CN110404492B

CN110404492B - 一种气体水合物快速连续化制备装置

Info

Publication number: CN110404492B
Application number: CN201910777684.9A
Authority: CN
Inventors: 何燕; 郑欣; 刘丽; 王飞
Original assignee: Qingdao University of Science and Technology
Current assignee: Qingdao University of Science and Technology
Priority date: 2019-08-22
Filing date: 2019-08-22
Publication date: 2020-09-01
Anticipated expiration: 2039-08-22
Also published as: CN110404492A

Abstract

本发明属于水合物制备技术领域，涉及一种气体水合物快速连续化制备装置，能够制备天然气、CO₂和H₂的水合物，应用于气体水合物的储能、海水淡化和混合气体分离等领域，以微通道反应器为核心，将其良好的传热传质性能和流动反应的连续化生产优势应用到水合物制备领域中，采用分级反应，一级反应为微通道反应器中的水合物浆体预反应，二级反应为结晶储罐中水合物的饱和反应，通过计算机对反应过程进行实时监控和调节控制，有效解决了传统单级反应耗时长，储气量小的问题，提高了传质能力，增大了成核几率，加快了生成速率，缩短了反应时间；其结构简单，操作方便，稳定可靠，易于检修，使用安全，具有很好的传热传质效果，在产业化制备上具有可行性。

Description

一种气体水合物快速连续化制备装置

技术领域：

本发明属于水合物制备技术领域，具体涉及一种气体水合物快速连续化制备装置，能够制备天然气、CO₂和H₂的水合物，应用于气体水合物的储能、海水淡化和混合气体分离等领域。

背景技术：

水合物指的是含有水的化合物，其中水可以以配位键与其他部分相连，也可以是以共价键相结合。水合物的应用目前已经延伸到了许多技术领域：天然气水合物的储运、CO₂海洋封存、H₂储能、混合气体分离、蓄冷和海水淡化等。水合物生成的关键技术问题在于缩短诱导时间和加快生长速度，由于水合物成核完全依靠氢键作用且存在随机性，如果没有大量晶核集聚，氢键就容易断裂，打破其成核及生长进程。基于此，缩短诱导时间就是保证大量水合物的同时使其均匀性成核并聚集，这也是研究水合物生成的关键问题之一。为达到快速生成水合物及强化传质的目的，一般采用增大反应物与促进剂溶液比表面积的手段，通过强化混合，提高水合物的成核几率。传统的强化混合主要有机械搅拌、喷淋、鼓泡等手段：中国专利201711297879.0公开的一种快速连续制备气体水合物的设备包括外侧设有水夹套的反应釜、为所述反应釜提供气源的供气单元、为所述反应釜提供冰液的供冰液单元、用于控制所述外加套温度的温度控制单元、与所述反应釜相接并用于对其生成水合物晶体进行过滤和收集的水合物过滤收集单元、以及用于采集并记录所述反应釜温度和压力的数据采集处理单元；所述水合物过滤收集单元的后端通过快接阀门与所述供冰液单元连接；中国专利201210570156.4公开的直接相变换热式水合装置包括分散机，容器，加压泵，换热器，水合器，调节阀以及连接这些设备的管线；将分散机固定在容器的上方，且分散机的刀头伸到容器的液体中，容器中的液体在加压泵的作用下，通过吸入管线和排出管线被输送到换热器中，换热器通过进液管线与水合器相连接，水合器的底部设有一个进气口，水合气体通过进气管线进入水合器，水合器中设有搅拌器，水合器上部设置有水合物出口，连接排液管线和调节阀；中国专利201410603638.4公开的一种二氧化碳水合物制备装置包括：反应单元，用于容纳水和二氧化碳进行反应；液体循环单元，分别和所述反应单元顶端的进液口以及底端的出液口连接，用于原料水的供应以及二氧化碳水合物的循环；进气单元，和所述反应单元顶端的进气口连接，用于二氧化碳原料的供应；破裂单元，设置于所述反应单元内部，用于二氧化碳水合物的破裂，所述破裂单元表面带有空隙；以及换热单元，位于所述破裂单元下方，用于吸收所述二氧化碳水合物的热量；喷淋和鼓泡都难以实现很好的混合效果，虽然通过机械搅拌可以获得较为理想的水合物生成速率，缩短诱导时间，但搅拌后期随着溶液粘度增大，不仅影响搅拌效率进而降低单位体积储气率，而且，作为机械活动部件，其可靠性也大打折扣，反应釜局限在于间歇性反应，难以实现连续化生产，另外，反应釜制备从实验室合成到产业化生产存在放大效应，传质传热效率大大降低，最重要的是，传统的水合物制备手段都无法实现连续化生产，这就使得研究受限于实验室阶段，难以推广到工业生产中去。

由此可见，提高水合物传质效率，增大成核几率，缩短诱导时间势在必行。微通道反应器作为化工医药领域一种新的技术手段得到广泛关注，其突出的传热传质效果可将反应时间缩短十倍甚至上千倍，对于高压、易燃易爆等危险反应，微反应器可将其危险系数降至最低，微通道反应器具有极强的气液、液液混合能力，并且能够实现微乳液的制备，乳液具有非常大的比表面积，这为水合物成核提供了良好的反应条件。另外，微通道反应器衍生出了流动化学，在流动过程中发生反应，实现了化工产品的连续化生产，从而提高了生产效率。同时，高产量也为产业化的实现提供了技术支持。故将微通道反应器应用到水合物制备领域。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，研发设计一种气体水合物快速连续化制备装置，通过微通道反应器，解决水合物制备过程种存在的传质与水合效率低、合成速度慢和生产间歇化问题。

为了实现上述目的，本发明涉及的气体水合物快速连续化制备装置的主体结构包括温度传感器、微通道反应器、气瓶、恒流泵、结晶储罐、气瓶单向阀、气瓶减压阀、一号气体流量计、电磁阀控压器、背压阀、二号气体流量计、补气瓶、三号气体流量计、补齐瓶减压阀、补气瓶单向阀、制冷机和计算机；设置有温度传感器的微通道反应器分别与气瓶、恒流泵和结晶储罐管道式连接，微通道反应器与气瓶之间设置有气瓶单向阀、气瓶减压阀和一号气体流量计，微通道反应器与结晶储罐之间设置有电磁阀控压器，结晶储罐设置有背压阀，背压阀后设置有二号气体流量计，结晶储罐与补气瓶管道式连接，结晶储罐与补气瓶之间设置有三号气体流量计、补齐瓶减压阀和补气瓶单向阀，独立设置的制冷机分别与微通道反应器和结晶储罐连接，独立设置的计算机分别与温度传感器、恒流泵、一号气体流量计和电磁阀控压器连接。

本发明涉及的微通道反应器的内部设置有走向交错、分叉和汇集的液体通道，微通道反应器的一端设置有一号物料入口和二号物料入口，微通道反应器的另一端设置有一个反应产物出口，一号物料入口和二号物料入口与反应产物出口通过液体通道连通；微通道反应器置于0-10℃的低温水槽或低温恒温箱中；气瓶和补气瓶均为高压气瓶；恒流泵、一号气体流量计、二号气体流量计和三号气体流量计用于控制促进剂溶液和气体的输送比例；气瓶减压阀、电磁阀控压器、背压阀和补齐瓶减压阀用于维持气体压力稳定。

本发明涉及的气体水合物快速连续化制备装置使用时，气体通过气瓶自身的压力进入微通道反应器，一号气体流量计对气体进行通量监控，同时，恒流泵将促进剂溶液泵入微通道反应器，气体与促进剂溶液快速反应后形成的浆体进入结晶储罐继续反应，进而提高浆体的致密度和储气率。

本发明涉及的气体水合物快速连续化制备装置用于制备天然气、CO₂和H₂的水合物。

本发明与现有技术相比，以微通道反应器为核心，将其良好的传热传质性能和流动反应的连续化生产优势应用到水合物制备领域中，采用分级反应，一级反应为微通道反应器中的水合物浆体预反应，二级反应为结晶储罐中水合物的饱和反应，通过计算机对反应过程进行实时监控和调节控制，有效解决了传统单级反应耗时长，储气量小的问题，提高了传质能力，增大了成核几率，加快了生成速率，缩短了反应时间；其结构简单，操作方便，稳定可靠，易于检修，使用安全，具有很好的传热传质效果，在产业化制备上具有可行性。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意图。

图2为本发明涉及的微通道反应器的剖面结构示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1：

本实施例涉及的气体水合物快速连续化制备装置的主体结构包括温度传感器1、微通道反应器2、气瓶3、恒流泵4、结晶储罐5、气瓶单向阀6、气瓶减压阀7、一号气体流量计8、电磁阀控压器9、背压阀10、二号气体流量计11、补气瓶12、三号气体流量计13、补齐瓶减压阀14、补气瓶单向阀15、制冷机16和计算机17；设置有温度传感器1的微通道反应器2分别与气瓶3、恒流泵4和结晶储罐5管道式连接，微通道反应器2与气瓶3之间设置有气瓶单向阀6、气瓶减压阀7和一号气体流量计8，微通道反应器2与结晶储罐5之间设置有电磁阀控压器9，结晶储罐5设置有背压阀10，背压阀10后设置有二号气体流量计11，结晶储罐5与补气瓶12管道式连接，结晶储罐5与补气瓶12之间设置有三号气体流量计13、补齐瓶减压阀14和补气瓶单向阀15，独立设置的制冷机16分别与微通道反应器2和结晶储罐5连接，独立设置的计算机17分别与温度传感器1、恒流泵4、一号气体流量计8和电磁阀控压器9连接。

本实施例涉及的微通道反应器2的内部设置有走向交错、分叉和汇集的液体通道20，微通道反应器2的一端设置有一号物料入口21和二号物料入口22，微通道反应器2的另一端设置有一个反应产物出口23，一号物料入口21和二号物料入口22与反应产物出口23通过液体通道20连通。

本实施例涉及的微通道反应器2置于0-10℃的低温水槽或低温恒温箱中；气瓶3和补气瓶12均为高压气瓶；恒流泵4、一号气体流量计8、二号气体流量计11和三号气体流量计13用于控制促进剂溶液和气体的输送比例；气瓶减压阀7、电磁阀控压器9、背压阀10和补齐瓶减压阀14用于维持气体压力稳定。

本实施例涉及的气体水合物快速连续化制备装置使用时，启动制冷机16，温度传感器1将温度信号传入计算机17，待温度达到目标反应温度后，打开气瓶3使流体通道20中的空气排出并充满气体，启动恒流泵4，以设定的流速将促进剂溶液泵入微通道反应器2，同时开启气瓶单向阀6和气瓶减压阀7，使气体以设定的压力进入微通道反应器2，通过一号气体流量计8控制气体的流量，气体与促进剂溶液在微通道反应器2中反应成浆体后流出；浆体进入结晶储罐5，同时，补气气瓶12为结晶储罐5中的浆体补充气体，通过补气瓶单向阀14和补气瓶减压阀15使气体以设定的压力进入结晶储罐5，浆体与气体进行饱和反应生成气体水合物，通过计算机17监控水合物的制备进程，实现水合物的快速、稳定和连续化制备；其中，浆体作为结晶储罐5中饱和反应的成核剂，避免了诱导时间，直接进入快速生长阶段，极大的缩短了气体水合物的生成时间，同时，微通道反应器2的应用使得反应在流动的过程中进行，为气体水合物连续化生产提供了新的发展方向。

实施例2：

本实施例涉及的气体水合物快速连续化制备装置用制备天然气水合物时，在微通道反应器2中通入天然气和十二烷基硫酸钠促进剂溶液，天然气和十二烷基硫酸钠促进剂溶液在微通道反应器2中反应形成浆体后进入结晶储罐5进行饱和反应，合成出天然气水合物，应用于天然气的储运。

Claims

1.一种气体水合物快速连续化制备装置，其特征在于采用分级反应，一级反应为微通道反应器中的水合物浆体预反应，二级反应为结晶储罐中水合物的饱和反应，主体结构包括温度传感器、微通道反应器、气瓶、恒流泵、结晶储罐、气瓶单向阀、气瓶减压阀、一号气体流量计、电磁阀控压器、背压阀、二号气体流量计、补气瓶、三号气体流量计、补气瓶减压阀、补气瓶单向阀、制冷机和计算机；设置有温度传感器的微通道反应器分别与气瓶、恒流泵和结晶储罐管道式连接，微通道反应器与气瓶之间设置有气瓶单向阀、气瓶减压阀和一号气体流量计，微通道反应器与结晶储罐之间设置有电磁阀控压器，结晶储罐设置有背压阀，背压阀后设置有二号气体流量计，结晶储罐与补气瓶管道式连接，结晶储罐与补气瓶之间设置有三号气体流量计、补气瓶减压阀和补气瓶单向阀，独立设置的制冷机分别与微通道反应器和结晶储罐连接，独立设置的计算机分别与温度传感器、恒流泵、一号气体流量计和电磁阀控压器连接；微通道反应器的内部设置有走向交错、分叉和汇集的液体通道，微通道反应器的一端设置有一号物料入口和二号物料入口，微通道反应器的另一端设置有一个反应产物出口，一号物料入口和二号物料入口与反应产物出口通过液体通道连通；微通道反应器置于0-10℃的低温水槽或低温恒温箱中；气瓶和补气瓶均为高压气瓶；恒流泵、一号气体流量计、二号气体流量计和三号气体流量计用于控制促进剂溶液和气体的输送比例；气瓶减压阀、电磁阀控压器、背压阀和补气瓶减压阀用于维持气体压力稳定。

2.根据权利要求1所述的一种气体水合物快速连续化制备装置，其特征在于使用时，气体通过气瓶自身的压力进入微通道反应器，一号气体流量计对气体进行通量监控，同时，恒流泵将促进剂溶液泵入微通道反应器，气体与促进剂溶液快速反应后形成的浆体进入结晶储罐继续反应，进而提高浆体的致密度和储气率。

3.根据权利要求1所述的一种气体水合物快速连续化制备装置，其特征在于用于制备天然气、CO₂和H₂的水合物。