining the specific surface of the porous medium, as well as increasing the accuracy and reliability of the studies .

Указанный технический результат достигается за счет того, что в установку для исследования влияния пористых сред на фазовое поведение жидких и газообразных флюидов, включающую адиабатический калориметр, содержащий калориметрическую ячейку для исследуемого вещества, окруженную двумя адиабатическими оболочками, снабженными термопарами, введен дополнительный адиабатический калориметр, содержащий калориметрическую ячейку, окруженную двумя адиабатическими оболочками, снабженными термопарами. При этом каждая из калориметрических ячеек вместе с окружающими ее адиабатическими оболочками, выполненными в виде коаксиально расположенных замкнутых цилиндров, помещена в соответствующий вакуумный контейнер, крышка которого снабжена отверстием. На внутренней поверхности крышки жестко закреплено первое медное кольцо, к которому посредством металлических капилляров подвешено соосно с первым кольцом второе кольцо, выполненное из меди, к которому посредством металлических капилляров подвешена наружная адиабатическая оболочка, к верхней поверхности которой с внутренней стороны соосно со вторым кольцом на металлических капиллярах подвешено третье кольцо, выполненное из меди, которое размещено в полости между адиабатическими оболочками. К третьему кольцу посредством металлических капилляров подвешена внутренняя адиабатическая оболочка. На наружной поверхности колец и адиабатических оболочек размещены электрические провода, посредством которых осуществляется электрическое соединение адиабатических калориметров с контрольно-измерительным комплексом. Через отверстия в кольцах, адиабатических оболочках и в крышке вакуумного контейнера проходит центральный металлический капилляр, на одном из концов которого прикреплена калориметрическая ячейка, а другой конец указанного капилляра подсоединен к датчику давления и вентилю. Третье кольцо и центральный металлический капилляр соединены посредством теплопровода. Наружная поверхность калориметрических ячеек посредством термопар соединена с поверхностью колец, адиабатических оболочек и металлического капилляра. При этом одна из калориметрических ячеек выполнена разъемной, другая калориметрическая ячейка снабжена мешалкой, а каждый из вакуумных контейнеров помещен в соответствующий сосуд с хладагентом. В способе исследования влияния пористых сред на фазовое поведение жидких и газообразных флюидов с помощью установки, содержащей две калориметрические ячейки, предварительно в одну из калориметрических ячеек помещают образец исследуемой пористой среды, у которой предварительно определяют удельную поверхность. Затем идентичные образцы исследуемого флюида одновременно помещают в обе калориметрические ячейки. После чего измеряют термодинамические параметры исследуемого флюида в обеих калориметрических ячейках, на основании полученных измерений строят диаграммы изменения фазового состояния исследуемого флюида и в результате сравнения полученных диаграмм оценивают влияние пористой среды на исследуемый флюид.The indicated technical result is achieved due to the fact that an additional adiabatic calorimeter containing a calorimetric is introduced into the apparatus for studying the effect of porous media on the phase behavior of liquid and gaseous fluids, including an adiabatic calorimeter containing a calorimetric cell for the substance under study, surrounded by two adiabatic shells equipped with thermocouples cell surrounded by two adiabatic shells provided with thermocouples. In this case, each of the calorimetric cells, together with the adiabatic shells surrounding it, made in the form of coaxially located closed cylinders, is placed in a corresponding vacuum container, the lid of which is provided with an opening. The first copper ring is rigidly fixed to the inner surface of the lid, to which a second ring made of copper is suspended by means of metal capillaries coaxially with the first ring, to which an external adiabatic shell is suspended by metal capillaries, to the upper surface of which is coaxially with the second ring on metal a third ring, made of copper, is suspended in the capillaries, which is placed in the cavity between the adiabatic shells. An inner adiabatic shell is suspended from the third ring by means of metal capillaries. On the outer surface of the rings and adiabatic shells, electric wires are placed, through which the adiabatic calorimeters are electrically connected to the control and measuring complex. Through the holes in the rings, adiabatic shells and in the lid of the vacuum container, a central metal capillary passes, at one end of which a calorimetric cell is attached, and the other end of the specified capillary is connected to a pressure sensor and a valve. The third ring and the central metal capillary are connected by means of a heat pipe. The outer surface of the calorimetric cells is connected by means of thermocouples to the surface of rings, adiabatic shells and a metal capillary. In this case, one of the calorimetric cells is made detachable, the other calorimetric cell is equipped with a stirrer, and each of the vacuum containers is placed in a corresponding vessel with refrigerant. In the method for studying the effect of porous media on the phase behavior of liquid and gaseous fluids using a setup containing two calorimetric cells, a sample of the porous medium under study is previously placed in one of the calorimetric cells, in which the specific surface area is previously determined. Then, identical samples of the test fluid are simultaneously placed in both calorimetric cells. After that, the thermodynamic parameters of the test fluid are measured in both calorimetric cells, based on the measurements obtained, phase diagrams of the phase state of the test fluid are constructed and, as a result of comparison of the obtained charts, the effect of the porous medium on the test fluid is evaluated.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемой установки.In FIG. 1 shows a schematic diagram of the proposed installation.

На фиг. 2 представлена конструкция адиабатических ячеек.In FIG. 2 shows the design of adiabatic cells.

На фиг. 3 показаны диаграммы изменения фазового состояния трехкомпонентной углеводородной смеси в пористой среде (в кварцевых порошках) и без пористой среды.In FIG. Figure 3 shows diagrams of the phase state of a three-component hydrocarbon mixture in a porous medium (in quartz powders) and without a porous medium.

Установка включает адиабатический калориметр (1), содержащий калориметрическую ячейку (2) для исследуемого вещества, окруженную двумя адиабатическими оболочками (3), (4), и дополнительный адиабатический калориметр (5), содержащий калориметрическую ячейку (6), окруженную двумя адиабатическими оболочками (7), (8). Адиабатические оболочки (3), (4), (7), (8) позволяют исключить теплообмен ячеек (2), (6) через излучение. Калориметрическая ячейка (2) изготовлена из нержавеющей стали с толщиной стенок 2 мм и состоит из двух половин, герметично сваренных между собой. В калориметрической ячейке (2) по оси ячейки расположена гильза (9), в которую помещен платиновый термометр (10) с номинальным сопротивлением 100 Ом и которая служит направляющей для магнитной мешалки (11). Мешалка изготовлена из электротехнической стали и приводится в движение с периодом 10 с и длительностью импульса 2 с посредством соленоида (12). По внешней поверхности калориметрической ячейки (2) путем гальванической обработки нанесен слой меди толщиной 0,2 мм, служащий изотермической оболочкой. По всей поверхности медного слоя равномерно бифилярно намотан и приклеен провод, имеющий сопротивление ≈100 Ом из манганиновой проволоки диаметром 0,1 мм, выполняющий функцию нагревателя. В верхней части ячейки (2) расположен разъем «металл-металл», через который ячейка (2) подсоединяется к системе заполнения (на фигурах не показана). Калориметрическая ячейка (6) также изготовлена из нержавеющей стали и выполнена разъемной. Калориметрическая ячейка (6) помещена в тонкостенный медный чехол, на поверхности которого равномерно бифилярно намотан и приклеен электрический нагреватель сопротивлением ≈100 Ом из манганиновой проволоки диаметром 0,1 мм. Герметизацию ячейки (6) обеспечивают с помощью тефлонового уплотнения. На боковой поверхности калориметрической ячейки (6) закреплен термометр (13). Температуру внутренних адиабатических оболочек (3), (7) поддерживают равной температуре калориметрических ячеек (2), (6) соответственно. Температуру наружных адиабатических оболочек (4), (8) поддерживают на 4-8 K ниже, чем внутренних (3), (7) соответственно, чтобы обеспечить возможность регулирования температуры внутренних оболочек (3), (7). Адиабатические оболочки (3), (4), (7), (8) изготовлены из меди с толщиной стенок 2 мм и состоят из двух разъемных половин. На внешней стороне адиабатических оболочек (3), (4), (7), (8) выполнены двухзаходные спиральные канавки, в которых равномерно уложены электрические провода. Соединение электрических проводов, расположенных на верхних и нижних половинах адиабатических оболочек, между собой обеспечивают с помощью миниатюрных разъемов с позолоченными контактами, которые приклеены к адиабатическим оболочкам, что обеспечивает хороший тепловой контакт и исключает возникновение термо-ЭДС в контактах. Каждая из калориметрических ячеек (2), (6) вместе с окружающими ее адиабатическими оболочками (3), (4) и (7), (8) соответственно, помещена в соответствующий вакуумный контейнер (14), (15). Каждый из вакуумных контейнеров (14), (15) выполнен в виде металлического цилиндра с крышкой, которая крепится к корпусу цилиндра посредством разъемного фланцевого соединения и снабжена отверстием для соединения вакуумного контейнера с системой откачки (16), (17) соответственно, состоящей из последовательно соединенных форвакуумного и диффузионного насосов. На внутренней поверхности крышки каждого из вакуумных контейнеров (14), (15) жестко закреплено первое медное кольцо (18), (19) соответственно, к которому посредством металлических капилляров подвешено соосно с первым кольцом выполненное из меди второе кольцо (20), (21) соответственно, к которому посредством металлических капилляров прикреплена наружная адиабатическая оболочка (4), (8) соответственно. К верхней поверхности каждой наружной адиабатической оболочки (4), (8) с внутренней стороны соосно со вторым кольцом (20), (21) на металлических капиллярах прикреплено выполненное из меди третье кольцо (22), (23) соответственно, которое размещено в полости между адиабатическими оболочками (3), (4) и (7), (8) соответственно. К третьему кольцу (22), (23) посредством металлических капилляров прикреплена внутренняя адиабатическая оболочка (3), (7) соответственно. Через отверстия в крышках вакуумных контейнеров (14), (15), в кольцах (18), (19), (20), (21), (22), (23) и адиабатических оболочках (3), (4), (7), (8) проходят центральные металлические капилляры (24), (25) соответственно. На одном из концов каждого из центральных металлических капилляров (24), (25) закреплена калориметрическая ячейка (2), (6) соответственно. Второй конец каждого центрального металлического капилляра (24), (25) подсоединен к датчику давления, например тензодатчику (39), (40) и вентилю (28), (31) соответственно. На третьем кольце (22), (23) одним концом закреплен теплопровод (26), (27) соответственно, второй конец которого подсоединен к центральному металлическому капилляру (24), (25) соответственно. С помощью теплопроводов (26), (27) контролируют заданную разность температур между калориметрическими ячейками (2), (6) и стальными капиллярами (24), (25) соответственно. Посредством металлических капилляров (24), (25) и системы вентилей (28), (29), (30) и (31), (32), (33) соответственно, осуществляют заполнение калориметрических ячеек (2), (6) исследуемым флюидом. Все капилляры представляют собой тонкостенные трубки с внешним диаметром 1,2 мм, выполненные из нержавеющей стали. На поверхности колец (20), (21), (22), (23) и адиабатических оболочек (3), (4), (7), (8) выполнены двухзаходные канавки, в которых размещены электрические провода (на фигурах не показаны), посредством которых обеспечивают электрическое соединение измерительных и регулирующих элементов адиабатических калориметров (1), (5) с контрольно-измерительным комплексом (34). Поверхность калориметрических ячеек (2), (6) посредством термопар (на фигурах не показаны) связана с поверхностью соответствующих колец (20), (21), (22), (23), адиабатических оболочек (3), (4), (7), (8) и центральных металлических капилляров (24), (25), что позволяет при помощи проводов, выполняющих функцию нагревателей, синхронизировать изменение температуры калориметрических ячеек (2), (6), колец (20), (21), (22), (23), адиабатических оболочек (3), (4), (7), (8) и центральных металлических капилляров (24), (25). Чтобы исключить теплообмен по проводам, подведенным к калориметрическим ячейкам (2), (6), они последовательно намотаны на «холодное» кольцо (18), (19), второе кольцо (20), (21), верхнюю часть наружной адиабатической оболочки (4), (8) и третье кольцо (22), (23). Температуру колец (20), (21) поддерживают равной температуре наружных адиабатических оболочек (4), (8) соответственно, а температуру колец (22), (23) - температуре калориметрических ячеек (2), (6) соответственно. Каждый из вакуумных контейнеров (14), (15) помещен в сосуд с хладагентом (35), (36) соответственно. Газ из вакуумного контейнера (14), (15) откачивают системой откачки (16), (17) до давления менее 1,3·10-2 Па, что уменьшает теплообмен ячеек (2), (6) через газ. Процесс измерения и контроль адиабатического режима осуществляют измерительным комплексом (34), созданным на базе компьютерно-измерительной системы «Аксамит-6». Измерительная система «Аксамит-6» разработана и изготовлена в АОЗТ «ТЕРМИС». При этом одновременно измеряют количество тепла Q, поданного в ячейку (2), (6), температуру и давление в ячейке. Калориметрическая ячейка (2) предназначена для проведения исследований флюидов в свободном, без пористой среды, объеме. Калориметрическая ячейка (6) предназначена для проведения исследований флюидов в пористой среде.The setup includes an adiabatic calorimeter (1) containing a calorimetric cell (2) for the test substance, surrounded by two adiabatic shells (3), (4), and an additional adiabatic calorimeter (5) containing a calorimetric cell (6) surrounded by two adiabatic shells ( 7), (8). Adiabatic shells (3), (4), (7), (8) make it possible to exclude the heat transfer of cells (2), (6) through radiation. The calorimetric cell (2) is made of stainless steel with a wall thickness of 2 mm and consists of two halves hermetically welded to each other. A sleeve (9) is located in the calorimetric cell (2) along the cell axis, in which a platinum thermometer (10) with a nominal resistance of 100 Ohms is placed and which serves as a guide for the magnetic stirrer (11). The mixer is made of electrical steel and is driven with a period of 10 s and a pulse duration of 2 s by means of a solenoid (12). Along the outer surface of the calorimetric cell (2), a layer of copper 0.2 mm thick, which serves as an isothermal shell, is applied by galvanic treatment. Over the entire surface of the copper layer, a wire having a resistance of ≈100 Ohm from a manganin wire with a diameter of 0.1 mm is uniformly wound and glued bifilarly and acts as a heater. In the upper part of the cell (2) there is a metal-metal connector, through which the cell (2) is connected to the filling system (not shown in the figures). The calorimetric cell (6) is also made of stainless steel and made detachable. The calorimetric cell (6) is placed in a thin-walled copper case, on the surface of which an electric heater with a resistance of ≈100 Ohm from manganin wire with a diameter of 0.1 mm is uniformly wound and glued. The sealing of the cell (6) is provided using a Teflon seal. A thermometer (13) is mounted on the side surface of the calorimetric cell (6). The temperature of the internal adiabatic shells (3), (7) is maintained equal to the temperature of the calorimetric cells (2), (6), respectively. The temperature of the outer adiabatic shells (4), (8) is maintained at 4-8 K lower than that of the inner (3), (7), respectively, in order to provide the possibility of controlling the temperature of the inner shells (3), (7). The adiabatic shells (3), (4), (7), (8) are made of copper with a wall thickness of 2 mm and consist of two split halves. On the outside of the adiabatic shells (3), (4), (7), (8), two-way spiral grooves are made in which the electric wires are evenly laid. The electrical wires located on the upper and lower halves of the adiabatic shells are connected to each other using miniature connectors with gold-plated contacts that are glued to the adiabatic shells, which provides good thermal contact and eliminates the occurrence of thermal emf in the contacts. Each of the calorimetric cells (2), (6) together with the adiabatic shells (3), (4) and (7), (8) surrounding it, respectively, is placed in the corresponding vacuum container (14), (15). Each of the vacuum containers (14), (15) is made in the form of a metal cylinder with a cover that is attached to the cylinder body by means of a detachable flange connection and is provided with an opening for connecting the vacuum container to the pumping system (16), (17), respectively, consisting of in series connected fore-vacuum and diffusion pumps. On the inner surface of the lid of each of the vacuum containers (14), (15), the first copper ring (18), (19) is rigidly fixed, to which the second ring (20) made of copper is suspended coaxially with the first ring by means of metal capillaries, (21 ), respectively, to which the outer adiabatic shell (4), (8), respectively, is attached by means of metal capillaries. The third ring (22), (23) made of copper is attached to the upper surface of each outer adiabatic shell (4), (8) from the inner side coaxially with the second ring (20), (21) on metal capillaries, which is located in the cavity between the adiabatic shells (3), (4) and (7), (8), respectively. An inner adiabatic shell (3), (7) is attached to the third ring (22), (23) by means of metal capillaries. Through holes in the lids of the vacuum containers (14), (15), in the rings (18), (19), (20), (21), (22), (23) and the adiabatic shells (3), (4), (7), (8) pass the central metal capillaries (24), (25), respectively. At one end of each of the central metal capillaries (24), (25), a calorimetric cell (2), (6) is attached, respectively. The second end of each central metal capillary (24), (25) is connected to a pressure sensor, for example, a strain gauge (39), (40) and a valve (28), (31), respectively. On the third ring (22), (23), a heat conductor (26), (27) is fixed at one end, respectively, the second end of which is connected to a central metal capillary (24), (25), respectively. Using heat conduits (26), (27), the specified temperature difference between the calorimetric cells (2), (6) and steel capillaries (24), (25), respectively, is controlled. Using metal capillaries (24), (25) and a valve system (28), (29), (30) and (31), (32), (33), respectively, the calorimetric cells (2), (6) are filled with the studied fluid. All capillaries are thin-walled tubes with an external diameter of 1.2 mm, made of stainless steel. On the surface of the rings (20), (21), (22), (23) and adiabatic shells (3), (4), (7), (8), two-way grooves are made in which electric wires are placed (not shown in the figures ), by means of which they provide an electrical connection of the measuring and regulating elements of the adiabatic calorimeters (1), (5) with the control and measuring complex (34). The surface of the calorimetric cells (2), (6) is connected via thermocouples (not shown in the figures) to the surface of the corresponding rings (20), (21), (22), (23), adiabatic shells (3), (4), ( 7), (8) and central metal capillaries (24), (25), which allows using wires acting as heaters to synchronize the temperature change of calorimetric cells (2), (6), rings (20), (21), (22), (23), adiabatic shells (3), (4), (7), (8) and central metal capillaries (24), (25). In order to exclude heat transfer through the wires brought to the calorimetric cells (2), (6), they are sequentially wound around the “cold” ring (18), (19), the second ring (20), (21), the upper part of the outer adiabatic shell ( 4), (8) and the third ring (22), (23). The temperature of the rings (20), (21) is maintained equal to the temperature of the outer adiabatic shells (4), (8), respectively, and the temperature of the rings (22), (23) - to the temperature of the calorimetric cells (2), (6), respectively. Each of the vacuum containers (14), (15) is placed in a vessel with refrigerant (35), (36), respectively. Gas from the vacuum container (14), (15) is pumped out by a pumping system (16), (17) to a pressure of less than 1.3 · 10-2 Pa, which reduces the heat transfer of cells (2), (6) through the gas. The measurement process and control of the adiabatic regime are carried out by a measuring complex (34), created on the basis of the Axamit-6 computer-measuring system. The Axamit-6 measuring system was developed and manufactured at AOZT TERMIS. At the same time, the amount of heat Q supplied to the cell (2), (6), the temperature and pressure in the cell are simultaneously measured. The calorimetric cell (2) is intended for carrying out fluid studies in a free volume without a porous medium. The calorimetric cell (6) is designed for fluid studies in a porous medium.

Способ осуществляют следующим способом.The method is carried out in the following way.

Исследуемую пористую среду готовят заранее. При этом предварительно определяют, например методом гранулометрического анализа, удельную поверхность исследуемой пористой среды, представляющую собой фракционированные частицы порошка исследуемого минерала с различной удельной поверхностью и размерами зерен. Порошок получают в результате фракционирования исходного минерала (кварцевого песка, опала и т.д.) на разделительных ситах (ситовой анализатор модель АС-200 производства "Stanford equipment company" RETCH). Величина удельной поверхности зависит от среднего размера и формы зерен. Средний размер зерен фракции, получаемой после многократного (обычно пяти-шести кратного) просеивания исходного материала, определяется характеристиками используемых сит. Для оценки величины удельной поверхности форма частицы аппроксимируется правильным выпуклым многогранником наиболее близкой формы (гексаэдром, додекаэдром, икосаэдром), либо шаром. Наибольшая общая площадь поверхности частиц получается, если частицы имеют форму гексаэдров. Аппроксимация формы частиц шаром, позволяет получить величину минимальной удельной поверхности пористой среды. Истинная площадь поверхности находится внутри диапазона, ближе к его меньшей границе. Общая поверхность частиц пористой среды, заполняющих калориметрическую ячейку, определяется их суммарным объемом V_ч, который в свою очередь зависит от их общей массы (М) и плотности (ρ): $V_{ч} = \frac{M}{ρ}$

.The studied porous medium is prepared in advance. In this case, the specific surface area of the studied porous medium, which is fractionated powder particles of the studied mineral with different specific surface and grain sizes, is preliminarily determined, for example, by particle size analysis. The powder is obtained by fractionation of the initial mineral (quartz sand, opal, etc.) on separation screens (sieve analyzer model AC-200 manufactured by "Stanford equipment company" RETCH). The specific surface area depends on the average size and shape of the grains. The average grain size of the fraction obtained after repeated (usually five to six times) sieving of the starting material is determined by the characteristics of the sieves used. To estimate the specific surface area, the particle shape is approximated by a regular convex polyhedron of the closest shape (hexahedron, dodecahedron, icosahedron), or a ball. The largest total surface area of the particles is obtained if the particles are in the form of hexahedrons. The approximation of the shape of the particles by the ball allows us to obtain the minimum specific surface area of the porous medium. The true surface area is within the range, closer to its smaller boundary. The total surface of the particles of the porous medium filling the calorimetric cell is determined by their total volume V _h , which in turn depends on their total mass (M) and density (ρ):

V_{h} = \frac{M}{ρ}

.

Подготовленную пористую среду помещают в калориметрическую ячейку (6).The prepared porous medium is placed in a calorimetric cell (6).

Поровый объем пористой среды и объем ячейки без пористой среды, которые необходимо знать для определения плотности образца исследуемого флюида, включает, кроме объема калориметрической ячейки, внутренний объем капилляров на участке от ячейки (2), (6) до вентилей (28), (31) соответственно. Для определения порового объема пористой среды и объема ячейки без пористой среды калориметрическую ячейку (2), (6) заполняют метаном из пробоотборника (37), (38) соответственно, под давлением ≈10 МПа и определяют массу метана (m), закачанного в ячейку (2), (6) по взвешиванию пробоотборников (37), (38) соответственно, до и после заполнения. Затем устанавливают в ячейке (2), (6) температуру 300 К и при этой температуре измеряют давление (Р) в каждой ячейке. Для температуры (Т) и давления (Р) определяют плотность метана (ρ) в ячейке (Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972, с. 720). Общий поровый объем пористой среды и объем ячейки без пористой среды: V=m/ρ. Таким же способом определяют внутренний объем капилляров на участке от ячейки (2), (6) до вентиля (28), (31) соответственно, и внутренний объем датчика давления (39), (40) (паразитный объем Vпрз). Для этого ячейку отсоединяют и на конце капилляра ставят заглушку. Объем ячейки определяют как разность этих объемов: Vяч=V-Vпрз. Образец исследуемого флюида предварительно приготавливают в пробоотборнике высокого давления (37), (38). Заполнение ячеек (2), (6) исследуемым образцом флюида осуществляют через систему закачки, включающую металлические капилляры, вентили (28), (29), (30), (31), (32), (33) и датчики давления (39), (40). Перед заполнением в ячейках (2), (6) и системе закачки создают вакуум, после чего вентили (29), (32), соединяющие систему закачки с вакуумной линией, закрывают. При заполнении ячеек вентили (28), (30) и (31), (33) открыты. После конденсации необходимого количества флюида в калориметрические ячейки вентили (28), (31) закрывают. Оставшееся количество флюида на участке между вентилями (28), (29), (30) и (31), (32), (33) конденсируется обратно в пробоотборник в результате охлаждения его в жидком азоте, после чего вентили (30), (33) закрывают. Таким образом минимизируют неучитываемые потери образца при заполнении. Массу флюида в калориметрических ячейках (2), (6) определяют взвешиванием по разности масс пробоотборников (37), (38) соответственно, до и после заполнения. При заполнении калориметрических ячеек (2), (6) исследуемым флюидом в пробоотборниках (37), (38) необходимо поддерживать термодинамические условия, при которых флюид находится в однофазном состоянии. Во время заполнения измеряют температуру и давление в калориметрических ячейках (2) и (6). Давление измеряют тензодатчиками давления (39), (40) марки Д100 (номинальная шкала 100 МПа), градуированными по образцовому поршневому манометру класса 0,05. Для обеспечения метрологических измерений тензодатчики помещают в термостаты, в которых температуру поддерживают равной температуре градуировки с точностью 0,02 К. Теплообмен ячеек (2), (6) по капиллярам, соединяющим ячейки с системой закачки, исключается благодаря тому, что температуру капилляров (24), (25) поддерживают равной температуре ячеек (2), (6) соответственно. Для верхней части капилляров (24), (25) поддерживают температуру приблизительно на один градус выше температуры ячеек (2), (6) соответственно, чтобы исключить в капиллярах конденсацию образца.The pore volume of a porous medium and the volume of a cell without a porous medium that you need to know to determine the density of the sample of the studied fluid includes, in addition to the volume of the calorimetric cell, the internal volume of capillaries in the section from cell (2), (6) to valves (28), (31 ) respectively. To determine the pore volume of the porous medium and the volume of the cell without the porous medium, the calorimetric cell (2), (6) is filled with methane from the sampler (37), (38), respectively, at a pressure of ≈10 MPa and the mass of methane (m) pumped into the cell is determined (2), (6) for weighing the samplers (37), (38), respectively, before and after filling. Then, a temperature of 300 K is set in cell (2), (6), and at this temperature, pressure (P) in each cell is measured. For temperature (T) and pressure (P) determine the density of methane (ρ) in the cell (Vargaftik NB Handbook of thermophysical properties of gases and liquids. M: Nauka, 1972, p. 720). The total pore volume of the porous medium and the cell volume without a porous medium: V = m / ρ. In the same way, the internal volume of capillaries in the section from the cell (2), (6) to the valve (28), (31), respectively, and the internal volume of the pressure sensor (39), (40) (parasitic volume Vprz) are determined. To do this, the cell is disconnected and a cap is placed at the end of the capillary. The cell volume is determined as the difference of these volumes: Vyach = V-Vprz. A sample of the studied fluid is preliminarily prepared in a high pressure sampler (37), (38). Cells (2), (6) are filled with the studied fluid sample through an injection system including metal capillaries, valves (28), (29), (30), (31), (32), (33) and pressure sensors (39 ), (40). Before filling, a vacuum is created in the cells (2), (6) and the injection system, after which the valves (29), (32) connecting the injection system to the vacuum line are closed. When filling the cells, the valves (28), (30) and (31), (33) are open. After condensation of the required amount of fluid into the calorimetric cells, the valves (28), (31) are closed. The remaining amount of fluid in the area between the valves (28), (29), (30) and (31), (32), (33) condenses back into the sampler as a result of cooling it in liquid nitrogen, after which the valves (30), ( 33) close. In this way, unaccounted sample losses during filling are minimized. The fluid mass in the calorimetric cells (2), (6) is determined by weighing according to the mass difference of the samplers (37), (38), respectively, before and after filling. When filling the calorimetric cells (2), (6) with the studied fluid in the samplers (37), (38), it is necessary to maintain the thermodynamic conditions under which the fluid is in a single-phase state. During filling, temperature and pressure are measured in the calorimetric cells (2) and (6). Pressure is measured by pressure strain gauges (39), (40) of the D100 grade (nominal scale 100 MPa), graduated according to an exemplary piston pressure gauge of class 0.05. To ensure metrological measurements, strain gauges are placed in thermostats in which the temperature is maintained equal to the calibration temperature with an accuracy of 0.02 K. Heat transfer of the cells (2), (6) through the capillaries connecting the cells to the injection system is excluded due to the fact that the temperature of the capillaries (24 ), (25) maintain equal cell temperature (2), (6), respectively. For the upper part of the capillaries (24), (25), the temperature is maintained approximately one degree above the temperature of the cells (2), (6), respectively, in order to prevent condensation of the sample in the capillaries.

Предлагаемая установка позволяет проводить исследования в диапазоне температур 110÷420 К и давлений до 60 МПа, с точностью по температуре в собственной шкале термометра ±0,0005 К и по давлению ±0,0007 МПа. Один и тот же флюид из пробоотборников (37), (38) одновременно помещают в калориметрическую ячейку (2) (без пористой среды) и в калориметрическую ячейку (6) (с пористой средой), после чего измеряют его термодинамические параметры и строят диаграммы изменения фазового состояния исследуемого флюида. Сравнение полученных результатов позволяет судить о влиянии пористой среды, выражающемся в трансформации фазового поведения и термодинамических параметров флюида в пористой среде по сравнению со свободным объемом. Пример осуществления способа.The proposed installation allows studies in the temperature range 110 ÷ 420 K and pressures up to 60 MPa, with accuracy in temperature in the thermometer’s own scale ± 0.0005 K and in pressure ± 0.0007 MPa. The same fluid from samplers (37), (38) is simultaneously placed in a calorimetric cell (2) (without a porous medium) and in a calorimetric cell (6) (without a porous medium), after which its thermodynamic parameters are measured and change diagrams are constructed phase state of the test fluid. Comparison of the obtained results allows us to judge the effect of the porous medium, expressed in the transformation of the phase behavior and thermodynamic parameters of the fluid in the porous medium compared to the free volume. An example implementation of the method.

Было проведено исследование влияния кварцевого порошка (двух образцов с различной удельной поверхностью) на фазовое поведение углеводородной смеси. Компонентный состав исследуемых углеводородных смесей представлен в таблице.A study was conducted of the effect of quartz powder (two samples with different specific surfaces) on the phase behavior of the hydrocarbon mixture. The component composition of the studied hydrocarbon mixtures is presented in the table.

Для проведения исследования использовали калориметрическую ячейку (без пористой среды) объемом, равным 14,895±0,02 см³, и калориметрическую ячейку (с пористой средой) объемом, равным 10,667±0,02 см³. В качестве образца исследуемой пористой среды использовали кварцевый порошок двух типов: с удельной поверхностью 0.104·10⁶ м²/м³ и 1.160·10⁶ м²/м³. Обе ячейки заполняли трехкомпонентной смесью №1 из пробоотборника через систему закачки. Массу трехкомпонентной смеси в калориметрических ячейках определяли взвешиванием по разности масс пробоотборника до и после заполнения. Исследования проводились при изохорных (постоянный объем) условиях. В процессе исследования при постоянной плотности флюида общее количество трехкомпонентной смеси в калориметрических ячейках остается постоянным. Для построения диаграмм фазового состояния углеводородной смеси точки определялись по скачкам теплоемкости и термодинамической производной (∂р/∂Т)_v в соответствии с методикой исследований (Воронов В.П. Методика экспериментального исследования пограничных кривых и изохорной теплоемкости углеводородных смесей в диапазоне температур 110…420 К и давлений до 60 МПа. М.: Российский научно-технический центр информации по стандартизации, метрологии и оценке соответствия. 2005, с 42.)For the study, a calorimetric cell (without a porous medium) with a volume equal to 14.895 ± 0.02 cm ³ and a calorimetric cell (with a porous medium) with a volume equal to 10.667 ± 0.02 cm ^{3 were used} . Two types of quartz powder were used as a sample of the studied porous medium: with a specific surface of 0.104 · 10 ⁶ m ² / m ³ and 1.160 · 10 ⁶ m ² / m ³ . Both cells were filled with ternary mixture No. 1 from the sampler through the injection system. The mass of the three-component mixture in the calorimetric cells was determined by weighing the difference in mass of the sampler before and after filling. Studies were conducted under isochoric (constant volume) conditions. During the study, at a constant fluid density, the total amount of the three-component mixture in the calorimetric cells remains constant. To build phase diagrams of the hydrocarbon mixture, points were determined from the jumps in heat capacity and the thermodynamic derivative (∂р / ∂Т) _v in accordance with the research methodology (Voronov V.P. Method of experimental study of boundary curves and isochoric heat capacity of hydrocarbon mixtures in the temperature range 110 ... 420 K and pressures up to 60 MPa. M: Russian Scientific and Technical Center for Information on Standardization, Metrology and Conformity Assessment. 2005, p. 42.)

На фиг. 3 представлены диаграммы изменения фазового состояния углеводородной смеси без пористой среды - ABC и в пористой среде (кварцевый порошок с удельной поверхностью 0.104·10⁶ м²/м^3)- А′В′С (ввод УВ смеси); A′G′ - кварцевый порошок с удельной поверхностью 0.104·10⁶ м²/м³ (отбор УВ смеси для регулирования плотности закачиваемого флюида в калориметрической ячейке); A′′B′′C′′D′′E′′ - кварцевый порошок с удельной поверхностью 1.160·10⁶ м²/м³ (ввод УВ смеси). Цифрами обозначены номера смесей, составы которых представлены в таблице.In FIG. 3 shows diagrams of the phase state change of a hydrocarbon mixture without a porous medium — ABC and in a porous medium (quartz powder with a specific surface of 0.104 · 10 ⁶ m ² / m ³⁾ —A′B′C (entering the hydrocarbon mixture); A′G ′ is a quartz powder with a specific surface of 0.104 · 10 ⁶ m ² / m ³ (selection of hydrocarbon mixture to control the density of the injected fluid in the calorimeter cell); A′′B′′C′′D′′E ”′ is a quartz powder with a specific surface area of 1.160 · 10 ⁶ m ² / m ³ (entering the hydrocarbon mixture). The numbers indicate the numbers of the mixtures, the compositions of which are presented in the table.

Как видно из фиг. 3, фазовое поведение углеводородной смеси в кварцевом порошке с удельной поверхностью 0.104·10⁶ м²/м³ заметно отличается от фазового поведения этой смеси без пористой среды. Вследствие адсорбции имеет место количественная трансформация фазовой диаграммы.As can be seen from FIG. 3, the phase behavior of a hydrocarbon mixture in a quartz powder with a specific surface of 0.104 · 10 ⁶ m ² / m ³ differs markedly from the phase behavior of this mixture without a porous medium. Due to adsorption, a quantitative transformation of the phase diagram takes place.

В результате адсорбции 12-13% гептана, при давлении 6,1 МПа, происходит смещение пограничной кривой исходной смеси в сторону пониженных температур на величину 5-6 К. Наиболее отчетливо влияние кварцевого порошка на фазовое поведение трехкомпонентной смеси проявляется в экспериментах с вводом и отбором углеводородной смеси (фиг. 3). Ввод смеси начинается с плотности, соответствующей фазовому переходу в точке C′, и заканчивается при плотности, соответствующей фазовому переходу в точке А. Отбор смеси начинается с плотности, соответствующей фазовому переходу в точке А′, и заканчивается при плотности, соответствующей фазовому переходу в точке G′. Так как отбираемая смесь обогащена метаном и пропаном (вследствие преобладающей адсорбции гептана), то по мере снижения давления и повышения температуры, в результате десорбции адсорбированного гептана, концентрация последнего в паровой фазе возрастает.As a result of the adsorption of 12–13% heptane, at a pressure of 6.1 MPa, the boundary curve of the initial mixture shifts to lower temperatures by 5–6 K. The effect of quartz powder on the phase behavior of the three-component mixture is most pronounced in experiments with input and selection hydrocarbon mixture (Fig. 3). The introduction of the mixture begins with the density corresponding to the phase transition at point C ′ and ends at the density corresponding to the phase transition at point A. Selection of the mixture begins with the density corresponding to the phase transition at point A ′ and ends at the density corresponding to the phase transition at point G ′. Since the selected mixture is enriched in methane and propane (due to the predominant adsorption of heptane), as the pressure decreases and the temperature rises as a result of desorption of adsorbed heptane, the concentration of the latter in the vapor phase increases.

Исследования в кварцевом порошке с удельной поверхностью 1.160·10⁶ м²/м³, имеющего большую адсорбционную способность показали, что в поровом пространстве последнего происходит значительное изменение состава углеводородной смеси. В результате наблюдается не только количественная трансформация диаграммы фазового состояния углеводородной смеси по сравнению с диаграммой фазового состояния в объеме (изменение формы пограничной кривой: ветвь ABC трансформируется в ветвь A′B′C′), но также и качественная трансформация диаграммы фазового состояния. Участок A′′B′′C′′D′′ соответствует относительно небольшим плотностям углеводородной смеси (менее 230 кг/м³). В этом случае адсорбционной емкости кварцевого порошка достаточно, чтобы адсорбировать практически весь гептан и, частично, пропан. В паровой фазе остаются только метан и пропан. Каждой точке (А′′, В′′, C′′) соответствует пограничная кривая бинарной смеси метан-пропан. Составы бинарных смесей представлены в таблице (смеси 2, 3 и 4 соответственно). Участок D′′E′′ соответствует большей плотности (более 300 кг/м³). В этом случае адсорбционной емкости кварцевого порошка не хватает для адсорбирования всего гептана. В паровой фазе остается трехкомпонентная смесь метан-пропан-гептан, обедненная гептаном и пропаном по сравнению с исходной смесью.Studies in a quartz powder with a specific surface area of 1.160 · 10 ⁶ m ² / m ³ having a large adsorption capacity showed that a significant change in the composition of the hydrocarbon mixture occurs in the pore space of the latter. As a result, not only a quantitative transformation of the phase diagram of the hydrocarbon mixture as compared with the phase diagram of the volume in the volume is observed (change in the shape of the boundary curve: the ABC branch is transformed into the A′B′C ′ branch), but also a qualitative transformation of the phase state diagram. The A′′B′′C′′D ′ ′ section corresponds to relatively low densities of the hydrocarbon mixture (less than 230 kg / m ³ ). In this case, the adsorption capacity of the quartz powder is sufficient to adsorb almost all of the heptane and, in part, propane. Only methane and propane remain in the vapor phase. Each point (A ′ ′, B ′ ′, C ′ ′) corresponds to a boundary curve of a binary methane-propane mixture. The compositions of binary mixtures are presented in the table (mixtures 2, 3 and 4, respectively). The section D′′E ′ ′ ′ corresponds to a higher density (more than 300 kg / m ³ ). In this case, the adsorption capacity of the silica powder is not enough to adsorb all heptane. In the vapor phase, there remains a ternary methane-propane-heptane mixture depleted in heptane and propane as compared to the initial mixture.

Таким образом, реализация предлагаемой группы изобретений дает возможность проводить одновременные измерения термодинамических параметров при исследовании различных флюидов и различных пористых сред, что позволяет повысить точность и достоверность исследований.Thus, the implementation of the proposed group of inventions makes it possible to carry out simultaneous measurements of thermodynamic parameters in the study of various fluids and various porous media, which improves the accuracy and reliability of the studies.

Claims

1. Installation for studying the influence of porous media on the phase behavior of liquid and gaseous fluids, including an adiabatic calorimeter containing a calorimetric cell for the test substance, surrounded by two adiabatic shells equipped with thermocouples, characterized in that an additional adiabatic calorimeter containing a calorimetric cell is introduced into the installation surrounded by two adiabatic shells equipped with thermocouples, with each of the calorimetric cells together with the surrounding hell abatic shells made in the form of coaxially arranged closed cylinders are placed in a corresponding vacuum container, the lid of which is provided with an opening, the first copper ring is rigidly fixed to the inner surface of the lid, to which the second ring made of copper is suspended coaxially with the first ring to to which an external adiabatic shell is suspended by means of metal capillaries, to the upper surface of which is coaxial with the second ring from the inside m, a third ring made of copper is suspended on metal capillaries, which is placed in the cavity between the adiabatic shells, an inner adiabatic shell is suspended to the third ring by metal capillaries, electrical wires are placed on the outer surface of the rings and adiabatic shells, through which the adiabatic calorimeters are electrically connected with control and measuring complex, through holes in rings, adiabatic shells and in the cover of a vacuum con a central metal capillary passes through it, at one end of which a calorimetric cell is attached, and the other end of the specified capillary is connected to a pressure sensor and valve, the third ring and the central metal capillary are connected by means of a heat pipe, the outer surface of the calorimetric cells is connected via thermocouples to the surface of the rings, adiabatic shells and a central metal capillary, while one of the calorimetric cells is detachable, the other is calorimetric the cell is equipped with a stirrer, and each of the vacuum containers is placed in a corresponding vessel with refrigerant.

2. A method for studying the influence of porous media on the phase behavior of liquid and gaseous fluids using the apparatus of claim 1, containing two calorimetric cells, characterized in that a sample of the porous medium to be studied is placed in one of the calorimetric cells, and the specific surface area is previously determined, then identical samples of the test fluid are simultaneously placed in both calorimetric cells, after which the thermodynamic parameters of the test fluid are simultaneously measured in both calorimetric cells x, on the basis of the obtained data, diagrams of the change in the phase state of the test fluid are constructed and, as a result of a comparison of the obtained phase diagrams, the effect of the test porous medium on the test fluid is evaluated.