CN109971519A - 天然气水合物小球的连续制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气水合物小球的连续制备装置，包括结晶仓1，研磨仓2，小球制备仓3，小球存储仓4，温度控制系统，压力控制系统，气体和溶液伺服系统以及机械传动伺服系统。本发明将水合物小球的制备过程全部置于高压环境下完成，同时，在水合物形成和小球压制两道制备工序中加入了研磨工序，明确了天然气水合物小球制备所需经历的结晶、研磨、压制和存储四道工序。另外，将水合物形成、研磨、小球压制分别在三个相互连接的高压气体仓内完成，使得设备的结构清晰且具有较高的安全性以及运行流畅性。本发明能够模拟室温到零下20℃和0‑10MPa的低温高压环境，有利于丰富气体水合物动力学研究方法和推进水合物法气体储运技术的应用。

Description

天然气水合物小球的连续制备装置

技术领域

本发明涉及天然气水合物的储运技术领域，特别是涉及一种天然气水合物小球的连续制备装置。

背景技术

天然气水合物，即“可燃冰”，是一种以甲烷为主要成分的天然气和水分子组成的具有笼状结构的似冰状结晶化合物。在低温和高压条件下，天然气水合物能够稳定存在。在常温常压下，天然气水合物会快速分解形成游离的天然气和水。自然形成的气体水合物广泛分布于深海沉积物或者大陆永久冻土层中。近年来随着天然气水合物在全球范围内的大量发现，使其成为一种极具开发潜力的可替代能源。目前，在全球范围内已经探明的天然气水合物储量高达2.1×10¹⁶m³，是传统化石能源总量的两倍以上。与此同时，气体水合物的储气密度大。1标准体积的气体水合物可以存储高达160标准体积的气体。相比于液化天然气，天然气水合物存储所需的温度和压力条件比较温和，可以应用于天然气储运。我国拥有丰富的天然气水合物资源。因此，研发天然气水合物快速制备装置对于研究天然气水合物的动力学特性和机理，开发以水合物为储能材料的天然气储运技术具有十分重要的意义。

由于天然气水合物稳定赋存所需的压力会随着温度的上升而显著上升，因此，在自然界和实验研究中形成和存储天然气水合物的温度一般不超过10℃。例如在1℃下，保持甲烷气体水合物晶体稳定所需要的最低压力约为2.9MPa。因此，制备天然气水合物需要在高压容器和制冷设备的辅助来完成。另外，天然气水合物的形成过程是液态水向天然气水合物晶体转变的相变过程且天然气水合物晶体表面的多孔结构使其难以形成尺寸较大的完整晶体，对实现天然气水合物与水溶液的快速分离造成了较大的困难。目前，国内开发出的以水合物为储能材料的天然气储运技术通常以水合物浆作为载体来完成，极大的削弱了水合物的储气能力。同时，大量实验研究表明天然气水合物的反应动力学过程与水合物形貌有着密切的联系。但是，由于天然气水合物只能在高压环境下稳定存在，使得对水合物宏观和微观形貌的控制极为困难，并逐渐成为天然气水合物反应动力学研究的瓶颈之一。另外，天然气水合物快速制备所需的苛刻条件限制了其作为新型清洁能源在公众中的普及，对天然气水合物相关技术的开发和推广带来的一定困难。

目前，具有规则形状的天然气水合物小球仅能通过将制备好的水合物粉末在液氮环境下压入球星模具的方法来完成，制作过程复杂且无法连续制备。实现天然气水合物小球的连续快速制备，主要需要克服以下几种困难：(1)高压环境中气体和水溶液的连续补给和水合物晶体的连续转移；(2)高压环境中水合物与水溶液的快速分离；(3)压制出形状规则的水合物晶体且不易破碎；(4)能够从高压环境下快速取出制备好的水合物。(5)设备能够快速回收未参与水合物形成的甲烷等温室气体。

综上所述，研发一套可以连续快速制备具有规则形状的天然气水合物的装置，对于定量研究天然气水合物的反应动力学过程，确定水合物反应动力学相关参数，同时，丰富和拓展水合物法气体储运方法，推广和普及天然气水合物开采和储运技术，都具有十分重要的价值。

发明内容

为了克服天然气水合物小球连续制备技术中存在的困难，实现天然气水合物快速连续制备，本发明结合传统天然气水合物小球制备方法以及磁力驱动装置在高压设备中的应用技术，提供了一种天然气水合物小球的连续制备装置。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下。

一种天然气水合物小球的连续制备装置，包括结晶仓1，研磨仓2，小球制备仓3，小球存储仓4，温度控制系统，压力控制系统，气体和溶液伺服系统以及机械传动伺服系统。其中，装置主体均为耐高压腔体，包括结晶仓1，研磨仓2，小球制备仓3和小球存储仓4。

结晶仓1为一个圆柱形耐高压容器，如图2所示，主要用于水溶液向固态水合物的转变，即天然气水合物的结晶。结晶仓1中底部盛装水溶液，侧壁上设有注气孔和注水孔，用于向结晶仓1补充天然气水合物形成所需的水溶液和气体。侧壁上嵌有液面检测器和热电阻温度计，用于测量结晶仓1内温度和液面高度。结晶仓1底部中央固定有一根中空的中柱，中柱内部插有一根永磁体棒，并与外部电机相连，中柱外部嵌套一根磁力驱动搅拌轴，磁力驱动搅拌轴镶嵌的永磁体可以与中柱内部的永磁体的磁场相互耦合。因此，外部电机通过带动中柱内部的永磁体棒转动进而带动结晶仓1内磁力驱动搅拌轴转动。磁力驱动搅拌轴上附有螺旋叶片半径略小于结晶仓1的半径，对结晶仓1中的溶液起到搅拌作用，同时，当溶液中形成天然气水合物后可以将水合物持续向上输送并在输送过程中初步过滤掉水合物中的自由水。结晶仓1顶部端盖呈倒扣的漏斗形，出口与连接研磨仓2高压管路相连。输送至结晶仓1顶部端盖处的水合物晶体在螺旋叶片的推力下受到挤压，进一步释放晶体中夹带的自由水并通过高压管路进入研磨仓2。结晶仓1顶部端盖设有压力传感器和背压阀，用于测量和调节结晶仓1中的气体压力。

研磨仓2为一个圆柱形耐高压容器，如图2所示，主要用于对结晶仓1中输送的水合物晶体进行充分研磨，同时为小球制备存储足量的水合物粉体。同时，由于研磨仓2中的温度和压力与结晶仓中相同，水合物中携带的少量自由水可以在研磨仓2继续形成水合物，进而达到对水合物粉体的干燥。研磨仓2通过电机驱动三个研磨滚轮沿研磨仓2内壁旋转来完成对水合物晶体的研磨。与结晶仓1中磁力驱动搅拌轴原理相同，电机通过相连接的永磁体旋转，进而带动研磨仓2内的磁力驱动旋转轴旋转。磁力驱动旋转轴通过连杆与研磨滚轮连接。每一个研磨滚轮具有各自的旋转轴，在沿研磨仓3的中心公转的同时在研磨过程中也围绕各自的旋转轴进行自转。为了防止大块水合物阻碍研磨滚轮沿研磨仓2的壁面滚动，本装置在连杆上设置了弹簧并与研磨滚轮的轮轴相连接。因此，当研磨滚轮无法一次性研碎较大的水合物块体时，可以通过弹簧收缩使研磨滚轮沿水合物上表面滚过而不被卡住，然后通过多次滚压将大块水合物晶体压碎，达到研磨的效果。研磨仓2顶部设有背压阀和温度、压力传感器，用于调节研磨仓2内的压力以及测量研磨仓2的温度和压力。研磨仓2底部设有连接小球制备仓3的管路，研磨好的水合物粉末可以通过自重进入管路并进一步进入小球制备仓3。

小球制备仓3为一个圆柱形耐高压容器，如图2所示，是天然气水合物小球制备的核心装置。小球制备仓3通过设在腔体两端的可移动的半球形模具实现对水合物粉末的压制和水合物小球的移动。与结晶仓1中磁力驱动搅拌轴原理相同，半球形模具上嵌入的永磁体与小球制备仓3外部与电机相连接的永磁体相互吸引，使得外部电机能够完成对半球形模具的控制。半球形模具可以沿小球制备仓3的轴线方向移动并缓慢的旋转，以减少水合物粉末在半球形模具表面的粘附。沿小球制备仓3的轴线方向设有两个球形换向阀，球形换向阀的通孔直径与小球制备仓3内部腔体直径相同，半球形模具可以顺利通过。其中一个球形换向阀与研磨仓2相连。当球形换向阀旋转90°后，球形换向阀的通孔与研磨仓相连通并接受水合物粉末；当球形换向阀再次旋转90°，球形换向阀的通孔将小球制备仓3两端连通，小球制备仓3两端半球形模具在外部电机的驱动下移动至通孔内完成天然气水合物小球的压制。压制好的水合物小球连同半球形模具移动至另一侧的球形换向阀通孔中，随后，半球形模具移动至小球制备仓3两端。另一侧的球形换向阀与连接小球存储仓4的管路相连。当制备好的天然气水合物小球被移动至通孔中后，使球形换向阀旋转90°，水合物小球依靠自身重力通过管路进入小球存储仓4。小球制备仓4侧壁面上设有背压阀和压力传感器，用于控制和测量小球制备仓2内的压力。

小球存储仓4为胶囊型的耐高压容器，如图2所示，用于存储制备好的天然气水合物小球。当水合物小球依靠重力落入小球存储仓4后，为防止小球撞击小球存储仓3内壁而导致小球破裂，小球存储仓4内壁底部与侧壁相连接处均设计为圆弧形。小球存储仓4顶部设有排气阀和可快速拆卸的端盖，便于取出制备好的天然气水合物小球。小球存储仓4和小球制备仓3相连接的管路上设有球形换向阀，球形换向阀的通孔直径与小球制备仓3内部腔体直径相同，同时该球形换向阀具有较好的密封作用。当小球存储仓4减压后，球形换向阀能够阻止小球制备仓3中的气体向小球存储仓4内泄漏。

的温度控制系统采用循环冷却液对装置主体进行冷却。具有恒定温度的循环冷却液通过装置主体外部包覆的冷却液夹套，为装置主体内部提供恒温环境。循环冷却液通过低温循环冷却液通过低温恒温装置形成具有恒定温度的低温循环冷却液。低温恒温装置包含换热管、热电片、电加热丝和循环水泵。电加热丝和热电片均贴附在换热管外表面进行制冷和制热并采用PID调节控制换热管出口的低温循环冷却液的温度；低温循环冷却液的流动通过循环水泵提供动力。为了确保天然气水合物小球从小球存储仓4取出时不出现快速分解，小球存储仓4设有一套独立的低温循环冷却装置，可以使小球存储仓4温度低于0℃以下。

压力控制系统主要用于控制主体装置中的压力以及回收主体装置中排出的气体。本发明在主体装置的结晶仓1、研磨仓2、小球制备仓3和小球存储仓4均设有压力可调节的背压阀。当设备运行时，主体装置的背压阀均调至统一的设定值。当需要取出天然气水合物小球时，只需将小球存储仓4的背压阀则调节至最低。所有从背压阀所排出的气体被排入气体回收罐中以避免甲烷气体过量排放所带来的安全隐患和环境污染。气体回收罐中存储的气体可以通过与高压气瓶相连接的增压泵进行增压并再次注入高压气瓶。气体回收罐中设有压力传感器，当气体回收罐内压力较高时可自动触发增压泵向高压气瓶内注入气体。另外，小球存储仓4与真空泵和高压气瓶相连，用于天然气水合物小球取出后对小球存储仓4进行抽真空和加压操作。

气体和溶液伺服系统主要用于向结晶仓1持续补充因水合物生成所消耗的高压气体和水溶液。气体伺服装置主要由高压气瓶、气体减压阀组成，当结晶仓1内气体压力低于设定压力时，气瓶中的高压气体会通过减压阀直接向结晶仓1内补充气体。溶液伺服装置主要由恒压泵和液面检测器构成。设置在结晶仓1内部液面检测器通过测量结晶仓1内部水溶液液面以调节恒压泵向结晶仓1的水补给量和补给速率。

机械传动伺服系统主要控制主体装置中转轴和连杆的运动，包括结晶仓1中连接螺旋叶片的磁力驱动搅拌轴的电机，研磨仓2中连接磁力驱动搅拌轴的电机，小球制备仓3中连接球形换向阀的电机，小球制备仓3中连接可移动的半球形模具的电机以及小球存储仓4与小球制备仓3相接管路上的球形换向阀的电机组成。其中，机械传动伺服系统主要由结晶仓1中连接螺旋叶片的磁力驱动搅拌轴的电机，研磨仓2中连接磁力驱动旋转轴的电机和小球制备仓3中连接可移动的半球形模具的电机均为步进式电机；小球制备仓3中连接球形换向阀的电机和小球存储仓4与小球制备仓3相接管路上的球形换向阀的电机仅用于控制球形换向阀的开关。

本发明结合传统天然气水合物小球制备方法以及磁力驱动装置在高压设备中的应用技术，将水合物小球的制备过程全部置于高压环境下完成，同时，在水合物形成和小球压制两道制备工序中加入了研磨工序，明确了天然气水合物小球制备所需经历的水合物结晶、研磨、压制和存储四道工序。另外，将水合物形成、研磨、小球压制分别在三个相互连接的高压气体仓内完成，使得设备的结构清晰且具有较高的安全性以及运行流畅性。另外，高压气体回收装置的加入提高了高压气体的重复利用性，提高了设备的安全性，也降低了制作成本和环境污染。本发明能够模拟室温到零下20℃和0-10MPa的低温高压环境，有利于丰富气体水合物动力学研究方法和推进水合物法气体储运技术的应用。

附图说明

图1是本发明天然气水合物小球的连续制备装置的工作原理图；

图2是本发明天然气水合物小球的连续制备装置的结构示意图；

图中：1结晶仓；2研磨仓；3小球制备仓；4小球存储仓；5低温恒温装置a；6低温恒温装置b；7溶液伺服装置；8高压气瓶；9气体回收罐；10增压泵；11真空泵。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。

图1所示为天然气水合物小球的连续制备装置的工作原理图，其核心部件为四个耐高压腔体，包括结晶仓1、研磨仓2、小球制备仓3和小球存储仓4。本装置运行时，水和高压气体依次通过结晶仓1、研磨仓2、小球制备仓3和小球存储仓4形成天然气水合物小球。耐高压腔体内的压力通过压力控制系统进行调节和控制，温度则分别通过低温恒温装置a和低温恒温装置b进行控制和调节。其中，低温恒温装置a用于调节结晶仓1，研磨仓2和小球制备仓3的温度；低温恒温装置b用于调节小球存储仓4的温度。气体和溶液伺服系统用于向结晶仓1提供天然气水合物形成所需的高压气体和水。机械传动伺服系统用于控制结晶仓1和研磨仓2中的磁力驱动搅拌轴和磁力驱动旋转轴的转动，小球制备仓中半球形模具的平移和球形换向阀的旋转。

图2为天然气水合物小球连续制备装置的系统图，下面按各个系统功能加以说明：

1.天然气水合物小球的主要制备流程为：结晶仓1内的高压气体和水溶液在特定的温度条件下形成天然气水合物浆，通过结晶仓1内磁力驱动搅拌器的初步过滤，含有少量自由水的天然气水合物晶体被推送至研磨仓2，在研磨仓2的高压环境下，天然气水合物晶体所附带的少量自由水继续与高压气体形成天然气水合物，直至自由水全部消失得到干燥的天然气水合物晶体。同时，研磨滚轮对天然气水合物晶体的持续研磨，使研磨仓2中天然气水合物粉末具有比较均一的粒度。然后，天然气水合物粉末在重力的作用下进入小球制备仓3中与研磨仓2相连的球形换向阀的通孔中。当球形换向阀的通孔与小球制备仓3内腔体连通时，小球制备仓3内两侧的半球形模具移动至该球形换向阀的通孔中，完成对其中水合物粉末的压制成形。随后，制备出的天然气水合物小球在两侧的半球形模具的夹持下移动至与小球存储仓4相连的球形换向阀的通孔中。当两侧的半球形模具分开并移出该球形换向阀的通孔中时，该球形换向阀通过旋转使通孔与小球存储仓4相连，制备出的天然气水合物小球在重力作用下进入小球存储仓4中。当关闭连接小球制备仓3和小球存储仓4的球形换向阀后，将小球存储仓4的高压气体快速放出，并打开小球存储仓4顶部端盖，即可获得制备好的天然气水合物小球。

2.温度控制系统的工作过程为：开启两套低温恒温装置中的循环水泵并设定恒温温度。在制备水合物小球过程中，两套低温恒温装置保持相同的设定温度，使耐高压腔体内的温度均一恒定。当需要取出小球存储仓4内的天然气水合物小球时，则将用于冷却小球存储仓4的低温恒温装置的设定温度调节至0℃以下。当小球制备和取出过程结束后，将两套低温恒温装置的设定温度缓慢调节至室温，最后关闭。

3.压力控制系统的工作过程为：将耐高压腔体的所有背压阀的背压值调节至设定压力，然后用真空泵11对所有耐高压腔体抽真空。当抽真空完成后，通过结晶仓1的注气孔将高压气瓶8中的高压气体缓缓注入结晶仓1并最终使所有耐高压腔体内的压力保持一致。当需要取出小球存储仓4内的天然气水合物小球时，快速调节小球存储仓4的背压阀，使小球存储仓4内的压力快速降低至大气压力。在运行过程中，由于耐高压腔体的局部超压而从各个背压阀逸出的高压气体以及小球存储仓4排气均会收集至气体回收罐9中，并及时通过增压泵10再次泵入高压气瓶8中回收利用。

4.气体和溶液伺服系统的工作过程为：首先让高压气瓶中的气体通过气体伺服装置，即减压阀，向结晶仓1内注入高压气体，待耐高压腔体内压力达到设定值并恒定后，开启溶液伺服装置，即恒压泵，向结晶仓1内注入溶液。在设备运行过程中，恒压泵根据结晶仓1中液面检测器测得的水溶液液面来调节补水量和补水速率。当水合物小球制备过程结束后，先后关闭溶液和气体伺服系统。

5.机械传动伺服系统的工作过程为：首先确保小球制备仓3中的两个球形换向阀处于与腔体保持连通状态，确保位于小球制备仓3和小球存储仓4连通管处的球形换向阀保持打开状态，确保小球制备仓3和小球存储仓4之间的球形换向阀处于关闭状态。当溶液伺服系统向结晶仓1内注入溶液时，开启结晶仓1的磁力驱动搅拌轴和研磨仓2的磁力驱动旋转轴，当研磨仓2中的水合物晶体充分研磨并存储有一定量的水合物粉末时，开启小球制备仓3中和研磨仓2相连通的球形换向阀，使研磨好的水合物粉末填入球形换向阀的通孔中。随后，再次转动该球形换向阀使其通孔与小球制备仓3相连通。小球制备仓3中控制半球形模具移动的电机开启驱动小球制备仓3腔体两侧半球形模具向小球制备仓3相连通的球形换向阀通孔移动并完成小球压制。随后，天然气水合物小球在半球形模具的夹持下移动至与小球存储仓4相连的球形换向阀的通孔中。最后，两侧的半球形模具分开并移出该球形换向阀的通孔。机械传动伺服系统驱动小球存储仓4相连通的球形换向阀转动，使天然气水合物小球在自身重力条件下滚落至小球存储仓4。当需要从小球存储仓4中取出水合物小球时，则须先关闭位于小球制备仓3和小球存储仓4连通管处的球形换向阀，使小球制备仓3和小球存储仓4的高压气体不再连通。当从小球存储仓4中取出水合物小球并再次封闭好后，再次开启位于小球制备仓3和小球存储仓4连通管处的球形换向阀。水合物小球制备过程全部完成后，先后关闭结晶仓1的磁力驱动搅拌轴和研磨仓2的磁力驱动旋转轴以及其它机械传动伺服设备。

下文以天然气水合物小球连续制备装置应用于甲烷水合物晶体在2℃，4MPa时晶体生长过程的测量实验为例，叙述其使用方法。实验用的甲烷气体来自广州谱源气体有限公司，纯度不低于99.9％。形成甲烷水合物所用的水为蒸馏水，由实验室制备。

其一般工作过程按时间先后顺序分为：进样，水合物小球制备和仪器整理三个环节。

在进样环节，首先检查高压气瓶中的压力，使其高于工作压力4MPa，确保溶液伺服系统中含有足量的水溶液,确保小球制备仓3中的两个球形换向阀处于与腔体保持连通状态，确保位于小球制备仓3和小球存储仓4连通管处的球形换向阀保持打开状态，确保小球制备仓3和小球存储仓4之间的球形换向阀处于关闭状态。开启两套低温恒温装置中的循环水泵并设定恒温温度为2℃且两套低温恒温装置保持相同的设定温度，使耐高压腔体内的温度均一恒定。将耐高压腔体的所有背压阀的背压值调节至4MPa，然后用真空泵11对所有耐高压腔体抽真空。随后，让高压气瓶中的气体通过气体伺服装置，即减压阀，向结晶仓1内注入高压气体。待耐高压腔体内压力达到设定值并恒定后，开启溶液伺服装置，即恒压泵，向结晶仓1内注入溶液。当溶液伺服系统向结晶仓1内注入溶液时，开启结晶仓1的磁力驱动搅拌轴和研磨仓2的磁力驱动旋转轴。

在水合物小球制备环节，结晶仓1内的水溶液在高压和低温环境与高压气体相互作用在水溶液中形成大量细小的天然气水合物晶体。在磁力驱动搅拌器的过滤和提升的作用下，部分较大的水合物晶体被移动至结晶仓顶部并通过连接管路进入研磨仓2。水合物晶体进入研磨仓2后，受研磨滚轮的研磨作用，较大的水合物晶体被破碎，夹带的自由水与高压气体继续形成水合物，直至研磨仓2内水合物达到干燥的粉末状态并积聚在研磨仓2底部。开启小球制备仓3中和研磨仓2相连通的球形换向阀，使研磨好的水合物粉末填入球形换向阀的通孔中。随后，再次转动该球形换向阀使其通孔与小球制备仓3相连通。小球制备仓3中控制半球形模具移动的电机开启驱动小球制备仓3腔体两侧半球形模具向小球制备仓3相连通的球形换向阀通孔移动并完成小球压制。随后，天然气水合物小球在半球形模具的夹持下移动至与小球存储仓4相连的球形换向阀的通孔中。最后，两侧的半球形模具分开并移出该球形换向阀的通孔。机械传动伺服系统驱动小球存储仓4相连通的球形换向阀转动，使天然气水合物小球在自身重力条件下滚落至小球存储仓4。当小球存储仓4内的天然气水合物小球达到一定数量后，利用低温恒温装置降低小球存储仓4的温度至-10℃并关闭位于小球制备仓3和小球存储仓4连通管处的球形换向阀。快速降低小球存储仓4中的压力并打开小球存储仓4顶部端盖，取出制备好的天然气水合物小球。从小球存储仓4排出的高压气体进入气体回收罐并通过增压泵增压至高压气瓶中的压力，使排放出的高压气体回收至高压气瓶中。最后，将开启的小球存储仓4再次密闭并抽真空，利用低温恒温装置使小球存储仓4的温度与与其它耐高压腔体中的温度保持一致。然后缓慢打开位于小球制备仓3和小球存储仓4连通管处的球形换向阀，使小球存储仓4的压力与其它耐高压腔体中的压力保持一致。

在仪器整理环节，首先关闭溶液伺服系统，使结晶仓1中的溶液全部转化成水合物，随后关闭结晶仓1中的磁力驱动搅拌器。存储在研磨仓中的水合物粉末继续通过小球制备仓形成水合物小球，直至最后研磨仓中的水合物粉末完全清除，随后关闭研磨仓2中的磁力驱动旋转轴。带小球存储仓4中的水合物小球全部取出后，关闭气体伺服系统并通过调节耐高压腔体上的背压阀，逐步降低耐高压腔体中的气体压力，排出的高压气体进入气体回收罐后经增压泵增压，使排放出的高压气体回收至高压气瓶中。最后通过真空泵11对所有耐高压腔体抽真空并关闭所有电源设备，完成实验仪器的维护与整理。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种天然气水合物小球的连续制备装置，其特征在于：

包括结晶仓(1)、研磨仓(2)、小球制备仓(3)、小球存储仓(4)、温度控制系统、压力控制系统、气体和溶液伺服系统，以及机械传动伺服系统，其中，结晶仓(1)、研磨仓(2)、小球制备仓(3)和小球存储仓(4)构成了本装置的主体；

结晶仓(1)为一个圆柱形耐高压容器，中轴线与竖直方向呈15-30°倾角，底部盛装水溶液，侧壁上设有注气孔和注水孔，用于补充天然气水合物结晶所需的水溶液和气体，底部中央固定有一根中空的中柱，中柱与外界大气相连通，中柱内部插有一根永磁体棒，并与外部电机相连，中柱外部嵌套一根磁力驱动搅拌轴，磁力驱动搅拌轴镶嵌的永磁体与中柱内部的永磁体棒的磁场相互耦合，外部电机带动中柱内部的永磁体棒转动进而带动磁力驱动搅拌轴转动，磁力驱动搅拌轴上附有螺旋叶片，半径略小于结晶仓(1)的半径，对结晶仓(1)中的溶液起到搅拌作用，结晶仓(1)顶部端盖呈倒扣的漏斗形，输送至结晶仓(1)顶部端盖处的天然气水合物晶体在螺旋叶片的推力下受到挤压，释放天然气水合物晶体中夹带的自由水并通过高压管路进入研磨仓(2)；

研磨仓(2)为一个圆柱形耐高压容器，中轴线与水平方向平行，侧壁上方设有与结晶仓(1)相连的进料口，侧壁下方设有与小球制备仓(3)相连的出料口，中轴线处设有中空的中柱，中柱与外界大气相连通，中柱内部插有一根永磁体棒，并与外部电机相连，中柱外部嵌套磁力驱动旋转轴，磁力驱动旋转轴镶嵌的永磁体与中柱内部的永磁体棒的磁场相互耦合，外部电机带动中柱内部的永磁体棒转动进而带动磁力驱动旋转轴转动，三个研磨滚轮通过连杆与磁力驱动旋转轴垂直连接，磁力驱动旋转轴在外部电机的驱动下带动研磨滚轮在研磨仓侧壁自转和公转，将天然气水合物晶体研磨成粉末，天然气水合物晶体的粉末在重力作用下落入小球制备仓(3)；

小球制备仓(3)为一个圆柱形耐高压容器，中轴线与水平方向平行，腔体内部两端各有一个可移动的半球形模具，沿中轴线方向设有2个球形换向阀，两个球形换向阀的通孔直径与小球制备仓腔体的直径相同，半球形模具可以顺利通过，其中一个球形换向阀可以与研磨仓(2)相连通，另一个球形换向阀可以与小球存储仓(4)相连通，与研磨仓(2)相连通的球形换向阀可以接收来自研磨仓(2)的天然气水合物晶体粉末，并能够通过90°转向封闭研磨仓(2)与小球制备仓(3)的通路；与小球存储仓(4)相连通的球形换向阀可将制备好的天然气水合物小球转移至小球存储仓(4)，并能够90°转向封闭小球存储仓(4)与小球制备仓(3)的通路；半球形模具在外部电机的驱动下完成天然气水合物小球的压制，并借助球形换向阀将天然气水合物小球推送至小球存储仓(4)；

小球存储仓(4)为一个胶囊形耐高压容器，顶部设有排气阀和可快速拆卸的端盖，与小球制备仓(3)相连接的管路上设有球形换向阀，球形换向阀的通孔直径与小球制备仓(3)的腔体直径相同，同时该球形换向阀具有较好的密封作用，当小球存储仓(3)减压后，球形换向阀能够阻止小球制备仓(3)中的气体向小球存储仓(4)内泄漏；

温度控制系统用于调节本装置主体的温度，使其保持低温恒温；

压力控制系统，用于控制本装置主体的压力并回收本装置主体排出的气体；

气体和溶液伺服系统用于向结晶仓(1)持续补充因天然气水合物晶体生成所消耗的气体和水溶液；

机械传动伺服系统用于控制结晶仓(1)和研磨仓(2)中的磁力驱动搅拌轴和磁力驱动旋转轴的转动，小球制备仓(3)中半球形模具的平移和球形换向阀的旋转，以及小球存储仓(4)中球形换向阀的旋转。

2.根据权利要求1所述的天然气水合物小球的连续制备装置，其特征在于，

温度控制系统包括低温恒温装a和低温恒温装置b，低温恒温装置a用于控制结晶仓(1)、研磨仓(2)和小球制备仓(3)的温度，低温恒温装置b用于控制小球存储仓(4)的温度，两个低温恒温装置各包括一套换热管、热电片、电加热丝、温度传感器和循环水泵，电加热丝和热电片均贴附在换热管外表面进行制冷和制热并采用PID调节控制换热管出口的低温循环冷却液的温度；

低温恒温装置形成具有恒定温度的低温循环冷却液，低温循环冷却液借助循环水泵提供的动力在包覆于耐高压容器外层的冷却液夹套中循环流动，实现对耐高压容器内温度的控制。

3.根据权利要求2所述的天然气水合物小球的连续制备装置，其特征在于，

压力控制系统包含高压气瓶、增压泵、设置在结晶仓(1)、研磨仓(2)和小球制备仓(3)的压力传感器、背压阀和气体回收罐，以及设置在小球存储仓(4)的排气阀和气体回收罐；气体回收罐中存储的气体可以通过与高压气瓶相连接的增压泵进行增压并再次注入高压气瓶。

4.根据权利要求3所述的天然气水合物小球的连续制备装置，其特征在于，

气体和溶液伺服系统包含气体减压阀、恒压泵和液面检测器；恒压泵与结晶仓(1)的注水孔相连，运行时可向结晶仓(1)中持续补充因天然气水合物结晶所消耗的水溶液；液面检测器内嵌于结晶仓(1)的侧壁，实时检测结晶仓(1)内溶液液面高度；减压阀与结晶仓(1)的注气孔和高压气瓶相连，向结晶仓(1)内持续补充天然气水合物结晶所消耗的气体。

5.根据权利要求4所述的天然气水合物小球的连续制备装置，其特征在于，

机械传动伺服系统包括结晶仓(1)中连接永磁体棒的电机、研磨仓(2)中连接永磁体棒的电机、小球制备仓(3)中连接球形换向阀的电机，小球制备仓(3)中连接半球形模具的电机，以及连接小球存储仓(4)与小球制备仓(3)相接管路上的球形换向阀的电机；

结晶仓(1)中连接永磁体棒的电机、研磨仓(2)中连接永磁体棒的电机和小球制备仓(3)中连接半球形模具的电机为步进式电机；小球制备仓(3)中连接球形换向阀的电机和连接小球存储仓(4)与小球制备仓(3)相接管路上的球形换向阀的电机仅用于控制球形换向阀的开关。

6.根据权利要求5所述的天然气水合物小球的连续制备装置，其特征在于，

研磨仓(2)中的3个研磨滚轮与与磁力驱动旋转轴通过硬杆相连接并以磁力驱动旋转轴为中心，均匀分布在研磨仓(2)的侧壁上，研磨滚轮半径与硬杆长度之比为5:1，研磨滚轮的轮轴与滚轮间设有轴承，可在围绕磁力驱动旋转轴公转的同时以自身轮轴为中心进行自转。

7.根据权利要求6所述的天然气水合物小球的连续制备装置，其特征在于，

研磨滚轮的轮轴与嵌在硬杆中的弹簧相连接，当轮轴受到沿硬杆长度方向的力时，弹簧可通过伸长和收缩来改变研磨滚轮与磁力驱动旋转轴中心的距离。

8.根据权利要求7所述的天然气水合物小球的连续制备装置，其特征在于，

小球存储仓(4)内壁底部与侧壁相连接处均设计为圆弧形。