CZ306107B6 - Reakční komora - Google Patents

Abstract

Reakční komora RK 1 je vyrobena z oceli, má tvar válcové nádoby (1), která je uprostřed opatřena dvěma čepy (14), pomocí kterých je usazena v polohovacím rámu (16). Kolem těla válcové nádoby je umístěná teplotní spirála (18). Tepelné ztráty systémů jsou snižovány tepelnou izolací a vnějším tepelným krytem (19) celé reakční komory. Reakce probíhají v samostatných, oddělených reakčních celách (A), (B), umístěných na protilehlých stranách společné válcové nádoby (1). Cely (A), (B) jsou vyvložkovány tenkostěnnými umělohmotnými válci (4) s lemem. Obě reakční cely (A), (B) jsou dotěsněny víky (2), vyrobenými z nerezové oceli. Pro umožnění vstupu do prostoru cel (A), (B) a provádění měření jsou víka (2) opatřena shodně pěti, speciálně vystrojenými hrdly (6, 7, 8, 9 a 10). Měřicí čidla jsou pomocí sběrného kabelu (22) napojena na záznamník dat. Vnitřní prostor reakčních cel (A), (B) je rozdělen umělohmotnými perforovanými přepážkami (28) zabezpečujícími jednak oddělení měřicích prvků - například elektrod (13), sledujících změny pH faktoru v tekutinové náplni (26) od zkoumaných vzorků (27), jednak stabilizaci zkoumaných vzorků (27) v prostoru. Stabilizace je zabezpečena rovněž pomocí tenkostěnného, umělohmotného obmotu kolem vzorků (27). Dynamické působení reakčních tekutin (26) na sledované vzorky (27) je zabezpečeno intervalovou změnou polohové osy aparatury, a to z horizontální a zpět, s kontrolou zabezpečenou přes počítadlo výkyvů (34). Změna polohy je zabezpečena pomocí ramene výkyvného mechanismu (23), poháněného elektromotorem (24). Výhodou navrženého technického řešení je, že na konstrukčně jednoduchém, materiálově dostupném, nízkonákladovém na údržbu a provádění měření nenáročném zařízení lze provádět dlouhodobá měření fyzikálních procesů i chemických reakcí vznikajících mezi tekutinovou výplní (26) a zkoumanými makrovzorky (27) za tlakově teplotních podmínek korespondujících s podmínkami in situ, a to za dynamických podmínek systému.

Description

Reakční komora

Oblast techniky

Technické řešení se týká těžby a uskladňování kapalin a plynů, včetně tekutých a plynných odpadů, a to z hlediska geologického prostředí i materiálů používaných pro vystrojení sond. Je použitelné rovněž pro výzkum vlivu agresivního prostředí na konstrukční a stavební materiály. Je řešena aparatura pro dlouhodobé sledování dějů probíhajících při skutečné těžbě respektive uskladňování tekutin za tlakově teplotních podmínek odpovídajících hloubce uložení dané geologické formace.

Dosavadní stav techniky

Je známo zařízení pro sledování vytěsňování tekutin na upravených vzorcích z vrtného jádra porézní horniny. Toto zařízení sestává z nádobky válcového tvaru, uvnitř které se nachází těsnicí mezikruhová manžeta tlakovaná z vnějšího tlakového zdroje. Utěsněním horninového vzorku válcového tvaru ve vnitřním prostoru těsnicí mezidruhové manžety dojde k rozdělení vnitřního prostoru nádobky na vstupní a výstupní prostor tekutiny. Ke vstupnímu prostoru jez externího zdroje, tvořeného čerpadlem a zásobníkem přiváděna vytěsňovací tekutina, která se po projití horninovým vzorkem jako vytěsněná odvádí z výstupního prostoru mimo zařízení.

Nevýhodou použití tohoto zařízení při studiu filtračních procesů a chemických reakcí v horninových vzorcích je, že tyto musí být opracovány do válcového tvaru daného průměru. Další nevýhodou známého zařízení je, že horninové vzorky mají nedostatečný průměr, respektive délku pro simulaci dějů, které probíhají v makroměřítku. Tato zařízení neumožňují provádění dlouhodobých reakčních testů v agresivním prostředí, a to jednak z důvodu konstrukčních daných malou odolností použitých materiálů, jednak časově finančních. Pořizovací cena zařízení je velmi vysoká a jeho dlouhodobé odstavení by znamenalo značné finanční ztráty za nezrealizovaná rutinní měření. Tyto ztráty by byly dále navýšeny z důvodů drahých revizí a nutných oprav.

Dále je známo zařízení pro sledování působení CO₂ při jeho filtraci přes a kolem upravených horninových vzorků válcového tvaru umístěných volně v nádobce ve tvaru trubice.

Tekutina postupuje ze vstupního prostoru přes a kolem vzorků do výstupního prostoru a dále mimo zařízení. Měření lze provádět za vrstevních tlaků a teplot řádově v prvních stovkách dnů. Před korozivními účinky CO₂ je vnitřní povrch pláště zkušební komory chráněn inertní vložkou z umělé hmoty.

Nevýhodou použití tohoto zařízení při studiu vlivu CO₂ na propustné horninové prostředí je, že horninové vzorky mají rovněž velmi malé rozměry pro simulaci dějů, které by probíhaly v makroměřítku.

Zařízení neumožňuje použití speciální měřicí elektrody pro sledování změn pH faktoru přímo v prostoru, kde dochází k chemickým reakcím.

Dále je známo zařízení - tzv. reaktor pro sledování působení CO₂ na upravené horninové vzorky. Reakční komora válcového tvaru má vnitřní stěny pokry ty teflonem. Plášť je elektricky vyhříván. Těsnicím prvkem je příruba opatřena teploměmou jímkou, manometrem a vstupem, který je používán k doplňování i odvádění CO₂.

Vstupní množství CO₂ je do komory dodáno v podobě tzv. suchého ledu. Nevýhodou použití této aparatury je rovněž omezená velikost zkoumaných horninových vzorků, malý objem reakční

-1 CZ 306107 B6 komory a délka sledování chemických reakcí. Aparatura není vybavena elektrodami pro měření změn pH faktoru. Reakce probíhají za statických podmínek.

Aparatura sloužící ke kontinuálnímu výzkumu chemických reakcí pomocí elektrod sledujících 5 změny pH faktoru na horninových makrovzorcích a materiálových - konstrukčních vzorcích při dlouhodobém působení CO₂ za tlakově teplotních podmínek panujících in situ a za dynamických podmínek působení reakčních tekutin není známa.

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody řeší reakční komora podle vynálezu, sestavená jako temperovaná aparatura pro sledování chemických reakcí CO₂ a důlní a/nebo ložiskové vody s makrovzorky kolektorských hornin a/nebo s makrovzorky konstrukčních materiálů používaných při vystrojování 15 provozních sond. Těmito pojmy se rozumí horninová jádra a/nebo konstrukční a vystrojovací materiál do průměru 100 mm. Aparatura - reakční komora, je vyrobená z oceli, má tvar válcové nádoby, která je uprostřed opatřena dvěma čepy, pomocí kterých je usazena v polohovacím rámu. Kolem těla válcové nádoby je umístěna teplotní spirála. Tepelné ztráty systému jsou snižovány izolací čepů, tepelným krytem válcové nádoby a vnějším tepelným krytem celé reakční komory.

Reakce probíhají v samostatných, oddělených reakčních celách umístěných na protilehlých stranách společné válcové nádoby a jednotlivé cely jsou odděleny celistvým dnem, které je součástí těla válce. Cely jsou vyvložkovány tenkostěnnými umělohmotnými válci s lemem, který je vytvořen tak, aby dokonale dotěsnil vnitřní prostory jednotlivých cel.

Podstatou vyvložkování je, že v celách lze provádět výzkum vlivů i s použitím agresivních tekutin například CO₂ bez jejich přímého kontaktu s materiálem společné válcové nádoby. Obě reakční cely jsou dotěsněny víky, vyrobenými z nerezové oceli, jejichž podstatou je jednak izolace cel u a jednak umožnění vstupu do prostoru cel přes utěsnění speciálně vystrojenými hrdly. V tempero30 váném prostoru pro reakční tekutinu a horninové a/nebo materiálové vzorky se může nacházet nejméně jedno čidlo teploty, jedno nebo více tlakových čidel a dvě nebo více speciálních elektrod pro výzkum pH faktoru. V tělese víka se může dále nacházet nejméně jeden pojistný ventil, jeden plnicí a vypouštěcí ventil vybavený manometrem a jedno hrdlo rezervní. Alternativně je vnitřní prostor reakčních cel rozdělen nejméně jednou umělohmotnou perforovanou přepážkou zabezpe35 čující jednak oddělení měřicích prvků od zkoumaných vzorků a jednak stabilizaci zkoumaných vzorků v prostoru. Stabilizace je zabezpečována rovněž pomocí tenkostěnného umělohmotného obmotu kolem zkoumaných vzorků.

V reakční cele může být umístěn nejméně jeden zkoumaný vzorek. Celkový počet vzorkuje limi40 tován jejich velikostí vůči vnitřním rozměrům cel.

Dynamické působení reakčních tekutin na sledované vzorky je zabezpečeno intervalovou změnou polohové osy aparatury, a to z horizontální do vertikální polohy a zpět nejméně dvakrát zajeden den s kontrolou zabezpečenou přes počítadlo kyvů. Změna polohy je zabezpečena pomocí rame45 ne výkyvného mechanismu poháněného elektromotorem. Všechna tato zařízení jsou umístěna vně tepelného krytu reakční komory.

Reakční komora je rovněž vybavena dalšími ochrannými a regulačními prvky, a to řídicí jednotkou kyvů, elektroskříní s jističem pohonu, proudovou ochranou, termostatem nahřívání 50 a jističem nahřívání. Součástí je rovněž varovné signální světlo spínající při výkyvech aparatury.

Záznamy od jednotlivých čidel jsou svedeny sběrným kabelem k řídicí jednotce vybavené záznamníkem dat a připojovací zásuvkou pro pH metr. Řídicí jednotka je umístěna na nosném sloupku umístěném vně tepelného krytu reakční komory.

-2CZ 306107 B6

Výhodou navrženého technického řešení je, že na konstrukčně jednoduchém, materiálově dostupném, nízkonákladovém na údržbu a provádění měření nenáročném zařízení lze provádět dlouhodobá měření fyzikálních procesů i chemických reakcí na skutečných i umělých horninových, tvarově nelimitovaných makrovzorcích a makrovzorcích konstrukčních materiálů za tlakově teplotních podmínek panujících ve zkoumaném prostředí, a to za dynamických podmínek v systému.

Objasnění výkresů

Na obrázku č. 1 je schematicky znázorněn osový, podélný, vertikální řez zařízením podle příkladu 1, na obrázku č. 2 je schematicky znázorněn osový, podélný, horizontální řez zařízením, a to celou A, doplněný čelním pohledem na těsnicí víko zařízení, a to cely A, podle příkladu č. 1, na obrázku č. 3 je schematicky znázorněn osový podélný řez zařízením, a to celou A, doplněný čelním pohledem na neuzavřenou celu A podle příkladu 2, na obrázku č. 4 je schematicky znázorněn osový podélný řez zařízením, a to celou B, doplněný čelním pohledem na neuzavřenou celu B podle příkladu 3.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příklad 1

Reakční komora podle příkladu 1 je tvořena tělem reakční komory 1, ve kterém jsou zrcadlově na protilehlých koncích umístěny tvarově i objemově totožné reakční cely A, B. Vnitřek reakčních cel A, B je opatřen umělohmotnou vložkou 4 s lemem. Pro vyrovnání dna reakčních cel A, B a dosedacího dna umělohmotné vložky 4 je použita podložní deska 30 se šroubem.

Reakční cely A, B jsou kryty víky 2, pro jejichž připevnění jsou použity šrouby s maticí 3, umístěné v otvorech 29. Víka 2 jsou umístěna zrcadlově na protilehlých koncích těla reakční komory 1. Víka 2 jsou tvarově i funkčně totožná a obsahují stejný počet hrdel 6, 7, 8, 9, 10 se stejnou funkcí. Ve víkách 2 je umístěno hrdlo 8 pro připojení teploměmé jímky, vybavené teploměmou jímkou s teploměrem 12 hrdlo 9 pro měření pH faktoru vybavené elektrodami 13 pro měření pH faktoru, rezervním hrdlem se zátkou 10, hrdlem 6 sloužícím pro trvalé připojení pojistného ventilu 33, vybavené pojistným ventilem 33, hrdlem 7 sloužícím pro připojení kulového trojcestného ventilu, opatřené manometrem 11 a trubičkou 32 používanou pro odpouštění vzorků kapalin a pro natlakování vnitřních prostor cely maximálně na tlak 16 MPa. Ve víkách 2 jsou dále vyvrtány otvory 31, sloužící pro zašroubování závěsných ok. Tělo reakční komory 1 je uprostřed své délky opatřeno čepy 14 usazenými v tepelné izolaci 15, pomocí nichž je uloženo v polohovacím rámu 16.

Výkyvy 25 reakční komory 1 jsou prováděny elektromotorem 24 s využitím ramena výkyvného mechanismu 23. Časové hodiny periody výkyvů jsou umístěny v elektroskříni 20. Údaje o výkyvech 25 zaznamenává počítadlo výkyvů 34. Při pohybu ramene výkyvného mechanismu 23 je zapnuta signalizace v podobě varovného signálního světla 21. Elektroskříň 20, řídicí jednotka výkyvů 17, počítadlo výkyvů 34 a odkládací pult 35 jsou umístěny na nosném sloupku 36 vně tepelného krytu 19.

Měřicí čidla, a to teploměr 12, elektrody 13 pro měření pH faktoru, manometr 11 jsou pomocí sběrného kabelu 22 napojeny na záznamník dat, umístěný v elektroskříni 20. Při zapojení pH metru pomocí připojovací zásuvky, umístěné v elektroskříni 20, je využíván odkládací pult 35, umístěný na nosném sloupku 36, umístěném vně tepelného krytu 19.

-3CZ 306107 B6

Tělo reakční komory £ je po celé délce obtočeno teplotní spirálou £8, která zabezpečuje ohřev prostor reakčních cel A, B maximálně na teplotu 80 °C. Termostat nahřívání a jistič nahřívání jsou umístěny v elektroskříni 20, umístěné vně tepelného krytu 19.

Teplotní spirála 18 je od vnějšího prostředí izolována izolační vrstvou. Prostory cel A, B slouží k výzkumu makrovzorků 27 v tekutinovém prostředí. K dotlakování a odpouštění tekutin z cel A, B je používáno hrdlo 7, opatřené trubičkou 32.

Příklad 2

Příklad 2 se od příkladu 1 liší tím, že v reakční cele A jsou umístěny horninové vzorky 27, opatřené tenkostěnným, umělohmotným obmotem zabezpečujícím jejich stabilizaci. Horninové vzorky 27 jsou v reakční cele A stabilizovány rovněž pomocí perforovaných umělohmotných přepážek 28.

Příklad 3

Příklad 3 se od příkladu 1 liší tím, že v reakční cele B jsou umístěny materiálové vzorky 27, opatřené tenkostěnným, umělohmotným obmotem, zabezpečujících jejich stabilizaci. Materiálové vzorky 27 jsou v reakční cele B stabilizovány pomocí perforovaných umělohmotných přepážek 28.

Průmyslová využitelnost

Technické řešení je obecně možné pro sledování vlivu vybraných fluid a jejich roztoků, v krátkých i dlouhodobých časových intervalech, na libovolné přírodní i umělé povrchově upravené i neupravené materiály, za daných tlakově teplotních podmínek stanovených podle reálných hodnot panujících in situ, a to za statických nebo dynamických podmínek v systému.

Výsledky výzkumu pro potřeby geochemické sekvestrace CO₂ jsou využitelné pro provedení výběru optimálních korektorských vrstev pro jeho trvalou deponaci a výběru vhodných materiálů pro vystrojení injektážích sond. Zejména se jedná o materiál pažnicových kolon, kolon stupaček, pakrů, filtrů, armatur a cementačních směsí.

Claims (4)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Reakční komora složená z těla, které je na obou stranách uzavřeno víky a dále je uprostřed uchyceno na sloupku, v těle reakční komory jsou zrcadlově na jeho protilehlých koncích umístěny tvarově i objemově totožné reakční cely A, B, vnitřek je opatřen umělohmotnou vložkou s lemem, kdy pro vyrovnání dna cel A, B a dosedacího dna umělohmotné vložky je použita podložní deska a reakční cely A, B jsou kryty víky, pro jejichž připevnění jsou použity šrouby umístěné v otvorech a jednotlivá víka jsou umístěna zrcadlově na protilehlých částech těla reakční komory a zároveň jsou tato víka (2) tvarově i funkčně totožná, vyznačující se tím, že obsahují stejný počet hrdel (6), (7), (8), (9), (10), kdy hrdlo slouží pro připojení teploměmé jímky vybavené teploměrem (12), hrdlo (9) měření pH faktoru a je vybavené elektrodami (13) pro měření pH faktoru, dále je víko (2) osazeno rezervním hrdlem se zátkou (10), hrdlem (6) sloužícím pro trvalé připojení pojistného ventilu (33), které je vybavené pojistným ventilem (33), hrdlem (7) sloužícím pro připojení kulového trojcestného ventilu, opatřené manometrem trubičkou (32) používa

   -4CZ 306107 B6 nou pro odpouštění vzorků kapalin a pro natlakování prostor cely, dále jsou v jednotlivých víkách (2) vyvrtány otvory (31), sloužící pro zašroubování závěsných ok, tělo reakční komory (1) je uprostřed své délky čepy (14) usazenými v tepelné izolaci (15), pomocí nichž je uloženo v polohovacím rámu (16), přičemž výkyvy (25) reakční komory (1) jsou zabezpečovány elektromotorem (24) s využitím ramena výkyvného mechanismu (23), kdy časové hodiny periody výkyvů jsou umístěny v elektroskříni (20) a údaje o výkyvech (25) zaznamenává počítadlo výkyvů (34) a současně je při pohybu ramene výkyvného mechanismu (23) zapnuta signalizace v podobě varovného signálního světla (21), přičemž elektroskříň (20), řídicí jednotka výkyvů (17), počítadlo výkyvů (34) a odkládací pult (35) jsou umístěny na nosném sloupku (36) vně tepelného krytu pomocí sběrného kabelu (22) jsou měřicí čidla, a to teploměr (12), elektrody (13) měření pH faktoru, manometr (11) napojeny na záznamník dat, umístěný v elektroskříni (20), při zapojení pH metru pomocí připojovací zásuvky, umístěné v elektroskříni (20), je využíván odkládací pult (35), umístěný na nosném sloupku (36), umístěném vně tepelného krytu (19), tělo reakční komory (1) je po celé délce obtočeno teplotní spirálou (18), která zabezpečuje ohřev prostor reakčních cel A, termostat nahřívání a jistič nahřívání jsou umístěny v elektroskříni (20), tepelného krytu (19), a teplotní spirála (18) je od vnějšího prostředí izolována vrstvou.
2. 2. Reakční komora podle nároku 1, vyznačující se tím, že hrdlo (9) je vybavené vnitřními elektrodami (13) pro kontinuální měření změn pH faktoru a víceúčelové hrdlo (7), přes kulový trojcestný ventil umožňuje trubičkou (32) provádět kontrolní odběry reakčních tekutin z vnitřního prostoru reakční cely A, B ve stanovených časových intervalech.
3. 3. Reakční komora podle nároků la2, vyznačující se tím, že v reakční cele A a/nebo B jsou umístěny horninové vzorky (27), opatřené tenkostěnným, umělohmotným obmotem zabezpečujícím jejich stabilizaci a zároveň jsou v reakční cele A a/nebo B horninové vzorky (27) stabilizovány pomocí perforovaných umělohmotných přepážek (28).
4. 4. Reakční komora podle nároků la2, vyznačující se tím, že v reakční cele A a/nebo B jsou umístěny materiálové vzorky (27), opatřené tenkostěnným, umělohmotným obmotem zabezpečujícím jejich stabilizaci a zároveň jsou v reakční cele A a/nebo B materiálové vzorky (27) stabilizovány pomocí perforovaných umělohmotných přepážek (28).