CN108102754A - 一种天然气水合物反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气水合物反应装置，其技术方案：包括供气系统、供水系统、冷却系统、喷雾反应系统、测量系统以及调节系统，所述供气系统与喷雾反应系统连接，所述供水系统与喷雾反应系统连接，所述冷却系统两侧分别与喷雾反应系统连接，所述测量系统安装于喷雾反应系统上，所述喷雾反应系统包括雾化喷嘴、反应管以及反应釜，所述反应管进口端的雾化喷嘴可以使天然气和水雾状分散，充分提高了气液混合效率，而且反应管采用螺旋盘管形状增加气液两相流的流动速率和扰动，进一步提高气液传质效率，而且也增加了换热面积，可以使反应热快速逸散，也提高了传热效率，增大水合物反应的驱动力以及缩短诱导时间的优点。

Description

一种天然气水合物反应装置

技术领域

本发明涉及天然气领域，尤其是一种天然气水合物反应装置。

背景技术

天然气水合物是由天然气和水分子组成的类冰状的固态物质，也称为甲烷水合物。据理论计算，1m3的饱和天然气水合物在标准条件下可释放出164m3的甲烷气体，其能量密度(标准状态下单位体积沉积物中的甲烷量)是其它非传统能源的10倍，为常规天然气能量密度的2～5倍，因此天然气水合物存储技术是一种高密度存储能源的方法。天然气水合物的生成过程十分复杂，存在放热效应，涉及气、液、固三相间传热传质，需要一定的诱导时间，而且整个水合物生成过程还受温度、压力、气体组分、扰动等诸多因素影响。因此，需要设计相应的反应装置来提高水合物生成效率。目前国内外用于水合物合成的反应装置大致可以分为3种，即搅拌式反应器、鼓泡式反应器和喷淋式反应器。

搅拌式反应器，在反应溶液中设置搅拌器来加快气体的溶解，提高溶液中的气体浓度，促进气液间的相互作用，增加反应速率，缩短诱导时间。但水合反应仍停留在气液界面处，反应效率低下，而且水合物生成后期液体粘度增大，影响机械搅拌的效率，进而降低单位体积水合物的储气率。

鼓泡式反应器，在反应器底部设置微孔孔板，将气体分散到水中，极大地增加了气体在水中的溶解度，扩大了气液接触面积，加快了水合物成核速率，从而缩短了诱导时间。但由于孔板上的孔径很小，容易在孔板上生成水合物，影响进气，也影响系统的正常运行。

喷淋式反应器，在反应釜顶部设置超声波喷淋器把水喷入高压低温的反应器中，通过水的雾化可以极大地增加气液接触面积，提高水合物的生成速率，但喷淋法生成天然气水合物最大的瓶颈是如何及时排走水合反应热。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种天然气水合物反应装置，具有结构简单，可以扩大气液接触面积，提升节流效应，增大水合物反应的驱动力以及缩短诱导时间的优点。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：一种天然气水合物反应装置，包括供气系统、供水系统、冷却系统、喷雾反应系统、测量系统以及调节系统，所述供气系统与喷雾反应系统连接，所述供水系统与喷雾反应系统连接，所述冷却系统两侧分别与喷雾反应系统连接，所述测量系统安装于喷雾反应系统上，所述供气系统包括供气罐、空气压缩机、第一输送管道以及气体阀门，所述空气压缩机和气体阀门均位于第一输送管道上，所述供水系统包括供水罐、第二输送管道、供水阀门以及供水泵，所述冷却系统包括冷却器、循环泵、控温浴液体容器以及第一循环管道和第二循环管道，所述冷却器一侧通过第一循环管道与控温浴液体容器侧部连接，所述控温浴液体容器底部与第二循环管道一侧连接，所述第二循环管道另一侧与冷却器另一侧连接，且形成冷却循环，所述喷雾反应系统包括雾化喷嘴、反应管以及反应釜，所述雾化喷嘴一端分别与第一输送管道和第二输送管道连接，所述雾化喷嘴另一端与反应管一端连接，所述反应管另一端与反应釜内部连通，所述反应釜底部与第二输送管道一端连接，所述反应釜底部与第二输送管道之间设置有出水阀门。

本发明进一步设置为：所述控温浴液体容器内部设置有水和防冻液混合液体，冷却散热效果好。

本发明进一步设置为：所述气体阀门包括第一气体阀门、第二气体阀门以及第三气体阀门，所述反应釜与第一输送管道之间还设有分支管道，所述分支管道上连接有第一气体阀门，所述第一输送管道上位于供气罐与空气压缩机之间连接有第二气体阀门，所述第一输送管道上位于压缩机与雾化喷嘴之间连接有第三气体阀门。第一气体阀门可以控制天然气的供给，当反应釜中压力不足或水过多情况下可以直接通入天然气进一步反应，所述第二气体阀门是首端控制，不工作的时候关闭第一气体阀门即可，当第一气体阀门正常打开的时候，所述第三气体阀门可以辅助关闭。

本发明进一步设置为：所述供水阀门包括第一供水阀门和第二供水阀门，所述第二输送管道上位于供水罐与供水泵之间连接有第一供水阀门，所述第二输送管道上位于供水泵与雾化喷嘴之间连接有第二供水阀门。所述第一供水阀门首端控制，不工作的时候关闭第一供水阀门即可，所述第二供水阀门控制流水量大小。

本发明进一步设置为：所述反应釜内安装有搅拌轴，所述搅拌轴上按均匀间隔设置有多个螺旋搅拌叶片。可以提高反应釜内溶液中的气体浓度，促进气液间的相互作用，增加反应速率，缩短诱导时间。

本发明进一步设置为：所述反应管采用螺旋盘管形状分布于控温浴液体容器内。采用螺旋盘管形状增加气液两相流的流动速率和扰动，进一步提高气液传质效率，而且也增加了换热面积，可以使反应热快速逸散，也提高了传热效率。

本发明进一步设置为：所述雾化喷嘴内部两侧设置有水进口通道，中间设置有天然气进口通道，所述天然气进口通道出口处管径逐渐变小，且形成中心管喷嘴，所述水进口通道出口处设置有外环管喷嘴，所述中心管喷嘴与外环管喷嘴前侧设置有雾化头。水进口通道和天然气进口通道使水和天然气之间混合均匀，雾化喷嘴可以使天然气和水雾状分散，充分提高了气液混合效率。

本发明进一步设置为：所述调节系统包括空气流量调节器、水流量调节器以及冷却液流量调节器，所述空气流量调节器安装于第一输送管道上，所述水流量调节器安装于第二输送管道上，所述冷却液流量调节器安装于第二循环管道上。通过第二气体阀门和第三气体阀门可调节空气流量调节器，通过第一供水阀门和第二供水阀门可调节水流量调节器，使天然气与水比例达到最佳雾化效果，然后再根据控温浴液体容器温度通过调节冷却液流量调节器使系统达到最佳反应温度。

本发明进一步设置为：所述第一输送管道上设置有空气过滤器，所述第二输送管道上设置有液体过滤器。可以对雾化空气和颗粒大小进行调节，液体过滤器可以对液体流量和液压压力进行更准确的调节，保障喷雾效果。

本发明进一步设置为：所述测量系统采用压力测量表，所述压力测量表安装于反应釜上。当反应釜上压力测量表上的压力P小于设定反应压力时，打开分支管道上的第一气体阀门补充天然气，不但使反应釜压力达到较高反应压力提高反应速率，而且还把反应釜内过量的水进一步和天然气进行固化反应，减少水的外排量。

本发明具有有益效果为：

所述供气系统和供水系统分别与喷雾反应系统连接，通过第一输送管道可以输送天然气，通过第二输送管可以输送水，所述反应管进口端的雾化喷嘴可以使天然气和水雾状分散，充分提高了气液混合效率，而且反应管采用螺旋盘管形状增加气液两相流的流动速率和扰动，进一步提高气液传质效率，而且也增加了换热面积，可以使反应热快速逸散，也提高了传热效率；由于反应器存在冰堵的风险，因为过长的反应管会在末端生成固态的水合物，造成反应管堵塞，使反应不能持续进行。所以在反应管末端连接反应釜，可以把反应管中未完全固化的浆状水合物引入反应釜中进一步固化反应，而且反应釜体积比较大，利用固态水合物和水的密度差进行脱水，把密度较大未反应水从反应釜底部引出重新参与反应，这样可以提高整个装置效率。所述冷却系统可以提高冷却效率，可以提高天然气水合物的反应速度。

所述调节系统包括空气流量调节器、水流量调节器以及冷却液流量调节器，通过第二气体阀门和第三气体阀门可调节空气流量调节器，通过第一供水阀门和第二供水阀门可调节水流量调节器，使天然气与水比例达到最佳雾化效果，然后再根据控温浴液体容器温度通过调节冷却液流量调节器使系统达到最佳反应温度，而反应釜上压力测量表上的压力P小于设定反应压力时，打开分支管道上的第一气体阀门补充天然气，不但使反应釜压力达到较高反应压力提高反应速率，而且还把反应釜内过量的水进一步和天然气进行固化反应，减少水的外排量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中雾化喷嘴内部结构示意图。

附图标记：1、供气系统；11、供气罐；12、空气压缩机；13、第一输送管道；14、气体阀门；15、分支管道；16、第一气体阀门；17、第二气体阀门；18、第三气体阀门；19、空气过滤器；2、供水系统；21、供水罐；22、第二输送管道；23、供水阀门；24、供水泵；25、第一供水阀门；26、第二供水阀门；27、液体过滤器；3、冷却系统；31、冷却器；32、循环泵；33、控温浴液体容器；34、第一循环管道；35、第二循环管道；4、喷雾反应系统；41、雾化喷嘴；42、反应管；43、反应釜；44、搅拌轴；45、螺旋搅拌叶片；46、水进口通道；47、天然气进口通道；48、中心管喷嘴；49、外环管喷嘴；491、雾化头；5、测量系统；6、调节系统；61、空气流量调节器；62、水流量调节器；63、冷却液流量调节器；7、出水阀门。

具体实施方式

结合附图，对本发明较佳实施例做进一步详细说明。

如图1-2所述的一种天然气水合物反应装置，包括供气系统1、供水系统2、冷却系统3、喷雾反应系统4、测量系统5以及调节系统6，所述供气系统1与喷雾反应系统4连接，所述供水系统2与喷雾反应系统4连接，所述冷却系统3两侧分别与喷雾反应系统4连接，所述测量系统5安装于喷雾反应系统4上。

所述供气系统1包括供气罐11、空气压缩机12、第一输送管道13以及气体阀门，所述空气压缩机12和气体阀门均位于第一输送管道13上，所述第一输送管道13上位于供气罐11与空气压缩机12之间连接有第二气体阀门17，所述第一输送管道13上位于压缩机与雾化喷嘴41之间连接有第三气体阀门18。第一气体阀门16可以控制天然气的供给，当反应釜43中压力不足或水过多情况下可以直接通入天然气进一步反应，所述第二气体阀门17是首端控制，不工作的时候关闭第一气体阀门16即可，当第一气体阀门16正常打开的时候，所述第三气体阀门18可以辅助关闭。

所述供水系统2包括供水罐21、第二输送管道22、供水阀门23以及供水泵24，所述第二输送管道22上位于供水罐21与供水泵24之间连接有第一供水阀门25，所述第二输送管道22上位于供水泵24与雾化喷嘴41之间连接有第二供水阀门26。所述第一供水阀门25首端控制，不工作的时候关闭第一供水阀门25即可，所述第二供水阀门26控制流水量大小。所述第一输送管道13上设置有空气过滤器19，所述第二输送管道22上设置有液体过滤器27。可以对雾化空气和颗粒大小进行调节，液体过滤器27可以对液体流量和液压压力进行更准确的调节，保障喷雾效果。

所述冷却系统3包括冷却器31、循环泵32、控温浴液体容器33以及第一循环管道34和第二循环管道35，所述冷却器31一侧通过第一循环管道34与控温浴液体容器33侧部连接，所述控温浴液体容器33底部与第二循环管道35一侧连接，所述第二循环管道35另一侧与冷却器31另一侧连接，且形成冷却循环，所述控温浴液体容器33内部设置有水和防冻液混合液体，冷却散热效果好。所述反应管42采用螺旋盘管形状分布于控温浴液体容器33内。采用螺旋盘管形状增加气液两相流的流动速率和扰动，进一步提高气液传质效率，而且也增加了换热面积，可以使反应热快速逸散，也提高了传热效率。

所述喷雾反应系统4包括雾化喷嘴41、反应管42以及反应釜43，所述雾化喷嘴41一端分别与第一输送管道13和第二输送管道22连接，所述雾化喷嘴41另一端与反应管42一端连接，所述反应管42另一端与反应釜43内部连通，所述反应釜43底部与第二输送管道22一端连接，所述反应釜43底部与第二输送管道22之间设置有出水阀门7。所述反应釜43与第一输送管道13之间还设有分支管道15，所述分支管道15上设有第一气体阀门16。

所述调节系统6包括空气流量调节器61、水流量调节器62以及冷却液流量调节器63，所述空气流量调节器61安装于第一输送管道13上，所述水流量调节器62安装于第二输送管道22上，所述冷却液流量调节器63安装于第二循环管道35上。通过第二气体阀门17和第三气体阀门18可调节空气流量调节器61，通过第一供水阀门25和第二供水阀门26可调节水流量调节器62，使天然气与水比例达到最佳雾化效果，然后再根据控温浴液体容器33温度通过调节冷却液流量调节器63使系统达到最佳反应温度。

所述测量系统5采用压力测量表，所述压力测量表安装于反应釜43上，当反应釜43上压力测量表上的压力P小于设定反应压力时，打开分支管道15上的第一气体阀门16补充天然气，不但使反应釜43压力达到较高反应压力提高反应速率，而且还把反应釜43内过量的水进一步和天然气进行固化反应，减少水的外排量。

所述反应釜43内安装有搅拌轴44，所述搅拌轴44上按均匀间隔设置有多个螺旋搅拌叶片45。可以提高反应釜43内溶液中的气体浓度，促进气液间的相互作用，增加反应速率，缩短诱导时间。

所述雾化喷嘴41内部两侧设置有水进口通道46，中间设置有天然气进口通道47，所述天然气进口通道47出口处管径逐渐变小，且形成中心管喷嘴48，所述水进口通道46出口处设置有外环管喷嘴49，所述中心管喷嘴48与外环管喷嘴49前侧设置有雾化头491。水进口通道46和天然气进口通道47使水和天然气之间混合均匀，雾化喷嘴41可以使天然气和水雾状分散，充分提高了气液混合效率。

所述供气系统1和供水系统2分别与喷雾反应系统4连接，通过第一输送管道13可以输送天然气，通过第二输送管可以输送水，通过第二气体阀门17和第三气体阀门18可调节空气流量调节器61，通过第一供水阀门25和第二供水阀门26可调节水流量调节器62，使天然气与水比例达到最佳雾化效果，所述反应管42进口端的雾化喷嘴41可以使天然气和水雾状分散，充分提高了气液混合效率，根据控温浴液体容器33温度通过调节冷却液流量调节器63使系统达到最佳反应温度，而且反应管42采用螺旋盘管形状增加气液两相流的流动速率和扰动，进一步提高气液传质效率，而且也增加了换热面积，可以使反应热快速逸散，也提高了传热效率；由于反应器存在冰堵的风险，因为过长的反应管42会在末端生成固态的水合物，造成反应管42堵塞，使反应不能持续进行。所以在反应管42末端连接反应釜43，可以把反应管42中未完全固化的浆状水合物引入反应釜43中进一步固化反应，而且反应釜43体积比较大，利用固态水合物和水的密度差进行脱水，把密度较大未反应水从反应釜43底部引出重新参与反应，这样可以提高整个装置效率。所述冷却系统3可以提高冷却效率，可以提高天然气水合物的反应速度。

上述实施例仅用于解释说明本发明的发明构思，而非对本发明权利保护的限定，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种天然气水合物反应装置，其特征在于：包括供气系统(1)、供水系统(2)、冷却系统(3)、喷雾反应系统(4)、测量系统(5)以及调节系统(6)，所述供气系统(1)与喷雾反应系统(4)连接，所述供水系统(2)与喷雾反应系统(4)连接，所述冷却系统(3)两侧分别与喷雾反应系统(4)连接，所述测量系统(5)安装于喷雾反应系统(4)上，所述供气系统(1)包括供气罐(11)、空气压缩机(12)、第一输送管道(13)以及气体阀门(14)，所述空气压缩机(12)和气体阀门(14)均位于第一输送管道(13)上，所述供水系统(2)包括供水罐(21)、第二输送管道(22)、供水阀门(23)以及供水泵(24)，所述冷却系统(3)包括冷却器(31)、循环泵(32)、控温浴液体容器(33)以及第一循环管道(34)和第二循环管道(35)，所述冷却器(31)一侧通过第一循环管道(34)与控温浴液体容器(33)侧部连接，所述控温浴液体容器(33)底部与第二循环管道(35)一侧连接，所述第二循环管道(35)另一侧与冷却器(31)另一侧连接，且形成冷却循环，所述喷雾反应系统(4)包括雾化喷嘴(41)、反应管(42)以及反应釜(43)，所述雾化喷嘴(41)一端分别与第一输送管道(13)和第二输送管道(22)连接，所述雾化喷嘴(41)另一端与反应管(42)一端连接，所述反应管(42)另一端与反应釜(43)内部连通，所述反应釜(43)底部与第二输送管道(22)一端连接，所述反应釜(43)底部与第二输送管道(22)之间设置有出水阀门(7)。

2.根据权利要求1所述的一种天然气水合物反应装置，其特征在于：所述控温浴液体容器(33)内部设置有水和防冻液混合液体。

3.根据权利要求1所述的一种天然气水合物反应装置，其特征在于：所述气体阀门(14)包括第一气体阀门(16)、第二气体阀门(17)以及第三气体阀门(18)，所述反应釜(43)与第一输送管道(13)之间还设有分支管道(15)，所述分支管道(15)上连接有第一气体阀门(16)，所述第一输送管道(13)上位于供气罐(11)与空气压缩机(12)之间连接有第二气体阀门(17)，所述第一输送管道(13)上位于压缩机与雾化喷嘴(41)之间连接有第三气体阀门(18)。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种天然气水合物反应装置，其特征在于：所述供水阀门包括第一供水阀门(25)和第二供水阀门(26)，所述第二输送管道(22)上位于供水罐(21)与供水泵(24)之间连接有第一供水阀门(25)，所述第二输送管道(22)上位于供水泵(24)与雾化喷嘴(41)之间连接有第二供水阀门(26)。

5.根据权利要求4所述的一种天然气水合物反应装置，其特征在于：所述反应釜(43)内安装有搅拌轴(44)，所述搅拌轴(44)上按均匀间隔设置有多个螺旋搅拌叶片(45)。

6.根据权利要求1所述的一种天然气水合物反应装置，其特征在于：所述反应管(42)采用螺旋盘管形状分布于控温浴液体容器(33)内。

7.根据权利要求5所述的一种天然气水合物反应装置，其特征在于：所述雾化喷嘴(41)内部两侧设置有水进口通道(46)，中间设置有天然气进口通道(47)，所述天然气进口通道(47)出口处管径逐渐变小，且形成中心管喷嘴(48)，所述水进口通道(46)出口处设置有外环管喷嘴(49)，所述中心管喷嘴(48)与外环管喷嘴(49)前侧设置有雾化头(491)。

8.根据权利要求7所述的一种天然气水合物反应装置，其特征在于：所述调节系统(6)包括空气流量调节器(61)、水流量调节器(62)以及冷却液流量调节器(63)，所述空气流量调节器(61)安装于第一输送管道(13)上，所述水流量调节器(62)安装于第二输送管道(22)上，所述冷却液流量调节器(63)安装于第二循环管道(35)上。

9.根据权利要求4所述的一种天然气水合物反应装置，其特征在于：所述第一输送管道(13)上设置有空气过滤器(19)，所述第二输送管道(22)上设置有液体过滤器(27)。

10.根据权利要求1所述的一种天然气水合物反应装置，其特征在于：所述测量系统(5)采用压力测量表，所述压力测量表安装于反应釜(43)上。