CN109825341B - 静电场作用下瓦斯水合物高速合成装置 - Google Patents

静电场作用下瓦斯水合物高速合成装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种静电场作用下瓦斯水合物高速合成装置，其中高压反应釜用于在设定条件下生成瓦斯水合物；高压反应釜内底部设置负电极板，高压反应釜端口侧设置正电极板，正电极板和负电极板分别与静电放电器的正极和负极对应电连接；正电极板通过放射针与静电放电器连接，放射针的尖端连接正电极板；静电放电工控机用于控制静电放电器的输出电压。本发明装置能够加速水合物合成过程中瓦斯水合物的成核，提高瓦斯水合物合成效率。

Description

静电场作用下瓦斯水合物高速合成装置
技术领域
本发明涉及瓦斯水合物合成技术领域，尤其涉及一种静电场作用下瓦斯水合物高速合成装置。
背景技术
瓦斯是一种以甲烷（CH4）为主的烃类混合气，由于煤矿生产过程中瓦斯排放严重，而CH4是具有极高温室效应的气体，因此回收CH4变得极为重要。
目前，对瓦斯提纯CH4相继提出了变压吸附法、低温分离法、膜分离法及水合物法等分离技术，其中水合物法作为一种新型的瓦斯分离技术手段，与传统分离方法相比具有压力损失小，分离效率高、合成工艺简单、储存容易及安全性好等优点。然而，由于瓦斯水合物生成过程诱导时间长、生长速率慢，极大地限制了水合物法分离技术的发展。
在水合物法生成瓦斯水合物的过程中，为促进瓦斯水合物快速合成，主要采用搅拌、喷雾、鼓泡等物理方法作为强化手段。但是这些强化手段又分别存在以下问题：
（1）搅拌法：机械耗能消耗大，阻碍水合物聚集，机械搅拌时产生的热效应会造成储气成本的增加，影响水合条件；伴随着水合反应的不断进行，水合物浆黏度不断增大，进而影响机械搅拌效率；
（2）鼓泡法：由于使用的孔板孔径很小，容易在孔板上生成水合物造成堵塞，进而影响水合物进气，影响系统反应的进行；若采用透明鼓泡盘鼓泡，气泡在上升过程中会有水合物合成，阻碍了气体与水溶液进一步接触发生反应；
（3）喷雾法：当喷嘴角度过大时，会造成水合物生成热不易在反应器内气相空间扩散，导致水合物生成环境恶化；并且大分子（如水分子）客体在喷射时极易在喷嘴周围形成水合物从而堵塞喷射孔，使反应中断。同时，在喷射液滴过程中，喷嘴表面生成的水合物层的生成热聚集在液滴内部，会进一步抑制水合物生成。
因此，针对以上不足，需要对瓦斯水合物的生成过程进行改进，实现瓦斯水合物的快速合成，从而提高瓦斯水合物的制备效率，以实现瓦斯水合物的高密度储存。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有瓦斯提纯CH4采用的水合物法中，生成瓦斯水合物的过程诱导时间长及生长速率慢的缺陷，提供一种静电场作用下瓦斯水合物高速合成装置。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种静电场作用下瓦斯水合物高速合成装置，包括高压反应釜、静电放电工控机、静电放电器、放射针、正电极板和负电极板，
所述高压反应釜用于在设定条件下生成瓦斯水合物；高压反应釜内底部设置负电极板，高压反应釜端口侧设置正电极板，正电极板和负电极板分别与静电放电器的正极和负极对应电连接；正电极板通过放射针与静电放电器连接，放射针的尖端连接正电极板；静电放电工控机用于控制静电放电器的输出电压。
在根据本发明所述的静电场作用下瓦斯水合物高速合成装置中，所述合成装置还包括恒温控制箱，高压反应釜密闭在恒温控制箱内部。
在根据本发明所述的静电场作用下瓦斯水合物高速合成装置中，所述合成装置还包括气源、空压机和驱动增压泵，
气源通过通气管路连接驱动增压泵的进气端，空压机通过加压管路连接驱动增压泵的加压端，驱动增压泵的出口连接进气管的一端，进气管的另一端穿过高压反应釜上盖与高压反应釜内部连通。
在根据本发明所述的静电场作用下瓦斯水合物高速合成装置中，所述通气管上设置减压阀；加压管路上设置空压机开关；进气管的一端设置气体输出阀，进气管的另一端设置进气截止阀。
在根据本发明所述的静电场作用下瓦斯水合物高速合成装置中，所述合成装置还包括气体感应器、防爆抽气机和防爆监控器，
高压反应釜内壁上盖设置气体感应器，恒温控制箱侧壁上设置防爆抽气机，所述防爆抽气机通过抽气管路与高压反应釜连通；防爆监控器用于采集气体感应器的监测数据，并根据所述监测数据控制防爆抽气机启动。
在根据本发明所述的静电场作用下瓦斯水合物高速合成装置中，所述气体感应器用于感应高压反应釜内部瓦斯和氧气浓度；所述防爆监控器用于在瓦斯浓度为5%-16%，并且氧气浓度不低于12%时，控制防爆抽气机启动。
在根据本发明所述的静电场作用下瓦斯水合物高速合成装置中，所述合成装置还包括温度传感器和压力传感器，温度传感器用于测量高压反应釜内部温度，压力传感器用于测量高压反应釜内部压力。
在根据本发明所述的静电场作用下瓦斯水合物高速合成装置中，所述合成装置还包括数据采集器、工控机和显示器，数据采集器用于采集温度传感器和压力传感器的监测数据，并传递给工控机进行储存，显示器用于显示工控机储存的温度和压力数据。
在根据本发明所述的静电场作用下瓦斯水合物高速合成装置中，所述合成装置还包括固定座，所述高压反应釜通过固定座固定在恒温控制箱内部。
在根据本发明所述的静电场作用下瓦斯水合物高速合成装置中，所述高压反应釜侧壁上具有可视窗。
实施本发明的静电场作用下瓦斯水合物高速合成装置，具有以下有益效果：本发明在现有瓦斯水合物合成的基础上，增加了静电发生装置，使得在静电场作用下，能提高反应釜内去离子水过冷温度，从而在较高温度下诱导过冷水成核，能够加速水合物合成过程中瓦斯水合物的成核，提高瓦斯水合物合成效率。
本发明装置成本低，可靠性高，易于对现有设备的升级改造。
附图说明
图1为根据本发明的静电场作用下瓦斯水合物高速合成装置的示例性结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
具体实施方式：本发明提供了一种静电场作用下瓦斯水合物高速合成装置，结合图1所示，包括高压反应釜1、静电放电工控机2、静电放电器3、放射针4、正电极板5和负电极板6。
所述高压反应釜1用于在设定条件下生成瓦斯水合物；高压反应釜1内底部设置负电极板6，高压反应釜1端口侧设置正电极板5，正电极板5和负电极板6分别与静电放电器3的正极和负极对应电连接；正电极板5通过放射针4与静电放电器3连接，放射针4的尖端连接正电极板5；静电放电工控机2用于控制静电放电器3的输出电压，进而保证所需的电场强度。
本实施方式为瓦斯水合物的合成提供了静电场，可用于已有瓦斯水合物生成装置的改造升级。其正电极板5和负电极板6在高压反应釜1内沿轴向相对设置，正电极板5和负电极板6分别通电后，其间可产生静电场。其中正电极板5可采用专用高压电线与静电放电器3连接，高压电线的连接头可埋在耐压胶木材料内；负电极板6除通过导线与静电放电器3连接外，还有可靠的接地连接，以保证使用安全。
下面对本发明的工作原理进行说明：
瓦斯水合物的基本结构特征是主体水分子通过氢键在空间相连，形成一系列不同大小的多面孔穴，客体分子甲烷会在外力作用下进入水分子搭建的孔穴；本发明装置可在实验开始时，通过静电放电工控机2改变静电放电器3输出电压的大小，其输出电压调节范围为0.1～20KV。
所述放射针4可以是细圆锥形接触放电电极，其放电尖端连接正电极板5，当静电放电工控机2控制静电放电器3输出一定的工作电压后，诱导放射针4放电，并在正电极板5和负电极板6之间形成一定强度的电场，由于电场的作用，促进反应釜内溶液中去离子水搭建水合物生成所需笼状水合物晶格，相应的温度或者压力作用促使甲烷客体分子进入笼状水合物晶格中孔穴内，从而达到促进瓦斯水合物快速合成目的。
促进瓦斯水合物快速合成机理：
（1）气体水合物的基本结构特征是主体水分子通过氢键在空间相连，形成一系列不同大小的多面体孔穴，这些多面体孔穴或通过顶点相连，或通过面相连，向空中发展形成笼状水合物晶格。如果不考虑客体分子，空的水合物晶格可以被认为是一种不稳定的冰核。当这种不稳定冰核的孔穴有一部分被甲烷（分子式CH4）客体分子填充后，它就变成了稳定的甲烷水合物。
（2）水分子是一种强极性分子，它的正负电中心不重合，存在分子电偶极矩。水分子正负电荷中心不重合,具有很强的电偶极矩(µ0=6.127×10-30C·m)，在电场作用下水分子将受到电场力的作用，产生偶极转向极化。
（3）对于去离子水（纯水），电场对水相变过程的影响正是体现在电场作用下产生的水分子偶极转向极化。电场作用下水分子的偶极矩产生趋向电场方向的转向，定向在电场方向上的水分子具有最稳定的状态，并且沿电场方向水分子按能量分布函数出现最大值。在水相变过程的初始阶段，电场作用导致水分子聚集形成水分子团簇的几率增加，易诱发冰核形成。实验证明，在静电场中沿电场方向形成冰核的几率大于交变电场，因此本发明所述静电场有利于瓦斯水合物的合成。
（4）静电场具有确定的电场方向和电场强度，在静电场作用下，水分子在确定的电场方向上产生偶极转向极化，电场越强，极化强度越高。由于电场是恒定的静电场，电场产生的水分子沿电场方向定向效应是恒定的。由于定向在电场方向的水分子具有最稳定的状态和最大分布，因此在电场作用下促进去离子水搭建水合物合成所需“笼子”，然后在温度或者压力作用下，促使甲烷客体分子进入孔穴内，从而达到促进瓦斯水合物高速合成目的。并且在水分子晶核形成阶段，电场能促进水分子空腔搭建形成，继而促进形成大的水分子簇，诱发CH4分子进入水合物空腔内，形成稳定的水合物。
所述静电放电器3可以采用高精度高稳定性的正负双性（0~±20KV）连续可调静电放电器。两个电极板可以选用铜板，铜板规格可以为∅8~12cm，厚度可以为6~10mm，两个电极板主要用于释放来自静电放电器3的电压。
通过静电放电工控机2控制使高压反应釜1内的有效场强处于预设范围内，两电极板之间形成的高压静电场对水溶液分子的极化作用，能在瓦斯水合物合成过程中加快促进冰核的产生，进而促进瓦斯水合物成核，从而提高水合物中的瓦斯含气量，使瓦斯气体能被高效分离提纯，采用本发明装置对瓦斯进行处理，既可降低瓦斯气体对环境的污染，又可提高瓦斯资源的利用效率。本发明施加的电场可提高瓦斯水合物的制备效率，进而可实现对瓦斯气体的高密度储存。
进一步，结合图1所示，所述合成装置还包括恒温控制箱7，高压反应釜1密闭在恒温控制箱7内部。
由于瓦斯水合物的合成需要在较低的温度条件下进行，因此需要采用恒温控制箱7来确保高压反应釜1内的反应温度。
进一步，结合图1所示，所述合成装置还包括气源8、空压机9和驱动增压泵10，
气源8通过通气管路连接驱动增压泵10的进气端，空压机9通过加压管路连接驱动增压泵10的加压端，驱动增压泵10的出口连接进气管的一端，进气管的另一端穿过高压反应釜1上盖与高压反应釜1内部连通。
为实现瓦斯水合物的合成，需要向高压反应釜1内通入瓦斯气体；其中高压反应釜1内可预先注入预设浓度的某种水溶液或纯水，高压反应釜1通过上盖密封。气源8中存储实验所用气体，主要气体为瓦斯；空压机9通过驱动增压泵10将气源8中的瓦斯气体压入高压反应釜1内。
所述某种水溶液一般是在纯水中加入可以促进瓦斯水合物合成的促进剂形成的溶液，可预先配置，常用的促进剂包括SDS溶液（十二烷基硫酸钠）、TBAB溶液（四丁基溴化氨）、THF溶液（四氢呋喃）等，上述促进剂都可与去离子水（纯水）混合成预设浓度后加入到高压反应釜1中。
进一步，结合图1所示，所述通气管上设置减压阀8-1；加压管路上设置空压机开关9-1；进气管的一端设置气体输出阀10-1，进气管的另一端设置进气截止阀1-1。
所述减压阀8-1可用于控制气源8的出口压力；空压机开关9-1用于控制空压机9的启动和断开；气体输出阀10-1设置在驱动增压泵10和进气截止阀1-1之间，用于控制实验气体的供给和断开；进气截止阀1-1用于控制高压反应釜1内的进气和停止进气。事实上，气体输出阀10-1和进气截止阀1-1可以择一选用，也能达到对气体的相应控制，二者同时使用，可提高高设备使用的安全性。
再进一步，结合图1所示，所述合成装置还包括气体感应器11、防爆抽气机12和防爆监控器13，
高压反应釜1内壁上盖设置气体感应器11，恒温控制箱7侧壁上设置防爆抽气机12，所述防爆抽气机12通过抽气管路与高压反应釜1连通；防爆监控器13用于采集气体感应器11的监测数据，并根据所述监测数据控制防爆抽气机12启动。
所述气体感应器11可以设置一个或多个，例如可以采用一个同时监控高压反应釜1内部的瓦斯和氧气浓度；也可以设置多个气体感应器11，每个气体感应器11都可监测瓦斯和氧气浓度，然后对监测结果求平均值，确保监测数据真实可靠；或者设置多个气体感应器11，其中一部分气体感应器11用于监测瓦斯浓度，另一部分气体感应器11用于监测氧气浓度，同样，可分别求取平均值作为监测结果。防爆监控器13在气体感应器11的监测结果达到某一设定阈值可根据经验设定时，可启动报警，并同时启动防爆抽气机12工作，抽出气体以降低浓度，预防事故的发生，提高设备使用的安全性。
作为示例，所述气体感应器11用于感应高压反应釜1内部瓦斯和氧气浓度；所述防爆监控器13用于在瓦斯浓度为5%-16%，并且氧气浓度不低于12%时，控制防爆抽气机12启动。
本实施方式中所设定的瓦斯浓度及氧气浓度阈值可以根据生产实践获得，上述数据设定表明，在瓦斯浓度小于5%或者氧气浓度低于12%时，高压反应釜1内均为安全环境；当瓦斯浓度在5%-16%之间，同时氧气浓度达到12%时，即认为高压反应釜1内存在事故隐患，具有爆炸危险，需要采取措施降低气体浓度，以防止瓦斯积聚造成爆炸；需要说明的是，瓦斯浓度和氧气浓度若有一个未达到上述范围值，均认为没有安全隐患；当检测浓度达到安全阈值时，防爆监控器13根据检测到的信号，立即启动防爆抽气机12抽出部分过量气体，并可同时启动报警。
一般情况下，矿井瓦斯浓度达到5%-16%之间时，会造成瓦斯积聚，易发生爆炸；当瓦斯浓度高于16%时，属于高浓度瓦斯，浓度过高导致遇热源时失去爆炸性，又进入浓度安全范围。但若遇热源又有一定浓度氧气存在的情况下，可能会燃烧，但不会发生爆炸。
再进一步，结合图1所示，所述合成装置还包括温度传感器14和压力传感器15，温度传感器14用于测量高压反应釜1内部温度，压力传感器15用于测量高压反应釜1内部压力。
采用温度传感器14和压力传感器15实时监测高压反应釜1内的温度和压力情况，可用于对瓦斯水合物生成条件的实验设定。
再进一步，结合图1所示，所述合成装置还包括数据采集器16、工控机17和显示器18，数据采集器16用于采集温度传感器14和压力传感器15的监测数据，并传递给工控机17进行储存，显示器18用于显示工控机17储存的温度和压力数据。
所述工控机17用于记录和储存数据采集器16采集的温度传感器14和压力传感器15监测数据，并通过显示器18进行显示，从而可直观的对实验条件进行监控。
再进一步，结合图1所示，所述合成装置还包括固定座19，所述高压反应釜1通过固定座19固定在恒温控制箱7内部。
通过固定座19使高压反应釜1尽量处于恒温控制箱7的中心位置，有利于高压反应釜1内温度的稳定。
再进一步，结合图1所示，所述高压反应釜1侧壁上具有可视窗1-2。为了方便对瓦斯水合物生成过程的观察，以辅助对实验现象进行判断，可在高压反应釜1侧壁上设置可视窗，例如可沿高压反应釜1侧壁的圆周方向均匀设置四个可视窗1-2，以满足对实验现象的多方位观察。
通过本实施方式的设计，形成了一个完善的水合物高速合成装置。可用于瓦斯的利用及瓦斯灾害的防治。本发明装置的具体实施方法如下：
步骤一：确定高压反应釜1及恒温控制箱7的气密性；
步骤二：将按浓度配比好的溶液或纯水注入高压反应釜1，然后密封高压反应釜1上盖；
步骤三：通过工控机17对数据采集器16所连接的温度传感器14和压力传感器15进行校准和调零，同时设置恒温控制箱7的温度，使高压反应釜1内温度达到目标值；
步骤四：开启减压阀8-1，使气源8内的瓦斯气体通过空压机9和驱动增压泵10的作用进入高压反应釜1，并达到目标压力；
步骤五：开启静电放电工控机2，使静电放电器3输出电压达到目标电压；同时启动防爆监控器13；
步骤六：数据采集器16采集温度和压力数据并发送给工控机17，工控机16记录并储存，并将温度和压力信息在显示器18上显示。
所述步骤二中按浓度配比好的溶液可以是：先取用浓度为500mg/L的SDS溶液，或浓度为0.2mol/L或0.4mol/L的THF溶液，或浓度为0.2mol/L或0.4mol/L的TBAB溶液，称取要求的质量或体积后，再按预设的浓度配比要求，量取相应份量的纯水，与上述促进剂混合获得含促进剂的溶液。
本发明实施合成瓦斯水合物过程中，在不添加促进剂的情况下，可以设置高压反应釜1内环境为0℃，2.55MPa或者10℃，6.95MPa时即可生成水合物；当添加促进剂时，高压反应釜1内合成水合物温度条件会在原有基础上提高2-3℃，具体会因促进剂的不同而不同。经实验验证，在高压反应釜1内10℃，6.95MPa，加THF促进剂时，无外加电场情况下水合物合成全过程需要18h；而在同等条件下，再施加电场，相应量水合物合成全过程仅需11h左右。因此，可以说明，本发明施加电场后，极大的促进了瓦斯水合物合成的进程。
本实施方式所述高压反应釜1高度可以为20cm，因此对应的电场强度范围为0～1×105KV/m；在此电场强度范围内，瓦斯水合物可在相对较高的温度下搭建水合物空腔，诱导水分子成核，促进形成更多水分子空腔体，进而形成水合物空腔团聚体，缩短诱导时间，快速合成水合物。实际使用中，具体的场强选择可根据两个电极板之间的距离确定。在实验过程中，在满足条件的电场强度范围内，可实时控制电场大小以加快或减缓水合物的合成进程。
所述相对较高的温度是指外加静电场后，诱导水分子成核温度要求比常规条件下要求的温度约可提高4℃左右，也就是说，其它条件相同的情况下，不施加静电场，水合物形成温度需要多降低4℃。
综上所述，本发明在一定电场强度范围内的电场能有效促进水分子空腔搭建形成，继而促进形成大的水分子簇，诱发CH4分子进入水分子空腔内，形成稳定的水合物，缩短诱导时间，从而加速水合物高速合成速率，提高瓦斯水合物成核概率，且使水合物的含气量提高。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种静电场作用下瓦斯水合物高速合成装置，其特征在于包括高压反应釜(1)、静电放电工控机(2)、静电放电器(3)、放射针(4)、正电极板(5)和负电极板(6)，
所述高压反应釜(1)用于在设定条件下生成瓦斯水合物；高压反应釜(1)内底部设置负电极板(6)，高压反应釜(1)端口侧设置正电极板(5)，正电极板(5)和负电极板(6)分别与静电放电器(3)的正极和负极对应电连接；正电极板(5)通过放射针(4)与静电放电器(3)连接，放射针(4)的尖端连接正电极板(5)；静电放电工控机(2)用于控制静电放电器(3)的输出电压；
所述合成装置还包括气体感应器(11)、防爆抽气机(12)和防爆监控器(13)，
高压反应釜(1)内壁上盖设置气体感应器(11)，恒温控制箱(7)侧壁上设置防爆抽气机(12)，所述防爆抽气机(12)通过抽气管路与高压反应釜(1)连通；防爆监控器(13)用于采集气体感应器(11)的监测数据，并根据所述监测数据控制防爆抽气机(12)启动。
2.根据权利要求1所述的静电场作用下瓦斯水合物高速合成装置，其特征在于：所述合成装置还包括恒温控制箱(7)，高压反应釜(1)密闭在恒温控制箱(7)内部。
3.根据权利要求1或2所述的静电场作用下瓦斯水合物高速合成装置，其特征在于：所述合成装置还包括气源(8)、空压机(9)和驱动增压泵(10)，
气源(8)通过通气管路连接驱动增压泵(10)的进气端，空压机(9)通过加压管路连接驱动增压泵(10)的加压端，驱动增压泵(10)的出口连接进气管的一端，进气管的另一端穿过高压反应釜(1)上盖与高压反应釜(1)内部连通。
4.根据权利要求3所述的静电场作用下瓦斯水合物高速合成装置，其特征在于：所述通气管上设置减压阀(8-1)；加压管路上设置空压机开关(9-1)；进气管的一端设置气体输出阀(10-1)，进气管的另一端设置进气截止阀(1-1)。
5.根据权利要求1所述的静电场作用下瓦斯水合物高速合成装置，其特征在于：所述气体感应器(11)用于感应高压反应釜(1)内部瓦斯和氧气浓度；所述防爆监控器(13)用于在瓦斯浓度为5％-16％，并且氧气浓度不低于12％时，控制防爆抽气机(12)启动。
6.根据权利要求1或2所述的静电场作用下瓦斯水合物高速合成装置，其特征在于：所述合成装置还包括温度传感器(14)和压力传感器(15)，温度传感器(14)用于测量高压反应釜(1)内部温度，压力传感器(15)用于测量高压反应釜(1)内部压力。
7.根据权利要求6所述的静电场作用下瓦斯水合物高速合成装置，其特征在于：所述合成装置还包括数据采集器(16)、工控机(17)和显示器(18)，数据采集器(16)用于采集温度传感器(14)和压力传感器(15)的监测数据，并传递给工控机(17)进行储存，显示器(18)用于显示工控机(17)储存的温度和压力数据。
8.根据权利要求1或2所述的静电场作用下瓦斯水合物高速合成装置，其特征在于：所述合成装置还包括固定座(19)，所述高压反应釜(1)通过固定座(19)固定在恒温控制箱(7)内部。
9.根据权利要求1或2所述的静电场作用下瓦斯水合物高速合成装置，其特征在于：所述高压反应釜(1)侧壁上具有可视窗(1-2)。
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