CN110280203B - 一种新型塔板快速连续生成水合物装置及方法 - Google Patents

一种新型塔板快速连续生成水合物装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种新型塔板快速连续生成水合物装置，包括反应器，反应器包括内筒和外筒，内筒和外筒之间设置朝向外筒倾斜的筛板；所述外筒的顶部设置出气口，底部设有循环水出口和排料口，其中，排料口位于筛板上方；所述内筒为上、下开口的圆筒形结构，内筒的底部下方设置气体分布器和喷水口；沿内筒轴向垂直设置数层塔板。同时本发明还公布了利用其制备水合物的方法。本发明首次将立体传质塔板应用于水合物的生成中，不仅加快了反应的进行，气液两相在立体塔板上进行传质，实现了气‑液‑固三相界面充分湍流更新；有效地解决水合物生成中气、液、固三相界面的快速更新和水合反应热的快速移除两大问题。

Description

一种新型塔板快速连续生成水合物装置及方法
技术领域
本发明属于天然气水合物的制备技术领域，具体涉及一种新型塔板快速连续生成水合物装置及方法。
背景技术
水合物是一种特殊的包络化合物：一定温度、压力条件下水分子间以氢键相互结合形成的笼形孔穴将客体分子包络在其中形成的非化学计量的化合物。客体分子主要包括一些小分子气体（H2、CH4、N2、CO2、C2H4、C2H6等）和部分非气体分子[一溴甲烷（CH3Br）、四氢呋喃（THF）、环戊烷（CP）、四丁基溴化铵（TBAB）等]。目前来说研究最多的是天然气水合物。天然气的组分很多，主要成分是甲烷气，甲烷水合物作为一种高性价比的能源，受到了广泛关注，在标准状态下，1体积的甲烷水合物理论上可以储存164体积的甲烷气体。所以通过笼形水合物的NGH （Natural Gas Hydrate）方法是大规模存储天然气的一个很好的选择。NGH技术有以下几个优点：较高的体积存储容量、对环境友好、非爆炸性、处理非常安全、高性价比等。NGH具有的一个突出优势是“自我保护”现象，在标准大气压力、温度保持零度以下的储存条件下，水合物分解速率非常缓慢，“自我保护”提供了动力学稳定性。而且从NGH中回收能量就像融冰一样非常简单，可以使用低温余热或海水来实现。由此可见，气体水合物技术在天然气储运领域具有广阔的发展前景。
但就当前的研究现状来看，天然气水合物快速合成工艺仍未成熟，阻碍这项技术商业化的问题主要是在水合物形成步骤较慢和存储困难。用于制备气体水合物的技术主要有静止接触，搅拌，鼓泡等，但是用于制备气体水合物的技术中各有利弊，其中在搅拌式反应器中，随着水合物持续生长，气-液-固三相不能保持充分混合，限制了气-液界面的传质。所以，增加气-液-固三相使其充分混合对水合物的快速生成至关重要。
专利CN1537666A开发了用水合物法生成并分离气体混合物的反应器，在反应条件下，原料气中的部分气体与喷淋装置喷出的雾状液体汇集到塔板上形成的液体层反应，生成水合物并排出。将塔板应用于气体水合物生成时多为分离混合气，在高压条件下生成水合物浆，然后将水合物浆与剩余气体分离得到纯化后的气体，最后将水合物浆在常压下分解得到解析气体。传统的塔板多为气液逆流传质，本发明将液体作为连续相，气体作为溶解相溶解在液体中，气液并流水合物的生成。本发明将从设备结构和吸收溶液的组成两个方面入手，解决生成过程中的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型塔板快速连续生成水合物装置，同时提供利用该装置生成水合物的方法是本发明的另一发明目的。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种新型塔板快速连续生成水合物装置，包括反应器，所述反应器包括内筒和外筒；内筒和外筒之间设置朝向外筒倾斜的筛板；所述外筒的顶部设置出气口，底部设有循环水出口和排料口，其中，排料口位于筛板上方；所述内筒为上、下开口的圆筒形结构，内筒的底部下方设置气体分布器和喷水口；沿内筒轴向垂直设置数层塔板，每层塔板包括与内筒壁连接的塔底板，塔底板上均匀设置数个帽罩，所述帽罩包括帽顶和与帽顶依次连接的第一帽裙和第二帽裙；第一帽裙为圆形筒状结构，且第一帽裙的直径小于帽顶的直径，第二帽裙为大口朝下的锥形筒结构，第二帽裙的上部直径与第一帽裙的直径相等；第一帽裙和第二帽裙侧壁开设裙孔喷射孔，塔底板上、位于第二帽裙下方的区域开设有塔底孔。
所述气体分布器包括圆形的气体分布盘，气体分布盘的底部设置进气口，进气口通过气体管道与储气罐连接，所述气体管道上依次设置单向阀和流量计，气体分布盘的表面均布出气孔；所述喷水口位于气体分布器的中心孔位置且与气体分布盘的表面平齐，喷水口通过管道依次连接冷却器、循环泵和储水罐，所述储水罐上分别设置注水口和与循环水出口连接的循环水进口。
所述帽罩高为50-150mm；所述帽顶圆周沿帽顶外径向下翻折形成帽檐，帽檐的翻折角为15°-60°，翻折长度为10-30mm；第二帽裙的锥形筒结构和塔底板夹角为45°-90°。
内筒壁外侧设置内夹套，内夹套内装有循环冷却水，内夹套的循环冷却水进口和循环冷却水出口分别通过管道连接循环水冷却装置的循环冷却水出口和循环冷却水进口。循环水冷却装置可以使得反应器内温度维持一定值。
所述塔板层数为三。
所述内筒内外壁、外筒体内壁，塔板内外壁、气体分布器、喷水管外壁、换热器外壁、出气口连接的管路的内壁均为非极性表面。
利用所述的新型塔板快速连续生成水合物装置生成水合物的方法，包括以下步骤：
a、气体通过气体分布器进入反应器，使反应器内部压力达到设定值2.5～10MPa；
b、将水依次加压、冷却后喷入内筒区，通过气-液在塔板上的相互接触、相互碰撞反应生成水合物；
c、形成的水合物上升到内筒区溶液表层，水合物和水从内筒区溢出进入外筒区，聚集在筛板上；
d、水合物在筛板上聚集并卸料；水通过筛板进入反应器的下部通道循环使用或排出。
所述气体为天然气。
本发明采用的新型塔板为高效喷射型塔板，不仅加快反应的进行，气液两相在立体塔板上进行传质，实现了气-液-固三相界面充分湍流更新，具有较强有自动清洁能力，形成的水合物不会在内筒区停留或聚集凝结，有效地解决水合物生成中气、液、固三相界面的快速更新和水合反应热的快速移除两大问题。同时，气液两相通过塔板壁面的微孔（喷射孔和塔底孔）时，会产生喷射从而增大气液两相的传质传热，配合内筒外部设置冷却装置，水合物生成时产生的热量可以快速通过冷却装置移除，避免积热，影响反应。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1）本发明的新型塔板快速连续生成水合物装置及方法是以液体为连续相的气-液-固三相体系，再通过在反应器内设置塔板，使得气-液充分接触，不仅加快反应的进行，同时使得新型塔板的自我清洁的能力加强，主要是由于夹带气体的水在通过塔板时塔板上的微孔的喷溅与罩内、塔板之间气液相互碰撞从而破环在塔板上聚集的水合物，实现气-液-固三相界面快速更新；有效地解决水合物生成中气、液、固三相界面的快速更新和水合反应热的快速移除两大问题；
2）本发明由于气液相互碰撞对塔板具有较强的冲刷，所用的圆型塔板与方型塔板相比抗冲击机械性能会更加稳定；
3）本发明可实现水合物生成过程中水的循环利用且可以随时补充，气体持续注入减少气体循环的能耗，整个装置结构设计合理。
附图说明
图1本发明新型塔板快速连续生成水合物装置的结构示意图；
图2是本发明中反应器的结构示意图；
图3是本发明中新型塔板的结构示意图；
图4是本发明中气体分布器和进水口的结构示意图。
如图1、2所示，1、外筒；2、内筒；3、塔板；4、气体分布器；5、筛板；6、单向阀；7、流量计；8、冷却器；9、液体流量计；10、循环泵；11、储水罐；12、冷却装置；13、出气口；14、压力表；15、储气罐；16、排料口；17、循环水出口。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步描述。本发明中，冷却装置中所使用的冷却剂为乙二醇水溶液、过冷盐水、液氮或酒精水溶液等冷却剂。
实施例1
如图1、图2、图3和图4所示的一种新型塔板快速连续生成水合物装置，包括反应器，所述反应器包括内筒2和外筒1，内筒2区内为水合物生成区，外筒1区为水合物的聚集、分离区。内筒2外部设置循环冷却装置12，内筒2和外筒1之间朝向外筒1倾斜设置筛板5，外筒1底部设置循环水出口和排料口16，排料口16位于筛板5上方。
内筒2壁外侧设置内夹套，内夹套内装有循环冷却液，内夹套的循环冷却液进口和循环冷却液出口分别通过管道连接循环液冷却装置的循环冷却液出口和循环冷却液进口。循环液冷却装置12可以使得反应器内温度维持一定值。
内筒2为上、下开口的筒体结构，且沿内筒2轴向垂直设置三层塔板3，每层塔板3，包括与内筒2壁连接的塔底板31，塔底板31上均匀设置数个帽罩，所述帽罩包括帽顶32和与帽顶32依次连接的第一帽裙33和第二帽裙34；第一帽裙33为圆形筒状结构，且第一帽裙33的直径小于帽顶32的直径，第二帽裙34为大口朝下的锥形筒结构，第二帽裙34的上部直径与第一帽裙33的直径相等；第一帽裙33和第二帽裙34侧壁开设裙孔喷射孔37，塔底板31上、位于第二帽裙34下方的区域开设有塔底孔36。裙孔喷射孔37的孔径为2-6mm； 塔底孔的孔径为20-80mm。
所述帽罩高为50-150mm；所述帽顶圆周沿帽顶外径向下翻折形成帽檐，帽檐的翻折角为15°-60°，翻折长度为10-30mm；第二帽裙的锥形筒结构和塔底板夹角为45°-90°。本实施例中，所述帽罩高为100mm；所述帽顶圆周沿帽顶外径向下翻折形成帽檐，帽檐的翻折角为30°，翻折长度为15mm；第二帽裙的锥形筒结构和塔底板夹角为60°。
外筒1的顶部设置出气口13和压力表14，外筒1的底部还设置有循环水出口17；内筒2的底部下方设置气体分布器4和喷水口。
所述气体分布器4包括圆形的气体分布盘，气体分布盘的底部设置进气口，进气口通过气体管道与储气罐15连接，所述气体管道上依次设置单向阀6和流量计7，气体分布盘的表面均布出气孔43；所述喷水口位于气体分布器的中心孔位置且与气体分布盘的表面平齐，喷水口通过管道依次连接冷却器8、循环泵10和储水罐11，冷却器和循环泵之间设置液体流量计9；所述储水罐11上分别设置注水口和与循环水出口17连接的循环水进口。本发明中，将喷水口设置在气体分布盘上所起到的效果在于：当气体从进气管道41经由气体分布器4上的出气孔43喷出后，气体会在进水管道42喷射水的带动下加速气体均匀分布于水相，并能够快速到达内筒区塔板上发生反应。
所述内筒2内外壁、外筒1内壁，塔板3内外壁、气体分布器4、喷水口外壁、换热器外壁、出气口连接的管路的内壁均为非极性表面。
利用所述的新型塔板快速连续生成水合物装置生成水合物的方法，包括以下步骤：
a、气体通过气体分布器4进入反应器，使反应器内部压力达到设定值2.5～10MPa；所述气体为天然气；
b、将水依次加压、冷却后喷入内筒2区，通过气-液在塔板3上的相互接触、相互碰撞反应生成水合物，当反应器内压力低于设定值时，开启单向阀6，持续对体系进行供气直至体系达到设定值；
c、形成的水合物上升到内筒2区溶液表层，水合物和水从内筒2区溢出进入外筒1区，聚集在筛板5上；
d、水合物在筛板5上聚集并卸料；水通过筛板5进入反应器的下部通道循环使用或者通过下部排出。

Claims (6)

1.一种新型塔板快速连续生成水合物装置，其特征在于，包括反应器，所述反应器包括内筒和外筒；内筒和外筒之间设置朝向外筒倾斜的筛板；所述外筒的顶部设置出气口，底部设有循环水出口和排料口，其中，排料口位于筛板上方；所述内筒为上、下开口的圆筒形结构，内筒的底部下方设置气体分布器和喷水口，所述喷水口位于气体分布器的中心孔位置且与气体分布盘的表面平齐，喷水口通过管道依次连接冷却器、循环泵和储水罐，所述储水罐上分别设置注水口和与循环水出口连接的循环水进口；沿内筒轴向垂直设置数层塔板，每层塔板包括与内筒壁连接的塔底板，塔底板上均匀设置数个帽罩，所述帽罩包括帽顶和与帽顶依次连接的第一帽裙和第二帽裙；第一帽裙为圆形筒状结构，且第一帽裙的直径小于帽顶的直径，第二帽裙为大口朝下的锥形筒结构，第二帽裙的上部直径与第一帽裙的直径相等；第一帽裙和第二帽裙侧壁开设裙孔喷射孔，塔底板上、位于第二帽裙下方的区域开设有塔底孔，所述帽罩高为50-150mm；所述帽顶圆周沿帽顶外径向下翻折形成帽檐，帽檐的翻折角为15°-60°，翻折长度为10-30mm；第二帽裙的锥形筒结构和塔底板夹角为45°-60°；所述气体分布器包括圆形的气体分布盘，气体分布盘的底部设置进气口，进气口通过气体管道与储气罐连接，所述气体管道上依次设置单向阀和流量计，气体分布盘的表面均布出气孔。
2.如权利要求1所述的新型塔板快速连续生成水合物装置，其特征在于，内筒壁外侧设置内夹套，内夹套内装有循环冷却水，内夹套的循环冷却水进口和循环冷却水出口分别通过管道连接循环水冷却装置的循环冷却水出口和循环冷却水进口。
3.如权利要求1所述的新型塔板快速连续生成水合物装置，其特征在于，所述塔板层数为三。
4.如权利要求1-3任一所述的新型塔板快速连续生成水合物装置，其特征在于，所述内筒内外壁、外筒内壁，塔板内外壁、气体分布器、喷水管外壁、换热器外壁、出气口连接的管路的内壁均为非极性表面。
5.利用权利要求4所述的新型塔板快速连续生成水合物装置生成水合物的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、气体通过气体分布器进入反应器，使反应器内部压力达到设定值2.5～10MPa；
b、将水依次加压、冷却后喷入内筒区，通过气-液在塔板上的相互接触、相互碰撞反应生成水合物，当反应器内压力低于设定值时，开启单向阀，持续对体系进行供气直至体系达到设定值；
c、形成的水合物上升到内筒区溶液表层，水合物和水从内筒区溢出进入外筒区，聚集在筛板上；
d、水合物在筛板上聚集并卸料；水通过筛板进入反应器的下部通道循环使用或排出。
6.如权利要求5所述的生成水合物的方法，其特征在于，所述气体为天然气。
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