CN102141560B

CN102141560B - 一种可视化气体水合物实验装置

Info

Publication number: CN102141560B
Application number: CN2010106030106A
Authority: CN
Inventors: 李小森; 吕秋楠; 陈朝阳; 李刚; 曾志勇; 张郁; 颜克凤
Original assignee: Guangzhou Institute of Energy Conversion of CAS
Current assignee: Guangzhou Institute of Energy Conversion of CAS
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2030-12-23
Also published as: CN102141560A

Abstract

本发明公开了一种可视化气体水合物实验装置，包括：反应器，分为数段，每段带有视窗，并且未带视窗的外壁上设置有水夹套，底部设有进料口；稳流供气系统、稳流供液系统，分别向反应器以恒定速度通入气体和溶液；温度控制系统，控制通入反应器前的气体、溶液，以及每段水夹套的温度；稳压排气系统，用于反应器排气，控制反应器中的压力恒定；取样分析系统，从反应器中取样并进行成分分析；数据采集与处理系统，采集稳流供气系统、稳流供液系统、反应器、温度控制系统的各项数据并进行分析。采用本方案，不仅可实现气体水合物快速、高效生成，还能实现在线实时观测水合物形成/分解过程中水合物晶体结构、形貌，并通过图像处理软件进行分析。

Description

一种可视化气体水合物实验装置

技术领域

本发明涉及一种气体水合物实验装置，尤其涉及一种可用于多组分混合气体水合物形成/分解动力学、水合物晶体结构、形貌测定的实验装置。

背景技术

气体水合物(以下简称水合物)是由水与CH₄、C₂H₆、CO₂或H₂S等小分子气体在高压低温环境下生成的非化学计量性笼状晶体物质，又称作笼形水合物(clathrate hydrate)。主体水分子通过氢键相连形成一些多面体的笼孔，尺寸合适的客体分子可填充在这些笼孔中，使其具有热力学稳定性。气体水合物具有很强的储气能力，每立方米可储存160～180m³气体，且呈固态，便于运输。气体水合物技术应用前景广阔，除了可用于天然气储运还可应用于污水处理、海水淡化、混合气体分离、水溶液浓缩以及水合物蓄冷等领域，因此水合物技术的研究受到越来越多的关注。

目前，实验室多采用机械搅拌的方式来研究气体水合物的形成/分解动力学，但是，现有的实验装置存在反应器容积小、可视范围有限、取样难等缺点，无法观测到整个气体水合物形成过程晶体结构和形貌的变化；同时，连续搅拌虽然提高了气体的扩散系数，加速了气体在液相中的溶解，提高了反应速率，但是为了防止反应器内高压气体泄漏，必须克服搅拌轴的密封问题，并且伴随着反应的不断进行，已生成的水合物可能会由于搅拌产生的机械运动热能而分解。

因此，现有技术有待于完善和发展。

发明内容

本发明所要解决的问题在于提供一种克服现有水合物形成实验装置反应容积小、可视范围小等上述缺点的可视化气体水合物实验装置。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种可视化气体水合物实验装置，包括可视化水合物反应器、稳流供气系统、稳流供液系统、温度控制系统、稳压排气系统、取样分析系统和数据采集与处理系统，其中：

反应器，分为数段，每段带有视窗，并且未带视窗的外壁上设置有水夹套，底部设有进料口；

稳流供气系统、稳流供液系统，分别向反应器以恒定速度通入气体和溶液；

温度控制系统，控制通入反应器前的气体、溶液，以及每段水夹套的温度；

稳压排气系统，用于反应器排气，控制反应器中的压力恒定；

取样分析系统，从反应器中取样并进行成分分析；

数据采集与处理系统，采集稳流供气系统、稳流供液系统、反应器、温度控制系统的各项数据并进行分析。

所述的可视化气体水合物实验装置，所述反应器分为4段。

所述的可视化气体水合物实验装置，所述反应器底部设有用于增加气液接触的分布器。

所述的可视化气体水合物实验装置，所述反应器的每段水夹套均带有冷却介质进水口和出水口，且进水口和出水口上装有阀门。

所述的可视化气体水合物实验装置，所述稳流供气系统提供的气体与所述稳流供液系统提供的溶液在静态混合器中混合，并在进入反应器前预冷却至反应温度。

所述的可视化气体水合物实验装置，所述冷却介质进水口和出水口与恒温水箱相连，所述静态混合器置于恒温水箱中。

所述的可视化气体水合物实验装置，所述稳压排气系统通过PID压力调节阀的开合向集气瓶中排气。

所述的可视化气体水合物实验装置，所述取样分析系统与PID压力调节阀相连，经由气液分离器分离出气体再由气体自动取样器取样，并通过气相色谱仪分析气体组分。

所述的可视化气体水合物实验装置，所述数据采集与处理系统在线实时采集反应器内气泡上浮、气体水合物生成过程图像。

采用上述方案，本发明的可视化气体水合物实验装置主要具有如下优点：利用分布器产生微气泡，增大了气液接触面积，增加了气体溶解度，缩短诱导时间提高水合物形成速率，克服了现有的实验装置气泡行程短的弊端，使气泡在上浮过程中就形成水合物，省却了气体循环设备。水夹套的设计，可通过调节每段的进水管和出水管的阀门实现对反应器分段控温。在反应器前端添加混合单元静态混合器，使气-液两相组分在相界面连续更新和充分接触，增大了流体的接触面积强化传质传热，并且将静态混合器放置在恒温水箱中，使反应气体和液体在进入反应器前预冷却。本发明的大范围可视化窗口的设计实现了对混合流体和反应过程的观察，可通过图像采集与处理软件分析水合物晶体结构、形貌和气泡大小对反应速率的影响。

附图说明

图1是本发明的可视化气体水合物实验装置一种实施方式的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的较佳实施例作进一步详细说明。

附图1中各标记为：1、气瓶，2、液罐，3、质量流量控制器与积分仪，4、计量泵，5、制冷系统，6、换热器，7、恒温水箱，8、静态混合器，9、水夹套，10、分布器，11、反应器，12、加压水泵，13、安全阀，14、真空泵，15、PID压力调节阀，16、气液分离器，17、气相色谱仪，18、气体自动取样器，19、集气瓶，20、计算机，21、数据采集卡，22、减压阀，23、视窗。V1～V29为各阀门，除止回阀V24、止回阀V25，其余均为截止阀。

如图1所示，本发明的可视化气体水合物实验装置，包括可视化水合物反应器、稳流供气、供液系统、温度控制系统、稳压排气系统、取样分析系统和数据采集与处理系统，其中：

所述稳流供气系统由气瓶1、减压阀22、截止阀V1、V2、V3、V4、气体质量流量控制器和积分仪3、止回阀V24组成。气体质量流量控制器和积分仪3进口通过管道、截止阀V3、减压阀22与气源连接；出口通过管道、截止阀V4和止回阀V24相连。通过质量流量控制器调节进气流速。

所述稳流供液系统由液罐2、截止阀V5、计量泵4、止回阀V25组成。计量泵4进口通过管道、截止阀V5和液罐2相连；出口通过管道和止回阀V25相连。计量泵4用于向反应器内注入定量的水溶液或化学药剂。

所述稳流供气和稳流供液系统通过管道相连，共同连接到静态混合器8的一端，静态混合器8的另一端和反应器11进口处的分布器10相连，静态混合器8置于恒温水箱7中，使气液充分混合并在进入反应器11前预冷却至反应温度。

所述反应器11底部设有用于增加气液接触的分布器10，该分布器10可根据实验需要进行拆换。反应器11釜体共分为四段，每段均开设两段视窗23、温度传感器、电极以及液体取样口，在线实时采集反应器11内鼓泡状态和水合物生成/分解过程中水合物晶体结构、形貌图像，并用图像处理软件分析。未设视窗的釜体外侧设有水夹套9，反应器11底部有排液口，反应器11顶端装有压力表、真空泵14、PID压力调节阀15，放空管路上装有安全阀13。PID压力调节阀15的末端接有气液分离器16、集气瓶19。气液分离器16上连有气体自动取样器18、气相色谱仪17。反应器11底的分布器10入口端连有静态混合器8，包含有气源1、减压阀22、截止阀V2、V3、V4、质量流量控制器和积分仪3、止回阀V24的稳流供气系统与包含液罐2、截止阀V5、计量泵4、止回阀V25的稳流供液系统并联与静态混合器8的入口端相连。

所述温度控制系统由制冷系统5、换热器6、恒温水箱7、加压水泵12组成，恒温水箱7中的冷却介质由加压水泵12进入循环管路中，该循环管路与所述反应器11水夹套9连通。通过循环管路输入的冷却介质输入到反应器11水夹套9中，完成热交换的冷却介质再由出水管道流回到恒温水箱7中，通过控制恒温水箱7中冷却介质的温度和调节进水管和出水管的阀门来控制反应器的温度。

所述稳压排气系统由PID压力调节阀15、气液分离器16、集气瓶19，截止阀组成；稳压排气系统通过管道与反应器11排气口相连。通过PID压力调节阀15的开合向集气瓶19中排气，以实现对反应器11内压力的精确控制，维持压力恒定。

所述取样分析系统包括气体自动取样器18和气相色谱仪17，采样气体经由气液分离器16分离出气体再由气体自动取样器18取样进入气相色谱仪17分析气体组分组成；反应器11体上由截止阀V6、V7、V8控制的液体取样口可采集水合物浆或反应后的液体样品。

所述数据采集系统包括气体质量流量控制器和积分仪3、恒温水箱7、反应器11和集气瓶19的温度传感器、反应器11和集气瓶19的压力传感器、反应器11内的电极、气相色谱仪17、数据采集卡21、控制软件、计算机20和图像采集与分析处理软件等；反应器11和集气瓶19中的压力、温度及反应器11内溶液电阻、水浴温度、气体流量需计算机20在线实时采集，并传输到计算机20储存。在线实时采集反应器11内气泡上浮、气体水合物生成过程图像。

整套设备运行步骤如下：

开启真空泵14，使反应器11和管路内无空气且达到所需的真空度：打开阀门V27关闭反应器11和管路上其他阀门，开启真空泵14对反应器11抽真空，使反应器11内达到所需真空度；

向反应器11内注入一定量的水溶液：打开阀门V28向反应器11内注入溶液；

开启温度控制系统，调节恒温水箱7的温度，使反应器11中的温度达到预定值，并保持温度恒定：开启为反应器11提供低温环境的制冷系统5，打开加压水泵12，使恒温水箱7中的冷却介质在水夹套9中循环，调节阀门V9、V10、V11、V12、V13、V14、V15、V16，使反应器11内的温度达到所需温度；

开启稳流供气系统，将气瓶1中的气体通过截止阀V3、V4及质量流量控制器和积分仪3以恒定的流速向反应器11内通入，使反应器11内的压力达到水合物平衡压力以上的预定值P；

同时启动稳流供液系统，将液罐2中的反应液通过截止阀V5和计量泵4以恒定的流速注入，反应液和气体经静态混合器8混合预冷之后通过阀门V29经由反应器11底进口处的分布器10分散到反应器内，可以通过调节气液流速控制气液比和气泡大小；

当反应器11内的压力达到预定压力P后，启动稳压排气系统，使反应器11中的压力保持恒定压力P，未能及时反应的气体通过PID压力调节阀15、气液分离器16排入到集气瓶19中，排出气体的量可以根据集气瓶19上的温度传感器和压力传感器进行测量；

气体经过分布器10产生微气泡，进入反应器11内与溶液接触，短时间通过视窗23观察水合物晶体生成，水合物生成产生的热量分散到水相中，再由反应器11外部的冷却循环介质将热量带走；

启动数据采集系统，测量并记录从反应开始至反应结束时间段的反应器11和集气瓶19中的温度、压力和反应器11内溶液的电阻变化以及进气流速。在线实时采集气泡在上浮过程中逐步形成水合物的图像，通过图像处理软件分析气体水合物形成过程中晶体结构、形貌变化以及气泡大小、密度，计算气泡上浮速率、气体水合物上浮速率和水合物形成速率。

在进行多组分混合气体水合物形成/分解动力学测定时，可在反应过程中取样，在气相色谱仪17上分析排气组成，计算混合气体中各组分的反应速率。

本发明提供了一种可视化气体水合物实验装置，无需要取样，仅通过大范围的可视化视窗即可在线实时观测水合物形成/分解过程中水合物晶体结构、形貌，并通过图像处理软件进行分析。气液充分混合后同时通过分布器分散到反应器中，形成微气泡增大了气体在水中的溶解度，增加了气液接触面积，缩短了水合物形成时间，水合物在形成过程中将热量分散到水相中。气体以微气泡的形式分散到反应器中，瞬间可形成水合物，省却气体循环设备，可实现气体水合物快速、高效生成，应用于多组分混合气体水合物形成/分解动力学、水合物晶体结构、形貌测定的实验装置。

本发明中水夹套的设计，可通过调节每段冷却介质进水管和出水管的阀门实现对反应器的分段控温；大范围可视化窗口的设计实现了对混合流体和反应过程的观察，在线实时采集气体水合物晶体结构、形貌图像、气泡大小、密度，通过图像处理软件分析气体水合物形成过程中晶体结构和形貌的变化以及气泡大小对反应速率的影响。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种可视化气体水合物实验装置，其特征在于，包括可视化水合物反应器、稳流供气系统、稳流供液系统、温度控制系统、稳压排气系统、取样分析系统和数据采集与处理系统，其中：

取样分析系统，从反应器中取样并进行成分分析；

数据采集与处理系统，采集稳流供气系统、稳流供液系统、反应器、温度控制系统的各项数据并进行分析；

所述反应器底部设有用于增加气液接触的分布器。

2.根据权利要求1所述的可视化气体水合物实验装置，其特征在于，所述反应器分为4段。

3.根据权利要求1所述的可视化气体水合物实验装置，其特征在于，所述反应器的每段水夹套均带有冷却介质进水口和出水口，且进水口和出水口上装有阀门。

4.根据权利要求3所述的可视化气体水合物实验装置，其特征在于，所述稳流供气系统提供的气体与所述稳流供液系统提供的溶液在静态混合器中混合，并在进入反应器前预冷却至反应温度。

5.根据权利要求4所述的可视化气体水合物实验装置，其特征在于，所述冷却介质进水口和出水口与恒温水箱相连，所述静态混合器置于恒温水箱中。

6.根据权利要求1所述的可视化气体水合物实验装置，其特征在于，所述稳压排气系统通过PID压力调节阀的开合向集气瓶中排气。

7.根据权利要求6所述的可视化气体水合物实验装置，其特征在于，所述取样分析系统与PID压力调节阀相连，经由气液分离器分离出气体再由气体自动取样器取样，并通过气相色谱仪分析气体组分。

8.根据权利要求1所述的可视化气体水合物实验装置，其特征在于，所述数据采集与处理系统在线实时采集反应器内气泡上浮、气体水合物生成过程图像。