CN106540647B - 一种适用于管道流动条件下的水合物生成强化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于管道流动条件下的水合物生成强化装置，该装置包括依次连通的气源、第一单向气阀、流量分配器、文丘里射流单元、管式水合物反应器，此外还包括储液罐、单向液阀、饱和液罐、球阀和高压喷嘴；本发明文丘里式射流单元将拉瓦尔喷管与文丘里式射流器结合，能够将气流进入的初始速度提高，充分利用了气体的能量，有利于提高文丘里式射流器的运行效率，同时跟管式水合物反应器的物料进口与物料出口端分别采用变径管的设计协同作用，促进了水合物的生成。

Description

一种适用于管道流动条件下的水合物生成强化装置
技术领域：
本发明涉及水合物生成强化技术领域，具体涉及一种适用于管道流动条件下的水合物生成强化装置。
背景技术：
气体水合物生成过程中所展现出的优异理化性质使得其在气体分离、海水淡化、天然气固化储运等领域中展现出了巨大的潜力。然而这些技术得以工业化应用的前提是水合物能够高效连续的生成。基于此，管道流动条件下的水合物连续生成装置被相继开发。然而，从目前的实验及运行结果看，虽然水合物的连续生成借助管流的形式实现了，但水合物的生成速率及效率并不高。为了使得水合物能够在管道中充分生成，很多设计者通过延长管长或者采用盘管的形式以尽可能的使气液在管道中充分接触，这大大增加了投资及运行费用。因此，亟需一种有效的水合物生成促进方式。
当前，水合物的生成促进方式主要包括化学强化和机械物理强化，化学强化则主要是通过添加促进剂的形式来降低水合物的生成条件或气液界面间的传质阻力来强化水合物的生成。而机械物理强化则主要通过机械混合的形式来增加气液间的接触来促进水合物的生成。前者的研究虽然取得了较为可喜的成果，但出于工业化应用的目的，其往往需要后者的配合才能满足实际要求。基于此，搅拌、鼓泡和喷淋三种常用的气液反应促进方式被应用于水合物的生成过程。但这些促进方式只适用于半间歇式的釜式水合物反应器。而对于管式水合物反应器的机械强化方式研究较少。专利“一种管道式气体水合物生成实验装置”(2013105611026，公开(公告)号CN103611478A)提出了一种纽带式螺旋流发生器以增强管流过程中的气液接触，其实质是将搅拌的方法在管道中通过纽带旋转的方式来实现，然而，该方法不仅需要外接动力带动纽带旋转，且在水合物大量生成的情况下遇到了无法旋转的情况。其经济性和适用性都有待进一步论证。因此亟需提出一种运行效率高，成本低、适用性强的水合物生成促进装置。
发明内容：
本发明的目的是提供一种适用于管道流动条件下的水合物生成强化装置，使气液间充分混合，增强了水合物生成的传热传质过程，从而促进了水合物的生成，且能够方便的与管式水合物反应器连接，解决了当前管式水合物生成反应器中水合物生成速度慢、投资运行费用高的问题。
本发明是通过以下技术方案予以实现的：
一种适用于管道流动条件下的水合物生成强化装置，该装置包括依次连通的气源、第一单向气阀、流量分配器、文丘里射流单元、管式水合物反应器，此外还包括储液罐、单向液阀、饱和液罐、球阀和高压喷嘴；所述管式水合物反应器和饱和液罐外部设有循环水浴冷却夹套；所述文丘里射流单元从左到右包括文丘里射流器主体段、渐缩段、喉管段和扩散段，所述文丘里射流器主体段长度为250mm，管径与管式水合物反应器的管径相同，喉管段最窄处到扩散段出口处的距离为80～100mm；所述文丘里射流单元设有两个吸入液体入口，其中一个吸入液体入口设在距离喉管段最窄处偏入口段30～50mm处，跟伸入储液罐的管路经单向液阀连通；另一个吸入液体入口设于喉管段最窄处，跟伸入储液罐的管路依次经第四球阀和单向液阀连通；所述文丘里射流器主体段入口处设有长度为100～120mm的拉瓦尔喷管，拉瓦尔喷管大喇叭口的最大外径与管式水合物反应器的管径相同，拉瓦尔喷管小喇叭口的最大直径为大喇叭口直径的1/2，拉瓦尔喷管中部最窄处的直径为大喇叭口直径的1/6；所述流量分配器经第二单向气阀跟饱和液罐的底部入口连通，所述饱和液罐的底部出口经第一球阀还跟储液罐的进口连通；所述饱和液罐的安装高度高于管式水合物反应器3～5m，优选为3m；储液罐的安装高度低于管式水合物反应器60～100cm，优选为70cm。
储液罐及饱和液罐的压力均通过流量分配器进行调节。
特别地，所述管式水合物反应器的物料进口端设置一段长度为8～15cm，直径为管式水合物反应器管径的2～3.5倍的管路，优选为3倍，管式水合物反应器的物料出口端设置一段长度为7～10cm，管径为管式水合物反应器直径的0.2～0.7倍，优选为0.6倍。
特别地，所述饱和液罐的底部出口还依次经第二球阀、高压喷嘴跟管式水合物反应器的进口连通。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明的文丘里射流单元为二段式射流单元，首先利用拉瓦尔喷管结构来加速纯气体至超音速，以形成巨大的真空度从而将液体吸入包裹前进，这时候气液混合物充分混合会使得流速大大降低，为了提高雾化效果，第二阶段文丘里式射流器采用渐缩段、喉管段和扩散段，针对气液混合物进行加速，进一步形成负压吸入液体，使得液体分散更均匀，使气液间充分混合，增强了水合物生成的传热传质过程，从而促进了水合物的生成，且能够方便的与管式水合物反应器连接。
(2)管式水合物反应器的物料进口与物料出口端分别采用变径管的设计，提高了物料进出口的压力差，从而增强了管道内流体的流动过程。
总之，本发明文丘里式射流单元将拉瓦尔喷管与文丘里式射流器结合，能够将气流进入的初始速度提高，充分利用了气体的能量，有利于提高文丘里式射流器的运行效率，同时跟管式水合物反应器的物料进口与物料出口端分别采用变径管的设计协同作用，促进了水合物的生成。
附图说明：
图1是本发明的适用于管道流动条件下的水合物生成强化装置的结构示意图；
图2是本发明的文丘里式射流单元的结构示意图；
图3是本发明图1中管式水合物反应器的A-A及B-B位置处变径设计原理图；
其中，1、第一单向气阀；2、流量分配器，3、文丘里射流单元，4、管式水合物反应器；5、单向液阀；6、储液罐，7、第一球阀，8、饱和液罐，9、第二单向气阀；10、第二球阀，11、高压喷嘴，12、第三球阀，13、拉瓦尔喷管，14、第四球阀，15、文丘里射流器主体段。
具体实施方式：
以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
如图1-3所示的一种适用于管道流动条件下的水合物生成强化装置，该装置包括依次连通的气源、第一单向气阀1、流量分配器2、文丘里射流单元3、管式水合物反应器4，此外还包括储液罐6、单向液阀5、饱和液罐8、球阀和高压喷嘴11；所述管式水合物反应器4和饱和液罐8外部设有循环水浴冷却夹套，管式水合物反应器4和饱和液罐8由外部的水浴循环冷却；所述文丘里射流单元从左到右包括文丘里射流器主体段15、渐缩段、喉管段和扩散段，所述文丘里射流器主体段15长度为250mm，管径与管式水合物反应器的管径相同，喉管段最窄处到扩散段出口处的距离为80～100mm；所述文丘里射流单元3设有两个吸入液体入口，其中一个吸入液体入口设在距离喉管段最窄处偏入口段30～50mm处，跟伸入储液罐6的管路经单向液阀5连通；另一个吸入液体入口设于喉管段最窄处，跟伸入储液罐6的管路依次经第四球阀14和单向液阀5连通；所述文丘里射流器主体段15入口处设有长度为100～120mm的拉瓦尔喷管13，拉瓦尔喷管13大喇叭口的最大外径与管式水合物反应器4的管径相同，拉瓦尔喷管13小喇叭口的最大直径为为大喇叭口直径的1/2，拉瓦尔喷管13中部最窄处的直径为大喇叭口直径的1/6；所述流量分配器2经第二单向气阀9跟饱和液罐8的底部入口连通，所述饱和液罐8的底部出口经第一球阀7还跟储液罐6的进口连通；所述饱和液罐的安装高度高于管式水合物反应器3～5m，优选为3m；储液罐8的安装高度低于管式水合物反应器60～100cm，优选为70cm。
储液罐6及饱和液罐8的压力均通过流量分配器2进行调节。
特别地，所述管式水合物反应器4的物料进口端设置一段长度为8～15cm，直径为管式水合物反应器管径的2～3.5倍的管路，优选为3倍，管式水合物反应器4的物料出口端设置一段长度为7～10cm，管径为管式水合物反应器直径的0.2～0.7倍，优选为0.6倍。
特别地，所述饱和液罐8的底部出口还依次经第二球阀10、高压喷嘴11跟管式水合物反应器4的进口连通。
工作时，气源经由第一单向气阀1，在流量分配器2的作用下，一部分气体通过鼓泡的形式经第二单向气阀9从饱和液罐8的底部入口进入饱和液罐8对水合物反应液进行预饱和并维持一定的压力，另一部分气体以一定的流速进入文丘里射流单元3经由拉瓦尔喷管(13)，使得气体的流速提高到超音速，压力得到大大降低；此时储液罐6中的水合物反应液在压差的作用下经设在距离喉管段最窄处偏入口段30～50mm处的吸入液体入口进入文丘里射流器主体段(15)的腔室。水合物反应液进入腔室后在惯性的作用下被气体包裹着向前继续高速流动，高速流动的气液混合物在流经文丘里射流单元的喉管段处继续加速并进一步混合。经过喉管处的气液混合物流速被提高，使得该段的压力降低，此时储液罐6内的液体经过单向液阀5、第四球阀14设于喉管段最窄处的吸入液体入口被吸入腔室，经过文丘里射流单元的扩张段进一步混合，流速降低，从出口处流出腔室进入管式水合物反应器4的A-A位置，流速被进一步降低，压力得到较大的提高，随后混合液流经管式水合物反应器4的主体段进行水合物的生成反应。管式水合物反应器4和饱和液罐8由外部的水浴循环冷却，所生成的水合物浆液在管式水合物反应器4的末端进入B-B位置处，使得流速进一步提高，压力有一定的降低，由此增大了管式水合物反应器4A-A位置和B-B位置处的压力差，从而提高了水合物的流动特性。所生成的水合物浆液经第三球阀12进入下一步骤根据需要进行处理。
根据水合物生成后所应用的领域不同，对于气液已充分混合的水合物反应液(如气体分离领域，在水合物分解后，其反应液被循环使用，重新回到饱和液罐8中，此时，饱和溶液并不需要再通过文丘里射流单元3，而是由饱和液罐8，通过第二球阀10，并在高压喷嘴11的作用下直接进入管式水合物反应器4的初始段。能够根据需要方便灵活的进行水合物生成的控制。实际应用过程中可根据需要采用二种同时进行的方式，能够提高反应的循环效率。

Claims (3)

1.一种适用于管道流动条件下的水合物生成强化装置，其特征在于，该装置包括依次连通的气源、第一单向气阀、流量分配器、文丘里射流单元、管式水合物反应器，此外还包括储液罐、单向液阀、饱和液罐、球阀和高压喷嘴；所述管式水合物反应器和饱和液罐外部设有循环水浴冷却夹套；所述文丘里射流单元从左到右包括文丘里射流器主体段、渐缩段、喉管段和扩散段，所述文丘里射流器主体段长度为250mm，管径与管式水合物反应器的管径相同，喉管段最窄处到扩散段出口处的距离为80～100mm；所述文丘里射流单元设有两个吸入液体入口，其中一个吸入液体入口设在距离喉管段最窄处偏入口段30～50mm处，跟伸入储液罐的管路经单向液阀连通；另一个吸入液体入口设于喉管段最窄处，跟伸入储液罐的管路依次经第四球阀和单向液阀连通；所述文丘里射流器主体段入口处设有长度为100～120mm的拉瓦尔喷管，拉瓦尔喷管大喇叭口的最大外径与管式水合物反应器的管径相同，拉瓦尔喷管小喇叭口的最大直径为大喇叭口直径的1/2，拉瓦尔喷管中部最窄处的直径为大喇叭口直径的1/6；所述流量分配器经第二单向气阀跟饱和液罐的底部入口连通，所述饱和液罐的底部出口经第一球阀还跟储液罐的进口连通；所述饱和液罐的安装高度高于管式水合物反应器3～5m；储液罐的安装高度低于管式水合物反应器60～100cm。
2.根据权利要求1所述的适用于管道流动条件下的水合物生成强化装置，其特征在于，所述管式水合物反应器的物料进口端设置一段长度为8～15cm，直径为管式水合物反应器管径的2～3.5倍的管路，管式水合物反应器的物料出口端设置一段长度为7～10cm，管径为管式水合物反应器直径的0.2～0.7倍。
3.根据权利要求1或2所述的适用于管道流动条件下的水合物生成强化装置，其特征在于，所述饱和液罐的底部出口还依次经第二球阀、高压喷嘴跟管式水合物反应器的进口连通。
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