CN108579653A - 旋流式水合物生成装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种旋流式水合物生成装置，具有制冷装置、三相分离器和旋流式反应器，所述的旋流式反应器包括内壳体和外壳体，外壳体与内壳体之间的空间形成冷水循环腔，所述内壳体内具有形成水气旋流效应的旋流腔和生成静态水合物的球形腔，旋流腔上部连接有将形成的水合物浆体流入三相分离器的溢流管，旋流腔侧壁上连接有进液口，制冷装置通向进液口的管路上连接有喷入表面活性剂的活性剂储罐，旋流腔和球形腔上分别设有通入压缩气体的进气口。本发明采用旋流技术，极大地促进了水合物生成过程中的传质、传热，降低了能耗，减少了成本。

Description

旋流式水合物生成装置
技术领域
本发明涉及气体水合物技术领域，尤其是一种旋流式水合物生成装置。
背景技术
气体水合物是水与甲烷、乙烷、CO2及H2S等小分子气体在一定的压力和温度下形成的非化学计量性笼状晶体物质。目前，开发出了诸如水合物储运技术、水合物气体分离技术、水合物蓄冷技术、水合物海水淡化技术等应用技术，这些技术在各自相关的领域都具有较好的发展前景，但其应用首先需要解决的问题便是如何快速高效的生成水合物。
气体水合物的生成是一个伴随着物质的转移与能量变化的过程，实质上是一个由传热和传质控制的过程，因此，强化水合物的生成过程也主要从传热、传质两个方向进行。传统的搅拌、喷淋、鼓泡等机械强化手段主要是为了增强气液扰动，强化气液间的传质过程。文章“CO2水合物生成的影响因素研究[J].贵州大学学报(自然科学版),2015,02:42-46.”研究发现随着搅拌速率的增大，CO2水合物的平均生长速率从0.283mmoL/min增大到1.132mmoL/min，且搅拌速率为800rpm时实验条件下的水合物的诱导期最短。但这种方法的能耗大，不利于工业化应用。采用外场的方式，诸如磁场、电场、超声波等促进水合物的生成，也是一个研究的方向。中国专利《用超声波生产水合物及水合物浆的装置与方法》(公开号：CN1788838)涉及一种用超声波生产水合物及水合物浆的装置与方法，此装置设计了一个适合于能够在高压下生产水合物及水合物浆的超声波反应器。但是采用超声波促进水合物反应的能耗大，安装费用高，并且生产的稳定性差。因此，急需设计出一套能耗低、可连续生成、面向工业化的水合物生成装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中之不足，本发明提供一种低能耗、连续、稳定的旋流式水合物生成装置，解决现有水合物生成速率慢、效率低、无法连续生成等问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种旋流式水合物生成装置，具有制冷装置、三相分离器和旋流式反应器，所述的旋流式反应器包括内壳体和外壳体，外壳体与内壳体之间的空间形成冷水循环腔，所述内壳体内具有形成水气旋流效应的旋流腔和生成静态水合物的球形腔，旋流腔上部连接有将形成的水合物浆体流入三相分离器的溢流管，旋流腔侧壁上连接有进液口，制冷装置通向进液口的管路上连接有喷入表面活性剂的活性剂储罐，旋流腔和球形腔上分别设有通入压缩气体的进气口。采用旋流技术极大的促进了水合物生成过程中的传质、传热，降低了能耗，减少了成本。
为充分提供旋流腔和球形腔所需的压缩气体，位于通向旋流腔和球形腔上进气口的管路上设有通入外部气体的缓冲罐、压缩机和冷凝器，缓冲罐输出端与压缩机输入端相连，压缩机的输出端连接冷凝器的输入端，冷凝器的输出端通过自动调压阀分别连接旋流腔的进气口与球形腔的进气口。
为实现作业循环流动连续性，所述的三相分离器的液相端与旋流式反应器的进液口相连，三相分离器的固相端通向储存库，三相分离器的气相端与缓冲罐的一端相连。
为实现冷水循环腔内冷水的循环流动，所述的冷水循环腔上端设有冷水进口、下端设有冷水出口，冷水进口与冷水出口之间的外部管路上设有管式水冷器和实现冷水在冷水循环腔内循环流动的水泵。
进一步地，所述的冷水循环腔包括自上而下连通的外圆筒腔、外圆锥腔和正方形水腔，所述的冷水进口位于外圆筒腔上部的阀盖上，所述的冷水出口位于正方形水腔底部。
具体地，所述的旋流腔包括自上而下相通的内圆筒腔和内圆锥腔，进液口设置在内圆筒腔上且与内圆筒腔的腔体成切线连接，溢流管及旋流腔的进气口设在内圆筒腔的上部，内圆锥腔下部连通球形腔，球形腔的进气口设在球形腔上部，球形腔下部设有出液口，出液口与三相分离器的输入端相连。
为提高水合物排出效果，所述的溢流管下端伸入旋流腔内，且溢流管的管口底部低于进液口的最低端。
技术原理：水合物的生成是一个气液传质、传热的过程，当液体以一定的速度沿切线进入旋流腔时，遇到旋流腔的腔壁后被迫作回转运动。随着液体从旋流腔的内圆筒腔部分流向内圆锥腔部分，流动断面越来越小，在外层液体收缩压迫之下，内层液体不得不改变方向，转而向上运动，形成内旋流，自溢流管排出。流动稳定后，通过旋流腔的进气口及球形腔的进气口，通入一定压力的气体，此时，旋流水合物反应器中有三个区域形成水合物，第一个区域是球形腔中的高压气体压入旋流产生的低压区中，形成带压空气柱，与旋流产生的循环流进行水合物反应；第二个区域是内圆筒腔上部的储气空间与旋流界面进行水合物反应；第三个区域是底部的球形腔中，底流与球形腔中的带压气体反应生成水合物。其中第一个区域与第二个区域中形成的水合物颗粒，由于比水的密度小，会逐渐的向内侧旋转，最终随水从溢流管流出形成水合物浆体，第三个区域中形成的水合物浆体，通过球形腔底部的出液口输出。整个反应中的温度通过冷水循环腔进行控制。
本发明的有益效果是：本发明与现有的水合物生成装置相比，具有以下显著特点：首先，本装置采用了旋流方式，可以极大地促进气液之间的传质、传热，从而促进水合物的生成，同时摒弃了传统的机械强化方式，极大的节省了能耗；其次，采用自动调压阀调整进气压力，并采用导压管连接旋流腔与球形腔，确保装置的压力平衡，并可以防止出现安全事故；最后，本装置采用自动化程序对液位、压力、温度进行检测控制，减少了人工操作，降低了运行费用，且占地面积小，设备简单，可连续性运行，使用方便。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的结构原理示意图。
图2是本发明所述旋流式反应器的结构示意图。
图中：1.旋流腔 2.球形腔 3.溢流管 4.进气口 5.冷水进口 6.压力传感器 7.温度检测器 8.旋流式反应器 9.冷水循环腔 10.储气空间 11.进液口 12.内壳体 13.外壳体 14.水泵 15.液位检测器 16.冷水出口 17.出液口 18.制冷装置 19.活性剂储罐 20.管式水冷器 21.三相分离器 25.缓冲罐 27.第一截止阀 28.第二截止阀 29.第三截止阀30.第四截止阀 31.第一单向阀 32.第五截止阀 33.自动调压阀 34.第六截止阀 35.第七截止阀 36.第八截止阀 37.第二单向阀 38.第三单向阀 39.冷凝器 40.压缩机 41.第九截止阀
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1、图2所示的一种旋流式水合物生成装置，具有管路连接的制冷装置18、三相分离器21、旋流式反应器8、通有外部气体的缓冲罐25、压缩机40、冷凝器39、自带增压系统的活性剂储罐19以及管式水冷器20。
所述的旋流式反应器8具有内壳体12和外壳体13，所述外壳体13与内壳体12之间的空间形成冷水循环腔9，所述的冷水循环腔9包括自上而下连通的外圆筒腔、外圆锥腔和正方形水腔，外圆筒腔侧方设有温度检测器7，位于外圆筒腔上部的阀盖上设有八个周向均布、直径为10～12cm的冷水进口5，位于正方形水腔底部设有八个周向均布、直径为10～12cm的冷水出口16，管式水冷器20设在冷水进口5与冷水出口16之间的外部管路上，通过水泵14实现冷水在冷水循环腔9内的循环流动。
所述内壳体12内具有形成水气旋流效应的旋流腔1和生成静态水合物的球形腔2，所述的旋流腔1包括自上而下相通的内圆筒腔和内圆锥腔，其中内圆筒腔的直径为60cm，高度为100～150cm；所述的内圆锥腔的高度为180～200cm，锥角θ为15～20度；位于内圆筒腔的侧壁上连接有进液口11，喷入表面活性剂的活性剂储罐19设在制冷装置18通向进液口11的管路上，喷入水管内的表面活性剂与水混合后形成的液体通过进液口11进入旋流腔1内。
所述进液口11设计为矩形口，位于内圆筒腔一侧，且进液口11的外壁与内圆筒腔的外壁相切连接，进液口11长度为20～25cm，长宽比为2:1，旋流腔1上部连接有将形成的水合物浆体流入三相分离器21输入端的溢流管3，所述的溢流管3下端伸入旋流腔1的内圆筒腔内，且溢流管3的管口底部低于进液口11的最低端，溢流管3的直径取25～30cm，溢流管3伸入内圆筒腔的距离为60～70cm，位于进液口11上方的内圆筒腔内形成储气空间10。
所述溢流管3及旋流腔1的进气口4设在内圆筒腔的上部，内圆锥腔下部连通球形腔2，球形腔2的进气口4设在球形腔2上部，球形腔2下部设有出液口17，出液口17与三相分离器21的输入端相连。
所述缓冲罐25、压缩机40和冷凝器39依次设在通向旋流腔1和球形腔2上进气口4的管路上，外部气体从缓冲罐25输入端通入，缓冲罐25输出端与压缩机40输入端相连，压缩机40的输出端连接冷凝器39的输入端，冷凝器39的输出端通过自动调压阀33分别连接旋流腔1的进气口4与球形腔2的进气口4。
所述的三相分离器21的液相端与旋流式反应器8的进液口11相连，三相分离器21的固相端通向储存库，三相分离器21的气相端与缓冲罐25的一端相连。
球形腔2通过与旋流腔1相连的管道接受旋流腔1的来液，并通过球形腔2上方的球形腔2进气口4进气，维持腔内气体的平衡，进行辅助水合物生成反应；所述球形腔2的进气口4直径设计为10～13cm，并通过自动调压阀33与缓冲罐25相连，确保球形腔2内压力稳定；所述的旋流腔1的进气口4位于旋流腔1顶部的盖体上，直径设计为10～13cm，同样通过自动调压阀33与缓冲罐25相连，为所述储气空间10中输送气体，并确保储气空间10中的气体压力稳定；在旋流腔1及球形腔2上分别设有压力传感器6，分别检测旋流腔1及球形腔2内的压力，压力传感器6检测的压力传输到外接的自动调压阀33，当压力低于设定压力90％时，自动调压阀33自动开启进气，当达到设定压力时，自动调压阀33自动关闭；球形腔2上方还设有液位检测器15，用于控制球形腔2中的液位，并将液位控制在球形腔2直径的1/4～1/2之间，旋流腔1在工作时，带有记忆效应的液体会通过内圆锥腔的底部出口，持续不断地进入作为静态水合物生成腔的球形腔2内，由于内圆锥腔底部出口的口径较小，当球形腔2内液位低于1/4时，球形腔2底部的阀门自动关闭，从而使得球形腔2内液位上升，当液位高于1/2时，球形腔2底部阀门自动开启排液，整个过程所经历的时间便是静态水合物生成的时间，即当检测到液位高于球形腔2直径的1/2时，下部阀门开启排液，当液位达到球形腔2直径的1/4时，下部阀门关闭；所述的储气空间10是装置正常运行时，内壳体12内的液面与旋流腔1顶部的盖体之间形成的密闭空间。
本装置的设计压力6MPa，且气液输送全部采用自动化操作。
本装置的具体实施过程分为三步，首先进行工艺设备的吹扫排空，之后开始进液循环，待进液结束后开始进气循环，具体的实施过程如下：
a、关闭第四截止阀30、第一单向阀31、第五截止阀32，打开阀门第一截止阀27、第二截止阀28、第三截止阀29、第六截止阀34、第七截止阀35、第八截止阀36、自动调压阀33及三相分离器21的排污阀，之后缓慢开启第五截止阀32，使气体进入，对工艺设备进行吹扫排空，待气体充满整个设备时，顺序关闭三相分离器21的排污阀及第五截止阀32，排空结束。
b、打开制冷装置18所在管路上的进水泵，开始进液循环，水经过制冷装置18制冷至2℃后，通过进水泵泵入旋流式反应器8，在此过程中，开启第九截止阀41喷入浓度为300mg/L的表面活性剂SDS，混合后的液体以2～3.5m/s的速度切线进入旋流腔1，遇到旋流腔1腔壁后被迫作回转运动；随着液体从旋流腔1的内圆筒腔部分流向内圆锥腔部分，流动断面越来越小，在外层液体收缩压迫之下，内层液体不得不改变方向，转而向上运动，形成内旋流，自溢流管3排出，底流通过与球形腔2连接的管道进入作为静态水合物生成腔的球形腔2，待流动平稳后，进液结束。
c、打开自动调压阀33，并将自动调压阀33调整至5MPa，缓慢开启第五截止阀32，并开启压缩机40及冷凝器39，使气体缓慢进入旋流腔1的储气空间10及底部的球形腔2，待压力达到5MPa时，自动调压阀33自动关闭。此时，进气循环结束。
气体与液体在旋流式水合物生成装置中反应，生成水合物。旋流腔1中生成的水合物，由于密度小于水的密度，逐渐向内侧旋转，最终随水从溢流管3流出形成水合物浆体，流出的水合物浆体通过第二截止阀28、第三截止阀29进入三相分离器21；旋流腔1下部的底流进入球形腔2，与腔内的气体发生水合物反应，并通过底部的第七截止阀35进入三相分离器21，在三相分离器21内分离后的气相通过泵进入缓冲罐25，分离出来的液相通过泵进入进液口11，分流出来的固相水合物通过第四截止阀30进入水合物储库储存。
上述流程中采用冷水循环系统制冷，首先，通过冷水进口5将冷水循环腔9中注满水，然后开启阀门第二单向阀37、第三单向阀38，并开启管式水冷器20及相应的水泵14，将水进行循环，完成对旋流腔1和球形腔2的制冷。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种旋流式水合物生成装置，具有制冷装置、三相分离器和旋流式反应器，其特征是：所述的旋流式反应器包括内壳体和外壳体，外壳体与内壳体之间的空间形成冷水循环腔，所述内壳体内具有形成水气旋流效应的旋流腔和生成静态水合物的球形腔，旋流腔上部连接有将形成的水合物浆体流入三相分离器的溢流管，旋流腔侧壁上连接有进液口，制冷装置通向进液口的管路上连接有喷入表面活性剂的活性剂储罐，旋流腔和球形腔上分别设有通入压缩气体的进气口。
2.如权利要求1所述的旋流式水合物生成装置，其特征是：位于通向旋流腔和球形腔上进气口的管路上设有通入外部气体的缓冲罐、压缩机和冷凝器，缓冲罐输出端与压缩机输入端相连，压缩机的输出端连接冷凝器的输入端，冷凝器的输出端通过自动调压阀分别连接旋流腔的进气口与球形腔的进气口。
3.如权利要求1所述的旋流式水合物生成装置，其特征是：所述的三相分离器的液相端与旋流式反应器的进液口相连，三相分离器的固相端通向储存库，三相分离器的气相端与缓冲罐的一端相连。
4.如权利要求1所述的旋流式水合物生成装置，其特征是：所述的冷水循环腔上端设有冷水进口、下端设有冷水出口，冷水进口与冷水出口之间的外部管路上设有管式水冷器和实现冷水在冷水循环腔内循环流动的水泵。
5.如权利要求4所述的旋流式水合物生成装置，其特征是：所述的冷水循环腔包括自上而下连通的外圆筒腔、外圆锥腔和正方形水腔，所述的冷水进口位于外圆筒腔上部的阀盖上，所述的冷水出口位于正方形水腔底部。
6.如权利要求1所述的旋流式水合物生成装置，其特征是：所述的旋流腔包括自上而下相通的内圆筒腔和内圆锥腔，进液口设置在内圆筒腔上且与内圆筒腔的腔体成切线连接，溢流管及旋流腔的进气口设在内圆筒腔的上部，内圆锥腔下部连通球形腔，球形腔的进气口设在球形腔上部，球形腔下部设有出液口，出液口与三相分离器的输入端相连。
7.如权利要求6所述的旋流式水合物生成装置，其特征是：所述的溢流管下端伸入旋流腔内，且溢流管的管口底部低于进液口的最低端。
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