CN101279733A - 气体水合物蓄冷/储气的可视化装置系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气体水合物蓄冷/储气的可视化装置系统，包括高压反应釜、低温恒温水槽、稳压进气系统、视频监测系统，所述高压反应釜端盖上装有温度传感器和压力传感器；进液口；进气口和一个电子内视镜；永磁体搅拌电机固定安装在反应釜的端盖上，位于反应釜的中部，下端接搅拌叶片，进气口外接稳压进气系统，信号数据传输入视频监测系统，整个高压反应釜为达到工作温度置于低温恒温水槽中。此系统可视化结构的设计可以清晰的实时观察和采集反应过程图像；采用磁力耦合搅拌系统，解决高压旋转密封问题，并且运行可靠，无噪音；添加表面活性剂结合机械搅拌方式，可大大提高水合物的生成速率及储气/蓄冷密度。

Description

气体水合物蓄冷/储气的可视化装置系统及方法

技术领域

本发明涉及一种气体水合物的制备技术，特别涉及到二氧化碳气体水合物快速生成的装置及方法。

背景技术

能源和环境问题是当今国际关注的焦点之一。2005年2月16日《京都议定书》正式生效，标志着全球应对温室气体排放开始走向具体实施的新阶段。我国CO₂排放的形势极为严峻，1990年～2001年间，二氧化碳排放量净增8.23亿吨，位居世界第二。据国际能源机构预测：中国在2009年可能会超过美国，成为世界上CO₂温室气体第一排放大国，达到52亿吨二氧化碳当量。因此，采取有效措施控制火电厂CO₂的排放对于应对全球变暖、减缓“温室效应”的加剧有着十分重要的意义，并已成为目前无法回避的重大课题。

近年来，利用气体水合物方法来回收和储存CO₂技术受到国际学者的关注。美国能源部国家能源技术实验室在《Carbon Sequestion-TechnologyRoadmap and Program Plan 2006》中明确提出以水合物的形式分离回收CO₂技术的可行性，日本、英国、挪威等国家也投入大量资金开展CO₂水合物技术及其海底储存的研究，而国内这方面的研究基本空白。另外气体水合物作为新一代蓄冷介质，应用化学方式蓄冷，克服了冰的蓄冷效率低，水的蓄冷密度小，共晶盐的换热效率低，易老化失效等弱点。目前对制冷剂气体水合物的研究较多，但在制冷剂水合物蓄冷工质的选择上多集中于常规制冷剂，以及随后的一些替代制冷剂上如R134a，R141b上，却忽略了自然工质CO₂。二氧化碳水合物作为蓄冷介质时具有高达500KJ/kg的分解焓，而R11，R141b分别是334KJ/kg和344KJ/kg，因此二氧化碳水合物作为蓄冷介质具有一定的优势。

二氧化碳气体水合物是水和CO₂气体在一定的温度和压力条件下形成的一种笼形结晶化合物。相对于甲烷来说，CO2气体更容易生成水合物。用水合物法进行CO2气体的固定和储存具有良好的开发前景，主要表现在：(1)储气密度大。研究表明，1m³水合物在标准状态下可携带多达150～160m³的气体；(2)制备技术条件容易。与二氧化碳水合物可以在1-4Mpa、0~10℃条件下进行制备，避免了干冰制备中的低温要求。(3)水合物的热物理性质比较稳定，储存安全；(4)可有效地进行水合物的再气化，将固体状水合物直接转化成可利用的气态CO₂；(5)应用领域广。二氧化碳气体水合物可作致冷剂用于食品保鲜和贮存，进行海水淡化，也可以用于工农业生产，简单可行，达到了废物利用的目的。

气体水合物的生成是一个缓慢的结晶过程，伴随着复杂的气液固多相传热传质过程，存在诱导时间长，过冷度大，生长速度缓慢等特点。成功的利用二氧化碳气体水合物进行蓄冷/储气技术，必须解决水合物快速均匀的生成问题，提高水合物的储气密度和蓄冷密度。

发明内容

本发明是针对现有气体水合物制备技术中存在诱导时间长，过冷度大，生长速度缓慢的不足，提出了一种气体水合物蓄冷/储气的可视化装置系统及方法，解决水合物快速均匀的生成问题，提高水合物的储气密度和蓄冷密度，此装置及方法简单适用、操作方便、测试精确、造价低。

本发明的技术方案为：一种气体水合物蓄冷/储气的可视化装置系统，包括高压反应釜、低温恒温水槽、稳压进气系统、视频监测系统，所述高压反应釜端盖上设计有5个开孔，分别是温度传感器安装螺纹口和压力传感器安装螺纹口；一个进液口；一个进气口和一个电子内视镜管安装螺纹口；永磁体搅拌电机固定安装在反应釜的端盖上，位于反应釜的中部，下端接搅拌叶片，电子内视镜通过电子内视镜管安装螺纹口和高压反应釜连接，温度传感器安装螺纹口和压力传感器安装螺纹口分别接温度和压力传感器，进气口外接稳压进气系统，温度传感器、压力传感器、电子内视镜的信号数据传输入视频监测系统，整个高压反应釜为达到工作温度置于低温恒温水槽中。所述高压反应釜材料选用316L不锈钢。所述传感器安装采用可方便调节插入深度的动卡套螺纹连接，聚四氟乙烯垫圈密封。所述搅拌叶片由永磁体搅拌电机驱动，转速可调。所述电子内视镜和釜盖螺纹连接，两个不锈钢垫圈和一个丁晴O型垫圈密封。

一种气体水合物蓄冷/储气的方法，所述方法的工作步骤如下：

1)、在水合物制备前，首先将定量的蒸馏水或定浓度的表面活性剂溶液通过进液口注入高压反应釜中并密封好；

2)、用真空泵对高压反应釜内抽真空；

3)、然后打开进气阀门，向反应釜内充入二氧化碳气体至所需的压力后关闭进气阀；

4)、设置恒温水槽温度至所需的数值，稳定后将反应釜置于其中，通过视频采集系统在线观测水合物的生长过程；

5)、搅拌时，打开搅拌电机，调整到所需的搅拌速度；

6)、反应完成后，将高压反应釜取出，开启排气阀泄压，打开端盖，取出固态水合物。

本发明的有益效果在于：可视化结构的设计可以清晰的实时观察和采集反应过程图像；采用磁力耦合搅拌系统，解决高压旋转密封问题，并且运行可靠，无噪音；添加表面活性剂结合机械搅拌方式，可大大提高水合物的生成速率及储气/蓄冷密度。

附图说明

图1是本发明气体水合物蓄冷/储气的可视化装置系统结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明装置主体为高压反应釜9，反应釜9端盖10上设计有5个开孔，分别是温度传感器安装螺纹口2和压力传感器安装螺纹口3；一个进液口4；一个进气口7和一个电子内视镜管安装螺纹口6；永磁体搅拌电机5固定安装在反应釜9的端盖10上，位于反应釜9的中部，下端接搅拌叶片5A，采用磁力耦合搅拌技术，以静密封代替了动密封，解决了高压泄漏问题。电子摄像系统1可通过电子内视镜管安装螺纹口6和高压反应釜9连接，可观察到高压反应釜9内部反应情况。温度传感器安装螺纹口2和压力传感器安装螺纹口3分别接温度和压力传感器，定量测试反应釜9内部的情况。进气口7外接稳压进气系统，稳压进气系统包括截止阀11、11A、11B、11C、11D，真空泵12，单向阀13，质量流量计14，减压阀15，储气罐16，起到顺利将二氧化碳通过进气口7送入高压反应釜9，平衡压力作用。温度传感器、压力传感器、电子内视镜1、质量流量计14的信号数据可传输入外接的计算机100中，构成数据采集系统。

本发明的气体水合物快速生成的可视化装置系统主要由高压反应釜、低温恒温水槽、稳压进气系统、视频监测系统等组成。

反应釜主体：高压反应釜材料为316L不锈钢，最大承受压力20MPa，采用丁晴橡胶垫圈密封，工作温度-20℃-30℃。在反应釜端盖上分别设有铂电阻传感器、压力传感器、CCD视镜管、进气管路的安装螺纹连接口。铂电阻传感器的安装采用可动卡套螺纹连接，方便调节铂电阻的插入深度，聚四氟乙烯垫圈密封。CCD视镜管和釜盖螺纹连接，两个不锈钢垫圈和一个丁晴O型垫圈密封。反应釜内设有搅拌叶片，采用磁力耦合搅拌技术，搅拌叶片由永磁体搅拌电机驱动，转速可调。它以静密封代替了动密封，解决了机械密封和填料密封难以解决的密封失效和高压泄漏问题，可以实现高压下水合物的化学反应。

恒温系统：利用恒温槽8调节反应釜中温度。恒温水槽与制冷系统联接并根据设定值精确控制槽内温度，维持反应所需的低温条件，釜中气体和液体的显热和反应过程中水合物生成热经反应釜壁面导出。恒温槽温度调节范围为-20℃-100℃，波动±0.05℃。

稳压进气系统：有储气罐、减压阀、气体质量流量计和单向阀等组成，出口压力：0-6MPa可调。

视频系统：在计算机上通过电子内视镜和CCD图像采集系统，可以在线清晰的观察和采集反应过程图像，通过数据自动采集系统实时测量记录水合物制备反应过程温度、压力、气体流量等参数。

利用该发明装置系统进行可视化气体水合物蓄冷/储气时，可以在恒容条件下，或者在恒压条件下进行水合物的制备，可以选择在静态系统中或者机械搅拌系统中进行。通过添加表面活性剂，如SDS、THF、Silwet系列表面活性剂或者混合表面活性剂，可以有效地促进水合物的快速生成，提高水合物的蓄冷/储气密度。

在恒容条件下制备水合物时，通过可视化电子内视镜1以及测定水合物形成期间压力随时间的变化可以判定水合物制备反应程度。工作步骤包括：1、在水合物制备前，首先将一定量的蒸馏水(或含一定浓度的表面活性剂溶液)通过进液口4注入反应釜9中并密封好；2、用真空泵12对反应釜9内抽真空；3、然后打开进气阀门，向反应釜内充入二氧化碳气体至所需的压力后关闭进气阀；4、设置恒温水槽8温度至所需的数值，稳定后将反应釜置于其中，通过视频采集系统在线观测水合物的生长过程；5、需要搅拌时，打开搅拌电机5，调整到所需的搅拌速度；6、反应完成后，将反应釜9取出，开启排气阀泄压，打开端盖，可取出固态水合物。

Claims (6)

1、一种气体水合物蓄冷/储气的可视化装置系统，包括高压反应釜、低温恒温水槽、稳压进气系统、视频监测系统，其特征在于所述高压反应釜端盖上设计有5个开孔，分别是温度传感器安装螺纹口和压力传感器安装螺纹口；一个进液口；一个进气口和一个电子内视镜管安装螺纹口；永磁体搅拌电机固定安装在反应釜的端盖上，位于反应釜的中部，下端接搅拌叶片，电子内视镜通过电子内视镜管安装螺纹口和高压反应釜连接，温度传感器安装螺纹口和压力传感器安装螺纹口分别接温度和压力传感器，进气口外接稳压进气系统，温度传感器、压力传感器、电子内视镜的信号数据传输入视频监测系统，整个高压反应釜为达到工作温度置于低温恒温水槽中。

2、根据权利要求1所述气体水合物蓄冷/储气的可视化装置系统，其特征在于所述高压反应釜材料选用316L不锈钢。

3、根据权利要求1所述气体水合物蓄冷/储气的可视化装置系统，其特征在于所述传感器安装采用可方便调节插入深度的动卡套螺纹连接，聚四氟乙烯垫圈密封。

4、根据权利要求1所述气体水合物蓄冷/储气的可视化装置系统，其特征在于所述搅拌叶片由永磁体搅拌电机驱动，转速可调。

5、根据权利要求1所述气体水合物蓄冷/储气的可视化装置系统，其特征在于所述电子内视镜和釜盖螺纹连接，两个不锈钢垫圈和一个丁晴O型垫圈密封。

6、一种气体水合物蓄冷/储气的方法，其特征在于所述方法的工作步骤如下：

1)、在水合物制备前，首先将定量的蒸馏水或定浓度的表面活性剂溶液通过进液口注入高压反应釜中并密封好；

2)、用真空泵对高压反应釜内抽真空；

3)、然后打开进气阀门，向反应釜内充入二氧化碳气体至所需的压力后关闭进气阀；

4)、设置恒温水槽温度至所需的数值，稳定后将反应釜置于其中，通过视频采集系统在线观测水合物的生长过程；

5)、搅拌时，打开搅拌电机，调整到所需的搅拌速度；

6)、反应完成后，将高压反应釜取出，开启排气阀泄压，打开端盖，取出固态水合物。

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