CN101537318B - 一种制备气体水合物的喷射式反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备气体水合物的喷射式反应器，即喷射式反应器，反应器主要由六部分构成：喷嘴、卷吸室、喉管、扩散管，并在喷嘴处装针阀，在喉管末端装有流控器，在扩散管处开有可视化窗口。反应器上设有反应水进口、气体进口、气阀、阀门、气液出口、温度传感器和压力传感器。针阀调节喷嘴面积进而控制反应水进入量，更换不同孔径的流控器可改变喷射后雾滴大小。本发明可使气体与反应水接触混合后高速喷射雾化，增大气体和雾滴的接触面积，缩短水合反应的诱导时间，极大提高气体水合物的生成速率，实现气体水合物高效、快速的生成，是一种新型高速制备气体水合物的反应器。

Description

一种制备气体水合物的喷射式反应器

技术领域

本发明涉及合成气体水合物的气液分散装置，具体涉及一种制备气体水合物的喷射式反应器。

背景技术

气体水合物是由某些气体(或易挥发液体)和水在低温高压条件下形成的一类笼型包络状晶体。不同气体生成气体水合物所需温度和压力条件不同，形成气体水合物的种类也不同。气体水合物具有储气量大、运输方便、使用安全的特点，但目前合成气体水合物的技术还不太成熟，尤其是对于难以形成水合物的气体，温度和压力条件不易控制，水合速率也很难提高，因此该技术的应用急需一种高效制备气体水合物的装置。

目前，用于制备气体水合物的技术主要有四种：静止接触法、多孔介质填充法、气泡扰动法和机械搅拌法。(1)静止接触法是在无扰动的情况下，使气液两相在相界面处直接接触，气体通过相界面扩散至水中，经过结晶成核、生长，最终形成气体水合物。(2)多孔介质填充法是一种采用多孔介质加速气体水合物生成的技术，将气体通入多孔介质中，增大气液接触面积，快速生成气体水合物。(3)气泡扰动法是使气体通过反应器内的孔板而产生气泡，气泡在水中不断上升、破碎，增大气体在水中的溶解度，缩短水合诱导时间，从而加快水合物成核、生长。(4)机械搅拌法是在反应器内设置一个搅拌器，通过搅拌可加速气体在水中的溶解，促使气体和水充分接触，缩短水合诱导时间，增加水合速率。还有将气泡扰动法和机械搅拌法相结合的方法，是在反应器内同时设置孔板和搅拌器，可进一步增大气体和水的接触面积，加速气体水合物的生成。

但以上方法存在缺点：①气体与水的接触面积都很有限，很大程度上影响了气体水合物的生成速率；②气体水合物的合成不是连续的，不断生成的水合物阻止了气体在水中的扩散，增加了吹气动力和搅拌动力，这在经济上是不提倡的；③机械搅拌时产生的热效应，也会不可避免地影响水合条件。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种制备气体水合物的喷射式反应器，通过对混合后的气液混合物同时喷射雾化，形成雾状流或者泡沫流，增大了气体在水中溶解度，增加了气液接触面积，缩短了水合诱导时间，可实现气-水混合物高度雾化，气体水合物高效、快速地生成。

本发明目的通过以下技术方案来实现：

一种制备气体水合物的喷射式反应器，包括：喷嘴1、卷吸室2、喉管3和扩散管4，在反应器进水管道中设有调节喷嘴1面积的针阀6，通过旋转针阀6的阀柄使针阀6向前旋进，针头和喷嘴1之间的空隙逐渐减小；调整针头与喷嘴1之间的空隙大小进而控制进水的流量，可完全切断由反应水进口7进入的水流，反应器设有与卷吸室2相通的气体进口8，卷吸室2与喉管3以及喉管3与扩散管4通过焊接连为一体，密封性和耐压性好；喉管3末端装有流控器12，扩散管4处开有椭圆形玻璃视窗5。

所述反应器上设有反应水进口7、气体进口8和气液出口11。

连接所述气液出口11的管路上装有气阀9和阀门10。

所述喉管3末端和流控器12通过螺纹连接，通过更换流控器12来改变喉管3末端的孔径。

所述卷吸室2、喉管3和扩散管4处均安装有温度传感器(13、14、15)和压力传感器(16、17、18)。

气体被所述喷嘴1喷出的高压反应水卷吸入卷吸室2。

所述扩散管4处开有视窗5以观察反应器内雾化效果及水合情况。

本发明的一种制备气体水合物的喷射式反应器，采用高压反应水引射低压(相对于反应水压力)气体，高速喷射雾化的方法合成气体水合物。气液混合物高速射出形成雾状流或者泡沫流，从而达到气体与反应水雾滴充分接触的效果，这可以在很大程度上增加气液接触面积，缩短水合诱导时间，实现气体水合物高效、快速的生成。

本发明一种制备气体水合物的喷射式反应器，是一种具有可视化窗口的喷射式反应器。反应器的喷射雾化过程是：高压预冷后的反应水由反应水进口注入，在喷嘴1处高速射出，将由气体进口8进入的气体卷吸入卷吸室2。气体和反应水初步混合后，在反应器喉管3处进行能量和质量的交换(包括温差引起的热量交换)，最后在扩散管4处喷射雾化，雾化后的雾滴和气体充分接触后，在高压低温条件下，短时间内就可以在视窗中看到有水合物晶体生成。反应器上的针阀6可以控制喷嘴面积，进而控制反应水的进入量。反应器喉管3末端装有流控器12，可进行喉管3末端孔径的更改，从而可对喷射后雾滴大小进行控制。  本发明所述的一种新型快速制备气体水合物的反应器，有如下特点：

(1)反应器喷嘴1处设有针阀6用以调节喷嘴面积，进而控制反应水进入量；

(2)反应器扩散管4处开有视窗5用以观察反应器内雾化效果及水合情况；

(3)反应器喉管3末端装有流控器12，可通过更换流控器12来改变喉管3末端孔径，控制喷射后雾滴大小；

(4)反应器上设有温度传感器(13、14、15)和压力传感器(16、17、18)以对反应器内温度和压力进行测量。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

现有制备水合物的喷射雾化技术只针对液体进行喷射雾化，而且进液流量不能控制，雾化效果和水合反应情况不能观察。本发明的一种喷射制备气体水合物的可视化装置，通过对混合后的气液混合物同时喷射雾化，形成雾状流或者泡沫流，在增大气体在水中溶解度、增加气液接触面积、缩短水合诱导时间和提高水合速率等方面，比现有技术效果更明显，可实现水合物高效、快速的生成。本发明可视化窗口的设计实现了对混合流体状态和反应情况的观察，并可利用摄像机和图像处理软件分析其泡沫或雾滴大小，对其雾化效果和反应速率进行研究，以提高水合反应速率。

附图说明

图1为本发明喷射式反应器的结构示意图；

其中，喷嘴1，卷吸室2，喉管3，扩散管4，视窗5，针阀6，反应水进口7，气体进口8，气阀9，阀门10，气液出口11，流控阀12，温度传感器13，温度传感器14，温度传感器15，压力传感器16，压力传感器17，压力传感器18。

具体实施方式

一种制备气体水合物的喷射式反应器，由喷嘴1、卷吸室2、喉管3和扩散管4四部分构成，其外部设有视窗5、针阀6、反应水进口7、气体进口8、气阀9、阀门10、气液出口11、流控阀12、温度传感器(13、14、15)和压力传感器(16、17、18)。

在反应器进水管道中设有调节喷嘴1面积的针阀6，通过旋转针阀6的阀柄使针阀6向前旋进，针头和喷嘴1之间的空隙逐渐减小；通过旋转针阀6的阀柄使针阀6向前旋进，来调整针头与喷嘴1之间的空隙大小进而控制进水的流量，可完全切断由反应水进口7进入的水流，反应器设有与卷吸室2相通的气体进口8，卷吸室2与喉管3以及喉管3与扩散管4通过焊接连为一体，密封性和耐压性好；喉管3末端装有变孔径的流控器12，扩散管4处开有椭圆形玻璃视窗5。

反应器末端的气液出口11分别连有气阀9和阀门10，管路可以旋转下来，反应器与管路的密封方式采用线密封。反应器卷吸室2、喉管3和扩散管4处均装有温度传感器(13、14、15)和压力传感器(16、17、18)以便对温度和压力进行测量。

抽真空：反应器中进行水合反应前需要配置一真空泵，开启真空泵使反应器内部及其连接的气路管线达到所需真空度要求。

提供低温环境：反应器需放在一内置保温棉的冷媒恒温箱中，通过制冷系统为反应器提供低温环境。

通入气体：从气瓶出来的气体需要在气体增压泵的帮助下进行增压，经缓冲罐、反应器的气体进口8进入反应器，使反应器维持在一个低压环境。

通入高压反应水：借助柱塞泵使反应水增压到指定压力(15～20MPa)，高压水经反应水进口7进入反应器，在喷嘴1处喷出，在卷吸室2卷吸循环的气体，气体和反应水初步混合后，在反应器喉管3处进行能量和质量的交换，最后在扩散管4处喷射雾化，雾化后的雾滴和气体充分接触后，在低温条件下增大进气阀开度，使反应器内气体压力增加到反应压力(5～8MPa)，短时间内就可以在视窗5中看到有水合物晶体生成。

另外可通过调节反应器上的针阀6来控制喷嘴1面积，进而控制反应水的进入量；更换喉管3末端的流控器12可改变喉管3末端孔径，从而可调节雾滴粒径。水合反应过程的温度和压力条件可通过反应器的卷吸室2、喉管3和扩散管4处的温度传感器(13、14、15)和压力传感器(16、17、18)进行测量。

本发明可视化窗口的设计实现了对混合流体状态和反应情况的观察，通过窗口可以清楚的看到反应器内混合物的雾化情况，利用高速摄像机和图像处理软件分析其泡沫或雾滴粒径数量级在10～10²μm，比现有技术中雾滴粒径10²～10³μm有所降低；在进行CH₄水合物实验时，利用数据采集仪对温度和压力数据进行采集，发现反应温度在0～5℃，压力在5～8MPa范围内，水合物过冷度可以降低到3℃，水合实验的诱导时间可以降低到100～150min之内，与现有的搅拌技术中水合诱导时间200min以上相比，时间缩短了。

Claims (6)

1.一种制备气体水合物的喷射式反应器，其特征在于，包括：喷嘴(1)、卷吸室(2)、喉管(3)和扩散管(4)，在反应器进水管道中设有调节喷嘴(1)面积的针阀(6)，通过旋转针阀(6)的阀柄使针阀(6)向前旋进，针头和喷嘴(1)之间的空隙逐渐减小；反应器设有与卷吸室(2)相通的气体进口(8)，卷吸室(2)与喉管(3)以及喉管(3)与扩散管(4)通过焊接连为一体；喉管(3)末端装有流控器(12)，扩散管(4)处开有椭圆形玻璃视窗(5)。

2.根据权利要求1所述的一种制备气体水合物的喷射式反应器，其特征在于所述反应器上设有反应水进口(7)、气体进口(8)和气液出口(11)。

3.根据权利要求2所述的一种制备气体水合物的喷射式反应器，其特征在于连接所述气液出口(11)的管路上装有阀门。

4.根据权利要求1所述的一种制备气体水合物的喷射式反应器，其特征在于所述喉管(3)末端和流控器(12)通过螺纹连接，通过更换流控器(12)来改变喉管(3)末端的孔径。

5.根据权利要求1所述的一种制备气体水合物的喷射式反应器，其特征在于所述卷吸室(2)、喉管(3)和扩散管(4)处均安装有温度传感器(13、14、15)和压力传感器(16、17、18)。

6.根据权利要求1所述的一种制备气体水合物的喷射式反应器，其特征在于气体被所述喷嘴(1)喷出的高压反应水卷吸入卷吸室(2)。

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