CN103285781B

CN103285781B - 一种超重力水合物合成装置

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Publication number: CN103285781B
Application number: CN201310261043.0A
Authority: CN
Inventors: 周诗岽; 余益松; 吴志敏; 王树立; 李恩田
Original assignee: Changzhou University
Current assignee: Nantong Donghu International Travel Agency Co., Ltd
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2015-06-24
Anticipated expiration: 2033-06-27
Also published as: CN103285781A

Abstract

本发明涉及水合物合成、储存、输运技术领域，特指一种超重力水合物的合成装置。所述超重力水合物的合成装置包括：截止阀、单向液阀、喷嘴、单向气阀、压力调节阀、气体缓冲罐、压缩机、冷凝器、涡轮流量计、制冰装置、压力计、研碎机、浆体泵、表面活性剂储罐、拉瓦尔喷阀、质量流量计、立式三相分离器和超重力反应器。采用超重力技术来增强水合物合成过程中的传热、传质，缩短了反应时间，减小了设备尺寸，降低了生产成本，出口采用锥形设置，有利于生成的水合物流出。

Description

一种超重力水合物合成装置

技术领域

本发明涉及水合物合成、储存、输运技术领域，特指一种超重力水合物的合成装置。

背景技术

天然气水合物是由主客体分子在高压低温下形成的类冰状的笼形化合物，强大的储气能力、相对温和的储存环境、安全高效等优点使得通过水合物的形式对油气田生产的天然气进行储存和运输成为一项正在迅速发展的新技术；水合物储运技术工业化道路上最为关键的是如何大规模的快速的生成水合物。

超重力技术是过程强化技术中的关键技术之一，实质是通过离心力场的作用而达到模拟超重力环境的目的，其在很多方面都表现出了巨大的优势：（1）传质强度高；（2）停留时间短；（3）适应性强，不怕震动和倾斜；（4）具有自清洗作用；（5）开停车容易；这些优点正是一般化学反应所需要达到的要求，运用超重力技术来进行化学反应的机器称为超重力反应机，高效的传质速率和微观混合速率使其在快速反应强化领域具有广阔的应用前景。

水合物的生成过程实质上是一个传质现象，以往很多学者在这方面做了研究；相继采用了搅拌法、鼓泡发、喷淋法等手段来提高水合物的成速率，除了常规的水合物反应装置还出现管式水合物反应器、射流式的水合物反应器、塔式水合反应器等，这些水合物反应器设计的出发点都是为了增强传热和传质，可是效果都不是很理想，研究者的目光开始朝向具有高效的传质速率和微观混合速率的过程强化技术—超重力技术；将超重力技术来强化水合物的生成或许可以改变水合物储运技术工业化应用的瓶颈，也有学者在这方面做了一定的研究，文献（刘有智，邢银全，崔磊军.超重力旋转填料床中天然气水合物含气量研究[J].化工进展，2007，26（6）：853-856）对旋转填料床中合成的天然气水合物的含气量进行了测定，结果显示出了，超重力技术合成天然气水合物的巨大优越性；专利“采用静态超重力快速制备天然气水合物的方法及装置”（200710032642.X，公开（公告）号CN 101225338A）提出了一种采用气体的周向高速喷入，产生强大的离心力场，来增强水合物生成过程中的传热、传质；但总体来说，利用超重力技术来增强水合物的合成速率还处于一个开发研究阶段，所采用超重力设备存在着以下问题，耗能大、气体的高速喷入，容易造成金属的疲劳，对材质的要求相当高、气液的接触时间过短，不利于水合物的合成、合成过程不均匀，系统稳定性差、容易造成堵塞等，因此急需设计出一套，过程均匀、稳定性好、能量利用率高，面向工业化的水合物生产装置。

发明内容

本发明的目的是针对水合物储运技术过程中对水合物形成快速、高效的要求，运用过程强化技术—超重力技术对生成过程进行强化。设计出一种过程均匀、稳定性好、能量利用率高的超重力水合物反应装置。

本发明提供了一种气体水合物快速生成的装置，可应用于天然气、二氧化碳、硫化氢等气体水合物的快速生成，本发明采用的技术方案包括，

超重力反应器：超重力反应器包括机壳、上下转子、布液器、带有变频调速器的电动机、转轴、中心进液管、转向机构和布液器；整个机壳由小圆柱、大圆柱和锥形底从上至下固联而成，锥形底顶点与大小圆柱的中心轴线在同一条直线上；上转子布置在小圆柱的环形空腔中部，下转子布置在大圆柱的环形空腔上部，且上下转子与大小圆柱同轴；在上下转子的中心圆孔即布液孔内设有布液器，布液器上端伸入到上转子的中心圆孔内，布液器下端伸入到下转子的中心圆孔内；布液器由旋转部件和环形进液管组成，布液器通过旋转部件与上下转子固定连接，环形进液管周向环绕在旋转部件上，液体经由从小圆柱上端伸入的中心进液管流下，通过环绕在旋转部件上的多根环形进液管引出，环形进液管周向均匀开有布液口，旋转部件通过转轴与位于大圆柱的环形空腔底部的转向机构连接；转向机构通过转轴与位于机壳外的带有变频调速器的电动机连接；如图1所示。

所述布液器中间部分不设有布液管，伸入到上转子的中心圆孔内和下转子的中心圆孔

内的部分设有布液管，液体经中心进液管流下，在旋转部件上通过多根环形进液管引出，环形进液管在转子内的布液器周向均匀开有布液口；如图5和图6。

所述的上下转子是由三个从上至上均匀分布的阿基米德螺线板经固联杆组成，上下转子的直径比例（或上转子的阿基米德螺线板与下转子的阿基米德螺线板的直径比）在1：3-5之间，如图4。

超重力反应器的制冷采用外部水冷夹套制冷；外部水冷夹套制冷，在反应器制冷中比较常见，具体的安装可依据现有的安装技术进行，通常机壳设置为双层结构，并组成空腔，作为水冷的夹套。

上下旋转床的高度差一般在30-70cm之间，一般保持上下旋转床的高度差为40cm左右为宜。

所述的转向机构由一个减速器和两个联轴器组成，且由密封箱密封；两个联轴器一端分别与减速器连接，另一端与和电动机连接的转轴和与和旋转部件连接的转轴分别连接；带有变频调速器的电动机通过转轴、联轴器及减速器实现转向（如图7所示）；由转轴带动转子旋转，转向机构位于大圆柱构成的环形空腔底部，且由密封箱密封；上下转子（旋转床）一般分别布置在二个同心圆柱空腔的中或上部。

具体技术方案包括：

（1）水合物生成过程中存在气-液-固三相体系，高效率的传热传质容易造成生成的水合物堵塞填料，这会降低生成效率，影响反应的进一步进行；为此，采用阿基米德螺线板代替填料，每个旋转床采用多层阿基米德螺线板固联；具体层数视生产能力而定，一般采用3层。

（2）错流式旋转床采用旋转床与气体的喷入方向错开，不再同一高度，一般在气体喷入的上方，利用上旋的气流湍动，增强了传质，且水合物合成较为均匀，稳定性较好；逆流式旋转床采用气体沿旋转床的周向喷入，旋转床的布置与气体喷入在同一高度，这种布置方式的传质效果比错流式强，针对水合物反应的具体条件，超重力反应器采用采用错流式和逆流式二个旋转床的搭配设置，增加了气体的湍动充分利用了上旋气流的能量，同时上下床直径比例在1：3-5之间，上面未完全形成的水合物晶核在下床可继续反应，增加了水合物的合成效率；具有变频调速功能的电机带动旋转床，稳定性好，安全性高，适应性强，耗能相对较低。

（3）布液器：在转子的中心固定一旋转部件，环形进液管周向环绕在旋转部件上，液体经中心进液管流下，在旋转部件上部通过多根环形进液管引出，环形进液管周向均匀开有布液口，同时根据上下旋转床的高度差，利用液体在中心进液管中所形成的压力，下旋转床的进液量大于上旋转床，合理的利用了上下旋转床的生产能力，使得进液均匀，亦提高了合成的效率。

（4）当气体由喷嘴以一定的速度进入超重力反应器时，气体周向喷入，在压差的作用下，气体由转子外缘向转子内缘运动，同时，液体由布液器喷向转子内缘，在离心力的作用下，液体由内缘向外缘以液膜流和液滴流运动，与气体进行充分的传热传质，反应生成气体水合物；生成的水合物在离心力的作用下甩出转子，沿器壁落下经锥形顶流下，进入三相分离器。

此外在各连接处要注意密封。

所述超重力水合物的合成装置包括：截止阀、单向液阀、喷嘴、单向气阀、压力调节阀、气体缓冲罐、压缩机、冷凝器、涡轮流量计、制冰装置、压力计、研碎机、浆体泵、表面活性剂储罐、拉瓦尔喷阀、质量流量计、立式三相分离器和超重力反应器。

气体由气体缓冲罐的第一输入端进入气体缓冲罐；气体缓冲罐的输出端与第一单向气阀的输入端连接；第一单向气阀的输出端与压缩机的输入端连接；压缩机的输入端与冷凝器的输入端连接；冷凝器的输出端与涡轮流量计的输入端连接；涡轮流量计的输出端与第二单向气阀的输入端连接；第二单向气阀的输出端与喷嘴的输入端连接；喷嘴的输出端与超重力反应器的第一输入端连接；液态水由制冰装置的第一输入端进入制冰装置；制冰装置的输出端与研碎机的输入端连接；研碎机的输出端与浆体泵的输入端连接；表面活性剂由储罐经过拉瓦尔喷阀喷入研碎机的输出端与浆体泵的输入端连接的管路；浆体泵的输出端与质量流量计的输入端连接；质量流量计的输出端与第一单向液阀的输入端连接；第一单向液阀的输出端与超重力反应器的第二输入端即中心进液管连接；超重力反应器的第一输出端与压力计的输入端连接；压力计的输出端与压力调节阀的输入端连接；压力调节阀的输出端与缓冲罐的第二输入端连接；超重力反应器的第二输出端与截止阀的输入端连接；截止阀的输出端与立式三相分离器的输入端连接；立式三相分离器的第一输出端与第三单向气阀的输入端连接；第三单向气阀的输出端与缓冲罐的第三输入端连接；立式三相分离器的第二输出端与第二单向液阀的输入端连接；第二单向液阀的输入端制冰装置的第二输入端连接；如图2所示。

本发明的显著优点在以下几个方面：

（1）采用超重力技术来增强水合物合成过程中的传热、传质，缩短了反应时间，减小

了设备尺寸，降低了生产成本，出口采用锥形设置，有利于生成的水合物流出。

（2）采用错流式和逆流式旋转床的搭配设置，更好的符合了水合物反应的要求，充分

利用了气体出口处的能量，增大了强化程度。

（3）在气体出口处采用自力式压力阀控制装置内的压力，实现自动调节控制，保证了

装置在一定压力下水合物的连续生产。

（4）采用钢制阿基米德螺线板代替旋转的填料，必要时可在金属表面涂上亲水性涂

料，增加了水与材质的界面张力，而且不易堵塞。

（5）采用上下盖板和固联杆相结合的结构将阿基米德螺线板分多层布置，使结构更加

紧凑，处理效率得到提高。

（6）采用电动机带动转子旋转，更加稳定，连续运转周期长，且适应性好，不怕震动

和倾斜。

附图说明

图1 超重力反应器结构示意图；图1中：1.电动机；2.制冷夹套；3.截止阀；4.转轴；5.机壳；6.转子；7.单向液阀；8.中心进液管；9转向机构；10.喷嘴； 11.单向气阀；12.压力调节阀；13.变频调速器；14.布液器；

图2 超重力法水合物合成装置结构示意图；图2中：15.单向液阀；16单向气阀；17.气体缓冲罐；18.单向气阀；19.压缩机；20.冷凝器； 21.涡轮流量计；22.制冰装置；23.压力计；24.研碎机； 25.浆体泵；26.表面活性剂储罐；27.拉瓦尔喷阀，28.质量流量计；29.立式三相分离器；

图3 阿基米德螺线板结构示意图；

图4 三层阿基米德螺线板的组合结构示意图；

图5为布液器第一结构示意图；

图6为布液器第二结构示意图；

图7为转向机构具体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施做进一步的说明。

本发明的装置由截止阀3、第一单向液阀7、第二单向气阀11、压力调节阀12、第二单向液阀15、第三单向气阀16、气体缓冲罐17、第一单向气阀18、压缩机19、冷凝器20、涡轮流量计21、制冰装置22、压力计23、研碎机24、浆体泵25、表面活性剂储罐26、拉瓦尔喷阀27、质量流量计28、立式三相分离器29和超重力反应器组成。

超重力反应装置设计

超重力反应器包括机壳5、上下转子6、布液器14、带有变频调速器13的电动机1、转轴4、中心进液管8、转向机构9和制冷装置2；整个机壳由小圆柱、大圆柱和锥形底从上至下固联而成，锥形底顶点与大小圆柱的中心轴线在同一条直线上；上转子布置在小圆柱的环形空腔中部，下转子布置在大圆柱的环形空腔上部，且上下转子与大小圆柱同轴；在上下转子的中心圆孔即布液孔内设有布液器，布液器上端伸入到上转子的中心圆孔内，布液器下端伸入到下转子的中心圆孔内；布液器由旋转部件和环形进液管组成，布液器通过旋转部件与上下转子固定连接，环形进液管周向环绕在旋转部件上，液体经由从小圆柱上端伸入的中心进液管流下，通过环绕在旋转部件上的多根环形进液管引出，环形进液管周向均匀开有布液口，旋转部件通过转轴与位于大圆柱的环形空腔底部的转向机构连接；转向机构通过转轴与位于机壳外的带有变频调速器的电动机连接。

所述的上下转子是由由三个从上至上均匀分布的阿基米德螺线板经固联杆组成，上下转子的直径比例或上转子的阿基米德螺线板与下转子的阿基米德螺线板的直径比在1：3-5之间。

上下旋转床的高度差保持在30-70cm之间，一般保持上下旋转床的高度差为40cm为宜。

此外带有变频调速器的电动机通过转轴、联轴器及减速器等实现转向；由转轴带动转子旋转，转向机构位于大圆柱构成的环形空腔底部，且由密封箱密封；上下转子（旋转床）一般分别布置在二个同心圆柱空腔的中或上部。

具体技术方案包括：

（1）水合物生成过程中存在气-液-固三相体系，高效率的传热传质容易造成生成的水合物堵塞填料，这会降低生成效率，影响反应的进一步进行；为此，采用阿基米德螺线板代替填料（图3），每个旋转床采用多层阿基米德螺线板固联；层数视生产能力而定，一般采用3层（图4）；三层螺线板采用固联杆固联。

（2）错流式旋转床采用旋转床与气体的喷入方向错开，不再同一高度，一般在气体喷入的上方，利用上旋的气流湍动，增强了传质，且水合物合成较为均匀，稳定性较好；逆流式旋转床采用气体沿旋转床的周向喷入，旋转床的布置与气体喷入在同一高度，这种布置方式的传质效果比错流式强，针对水合物反应的具体条件，超重力反应器采用采用错流式和逆流式二个旋转床的搭配设置，增加了气体的湍动充分利用了上旋气流的能量，同时上下床直径比例在1：3-5之间，上面未完全形成的水合物晶核在下床可继续反应，增加了水合物的合成效率；具有变频调速功能的电机带动旋转床，稳定性好，安全性高，适应性强，耗能相对较低（图1）。

（3）布液器：在转子的中心固定一旋转部件，环形进液管周向环绕在旋转部件上，液体经中心进液管流下，在旋转部件上部通过多根环形进液管引出，环形进液管周向均匀开有布液口，同时根据上下旋转床的高度差，利用液体在中心进液管中所形成的压力，下旋转床的进液量大于上旋转床，合理的利用了上下旋转床的生产能力，使得进液均匀，亦提高了合成的效率。（图5和图6）

（5）对于电动机转子转速n单位r/s、上下旋转床半径r，R，气体进口流速v ₁、气体进口半径R ₁，液体进口流速v ₂，液体进口半径R ₂可以根据具体的天然气处理量Q，通过下式来确定：

（1）；

（2）；

（3）；

（4）；

（5）；

其中指的是角速度，此外在各连接处要注意密封。

工艺方法包括：

（1）反应前通过进气管路将超重力反应器内的压力加压到5Mpa，通过制冷装置将反应器内的有温度保持在0℃。

（2）将液态水经过制冰装置22，研碎机24形成冰水混合物，由拉瓦尔喷阀27喷入浓度为300mg/L的十二烷基硫酸钠后经由浆体泵25，进入质量流量计28，计量后通过第一单向液阀7进入超重力水合反应器；与此同时，气体从气体缓冲罐17出来后经过第一单向气阀18及压缩机19的增压、冷凝器20制冷后进入涡轮流量计21计量，接着经过第二单向气阀11，紧接着由喷嘴以一定的速度喷入超重力水合反应器，反应完成后由截止阀3经过立式三相分离器29分离后外输。

（3）压力调节阀12在超重力水合反应装置内的气体达到限定压力10MPa时可自动打开将气体返回到气体缓冲罐17，实现循环，也起到了安全阀的作用，保证了超重力水合物反应装置可以平稳、连续、安全运行。

（4）立式三相分离器分离出来的未反应气体返回到进气管路进入气体缓冲罐17，未反应的水返回到进液管路进入制冰装置22重新制冰。得到的水合物外输。

Claims

1.一种超重力水合物合成装置，其特征在于所述装置包括：截止阀、单向液阀、喷嘴、单向气阀、压力调节阀、气体缓冲罐、压缩机、冷凝器、涡轮流量计、制冰装置、压力计、研碎机、浆体泵、表面活性剂储罐、拉瓦尔喷阀、质量流量计、立式三相分离器和超重力反应器；气体由气体缓冲罐的第一输入端进入气体缓冲罐；气体缓冲罐的输出端与第一单向气阀的输入端连接；第一单向气阀的输出端与压缩机的输入端连接；压缩机的输出端与冷凝器的输入端连接；冷凝器的输出端与涡轮流量计的输入端连接；涡轮流量计的输出端与第二单向气阀的输入端连接；第二单向气阀的输出端与喷嘴的输入端连接；喷嘴的输出端与超重力反应器的第一输入端连接；液态水由制冰装置的第一输入端进入制冰装置；制冰装置的输出端与研碎机的输入端连接；研碎机的输出端与浆体泵的输入端连接；表面活性剂由储罐经过拉瓦尔喷阀喷入研碎机的输出端与浆体泵的输入端连接的管路；浆体泵的输出端与质量流量计的输入端连接；质量流量计的输出端与第一单向液阀的输入端连接；第一单向液阀的输出端与超重力反应器的第二输入端即中心进液管连接；超重力反应器的第一输出端与压力计的输入端连接；压力计的输出端与压力调节阀的输入端连接；压力调节阀的输出端与缓冲罐的第二输入端连接；超重力反应器的第二输出端与截止阀的输入端连接；截止阀的输出端与立式三相分离器的输入端连接；立式三相分离器的第一输出端与第三单向气阀的输入端连接；第三单向气阀的输出端与缓冲罐的第三输入端连接；立式三相分离器的第二输出端与第二单向液阀的输入端连接；第二单向液阀的输出端制冰装置的第二输入端连接；

所述超重力反应器包括机壳、上下转子、布液器、带有变频调速器的电动机、转轴、中心进液管、转向机构和布液器；整个机壳由小圆柱、大圆柱和锥形底从上至下固联而成，锥形底顶点与大小圆柱的中心轴线在同一条直线上；上转子布置在小圆柱的环形空腔中部，下转子布置在大圆柱的环形空腔上部，且上下转子与大小圆柱同轴；在上下转子的中心圆孔即布液孔内设有布液器，布液器上端伸入到上转子的中心圆孔内，布液器下端伸入到下转子的中心圆孔内；布液器由旋转部件和环形进液管组成，布液器通过旋转部件与上下转子固定连接，环形进液管周向环绕在旋转部件上，液体经由从小圆柱上端伸入的中心进液管流下，通过环绕在旋转部件上的多根环形进液管引出，环形进液管周向均匀开有布液口，旋转部件通过转轴与位于大圆柱的环形空腔底部的转向机构连接；转向机构通过转轴与位于机壳外的带有变频调速器的电动机连接。

2.如权利要求1所述的一种超重力水合物合成装置，其特征在于：所述布液器中间部分不设有布液管，伸入到上转子的中心圆孔内和下转子的中心圆孔内的部分设有布液管，液体经中心进液管流下，在旋转部件上通过多根环形进液管引出，环形进液管在转子内的布液器周向均匀开有布液口。

3.如权利要求1所述的一种超重力水合物合成装置，其特征在于：所述的上下转子是由三个从上至下均匀分布的阿基米德螺线板经固联杆固联组成，上下转子的直径比例或上转子的阿基米德螺线板与下转子的阿基米德螺线板的直径比在1：3-5之间。

4.如权利要求1所述的一种超重力水合物合成装置，其特征在于：所述超重力反应器的制冷采用外部水冷夹套制冷；即将机壳设置为双层结构，并组成空腔，作为水冷的夹套。

5.如权利要求1所述的一种超重力水合物合成装置，其特征在于：所述上下转子的高度差为30-70cm。

6.如权利要求1所述的一种超重力水合物合成装置，其特征在于：所述的转向机构由一个减速器和两个联轴器组成，且由密封箱密封；两个联轴器一端分别与减速器连接，另一端与和电动机连接的转轴和与和旋转部件连接的转轴分别连接；带有变频调速器的电动机通过转轴、联轴器及减速器实现转向；由转轴带动旋转部件旋转从而带动转子旋转。