CN101818088B - 一种天然气水合物的高效连续制备方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种天然气水合物的高效连续制备方法与装置，具体为：由补水管来的水和由加药管来的水合物促进剂一起进入低温水箱，经低温水浴冷却到水合物形成温度，然后经增压水泵打入管道；由进气管来的天然气经过低温水箱冷却后进入压气机，经增压水泵增压后的带有促进剂的水和经压气机增压后的天然气一起进入气液混合器进行混合；气液混合物进入折叠管式反应器进行螺旋流动，气液充分混合并换热，高效连续获得生成的水合物浆液，再进入水合物分离器冷却，进一步生成水合物，然后经分离进入水合物储罐。本发明有以下优点：①增大了气-水接触面积；②快速移除水合物生成热；③实现了天然气水合物动态条件下的高效连续制备，产量500kg/h。
Description
技术领域
本发明涉及一种天然气水合物的高效连续制备方法与装置。
背景技术
天然气水合物是由天然气和水在一定温压条件下形成的一种晶状笼型物质。在标准状态下，1m3天然气水合物可释放出164m3的甲烷气体。因此，水合物是一种高密度能量物质，此外它还具有制备技术条件简单、性能稳定、储存安全等特点，在天然气储运等方面具有较好的工业前景。为了实现水合物的快速制备，人们希望能加快气-水合物的形成，提高生产率。因此，研发天然气水合物高效连续合成技术及工艺具有重要意义。
目前，在工业上应用水合物技术来储运天然气的最主要障碍是如何快速合成水合物并达到理想的储气量。因为天然气水合物的形成要经过气体溶解、晶核生成和晶体生长等阶段，而天然气组分气体在水中的溶解度很小，水合物只能在气、液界面形成，且开始形成的膜状水合物阻止了气体与水溶液的进一步接触，水合物生成过程由反应速率控制变为气体扩散速率控制，使得水合物的自然生成速度十分缓慢，水合物实际储气量低于其理论值，远远不能满足工业应用的需要。但近年来，在如何强化水合物的生成过程，提高生成速度和储气量方面，国内外许多科研工作者进行了大量的研究并取得了一些突破性的进展。采取的措施主要包括：采用合适的反应器形式和操作条件，或者引入介质改变化学反应物组成、进行催化、改善传质/传热条件、增强混合等等。
现有的天然气水合物合成工艺已有很多文献和专利报道。例如中国发明专利01118175.3公开了一种加速气体水合物生成的方法，它利用多孔介质为气体和水提供充分的气液接触面，生成高储能密度的气体水合物。但该方法存在热交换效率低，不能大规模合成的缺点；日本专利JP2005263825A公开了一种射流式水合物生产工艺和设备，液体经高压泵由射流器喷射，同时吸入天然气，混合后喷射进入反应器中，在反应器内搅拌装置的扰动下合成水合物。但该方法增加了机械搅拌，不可避免的产生热效应，影响实际水合物生成条件的维持，增加制备过程的能耗，且搅拌釜式反应器不利于连续生产。中国专利CN101358685是先将采用有制冷循环系统的管式层状结构储罐充满水，然后通入气体至0.1MPa左右，排出多余的水，通入气体加压至压力5～6MPa，通过冷却系统控制温度在0～4℃，使气体和储罐内管道中的水接触，在静态条件下生成水合物，然后降温，降压，冷冻到-15～-20℃，密闭储存；将水合物储罐放在采用一定保温结构的水合物储运汽车(火车)槽车上，水合物经汽车(火车)运输到目的地后，从外部的制冷循环系统中直接通入大于15℃的水，水合物很快气化；水合物气化后，剩余的水回收或重复利用。但该方法在静态体系下生成水合物的速度慢，储罐上装有制冷循环系统，势必增加运输成本。
上述水合物合成技术上的不足极大地阻碍了其在天然气储运技术上的应用。在国外，特别是挪威、日本对这种技术非常重视，在天然气水合物合成工艺方面已走在了世界的前列，但是，它离商业化应用还有一定距离，还有许多技术问题需要研究解决。因此开发高效连续生产气体水合物装置很有意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够高效、连续地生产天然气水合物的方法与装置，本发明也可用于天然气以外的其他气体如二氧化碳等气体水合物的制备。
为达到上述目的，本发明采取了以下的技术方案：
一种天然气水合物的高效连续制备方法，包括以下步骤：由补水管来的水和由加药管来的水合物促进剂一起进入低温水箱，经低温水浴冷却到对应压力下水合物形成温度的水平，然后经增压水泵打入管道。由进气管来的天然气经过低温水箱冷却后进入压气机。经水泵增压后的带有促进剂的水和经压气机增压后的天然气一起进入气液混合器进行混合，气液混合物进入折叠管式反应器进行螺旋流动，气液充分混合并换热，高效连续获得生成的水合物浆液，再进入水合物分离器冷却，进一步生成水合物，然后经分离进入水合物储罐。
一种天然气水合物的高效连续制备装置，其特征在于：所述装置包括设有低温水浴的低温水箱、气液混合器、若干折叠管式反应器、水合物分离器、水合物储罐；低温水箱设有进气管，进气管经过低温水箱内部与气液混合器相连，低温水箱设有出水口与液混合器相连；气液混合器、折叠管式反应器、水合物分离器和水合物储罐依次相连。
所述低温水箱设有一加药管，用以添加水合物促进剂。
所述进气管与气液混合器相连的管道间设有压气机；低温水箱的出水口与液混合器相连的管道间设有增压水泵。
所述折叠管式反应器为箱体结构或圆筒体结构，内部有并联的折叠管道或螺旋管道；管外各管道间设置折流板，管道外带有翅片用于增强换热，管道内安装自转螺旋纽带或起旋器，螺旋纽带的扭转比可以根据产量大小而定，一般在2～18之间，螺旋纽带(19)的相邻螺旋纽带的螺旋方向相反；所述折叠管式反应器两端分别设有分水室、集水室；折叠管道或螺旋管道两端分别与分水室、集水室连通。螺旋管内走天然气/水混合物，管外走冷却水，管外各管间设置折流板。管道并联不但增强了单位体积天然气/水混合物的换热效果，而且避免了因单根管道过长导致生成的水合物堵塞管道的问题，有效降低了管道运行压力；设置折流板可以提高管外冷却水的流速，使冷却水充分流经全部管面，改善流体对管子的冲刷角度，从而提高管外侧的表面传热系数。此外折流板还可以起支撑管束、保持管间距离等作用。翅片增大了管壁与管外冷却水的换热面积，增强了换热；自转螺旋纽带即可增加气液相面积、强化热量传递和质量传递，又可避免水合物在管壁面粘结，螺旋纽带带动天然气/水混合物形成强制旋流和轴向平行流叠加而成的螺旋流动，在此过程中天然气和水获得充分混合，反应热被冷却水及时带走，以此连续获得生成的水合物。
从螺旋管式反应器出来的水合物混合物进入水合物分离器。所述水合物分离器为一立式圆柱型结构，由内外壁构成，内外壁之间走冷却水；所述水合物分离器带有冷却器。水合物分离器具有冷却和分离两个功能。分离器带的冷却器可维持温度0～3℃，使水合物浆液进一步生成水合物；同时将生成的水合物、剩余的未反应的气体、以及未反应的水进行连续分离。水合物分离器分别与进气管和低温水箱连接构成气体和液体循环回路。其中，分离出来的水合物进入水合物储罐，分离出来的未反应的天然气进入气体循环回路，分离出来的未反应的水进入液体循环回路。
所述水合物分离器用管道经气体压力调节阀连接至进气管连接形成气体循环回路；所述水合物分离器用管道经液体压力调节阀连接至低温水箱形成液体循环回路。
所述水合物分离器内外壁之间的冷却空间、折叠管式反应器内的冷却空间、低温水箱和低温水浴构成冷却热交换系统。
本发明有益效果：
①管道螺旋流动增大了气-水接触面积强化水合物生成；②快速移除水合物生成热；③实现了天然气水合物动态条件下的高效连续制备。
附图说明
图1是本发明实施例装置结构示意图；
图2是本发明实施例折叠管式反应器结构示意图；
图3是本发明实施例折叠管式反应器内折叠管结构示意图。
1-低温水箱；2-增压水泵；3-压气机；4-气液混合器；5-折叠管式反应器；6-折叠管；7-水合物分离器；8-水合物储罐；9-低温水浴；10-加药管；11-补水管；12-进气管；13-液体压力调节阀；14-气体压力调节阀；15-分水室；16-集水室；17-折流板；18-翅片；19-螺旋纽带；20-法兰
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明内容做进一步详细说明：
如图1所示，本实施例水合物的高效连续制备装置由进气管12用管道经过低温水箱1，依次连接压气机3、气液混合器4、折叠管式反应器5、水合物分离器7组成，水合物分离器7用管道经气体压力调节阀14连接至进气管12连接形成一气体循环回路，水合物分离器7用管道经液体压力调节阀13连接至低温水箱1而形成一液体循环回路。
所述折叠管式反应器5结构如图2所示，折叠管式反应器5为一箱体结构，由分水室15、集水室16、折叠管6、折流板17组成，折叠管两端分别与分水室15、集水室16连通，折叠管和反应器壁之间的空隙构成折叠管式反应器的冷却空间。所述折叠管6结构如图3所示，管外带有翅片18，管内安装螺旋纽带19，且相邻螺旋纽带的螺旋方向相反。
所述水合物分离器7为立式旋流分离器，固态水合物不断地从混合物中分离出来，导出分离器；过滤出来的水汇集至底部，返回液体循环回路；未反应的气体返回气体循环回路。
本实施例装置在使用时，由补水管11来的水和由加药管10来的水合物促进剂一起进入低温水箱，经低温水浴9冷却到5℃，增压水泵2使水压提高到10MPa。由进气管12来的天然气经过低温水箱，被其内的低温水冷却后进入压气机3使气体压力提高到10MPa。经水泵增压后的带有促进剂的水和经压气机增压后的天然气一起进入气液混合器4。天然气与水充分混合，由此在气液混合器4出口处形成带有大量微小气泡的水。需要说明的是，在此步骤之前应控制进气流量在120.6m3/h(标准状态)，进水流量稍高于0.82m3/h，使进水量大于水合物生成所需天然气量，以此避免折叠管式反应器内水合物大量生成堵塞管道。
然后，上述天然气和带有促进剂的水的混和物进入管式反应器5的分水室15，经分配后进入并联的各个折叠管，在其内部螺旋纽带的作用下进行螺旋状流动，在此过程中天然气和水获得充分混合。绝大部分天然气和水发生化学反应，形成天然气水合物。
所述冷却热交换系统是由低温水浴9制备冷却水，温度为3℃，用管道连接至水合物分离器的冷却空间，经过换热之后温度有所升高，然后进入折叠管式反应器的冷却空间进行冷却热交换，最后返回低温水浴9进行下一个循环。
所述水合物分离器7外部设有冷却器，其内部温度要低于折叠管内部温度，从折叠管式反应器5出来的水合物浆液进入水合物分离器，并在此处进一步生成水合物，然后生成的水合物、剩余的未反应的气体、以及未反应的水被连续分离。其中，分离出来的水合物导出分离器进入水合物储罐8。分离出来的气体用管道经气体压力调节阀14连接至进气管12。分离出来的液体用管道经液体压力调节阀13进入低温水箱1，然后与补充水一起进入增压水泵2进行下一个循环。本实施例有以下优点：①增大了气-水接触面积；②快速移除水合物生成热；③实现了天然气水合物动态条件下的高效连续制备，产量500kg/h。
Claims (6)
1. 一种天然气水合物的高效连续制备装置，其特征在于：所述装置包括设有低温水浴（9）的低温水箱（1）、气液混合器（4）、若干折叠管式反应器（5）、水合物分离器（7）、水合物储罐（8）；低温水箱（1）设有进气管（12），进气管（12）经过低温水箱（1）内部与气液混合器（4）相连，低温水箱（1）设有出水口与气液混合器（4）相连；气液混合器（4）、折叠管式反应器（5）、水合物分离器（7）和水合物储罐（8）依次相连；所述折叠管式反应器（5）为箱体结构或圆筒体结构，内部有并联的折叠管道（6）或螺旋管道；管外各管道间设置折流板（17），管道外带有翅片（18）用于增强换热，管道内安装自转螺旋纽带（19）或起旋器；所述折叠管式反应器（5）两端分别设有分水室（15）、集水室（16）；折叠管道（6）或螺旋管道两端分别与分水室（15）、集水室（16）连通。
2.如权利要求1所述的制备装置，其特征在于：进气管（12）与气液混合器（4）相连的管道间设有压气机（3）；低温水箱（1）的出水口与气液混合器（4）相连的管道间设有增压水泵（2）。
3. 如权利要求1所述的制备装置，其特征在于：低温水箱（1）设有一加药管（10），用以添加水合物促进剂。
4. 如权利要求1所述的制备装置，其特征在于：所述水合物分离器（7）用管道经气体压力调节阀（14）连接至进气管（12）连接形成气体循环回路；水合物分离器（7）用管道经液体压力调节阀（13）连接至低温水箱（1）形成液体循环回路。
5. 如权利要求1所述的制备装置，其特征在于：所述水合物分离器（7）为一立式圆柱型结构，由内外壁构成，内外壁之间走冷却水；所述水合物分离器（7）带有冷却器。
6. 如权利要求1所述的制备装置，其特征在于：所述水合物分离器（7）内外壁之间的冷却空间、折叠管式反应器（5）内的冷却空间、低温水箱（1）和低温水浴（9）构成冷却热交换系统。
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- 2009-12-15 CN CN 200910263068 patent/CN101818088B/zh active Active
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| JP特开2005-263825A 2005.09.29 |
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