CN108014740A - 一种新型气体水合物管道生成装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型气体水合物管道生成装置，属于气体水合物应用及储运技术领域。该装置包括气液输送系统、冷却系统、管式水合物生成系统和气液循环系统4部分，装置包括依次连通的储气瓶、单向气阀、储气罐、温度表、压力表、拉瓦尔喷管、气体增压泵、文丘里射流单元、管式水合物反应器、水合物旋流分离装置、储液罐、饱和液罐、球阀。此外管式水合物反应器首尾和中部设有观察视窗，外部设有循环水浴。该装置可使气体无需外部冷却装置、减少传热介质，迅速使气体降温，提高水合物生成速率，节省设备成本，降低能耗，简化操作，大大降低成本。

Description

一种新型气体水合物管道生成装置
技术领域
本发明属于气体水合物应用及储运技术领域，涉及一种管道流动条件下的水合物生成装置。
背景技术
天然气水合物是一种由主体分子(水)和客体分子(气体分子)在低温、高压下生成的一种非化学计量的冰状笼形包合物。可生成水合物的气体包括甲烷、乙烷、丙烷、CO2、H2S等。随着天然气水合物技术研究的不断深入，基于天然气生成的技术，如天然气储存与运输、二氧化碳捕获与封存、海水淡化和混合气体分离等技术的研究与应用的关注度越来越高。但是，在工业生产与运用过程中，基于水合物生成的相关技术应用的瓶颈主要在于生成条件高、生成速度慢、诱导时间长、储气密度低等。目前解决的关键问题就是提高水合物的生成速率和效率。目前强化水合物生成的方法分为两大类：化学物理强化和机械强化。化学物理强化主要是添加促进剂促进水合物的生成，促进剂有热力学促进剂和动力学促进剂。机械强化目前主要有搅拌法、鼓泡法、喷雾法、外场法等。机械强化主要是增大气液接触面积，快速散去水合反应中产生的热量。目前，搅拌法存在能量消耗大、储气密度低、易磨损等不利因素，在工业中很少单独使用，但是在大多数的静态水合物生成实验装置中应用很多；采用超声波雾化，增大气液接触面积，可以提高水合物生成速度，但是系统添加的超声波雾化器不仅投资费用增加，而且运行费用也增大。
水合物的生成主要包括成核和生长两个过程。成核是指当溶液处于过冷状态或过饱和状态时，形成达到临界尺寸的稳定水合物核的过程，当晶核达到某一临界尺寸后，进入水合物的稳定生长阶段。成核过程中晶核的形成一般包括一段时间的诱导期，诱导期具有较大的随机性和不稳定性。此外，水合物生成过程中，会形成水合物膜，阻碍气体进入水相和水合物相，阻止水合物的生成。水合物生成的条件较为严格，这也是工业应用的难点。在水合物生成实验中，需要花费一定时间来进行降温，从而达到水合物生成的条件，这也意味这需要耗费能量来降温、保温。
基于以上情况，本发明能够迅速降温且不需要其他传热介质，减少中间能耗，且可以同水充分接触，快速达到水合物生成的条件，加速水合物的生成。
发明内容
本发明的目的是针对水合物生成须在低温高压下，对设备要求高，需要的能耗大，在现有的管道条件下水合物生成装置的基础上，对气体加压，利用拉瓦尔喷管，使气体先压缩加速达到超生速，再节流膨胀降温。并且通过拉瓦尔喷管特殊的性能和螺旋叶片结合，无需外部能量供应，实现气体的循环利用和气液的分离，从而实现低能耗、高效率、低成本、快速生成水合物的生成装置。要解决的技术问题是减少能源消耗并达到快速降温从而生成水合物，循环利用气体，消除传统水浴循环制冷存在的设备高成本和操作复杂性。整套设备控制在高压、低温的状态下，为气体水合物的快速生成提供基本的条件；在供气管道段设置拉瓦尔喷管和气体增压泵，迅速降低气体温度，且增加气体的压力，可利用多级串联冷却，实现降温后等温加压，从而提高气体水合物的生成速度；通过文丘里射流装置，使气液充分混合，且利用重力作用和气体流动，将液体带入管道；同时气体进入气体循环管道，利用拉瓦尔管和螺旋纽带实现无能耗、高效气液分离，实现洁净实验气体再利用。此外分离的液体和水合物小颗粒再次进入循环参与水合物生成，利用水合物生成的“记忆效应”，进一步提高水合物生成速率。
总的说来，本发明的一种新型气体水合物生成装置，解决了以下几大难题：1.本装置利用拉瓦尔喷管冷却气体，经过气体增压泵增压，实现节流降温、省去水浴制冷设备，进而达到节省设备成本、降低能耗、简化操作的目的。2.本装置通过文丘里射流装置和放置在高于管道的储液罐，利用气体流速和重力作用，实现气体吸入管道，与气体充分混合。3.采用拉瓦尔喷管实现气体迅速降温，通过气液相互接触直接传热，无需第三传热介质，实现水合物快速生成。4.投资和运行费用低。
本发明由气液输送系统、冷却系统、管式水合物生成系统和气液循环系统4部分构成。气液输送系统、冷却系统、管式水合物生成系统和气液循环系统4部分构成。对于气液输送系统主要包括储气瓶(1)、单向气阀1(2)、储气罐(3)、单向气阀2(4)、温度表1(5)、压力表2(6)、温度表2(11)、压力表2(12)、文丘里射流单元(13)、气体增压泵3(21)、单向气阀4(22)、单向气阀5(23)。冷却系统主要包括拉瓦尔喷管1(7)、气体增压泵1(8)、拉瓦尔喷管2(9)、气体增压泵2(10)。管式水合物生成系统主要包括可视窗口(14)、管式水合物反应器(15)，其外部设有循环水浴冷却夹套。气液循环系统主要包括水合物螺旋分离装置(16)、单向气阀3(17)、储液罐(18)、饱和液罐(19)、球阀1(20)。
对于冷却系统，主要包括拉瓦尔喷管1(7)和拉瓦尔喷管2(9)，其从左到右包括渐缩管段、喉部、渐扩管段。其进口直径为0.35d～d，喉部直径为0.2d～0.6d，出口直径为0.35d～d，渐缩管段长度为0.35d～2d，渐扩管段长度为0.35d～4d，其中d表示管道内经。
冷却系统的拉瓦尔喷管1(7)和拉瓦尔喷管2(9)与管道的连接方式为法兰连接。通过螺母连接，螺母间的角度为15°～30°。
文丘里射流单元从左到右包括射流段、渐缩管段、喉部、渐扩管段。其进口直径为0.35d～d，喉部直径为0.2d～0.6d，出口直径为0.35d～d，渐缩管段长度为0.35d～2d，渐扩管段长度为0.35d～4d，其中d表示管道内经。
本发明的显著优点在以下几个方面：
(1)本装置利用拉瓦尔喷管冷却气体，经过气体增压泵增压，实现节流降温、省去水浴制冷设备，进而达到节省设备成本、降低能耗、简化操作的目的；
(2)本装置通过文丘里射流装置和放置在高于管道的储液罐，利用气体流速和重力作用，实现气体吸入管道，与气体充分混合；
(3)采用拉瓦尔喷管实现气体迅速降温，通过气液相互接触直接传热，无需第三传热介质，实现水合物快速生成；
(4)投资和运行费用低。
附图说明
图1新型气体水合物生成装置示意图
图2冷却系统拉瓦尔喷管示意图
图3文丘里射流单元示意图
图中：1储气瓶；2单向气阀1；3储气罐；4单向气阀2；5温度表1；6压力表2；7拉瓦尔喷管1；8气体增压泵1；9拉瓦尔喷管2；10气体增压泵2；11温度表2；12压力表2；13文丘里射流单元；14可视窗口；15管式水合物反应器；16水合物螺旋分离装置；17单向气阀3；18储液罐；19饱和液罐；20球阀1；21气体增压泵3；22单向气阀4；23单向气阀5。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细的说明，但本发明的实施方式并不仅限于此。
本发明由气液输送系统、冷却系统、管式水合物生成系统和气液循环系统4部分构成。对于气液输送系统主要包括储气瓶(1)、单向气阀1(2)、储气罐(3)、单向气阀2(4)、温度表1(5)、压力表1(6)、温度表2(11)、压力表2(12)、文丘里射流单元(13)、气体增压泵3(21)、单向气阀4(22)、单向气阀5(23)。冷却系统主要包括拉瓦尔喷管1(7)、气体增压泵1(8)、拉瓦尔喷管2(9)、气体增压泵2(10)。管式水合物生成系统主要包括可视窗口(14)、管式水合物反应器(15)，其外部设有循环水浴冷却夹套。气液循环系统主要包括水合物螺旋分离装置(16)、单向气阀3(17)、储液罐(18)、饱和液罐(19)、球阀1(20)。工作时，气体经由单向气阀(2)，进入储气罐(3)，通过温度表1(5)和压力表1(6)分别记录进气温度、调节进气压力，气体通过拉瓦尔喷管1(7)速度增大为超声速，温度随之急剧下降，气体得到迅速冷却.经过拉瓦尔喷管后气体的压力降低，此时经过气体增压泵1(8)对低压气体进行增压，然后再次经过拉瓦尔喷管2(9)进行降温，气体增压泵2(10)，拉瓦尔管可多个串联，从而达到水合物生产条件；经过增压的冷却气体通过文丘里射流单元(13)，将高处的饱和液罐(19)中的液体经过球阀1(20)吸入管内，与气体充分接触；此后气液混合进入管式水合物反应器(15)，可通过可视窗口(14)观察在入口、中部和出口处水合物的生成状态，此外管式水合物反应器外部设有循环水浴，将环境保持在水合物生成条件范围内；生成的水合物浆液经过水合物螺旋分离装置(16)，将气体分离出，经过单向气阀3(17)回到储气罐(3)，再次参与反应；分离出的水和部分水合物颗粒进入储液罐(18)，经饱和液罐(19)和球阀1(20)再次进入文丘里射流单元与气体反应，因水合物存在“记忆效应”，含有水合物颗粒的环境下更易生成水合物。在进气过程中，进入文丘里射流单元的气体可能出现压力低的情况，此时可通过气体增压泵3(21)和单向气阀3(22)进行增压。为了安全起见，储气罐内若出现压力过高的情况，可通过单向气阀5(23)进行放气泄压。

Claims (4)

1.一种新型气体水合物管道生成装置，其特征在于气液输送系统、冷却系统、管式水合物生成系统和气液循环系统4部分构成。对于气液输送系统主要包括储气瓶(1)、单向气阀1(2)、储气罐(3)、单向气阀2(4)、温度表1(5)、压力表2(6)、温度表2(11)、压力表2(12)、文丘里射流单元(13)、气体增压泵3(21)、单向气阀4(22)、单向气阀5(23)。冷却系统主要包括拉瓦尔喷管1(7)、气体增压泵1(8)、拉瓦尔喷管2(9)、气体增压泵2(10)。管式水合物生成系统主要包括可视窗口(14)、管式水合物反应器(15)，其外部设有循环水浴冷却夹套。气液循环系统主要包括水合物螺旋分离装置(16)、单向气阀3(17)、储液罐(18)、饱和液罐(19)、球阀1(20)。
2.根据权利要求1所述的一种新型气体水合物生成装置，冷却系统的拉瓦尔喷管1(7)和拉瓦尔喷管2(9)从左到右包括渐缩管段、喉部、渐扩管段。其进口直径为0.35d～d，喉部直径为0.2d～0.6d，出口直径为0.35d～d，渐缩管段长度为0.35d～2d，渐扩管段长度为0.35d～4d，其中d表示管道内经。
3.根据权利要求1所述的一种新型气体水合物生成装置，冷却系统的拉瓦尔喷管1(7)和拉瓦尔喷管2(9)与管道的连接方式为法兰连接。通过螺母连接，螺母间的角度为15°～30°。
4.根据权利要求1所述的一种新型气体水合物生成装置，文丘里射流单元从左到右包括射流段、渐缩管段、喉部、渐扩管段。其进口直径为0.35d～d，喉部直径为0.2d～0.6d，出口直径为0.35d～d，渐缩管段长度为0.35d～2d，渐扩管段长度为0.35d～4d，其中d表示管道内经。
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