CN105670725B - 一种基于气体节流技术的连续式气体水合物浆合成方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于气体节流技术的连续式气体水合物浆合成方法与装置，属于水合物技术应用领域，包括注水‐控温、注气‐水合物连续生成部分和水合物浆回收部分。注气‐水合物连续生成部分包括进气系统和循环系统。气体通过节流膨胀后进入反应器内，获得瞬时低温，促进水合物迅速生成。利用气体水合物密度于水的特性，待水合物颗粒上浮后自动流出反应器，实现水合物的连续生成。水合物浆过滤后得到的溶液可经循环流回反应器内，实现溶液的重复利用。本发明中π型水合物反应器设计新颖、简单，利于水合物收集；制备方法易于操作，进一步提高了水合物浆的生成效率和产出量。该合成方法及装置的设计灵活，亦可进行多项气体水合物合成方面的研究。

Description

一种基于气体节流技术的连续式气体水合物浆合成方法与 装置

技术领域

本发明属于水合物技术应用领域，涉及到一种基于气体节流技术的连续式气体水合物浆合成方法及装置。

背景技术

近年来水合物技术发展迅速,其在储能、分离和蓄冷等领域均有潜在应用价值，亟需开发连续、高效水合物生成技术和装置。以水合物法天然气储运技术为例，该技术是将天然气转化为水合物浆形式进行储运。相对于传统天然气压缩、液化、管道输送等储运方式，水合物浆储运技术更有优势。

对比天然气的储运成本，水合物浆储运形式经济性较高。同时，水合物浆制备及储存条件容易满足，可以极大地减少能耗。并且其能量密度大，储运效率较高。相比于天然气泄漏易爆，水合物浆储运较为安全。此外，水合物浆具有很好的流动性，避免天然气水合物装卸输运的不便。在其他方面，水合物浆也有诸多用处，如作为高热流密度输送介质，应用在空调系统中，以及相关专利公开的水合物法天然气储存和调峰用工艺系统等。

但目前，水合物浆储运技术还没有进行大规模推广，仍需大量的实验研究。主要存在制备装置冗余相对比较复杂，水合物生成效率不高，产出量较少等问题。如水合物浆实验测试研究的装置，多采用搅拌，摇晃式，能量损耗大。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于气体节流技术的连续式气体水合物浆合成方法与装置，进一步提高了气体水合物的生成效率，增加了水合物浆产量，同时装置设计简单，易于操作。实现了气体水合物高效、便捷的合成。

一种基于气体节流技术的连续式气体水合物浆合成方法与装置，包括π型水合物反应器、进气系统、收集装置、循环系统以及数据测量与控制系统。

π型水合物反应器分别与进气系统、收集装置、循环系统以及数据测量与控制系统直接相连，π型水合物反应器的右部下端与进气系统连通，左部下端与收集装置连通，循环系统连接在π型水合物反应器下端，数据测量与控制系统连接在反应器上端。

π型水合物反应器，分为左部和右部，右部为气体水合物的生成区，利用气体水合物密度低于水的特性，待水合物颗粒上浮后自动流到左端，左部为水合物浆的分离和收集区。水合物反应器设计为π型，不但为水合物提供了生成环境，也更利于水合物的提取和收集，同时也实现了水合物的连续式生成。π型水合物反应器包括制冷盘管、安全阀、细孔滤网、水合物浆出口以及出水口。制冷盘管位于π型水合物反应器内壁，能够准确控制反应器内的温度，保证水合物浆的高效制备；安全阀位于反应器左部上端，确保反应器内压力处于安全值内。细孔滤网位于反应器的左部下端，可对水合物浆进行初步过滤，倾斜安装在π型水合物反应器内壁，有利于水合物浆从水合物浆出口流出，该出口无法使气体通过；出水口设置在π型水合物反应器左部下端，用于循环溶液；反应器的上端和下端均设有可自由拆卸的堵头，方便安装和维修。

进气系统包括高压气罐、进气泵、气体节流装置、可控背压阀及干燥器。高压气源通过减压阀与进气泵相连，不断向π型水合物反应器内输送气体，使得水合物生成环境处于气饱和状态，保证水合物的连续生成；进气泵与气体节流装置连通，以恒定压力将气体输送到节流装置；气体节流装置位于π型水合物反应器右部下端，气体经节流装置流入π型水合物反应器。该过程通过节流膨胀原理实现局部气体和水的瞬时快速降温，从而促进水合物迅速生成。为了气体在液相中充分扩散，并延长在液相中的滞留时间，将节流装置的出气口朝下安置；同时，该节流装置设计为单向流通，仅允许气体流入。可控背压阀安装在π型水合物反应器右上端，与干燥器连通，最终接入进气管路，与进气泵相连。可控背压阀能够保证节流装置出口压力恒定，易于控制，同时也可实现气体的重复利用；干燥器可对流出气体进行干燥，防止腐蚀损害设备。

收集装置包括固液混输泵、单向逆止阀以及水合物浆储存罐。固液混输泵通过单向逆止阀与水合物浆出口相连，用于收集所形成的水合物浆；收集到的水合物浆被回收到水合物浆储存罐中，该水合物浆储存罐具有保温功能，以防止水合物分解。

循环系统包括液位传感器、单向逆止阀、抽液泵、进液泵和溶液罐。液位传感器安装在π型水合物反应器左部下端，用于测量过滤后得到的溶液高度；π型水合物反应器左部下端的出水口与单向逆止阀相连，只允许水从出口流出；抽液泵的进口与单向逆止阀相连，出口与进液泵连通。抽液泵根据过滤后得到的溶液高度自动运行，单向逆止阀跟随抽液泵的启停而开关。当过滤后得到的溶液高度大于设定值，表示水量过多，抽液泵自动启动将溶液抽出，单向阀门跟随打开，过滤后得到的溶液将重新补给到反应器内，从而实现溶液的重复利用；当过滤后得到的溶液高度小于设定值，抽液泵会停止运行，单向阀随之自动关闭。而连通溶液罐的进液泵会自动运行，向反应器内补液，直到反应器左侧的溶液的液位高于设定值即停止运行。该循环过程，既完成了溶液的重复利用，也增强了π型水合物反应器内溶液的流动性，利于水合物浆的收集，实现了水合物浆的连续生成。

数据测量与控制系统，包括温度传感器、压力传感器、数据转换模块和工控机。温度传感器和压力传感器安装在反应器上端，用于检测反应器内的温度和压力。温度传感器和压力传感器通过A/D转换模块与工控机相连，各泵、阀门与相应设备连接，由工控机统一实行自动控制。

该反应器本体部分为不锈钢材质，耐压值≥30MPa；制冷盘管温度范围-30-20℃；高压气源耐压值≥30MPa；水合物浆储存罐为不锈钢材质，外层添加恒温隔热材料。

本发明的有益效果是：水合物浆高效制备装置，满足大背景下天然气的输运与储存研究需求；采用气体节流技术，提高水合物生成速率；π型水合物反应器设计，利于水合物浆收集，实现连续式气体水合物生成，确保水合物浆制备效率；溶液可实现智能连续循环利用，气体可重复利用，均减少损耗，提高了能量利用率；该装置制作简单，成本较低，易于操作，可进行水合物浆的大量生产；该合成方法及装置的设计灵活，亦可进行多项气体水合物生成方面的研究。

附图说明

图1是一种基于气体节流技术的连续式气体水合物浆合成方法与装置工作流程图。

图2是一种基于气体节流技术的连续式气体水合物浆合成方法与装置系统图。

图中：1溶液罐；2进液泵；3单向止回阀；4高压气源；5减压阀；6进气泵；7节流装置；8可控背压阀；9干燥器；10制冷盘管；11细孔滤网；12水合物浆出口；13固液混输泵；14水合物浆储存罐；15液位传感器；16出水口；17抽液泵；18安全阀；19温度传感器；20压力传感器；21A/D转换模块；22工控机；23堵头。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

如图2所示，按所述的装置结构连接，使用该装置进行气体节流技术的连续式气体水合物浆合成方法，步骤如下：

(1)注水-控温：进液泵2运行，单向逆止阀3自动打开，溶液从溶液罐1流进π型水合物反应器，待π型水合物反应器左侧液体达到一定高度，即会流到π型水合物反应器右侧，一旦液位传感器15检测到π型水合物反应器右侧液体高度大于设定值，进液泵2会立即停止工作，单向逆止阀3跟随进液泵2自动关闭，注水完成。设定制冷盘管10温度，通过温度传感器19可准确控制π型水合物反应器内的温度。

(2)进气-水合物连续生成：待π型水合物反应器内温度稳定后，进行充气。整个装置中的各个泵及阀门均被启动，可由工控机22统一控制。气体从高压气源4通过减压阀5，经进气泵6恒压输送到节流装置7处，气体节流膨胀后获得瞬时低温，流出节流装置7，并在π型水合物反应器右侧的液相中上升，逐渐形成水合物。根据预设值，可控背压阀8可自动调节π型水合物反应器内的压力，维持节流装置7出口压力恒定，确保水合物高效生成。同时，从可控背压阀8流出的气体，通过干燥器9干燥后，可从进气泵6流进π型水合物反应器，实现气体的重复利用。由于气体水合物密度低于水的特性，待水合物颗粒上浮后会自动从π型水合物反应器右侧流到左侧。流到左侧的水合物浆经细孔滤网过滤出部分溶液，得到的溶液储存在π型水合物反应器左侧底端，并且溶液的高度可由液位传感器15实时监测。一旦溶液的高度高于设定值，抽液泵17会自动运行，单向逆止阀3会跟随开启，储存的溶液会重新从π型水合物反应器右端流进；若溶液高度低于设定值，抽液泵17停止运行，单向逆止阀3关闭，进液泵2自动运行，单向逆止阀3开启，溶液罐1对π型水合物反应器补给溶液。如此运行循环，实现水合物浆的连续生成。

(3)水合物浆回收：固液混输泵13处于运行状态，单向逆止阀3跟随打开，可实时抽取堆积在细孔滤网11上的水合物浆，并回收到水合物浆储存罐14中。

本发明涉及的基于气体节流技术的连续式气体水合物方法与装置不仅仅局限于以上所述结构和步骤。以上仅为发明构思下的基本说明，而依据本发明技术方案所做的任何等效变换和组合使用，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于气体节流技术的连续式气体水合物浆合成装置，其特征在于，该装置包括π型水合物反应器、进气系统、收集装置、循环系统以及数据测量与控制系统，π型水合物反应器分别与进气系统、收集装置、循环系统以及数据测量与控制系统直接相连；

π型水合物反应器分为左部和右部，右部为气体水合物的生成区，利用气体水合物密度低于水的特性，待气体水合物颗粒上浮后自动流到左部，左部为水合物浆的分离和收集区；π型水合物反应器包括制冷盘管、安全阀、细孔滤网、水合物浆出口以及出水口，制冷盘管位于π型水合物反应器内壁，用于准确控制π型水合物反应器内的温度；安全阀位于反应器左部上端；细孔滤网位于π型水合物反应器左部的下端，倾斜布置贴于π型水合物反应器内壁，对水合物浆进行初步过滤，水合物浆从水合物浆出口流出，该水合物浆出口无法使气体通过；出水口设置在π型水合物反应器左下端，用于溶液循环；π型水合物反应器的上端和下端均设有可自由拆卸的堵头，方便安装和维修；

进气系统包括高压气罐、进气泵、气体节流装置、可控背压阀及干燥器，高压气源通过减压阀与进气泵相连，向π型水合物反应器内输送气体，使水合物生成环境处于气饱和状态，保证连续生成水合物；进气泵与气体节流装置连通，以恒定压力将气体输送到节流装置；气体节流装置位于π型水合物反应器右部下端，气体经节流装置流入π型水合物反应器；该节流装置为单向流通，仅允许气体流入；可控背压阀安装在π型水合物反应器右部上端，与干燥器连通，最终接入进气管路连接进气泵；

收集装置包括固液混输泵、单向逆止阀以及水合物浆储存罐，固液混输泵通过单向逆止阀与水合物浆出口相连，用于收集所形成的水合物浆；收集到的水合物浆被回收到水合物浆储存罐中；

循环系统包括液位传感器、单向逆止阀、抽液泵、进液泵和溶液罐，液位传感器安装在π型水合物反应器左部下端，用于测量过滤后得到的溶液高度；π型水合物反应器左部下端的出水口与单向逆止阀相连，只允许水从出口流出；抽液泵的进口与单向逆止阀相连，出口与进液泵连通；抽液泵根据过滤后得到的溶液高度自动运行，单向逆止阀跟随抽液泵的启停而开关；当过滤后得到的溶液高度大于设定值，表示水量过多，抽液泵自动启动将溶液抽出，单向阀门跟随打开，过滤后得到的溶液将重新补给到反应器内，实现溶液的重复利用；当过滤后得到的溶液高度小于设定值，抽液泵停止运行，单向阀随之自动关闭；连通溶液罐的进液泵自动运行，向反应器内补液，直到反应器左部的溶液液位高于设定值即停止运行；

数据测量与控制系统包括温度传感器、压力传感器、数据转换模块和工控机，温度传感器和压力传感器安装在反应器上端，用于检测反应器内的温度和压力；温度传感器和压力传感器通过A/D转换模块与工控机相连，各泵、阀门均由工控机统一实行自动控制。

2.根据权利要求1所述的连续式气体水合物浆合成装置，其特征在于，所述的π型水合物反应器本体部分为不锈钢材质，耐压值≥30MPa；制冷盘管温度范围-30-20℃；高压气源耐压值≥30MPa；水合物浆储存罐为不锈钢材质，外层添加恒温隔热材料。

3.根据权利要求1或2所述的连续式气体水合物浆合成装置，其特征在于，所述的节流装置的出气口朝下安置，仅允许气体单向流进π型水合物反应器内。

4.用权利要求1-3任一所述的连续式气体水合物浆合成装置实现连续式气体水合物浆合成方法，其特征在于，步骤如下：

(1)注水-控温：进液泵运行，单向逆止阀自动打开，溶液从溶液罐流进π型水合物反应器，待π型水合物反应器左部液体达到一定高度，即流到π型水合物反应器右部，液位传感器检测到π型水合物反应器右部液体高度大于设定值，进液泵立即停止工作，单向逆止阀跟随进液泵自动关闭，注水完成；设定制冷盘管温度，通过温度传感器准确控制π型水合物反应器内的温度；

(2)进气-水合物连续生成：待π型水合物反应器内温度稳定后，进行充气；整个装置中的各个泵及阀门均被启动，由工控机统一控制；气体从高压气源通过减压阀，经进气泵恒压输送到节流装置处，气体节流膨胀后获得瞬时低温，流出节流装置，并在π型水合物反应器右部的液相中上升，逐渐形成水合物；根据预设值，可控背压阀自动调节π型水合物反应器内的压力，维持节流装置出口压力恒定，确保水合物高效生成；同时，从可控背压阀流出的气体，通过干燥器干燥后，从进气泵流进π型水合物反应器，实现气体的重复利用；气体水合物密度低于水的特性，气体水合物颗粒上浮后自动从π型水合物反应器右部流到左部；流到左部的气体水合物浆经细孔滤网过滤出部分溶液，得到的溶液储存在π型水合物反应器左部底端，溶液的高度由液位传感器实时监测；当溶液的高度高于设定值，抽液泵自动运行，单向逆止阀跟随开启，储存的溶液重新从π型水合物反应器右部流进；当溶液高度低于设定值，抽液泵停止运行，单向逆止阀关闭，进液泵自动运行，单向逆止阀开启，溶液罐对π型水合物反应器补给溶液；如此运行循环，实现水合物浆的连续生成；

(3)水合物浆回收：固液混输泵处于运行状态，单向逆止阀跟随打开，实时抽取堆积在细孔滤网上的水合物浆，并回收到水合物浆储存罐中。