CN106552501A - 一种采用物理场协同技术分离混合气体的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用物理场协同技术分离混合气体的装置及方法，该装置包括第一物理场协同效应水合物浆合成系统、第一水合物浆分解系统、第二物理场协同效应水合物浆合成系统、第二水合物浆分解系统、气相色谱分析仪和数据采集仪。待分离提纯的混合气体经第一物理场协同效应水合物浆合成系统生成水合物浆完成混合气体第一次提纯分离；水合物浆进入第一水合物浆分解系统，先后经过第一空浴式分解器和第一水浴式分解器完成水合物浆的分解；分解后的气体和液体进入第二物理场协同效应水合物浆合成系统继续生成水合物浆完成混合气第二次提纯分离。实验结果表明，本发明装置及方法对于二元混合气体分离提纯后气体分离纯度达到97％以上。

Description

一种采用物理场协同技术分离混合气体的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种采用物理场协同技术分离混合气体的装置及方法，属于水合物法气体分离提纯装置领域。
背景技术
水合物法气体分离技术的基本原理是不同的气体成分形成水合物所需要的压力相差很大，生成压力相对较低的组分会在水合物相富集，生成压力相对较高的组分滞留在反应器气相中，从而实现混合气体分离。这种技术可以应用于很多领域，比如煤层气浓缩、二氧化碳捕集、氢气的分离与提纯等。水合物法气体分离技术有很多优点：第一，水合物分离技术在O℃以上进行，可节约大量制冷所需的能量；第二，气体分离前后压差小，可节约气体增压所需的能量；第三，水合物分解后的纯水可循环利用，整个过程理论上没有原料损失，工艺流程也相对简单。目前，水合物法气体分离技术还处在实验阶段，需要解决的主要问题在于进一步降低反应压力，提高反应速度，从而降低能耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用物理场协同技术分离混合气体的装置及方法。
本发明所采用的技术解决方案是：
一种采用物理场协同技术分离混合气体的装置，包括第一物理场协同效应水合物浆合成系统、第一水合物浆分解系统、第二物理场协同效应水合物浆合成系统、第二水合物浆分解系统、气相色谱分析仪和数据采集仪；
所述第一物理场协同效应水合物浆合成系统和第二物理场协同效应水合物浆合成系统均包括超声波系统、磁场系统和反应釜，所述超声波系统包括超声波发生器、超声波换能器、浸入式变幅杆和数据转换插头，超声波换能器和浸入式变幅杆均设置在反应釜的内部，超声波发生器通过数据转换插头与超声波换能器连接，超声波换能器连接浸入式变幅杆，所述磁场系统包括磁场发生装置、支撑铁丝和柱状铁丝网，柱状铁丝网通过支撑铁丝竖向固定在反应釜内部，所述浸入式变幅杆设置在柱状铁丝网的中心上部；
所述第一物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜的壁面一侧中上部设置第一反应液体进口管，反应釜的壁面一侧底部设置第一水合物浆出口管，所述反应釜的顶部设置有第一进气管、第一安全阀、第一气体采样毛细管、第一温度传感器、第一压力传感器和第一出气管；
所述第二物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜的壁面一侧中上部设置第二反应液体进口管，反应釜的壁面一侧底部设置第二水合物浆出口管，所述反应釜的顶部设置有第二进气管、第二安全阀、第二气体采样毛细管、第二温度传感器、第二压力传感器和第二出气管；
所述第一进气管与储气罐连接，第一出气管与第一集气罐连接，所述第一水合物浆出口管与第一水合物浆分解系统连接，第一水合物浆分解系统的气体出口分别连接第二进气管和第二集气罐，第一水合物浆分解系统的液体出口连接第二反应液体进口管；所述第二出气管与第一出气管或第一集气罐连接，所述第二水合物浆出口管与第二水合物浆分解系统连接，第二水合物浆分解系统的气体出口连接第二集气罐，第二水合物浆分解系统的液体出口通过第一水合物浆循环管连接第一反应液体进口管；
所述第一气体采样毛细管与第一出气管连通，第二气体采样毛细管与第二出气管连通，第一气体采样毛细管和第二气体采样毛细管均与气相色谱分析仪连接，所述第一温度传感器、第一压力传感器、第二温度传感器和第二压力传感器均与数据采集仪连接。
优选的，所述第一水合物浆分解系统包括第一空浴式分解器和第一水浴式分解器，第一水合物浆出口管连接第一三通的进口，第一三通的一出口通过第一水合物浆输送管与第一空浴式分解器的进口连接，第一三通的另一出口通过第二水合物浆输送管与第一水浴式分解器的进口连接，第一空浴式分解器的出口通过第三水合物浆输送管与第二水合物浆输送管连接，第一水浴式分解器的气体出口分别连接第二进气管和第二集气罐，第一水浴式分解器的液体出口通过第二水合物浆循环管与第二反应液体进口管连接；所述第二水合物浆分解系统包括第二空浴式分解器和第二水浴式分解器，第二水合物浆出口管连接第二三通的进口，第二三通的一出口通过第四水合物浆输送管与第二空浴式分解器的进口连接，第二三通的另一出口通过第五水合物浆输送管与第二水浴式分解器的进口连接，第二空浴式分解器的出口通过第六水合物浆输送管与第五水合物浆输送管连接，第二水浴式分解器的气体出口分别连接第二进气管和第二集气罐，第二水浴式分解器的液体出口通过第一水合物浆循环管与第一反应液体进口管连接。
优选的，在第一物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜的外部包裹第一循环冷媒夹层，在第一循环冷媒夹层的下部设置有第一循环冷媒入口，在第一循环冷媒夹层的上部设置有第一循环冷媒出口；在第二物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜的外部包裹第二循环冷媒夹层，在第二循环冷媒夹层的下部设置有第二循环冷媒入口，在第二循环冷媒夹层的上部设置有第二循环冷媒出口。
优选的，所述第一水合物浆出口管连接第一换热器的水合物浆入口，第一换热器的水合物浆出口连接第一水合物浆分解系统；所述第一循环冷媒出口通过第一循环冷媒输送管道与第一换热器的循环冷媒入口连接，第一换热器的循环冷媒出口通过第二循环冷媒输送管道连接第一制冷机组，第一制冷机组通过第三循环冷媒输送管道与第一循环冷媒入口连接；所述第二水合物浆出口管连接第二换热器的水合物浆入口，第二换热器的水合物浆出口连接第二水合物浆分解系统；所述第二循环冷媒出口通过第四循环冷媒输送管道与第二换热器的循环冷媒入口连接，第二换热器的循环冷媒出口通过第五循环冷媒输送管道连接第二制冷机组，第二制冷机组通过第六循环冷媒输送管道与第二循环冷媒入口连接。
优选的，所述第三水合物浆输送管上设置有第三压力传感器和第三温度传感器；所述第六水合物浆输送管上设置有第四压力传感器和第四温度传感器；所述第一水浴式分解器的气体出口处设置有第五压力传感器和第五温度传感器；所述第二水浴式分解器的气体出口处设置有第六压力传感器和第六温度传感器；所述第三压力传感器、第三温度传感器、第四压力传感器、第四温度传感器、第五压力传感器、第五温度传感器、第六压力传感器和第六温度传感器均与数据采集仪连接；所述第一水浴式分解器的气体出口连接第三气体采样毛细管，第二水浴式分解器的气体出口连接第四气体采样毛细管，第三气体采样毛细管和第四气体采样毛细管均与气相色谱分析仪连接。
优选的，所述磁场发生装置为静态磁铁组，静态磁铁组包括上层磁铁和下层磁铁，在上层磁铁的底面和下层磁铁的顶面对应位置处均设置有沉孔，所述支撑铁丝的两端分别插入上层磁铁和下层磁铁的沉孔中固定；或所述静态磁铁组包括上层磁铁、中层磁铁和下层磁铁，在上层磁铁的底面和下层磁铁的顶面对应位置处均设置有沉孔，在中层磁铁的对应位置处设置有通孔，所述支撑铁丝穿过通孔，两端分别插入上层磁铁和下层磁铁的沉孔中固定，支撑铁丝的中间相应位置与中层磁铁固定连接，在上层磁铁和中层磁铁之间，以及中层磁铁和下层磁铁之间均固定一柱状铁丝网。
优选的，所述磁场发生装置为旋转磁体，旋转磁体设置在反应釜下面。
一种采用物理场协同技术分离混合气体的方法，采用上述装置，具体包括以下步骤：
a通过第一反应液体进口管向第一物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜内部注入所需液体，将储气罐中由两种以上成分组成的混合气体经第一进气管输送至第一物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜内部；
b混合气体在超声波系统所产生声场的空化效应和磁场系统所产生磁场的磁化效应协同作用下，生成水合物浆，剩余气体经第一出气管排出，并经气相色谱分析仪测试后，输送至第一集气罐；
c水合物浆经第一水合物浆出口管排出，输送至第一水合物浆分解系统，分解出的气体经第一水合物浆分解系统的气体出口排出，并经气相色谱分析仪测试后，选择输送至第二进气管或第二集气罐；分解出的液体经第一水合物浆分解系统的液体出口排出，并经第二水合物浆循环管与第二反应液体进口管输送至第二物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜；
d在第二物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜内，混合气体进一步在超声波系统所产生声场的空化效应和磁场系统所产生磁场的磁化效应协同作用下，生成水合物浆，剩余气体经第二出气管排出，并经气相色谱分析仪测试后，输送至第一集气罐；
e水合物浆经第二水合物浆出口管排出，输送至第二水合物浆分解系统，分解出的气体经第二水合物浆分解系统的气体出口排出，并经气相色谱分析仪测试后，选择输送至第二进气管或第二集气罐；分解出的液体经第二水合物浆分解系统的液体出口排出，并经第一水合物浆循环管与第一反应液体进口管输送至第一物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜内。
上述步骤中，在第一水合物浆分解系统和第二水合物浆分解系统内，依次通过空浴式分解器和水浴式分解器对水合物浆进行分解。
上述步骤中，第一物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜和第二物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜内部温度均通过循环冷媒进行控制，循环冷媒在对反应釜冷却后与水合物浆进行热交换。
本发明的有益技术效果是：
1、本发明利用声场的空化效应与磁场的磁化效应协同促进混合气体水合物浆的生成，可进一步降低反应压力，提高反应速度，进而实现混合气体在较低能耗下的快速分离，而且分离后的气体纯度高。
2、本发明超声波系统中换能器和变幅杆全部放置在反应釜内部，采用该浸入式可以将超声能量全部引入反应体系中，以尽可能减少超声能量的损失，超声波发生器与换能器之间的信号传输通过数据转换插头(航空转换插头)实现，避免超声震动影响反应釜的气密性。
3、本发明磁场系统中采用的柱状铁丝网不仅本身提供了均匀的异相成核界面，可以加速水合物成核，并起到控制水合物粒度的作用。同时，铁丝网也将促进声场空化效应的发生和磁场能量的均匀传递，加速水合物均匀地发生体积成核、生长。
4、本发明水合物浆分解系统依次利用空浴式分解器和水浴式分解器，采用空气浴和循环水浴组合方式，可以根据地理位置和季节灵活调节使用；水合物浆分解系统采用盘管式，利用增加的换热表面分解分流后减少的水合物浆，这样不近可以加速水合物浆的分解速度，还可以极大降低能量消耗。
5、本发明采用采用循环冷媒夹层对反应釜内温度进行控制，通过采用换热器，将反应釜冷却后的循环冷媒与水合物浆进行热交换，从而有效耦合生成热和分解热，充分利用余热，极大降低能耗。
6、本发明在反应釜的出气管均接有气体采样毛细管连通到气相色谱分析仪，可以实时在线测定气体成分，气体采样毛细管设计采用φ1～2mm，每次取样微量，不影响反应过程。本发明装置还安装有多个温度传感器、压力传感器等，并与数据采集仪连接，数据实时通过数据采集仪进行采集，并连接到计算机便于实时分析。
7、本发明水合物浆利用纯物理场协同效应提高反应效率，无须化学添加剂，避免环境污染。
8、本发明设备结构和工艺流程简单，易于实现工业化和自动化生产，经济和社会效益显著。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1为本发明中物理场协同效应水合物浆合成系统的结构示意图；
图2为本发明采用物理场协同技术分离混合气体装置的结构示意图。
具体实施方式
结合附图，一种采用物理场协同技术的气体分离提纯装置，包括第一物理场协同效应水合物浆合成系统、第一水合物浆分解系统、第二物理场协同效应水合物浆合成系统、第二水合物浆分解系统、气相色谱分析仪1和数据采集仪2。
上述第一物理场协同效应水合物浆合成系统和第二物理场协同效应水合物浆合成系统均包括超声波系统、磁场系统和反应釜3。所述超声波系统包括超声波发生器4、超声波换能器5、浸入式变幅杆6和数据转换插头7，超声波换能器5和浸入式变幅杆6均设置在反应釜3的内部，超声波发生器4通过数据转换插头7与超声波换能器5连接，超声波换能器5连接浸入式变幅杆6。所述磁场系统包括磁场发生装置、支撑铁丝和柱状铁丝网8，柱状铁丝网8通过支撑铁丝竖向固定在反应釜3内部，所述浸入式变幅杆6设置在柱状铁丝网8的中心上部。所述磁场发生装置为静态磁铁组，静态磁铁组包括上层磁铁9和下层磁铁10，在上层磁铁9的底面和下层磁铁10的顶面对应位置处均设置有沉孔，所述支撑铁丝的两端分别插入上层磁铁9和下层磁铁10的沉孔中固定。
上述第一物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜3的壁面一侧中上部设置第一反应液体进口管11，反应釜的壁面一侧底部设置第一水合物浆出口管12，所述反应釜的顶部设置有第一进气管13、第一安全阀14、第一气体采样毛细管15、第一温度传感器16、第一压力传感器17和第一出气管18。
上述第二物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜19的壁面一侧中上部设置第二反应液体进口管20，反应釜的壁面一侧底部设置第二水合物浆出口管21，所述反应釜的顶部设置有第二进气管22、第二安全阀23、第二气体采样毛细管24、第二温度传感器25、第二压力传感器26和第二出气管27。
上述第一进气管13与储气罐28连接，第一出气管18与第一集气罐29连接，第一水合物浆出口管12与第一水合物浆分解系统连接，第一水合物浆分解系统的气体出口分别连接第二进气管22和第二集气罐30，第一水合物浆分解系统的液体出口连接第二反应液体进口管20。所述第二出气管27与第一出气管18或第一集气罐29连接，所述第二水合物浆出口管21与第二水合物浆分解系统连接，第二水合物浆分解系统的气体出口连接第二集气罐30，第二水合物浆分解系统的液体出口通过第一水合物浆循环管31连接第一反应液体进口管11。
上述第一气体采样毛细管15与第一出气管18连通，第二气体采样毛细管24与第二出气管27连通，第一气体采样毛细管15和第二气体采样毛细管24均与气相色谱分析仪1连接。上述第一温度传感器16、第一压力传感器17、第二温度传感器25和第二压力传感器26均与数据采集仪2连接。
上述超声波发生器4的超声波频率范围为15KHz～40KHz，工作频率可调，且频率自动跟踪。功率0～1000W，可以根据实际需要采用更大或者更小的功率，使用过程中功率大小可调，过流过压保护。
上述超声波换能器5与浸入式变幅杆6全部放置在反应釜内部，通过在反应釜上部内壁的凸台固定。超声波发生器4与超声波换能器5之间的信号传输通过数据转换插头如航空转换插头实现，避免超声震动影响反应釜的气密性。变幅杆材质可以是不锈钢或钛镍合金，采用浸入式可以将超声能量全部引入反应体系中。
上述静态磁铁组也可包括上层磁铁、中层磁铁和下层磁铁，在上层磁铁的底面和下层磁铁的顶面对应位置处均设置有沉孔，在中层磁铁的对应位置处设置有通孔，所述支撑铁丝穿过通孔，两端分别插入上层磁铁和下层磁铁的沉孔中固定，支撑铁丝的中间相应位置与中层磁铁固定连接，在上层磁铁和中层磁铁之间，以及中层磁铁和下层磁铁之间均固定一柱状铁丝网。根据需要磁铁可以采用大小和厚度不同的组合来改变磁场强度。当然，磁场发生装置也可采用设置在反应釜下面的旋转磁体，通过调节旋转磁体厚度和磁体转速来改变磁场强度。
上述柱状铁丝网的网格大小一般以0.5～1cm为宜。柱状铁丝网不仅本身提供了均匀的异相成核界面，可以加速水合物成核，并起到控制水合物粒度的作用。同时，铁丝网也将促进声场空化效应的发生和磁场能量的均匀传递，加速水合物均匀地发生体积成核、生长。
上述反应釜包括釜体与釜盖，釜体采用不锈钢材料，呈柱状筒体结构。所述温度传感器、进气管、安全阀等均固定在釜盖上。
作为对本发明的进一步设计，上述第一水合物浆分解系统包括第一空浴式分解器32和第一水浴式分解器33。第一水合物浆出口管连接第一三通34的进口，第一三通34的一出口通过第一水合物浆输送管35与第一空浴式分解器32的进口连接，第一三通34的另一出口通过第二水合物浆输送管36与第一水浴式分解器33的进口连接。第一空浴式分解器32的出口通过第三水合物浆输送管37与第二水合物浆输送管36连接，第一水浴式分解器33的气体出口分别连接第二进气管22和第二集气罐30，第一水浴式分解器33的液体出口通过第二水合物浆循环管38与第二反应液体进口管20连接。所述第二水合物浆分解系统包括第二空浴式分解器39和第二水浴式分解器40。第二水合物浆出口管连接第二三通41的进口，第二三通41的一出口通过第四水合物浆输送管42与第二空浴式分解器的进口连接，第二三通41的另一出口通过第五水合物浆输送管43与第二水浴式分解器的进口连接。第二空浴式分解器的出口通过第六水合物浆输送管44与第五水合物浆输送管连接，第二水浴式分解器的气体出口分别连接第二进气管22和第二集气罐30，第二水浴式分解器的液体出口通过第一水合物浆循环管31与第一反应液体进口管连接。
上述水合物浆分解系统采用空气浴和循环水浴组合方式，可以根据地理位置和季节灵活调节使用。而且采用盘管式结构，利用增加的换热表面分解分流后减少的水合物浆，这样不仅可以加速水合物浆的分解速度，还可以极大降低能量消耗。
更进一步的，在第一物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜的外部包裹第一循环冷媒夹层45，在第一循环冷媒夹层的下部设置有第一循环冷媒入口46，在第一循环冷媒夹层的上部设置有第一循环冷媒出口47。在第二物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜的外部包裹第二循环冷媒夹层48，在第二循环冷媒夹层的下部设置有第二循环冷媒入口49，在第二循环冷媒夹层的上部设置有第二循环冷媒出口50。通过循环冷媒夹层可控制反应釜内部的反应温度。
进一步的，上述第一水合物浆出口管12连接第一换热器51的水合物浆入口，第一换热器的水合物浆出口连接第一水合物浆分解系统。所述第一循环冷媒出口47通过第一循环冷媒输送管道52与第一换热器的循环冷媒入口连接，第一换热器的循环冷媒出口通过第二循环冷媒输送管道53连接第一制冷机组54，第一制冷机组54通过第三循环冷媒输送管道55与第一循环冷媒入口连接。所述第二水合物浆出口管21连接第二换热器56的水合物浆入口，第二换热器的水合物浆出口连接第二水合物浆分解系统。所述第二循环冷媒出口50通过第四循环冷媒输送管道57与第二换热器的循环冷媒入口连接，第二换热器的循环冷媒出口通过第五循环冷媒输送管道58连接第二制冷机组59，第二制冷机组59通过第六循环冷媒输送管道60与第二循环冷媒入口连接。该结构可控制水合物浆生成和分解过程系统温度，提高能量利用率。
更进一步的，所述第三水合物浆输送管上设置有第三压力传感器61和第三温度传感器62；所述第六水合物浆输送管上设置有第四压力传感器63和第四温度传感器64；所述第一水浴式分解器的气体出口处设置有第五压力传感器65和第五温度传感器66；所述第二水浴式分解器的气体出口处设置有第六压力传感器67和第六温度传感器68。上述第三压力传感器61、第三温度传感器62、第四压力传感器63、第四温度传感器64、第五压力传感器65、第五温度传感器66、第六压力传感器67和第六温度传感器68均与数据采集仪2连接。所述第一水浴式分解器的气体出口连接第三气体采样毛细管69，第二水浴式分解器的气体出口连接第四气体采样毛细管70，第三气体采样毛细管69和第四气体采样毛细管70均与气相色谱分析仪1连接。通过气相色谱分析仪1可以实时在线测定气体成分，及时掌握水合物生成分解过程中气体成分的变化。通过数据采集仪2可实时对温度、压力等数值进行采集，并连接到计算机便于实时分析。
本发明装置进行气体分离提纯的方法，大致步骤如下：
待分离提纯的混合气体经过气体流量计进入增压泵，经过增压达到设计压力后进入第一物理场协同效应水合物浆合成系统生成水合物浆完成混合气体第一次提纯分离；水合物浆由第一水合物浆出口管经水合物浆泵进入第一水合物浆分解系统，先后经过第一空浴式分解器和第一水浴式分解器完成第一次提纯分离后水合物浆的分解。分解后的气体和液体分别经气体增压泵和液体泵进入第二物理场协同效应水合物浆合成系统继续生成水合物浆完成混合气第二次提纯分离，然后水合物浆由第二水合物浆出口管经水合物浆泵进入第二水合物浆分解系统，先后经过第二空浴式分解器和第二水浴式分解器完成第二次提纯后气体水合物浆分解。实验结果表明，对于二元混合气体(比如CO2+N2混合气体)经过二级水合物浆分离提纯后气体分离纯度达到97％以上。分解后的气体和液体分别进入第一集气罐(如CO2)和第一水合物浆分解系统。水合物浆分解后气相空间气体进入第二集气罐(如N2)。如果在第一水合物浆分解系统分解后气体浓度不符合要求，可以再次进入第二物理场协同效应水合物浆合成系统进行反应提纯。
上述采用物理场协同技术的气体分离提纯方法，具体可按以下步骤进行：
a通过第一反应液体进口管向第一物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜内部注入所需液体，将储气罐中由两种以上成分组成的混合气体经第一进气管输送至第一物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜内部；
b混合气体在超声波系统所产生声场的空化效应和磁场系统所产生磁场的磁化效应协同作用下，生成水合物浆，剩余气体经第一出气管排出，并经气相色谱分析仪测试后，输送至第一集气罐；
c水合物浆经第一水合物浆出口管排出，输送至第一水合物浆分解系统，分解出的气体经第一水合物浆分解系统的气体出口排出，并经气相色谱分析仪测试后，选择输送至第二进气管或第二集气罐；分解出的液体经第一水合物浆分解系统的液体出口排出，并经第二水合物浆循环管与第二反应液体进口管输送至第二物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜；
d在第二物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜内，混合气体进一步在超声波系统所产生声场的空化效应和磁场系统所产生磁场的磁化效应协同作用下，生成水合物浆，剩余气体经第二出气管排出，并经气相色谱分析仪测试后，输送至第一集气罐；
e水合物浆经第二水合物浆出口管排出，输送至第二水合物浆分解系统，分解出的气体经第二水合物浆分解系统的气体出口排出，并经气相色谱分析仪测试后，选择输送至第二进气管或第二集气罐；分解出的液体经第二水合物浆分解系统的液体出口排出，并经第一水合物浆循环管与第一反应液体进口管输送至第一物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜内。
上述步骤中，在第一水合物浆分解系统和第二水合物浆分解系统内，依次通过空浴式分解器和水浴式分解器对水合物浆进行分解。
上述步骤中，第一物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜和第二物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜内部温度均通过循环冷媒进行控制，循环冷媒在对反应釜冷却后与水合物浆进行热交换。
本方法既考虑分离效果又兼顾能量消耗，采用先压力高、后压力低的分离策略，即第一物理场协同效应水合物浆合成系统中反应压力高，第二物理场协同效应水合物浆合成系统中反应压力低。这两个压力需要根据待处理混合气体的浓度、水合物相平衡以及不同温压条件下水合物形成过程压力变换拐点确定。该方法的优点是，在第一物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜中能保证更多的反应压力低的气体(如CO2+N2混合气体中的CO2)形成水合物浆，提高需要更高反应压力的气体浓度(如CO2+N2混合气体中的N2)。而在第二物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜中采用相对低的压力，可以同时提高水合物浆中气体浓度(如CO2+N2混合气体中的CO2)和反应釜中气相气体浓度(如CO2+N2混合气体中的N2)，从而在两级水合物浆反应釜中都有效地将混合气体进行分离。因为降低了第二物理场协同效应水合物浆合成系统反应釜压力会大大降低能量消耗。
上述方式中未述及的有关技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。
需要说明的是，在本说明书的教导下，本领域技术人员所作出的任何等同替代方式，或明显变型方式，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采用物理场协同技术分离混合气体的装置，其特征在于：包括第一物理场协同效应水合物浆合成系统、第一水合物浆分解系统、第二物理场协同效应水合物浆合成系统、第二水合物浆分解系统、气相色谱分析仪和数据采集仪；
所述第一物理场协同效应水合物浆合成系统和第二物理场协同效应水合物浆合成系统均包括超声波系统、磁场系统和反应釜，所述超声波系统包括超声波发生器、超声波换能器、浸入式变幅杆和数据转换插头，超声波换能器和浸入式变幅杆均设置在反应釜的内部，超声波发生器通过数据转换插头与超声波换能器连接，超声波换能器连接浸入式变幅杆，所述磁场系统包括磁场发生装置、支撑铁丝和柱状铁丝网，柱状铁丝网通过支撑铁丝竖向固定在反应釜内部，所述浸入式变幅杆设置在柱状铁丝网的中心上部；
所述第一物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜的壁面一侧中上部设置第一反应液体进口管，反应釜的壁面一侧底部设置第一水合物浆出口管，所述反应釜的顶部设置有第一进气管、第一安全阀、第一气体采样毛细管、第一温度传感器、第一压力传感器和第一出气管；所述第二物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜的壁面一侧中上部设置第二反应液体进口管，反应釜的壁面一侧底部设置第二水合物浆出口管，所述反应釜的顶部设置有第二进气管、第二安全阀、第二气体采样毛细管、第二温度传感器、第二压力传感器和第二出气管；所述第一进气管与储气罐连接，第一出气管与第一集气罐连接，所述第一水合物浆出口管与第一水合物浆分解系统连接，第一水合物浆分解系统的气体出口分别连接第二进气管和第二集气罐，第一水合物浆分解系统的液体出口连接第二反应液体进口管；所述第二出气管与第一出气管或第一集气罐连接，所述第二水合物浆出口管与第二水合物浆分解系统连接，第二水合物浆分解系统的气体出口连接第二集气罐，第二水合物浆分解系统的液体出口通过第一水合物浆循环管连接第一反应液体进口管；
所述第一气体采样毛细管与第一出气管连通，第二气体采样毛细管与第二出气管连通，第一气体采样毛细管和第二气体采样毛细管均与气相色谱分析仪连接，所述第一温度传感器、第一压力传感器、第二温度传感器和第二压力传感器均与数据采集仪连接。
2.根据权利要求1所述的一种采用物理场协同技术分离混合气体的装置，其特征在于：所述第一水合物浆分解系统包括第一空浴式分解器和第一水浴式分解器，第一水合物浆出口管连接第一三通的进口，第一三通的一出口通过第一水合物浆输送管与第一空浴式分解器的进口连接，第一三通的另一出口通过第二水合物浆输送管与第一水浴式分解器的进口连接，第一空浴式分解器的出口通过第三水合物浆输送管与第二水合物浆输送管连接，第一水浴式分解器的气体出口分别连接第二进气管和第二集气罐，第一水浴式分解器的液体出口通过第二水合物浆循环管与第二反应液体进口管连接；所述第二水合物浆分解系统包括第二空浴式分解器和第二水浴式分解器，第二水合物浆出口管连接第二三通的进口，第二三通的一出口通过第四水合物浆输送管与第二空浴式分解器的进口连接，第二三通的另一出口通过第五水合物浆输送管与第二水浴式分解器的进口连接，第二空浴式分解器的出口通过第六水合物浆输送管与第五水合物浆输送管连接，第二水浴式分解器的气体出口分别连接第二进气管和第二集气罐，第二水浴式分解器的液体出口通过第一水合物浆循环管与第一反应液体进口管连接。
3.根据权利要求2所述的一种采用物理场协同技术分离混合气体的装置，其特征在于：在第一物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜的外部包裹第一循环冷媒夹层，在第一循环冷媒夹层的下部设置有第一循环冷媒入口，在第一循环冷媒夹层的上部设置有第一循环冷媒出口；在第二物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜的外部包裹第二循环冷媒夹层，在第二循环冷媒夹层的下部设置有第二循环冷媒入口，在第二循环冷媒夹层的上部设置有第二循环冷媒出口。
4.根据权利要求3所述的一种采用物理场协同技术分离混合气体的装置，其特征在于：所述第一水合物浆出口管连接第一换热器的水合物浆入口，第一换热器的水合物浆出口连接第一水合物浆分解系统；所述第一循环冷媒出口通过第一循环冷媒输送管道与第一换热器的循环冷媒入口连接，第一换热器的循环冷媒出口通过第二循环冷媒输送管道连接第一制冷机组，第一制冷机组通过第三循环冷媒输送管道与第一循环冷媒入口连接；所述第二水合物浆出口管连接第二换热器的水合物浆入口，第二换热器的水合物浆出口连接第二水合物浆分解系统；所述第二循环冷媒出口通过第四循环冷媒输送管道与第二换热器的循环冷媒入口连接，第二换热器的循环冷媒出口通过第五循环冷媒输送管道连接第二制冷机组，第二制冷机组通过第六循环冷媒输送管道与第二循环冷媒入口连接。
5.根据权利要求4所述的一种采用物理场协同技术分离混合气体的装置，其特征在于：所述第三水合物浆输送管上设置有第三压力传感器和第三温度传感器；所述第六水合物浆输送管上设置有第四压力传感器和第四温度传感器；所述第一水浴式分解器的气体出口处设置有第五压力传感器和第五温度传感器；所述第二水浴式分解器的气体出口处设置有第六压力传感器和第六温度传感器；所述第三压力传感器、第三温度传感器、第四压力传感器、第四温度传感器、第五压力传感器、第五温度传感器、第六压力传感器和第六温度传感器均与数据采集仪连接；所述第一水浴式分解器的气体出口连接第三气体采样毛细管，第二水浴式分解器的气体出口连接第四气体采样毛细管，第三气体采样毛细管和第四气体采样毛细管均与气相色谱分析仪连接。
6.根据权利要求1所述的一种采用物理场协同技术分离混合气体的装置，其特征在于：所述磁场发生装置为静态磁铁组，静态磁铁组包括上层磁铁和下层磁铁，在上层磁铁的底面和下层磁铁的顶面对应位置处均设置有沉孔，所述支撑铁丝的两端分别插入上层磁铁和下层磁铁的沉孔中固定；或所述静态磁铁组包括上层磁铁、中层磁铁和下层磁铁，在上层磁铁的底面和下层磁铁的顶面对应位置处均设置有沉孔，在中层磁铁的对应位置处设置有通孔，所述支撑铁丝穿过通孔，两端分别插入上层磁铁和下层磁铁的沉孔中固定，支撑铁丝的中间相应位置与中层磁铁固定连接，在上层磁铁和中层磁铁之间，以及中层磁铁和下层磁铁之间均固定一柱状铁丝网。
7.根据权利要求1所述的一种采用物理场协同技术分离混合气体的装置，其特征在于：所述磁场发生装置为旋转磁体，旋转磁体设置在反应釜下面。
8.一种采用物理场协同技术分离混合气体的方法，采用如权利要求1-7中任一权利要求所述的装置，其特征在于包括以下步骤：
a通过第一反应液体进口管向第一物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜内部注入所需液体，将储气罐中由两种以上成分组成的混合气体经第一进气管输送至第一物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜内部；
b混合气体在超声波系统所产生声场的空化效应和磁场系统所产生磁场的磁化效应协同作用下，生成水合物浆，剩余气体经第一出气管排出，并经气相色谱分析仪测试后，输送至第一集气罐；
c水合物浆经第一水合物浆出口管排出，输送至第一水合物浆分解系统，分解出的气体经第一水合物浆分解系统的气体出口排出，并经气相色谱分析仪测试后，选择输送至第二进气管或第二集气罐；分解出的液体经第一水合物浆分解系统的液体出口排出，并经第二水合物浆循环管与第二反应液体进口管输送至第二物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜；
d在第二物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜内，混合气体进一步在超声波系统所产生声场的空化效应和磁场系统所产生磁场的磁化效应协同作用下，生成水合物浆，剩余气体经第二出气管排出，并经气相色谱分析仪测试后，输送至第一集气罐；
e水合物浆经第二水合物浆出口管排出，输送至第二水合物浆分解系统，分解出的气体经第二水合物浆分解系统的气体出口排出，并经气相色谱分析仪测试后，选择输送至第二进气管或第二集气罐；分解出的液体经第二水合物浆分解系统的液体出口排出，并经第一水合物浆循环管与第一反应液体进口管输送至第一物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜内。
9.根据权利要求8所述的一种采用物理场协同技术分离混合气体的方法，其特征在于：在第一水合物浆分解系统和第二水合物浆分解系统内，依次通过空浴式分解器和水浴式分解器对水合物浆进行分解。
10.根据权利要求8所述的一种采用物理场协同技术分离混合气体的方法，其特征在于：第一物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜和第二物理场协同效应水合物浆合成系统的反应釜内部温度均通过循环冷媒进行控制，循环冷媒在对反应釜冷却后与水合物浆进行热交换。
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