CN112034133B - 一种溶解气法加快天然气水合物生成的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种溶解气法加快天然气水合物生成的装置，所述装置包括甲烷溶解罐、注气模块、抽真空模块、注液模块和反应釜，甲烷溶解罐和反应釜置于温控环境中，所述注液模块用于给甲烷溶解罐内和所述反应釜内注入甲烷气液混合物所需要的液体；所述抽真空模块用于利用抽真空模块抽出甲烷溶解罐的气体；所述注气模块用于给甲烷溶解罐内和所述反应釜内注入甲烷气液混合物所需要的气体；所述方法其应用于如上所述的溶解气法加快天然气水合物生成的装置。本发明能加速甲烷与水生成水合物过程，促进水合物生成速率，缩短天然气水合物模拟实验周期。
Description
技术领域
本发明涉及天然气水合物模拟生成实验技术领域，具体涉及一种溶解气法加快天然气水合物生成的装置及方法。
背景技术
天然气水合物(Natural Gas Hydrates，NGH)是水分子与轻烃、CO2及H2S等气体分子在低温高压条件下组成的白色类冰状晶体(可直接燃烧，俗称可燃冰)，是一种非化学计量包络化合物。天然气水合物在世界范围内广泛分布，资源量大，被认为是一种未来的优质、洁净能源，其蕴藏量约为现有地球化石燃料(石油、天然气和煤)总碳量的2倍，它将在21世纪成为人类最重要的能源。随着人类日益增长的能源需求，传统的煤炭、石油等重度污染化石燃料已不能满足人类的需求，天然气作为最有潜力的替代品，在全球能源结构中比例不断增大。目前我国已经完成两次自然界中实际天然气水合物藏的试开采，均取得了重大的突破，在世界上处于领先地位。
现有技术模拟天然气水合物生成采用直接向模拟反应釜内注气加压并降温，经过长时间才能生成水合物，模拟反应釜越大生成水合物时间越久，大型模拟反应釜甚至达到生成水合物需要数周时间，实验周期长；由于甲烷难溶于水，现有技术向模拟反应釜内注入甲烷与水没有充分接触，溶解量少导致生成水合物缓慢；现有技术一般采用一次性注入甲烷生成水合物，气水没有循环流动，水合物在反应釜内气液不均匀，水合物分布也不均匀。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供一种溶解气法加快天然气水合物生成的装置及方法，其使甲烷与水充分溶解，加速甲烷与水生成水合物过程，促进水合物生成速率，缩短天然气水合物模拟实验周期。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种溶解气法加快天然气水合物生成的装置，其包括甲烷溶解罐、注气模块、抽真空模块、注液模块和反应釜，甲烷溶解罐和反应釜置于温控环境中，
所述注液模块用于给甲烷溶解罐内和所述反应釜内注入甲烷气液混合物所需要的液体；
所述抽真空模块用于抽取甲烷溶解罐的气体；
所述注气模块用于给甲烷溶解罐内和所述反应釜内注入甲烷气液混合物所需要的气体；
所述甲烷溶解罐用于在其闭合内腔内形成甲烷气液混合物，甲烷气液混合物通过甲烷溶解罐底端的循环出口离开甲烷溶解罐，在循环泵的驱动下间隔时间进行内循环和外循环，其中，所述内循环的路径为离开甲烷溶解罐的甲烷气液混合物经过所述反应釜再进入甲烷溶解罐，所述外循环的路径为离开甲烷溶解罐的甲烷气液混合物直接进入甲烷溶解罐。
如上所述的溶解气法加快天然气水合物生成的装置，进一步地，所述甲烷溶解罐包括罐体以及用于闭合所述罐体的上罐盖和下罐盖，所述上罐盖上设有抽真空口、分流器接口和液体注入口，所述注液模块通过所述液体注入口注入甲烷气液混合物所需要的液体，所述抽真空模块通过所述抽真空口抽取甲烷溶解罐的气体，所述分流器接口还连接有分流器，所述分流器上设有雾化喷嘴，所述注液模块注入的液体经过所述分流器雾化。
如上所述的溶解气法加快天然气水合物生成的装置，进一步地，所述下罐盖上设有气体注入口，所述注气模块通过所述气体注入口给甲烷溶解罐内注入甲烷气液混合物所需要的气体，所述循环出口开设在所述下罐盖上，所述下罐盖上设有多层烧结滤网。
如上所述的溶解气法加快天然气水合物生成的装置，进一步地，还包括液位计和温度传感器，所述液位计分别通过上液位计接口和下液位计接口连接在所述罐体上，所述温度传感器通过测温接管连接在所述罐体上。
如上所述的溶解气法加快天然气水合物生成的装置，进一步地，所述罐体的两端具有法兰端，上罐盖和下罐盖均通过法兰螺柱、法兰螺母、弹垫和平垫固定，上罐盖和下罐盖与罐体的接触面还设有橡胶O形密封圈。
如上所述的溶解气法加快天然气水合物生成的装置，进一步地，所述甲烷溶解罐设置在裙座上。
如上所述的溶解气法加快天然气水合物生成的装置，进一步地，所述下罐盖上还设有泄液口。
一种溶解气法加快天然气水合物生成的方法，其应用于如上任一所述的溶解气法加快天然气水合物生成的装置，其包括以下步骤：
利用抽真空模块抽出甲烷溶解罐内的气体；
检查甲烷溶解罐的气密性，待甲烷溶解罐内的气体压强变化少于设定值或稳定不变后，给甲烷溶解罐内注入甲烷气液混合物所需要的气体，气体经循环管道再次进入甲烷溶解罐内；
当甲烷溶解罐内的气体压强达到设定值时，给甲烷溶解罐内注入甲烷气液混合物所需要的液体；
通过分流器使得进入甲烷溶解罐内的液体雾化以充分和气体混合，甲烷气液混合物通过甲烷溶解罐底端的循环出口离开甲烷溶解罐，离开甲烷溶解罐的甲烷气液混合物在循环泵的驱动下进行内循环或外循环。
如上所述的溶解气法加快天然气水合物生成的方法，进一步地，通过液位计检测甲烷溶解罐内的液位，当液位达到设定的最低液位时，注入甲烷气液混合物所需要的液体，液位达到设定的最高液位时，停止注入甲烷气液混合物所需要的液体。
如上所述的溶解气法加快天然气水合物生成的方法，进一步地，通过将甲烷溶解罐和反应釜置于水夹套中，监测甲烷溶解罐和反应釜的环境温度，以保持甲烷溶解罐和反应釜内水合物生成的温度一致。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
1、注液模块注入甲烷溶解罐内的液体经过分流器，利用喷雾法加速甲烷在水中的溶解速率；
2、通过充分溶解的甲烷饱和液(甲烷气液混合物)注入反应釜，再通过釜顶的管线回流至甲烷溶解罐，实现甲烷饱和液外循环，促进水合物生成速率；
3、甲烷溶解罐设计有水夹套，与反应釜水夹套共用恒温水浴制冷机组，达到反应釜与甲烷溶解罐温度相对一致，提前将气水降温促使反应釜内温度更快达到设定温度。
附图说明
图1为本发明的加快天然气水合物生成的装置的结构示意图；
图2为本发明的甲烷溶解罐的结构示意图。
其中：100、反应釜；200、注液模块；300、抽真空模块；400、液位计；500、恒温水浴水夹套；600、甲烷溶解罐；700、注气模块；800、循环泵；
1、下罐盖；2、罐体；3、测温接管；4、橡胶O形密封圈；5、多层烧结滤网；6、吊环螺钉；7、支座；8、第一螺栓；9、接管；10、法兰；11、法兰螺柱；12、法兰螺母；13、第一弹垫；14、第一平垫；15、裙座；16、分流器；17、第二弹垫；18、第二平垫；19、第二螺栓；20、螺母；21、雾化喷嘴；22、上罐盖；23、抽真空口；24、分流器接口；25、液体注入口；26、上液位计接口；27、下液位计接口；28、气体注入口；29、泄液口；30、循环出口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例：
参见图1、图2，一种溶解气法加快天然气水合物生成的装置，其包括甲烷溶解罐600、注气模块700、抽真空模块300、注液模块200和反应釜100，甲烷溶解罐600和反应釜100置于温控环境中，所述注液模块200用于给甲烷溶解罐600内和所述反应釜100内注入甲烷气液混合物所需要的液体；所述抽真空模块300用于抽取甲烷溶解罐600的气体；所述注气模块700用于给甲烷溶解罐600内和所述反应釜100内注入甲烷气液混合物所需要的气体；所述甲烷溶解罐600用于在其闭合内腔内形成甲烷气液混合物，甲烷气液混合物通过甲烷溶解罐600底端的循环出口30离开甲烷溶解罐600，在循环泵800的驱动下间隔时间进行内循环和外循环，其中，所述内循环的路径为离开甲烷溶解罐600的甲烷气液混合物经过所述反应釜100再进入甲烷溶解罐600，所述外循环的路径为离开甲烷溶解罐600的甲烷气液混合物直接进入甲烷溶解罐600。在注液模块200和甲烷溶解罐600上还设有液位计400以监测甲烷溶解罐600内液位。
甲烷溶解罐600由罐体2、上罐盖22、下罐盖1组成，法兰螺柱11、法兰螺母12、第一弹垫13、第一平垫14等连接件将上罐盖22、下罐盖1固定在罐体2的两端开口。上罐盖22和下罐盖1采用平板封头，上设分别设有三个开孔；上罐盖22的三个开孔依次为抽真空口23、分流器接口24和液体注入口25；上罐盖22的分流器接口24内部连接分流器16；分流器16上分布有雾化喷嘴21。下罐盖1三个开孔依次为气体注入口28、泄液口29和循环液出口，且下罐盖1的三个开孔上方铺有多层烧结滤网5；上罐盖22和下罐盖1外部均有个吊环螺钉6分布在每个罐盖的三个开孔周围；罐体2周围布有接管9采用法兰10连接，分别为上液位计接口26、下液位计接口27和测温接管3；罐体2与上罐盖22和下罐盖1采用法兰螺栓(法兰螺柱11、法兰螺母12、第一弹垫13和第一平垫14)连接。在上下罐盖1和罐体2法兰10面上设有凹槽，罐盖下设有凸榫，凹槽－凸榫彼此可以嵌合，形成一个矩形空间，用于容纳橡胶O形密封圈4；整个甲烷溶解罐600下方用支座7承托，并用第一螺栓8固定，支座7由第二弹垫17、第二平垫18、第二螺栓19和螺母20将罐体2和下罐盖1固定在裙座15上；上罐盖22外部的抽真空口23与真空模块相连接，分流器接口24与高压天然气水合物反应釜100模块出口或循环液出口相接，液体注入口25与注液模块200相接；下罐盖1外部的气体注入口28与注气模块700相接，泄液口29与排液管线相连，循环液出口与高压天然气水合物反应釜100模块入口或分流器接口24相接。
本发明的工作原理：在上釜盖和下釜盖均设置有用来吊装甲烷溶解罐600的吊环螺钉6。甲烷溶解罐600体外设计有恒温水浴水夹套500，通过测温接管3监测温度，与反应釜100水夹套共用恒温水浴制冷机组，达到反应釜100与甲烷溶解罐600温度相对一致。本装置在使用前利用真空模块将甲烷溶解罐600抽真空和防止空气混合甲烷影响实验；注气模块700用于天然气水合物生成时，向高压天然气水合物反应釜100模块及甲烷溶解罐600提供稳定压力与流量的天然气；注液模块200液主要用于水合物合成时向反应釜100内定量注入液体，甲烷饱和水溶液循环注入，以及注热开采热水注入以及化学剂注入等。在容器气体注入或流出模拟反应釜100接口在反应釜100内侧全部安装有耐腐蚀防砂金属多层烧结滤网5，防止气液注入循环出砂；上罐盖22的分流器接口24内部连接分流器16；分流器16上分布雾化喷嘴21，溶解罐体2设计为长圆柱形溶解罐。目的是加长甲烷气泡在溶解罐内的运行长度，使其充分接触，提高溶解速率。
在真空模块经抽真空口23使罐体2达到真空状态时，关闭抽真空阀门静置一段时间，观察压力变化检漏；若压力长时间不变，开启注气模块700定量注气通过气体注入口28，经多层烧结滤网5进入罐体2；此时注液模块200开启，通过液体注入口25定量注入液体至罐体2，当罐内压力达到设定值时动态启停注气模块700；液位计400连接上液位接口和下液位计接口27检测罐体2内液位量，达到设定液位启停注液模块200；釜内循环：开启循环液出口向高压天然气水合物反应釜100模块注气液，开启分流器接口24让高压天然气水合物反应釜100模块气液流入，并通过分流器16和雾化喷嘴21使气液形成喷雾充分混合，再经多层烧结滤网5和循环液出口向高压天然气水合物反应釜100模块形成气液循环促进气液在反应釜100内均匀分布加快水合物生成速率，此过程实现反应釜100内的甲烷与水的混合液与釜外饱和溶液的置换，实现釜内混合液的循环流动，提高甲烷在反应釜100内的分布均匀度，同时加速可燃冰的生成；釜外循环：开启循环液出口与分流器接口24相连，并通过分流器16和雾化喷嘴21使气液形成喷雾充分混合，再经多层烧结滤网5和循环液出口，流回至分流器接口24，通过此过程实现甲烷与水的混合液的搅拌作用，加速甲烷在水中的溶解速率，提高制备甲烷饱和溶液的速度。注气模块700向甲烷溶解罐600内注入气体主要目的是在反应釜100外实现饱和甲烷溶液的生成，便于后续对反应釜100实现饱和甲烷溶液的釜内循环，促使可燃冰的生成。
一种溶解气法加快天然气水合物生成的方法，其应用于如上任一所述的溶解气法加快天然气水合物生成的装置，其包括以下步骤：利用抽真空模块抽出甲烷溶解罐内的气体；检查甲烷溶解罐的气密性，待甲烷溶解罐内的气体压强变化少于设定值或稳定不变后，给甲烷溶解罐内注入甲烷气液混合物所需要的气体，气体经循环管道再次进入甲烷溶解罐内；当甲烷溶解罐内的气体压强达到设定值时，给甲烷溶解罐内注入甲烷气液混合物所需要的液体；通过分流器使得进入甲烷溶解罐内的液体雾化以充分和气体混合，甲烷气液混合物通过甲烷溶解罐底端的循环出口离开甲烷溶解罐，离开甲烷溶解罐的甲烷气液混合物在循环泵的驱动下进行内循环或外循环。进一步地，通过液位计检测甲烷溶解罐内的液位，当液位达到设定的最低液位时，注入甲烷气液混合物所需要的液体，液位达到设定的最高液位时，停止注入甲烷气液混合物所需要的液体。进一步地，通过将甲烷溶解罐和反应釜置于水夹套中，监测甲烷溶解罐和反应釜的环境温度，以保持甲烷溶解罐和反应釜内水合物生成的温度一致。
本方法的实施过程具体如下：
(1)连接组装，检查气密：罐体上方和下方凹槽设置橡胶O形密封圈，上罐盖连接好分流器和雾化喷嘴，下罐盖放置多层烧结滤网；将上罐盖和下罐盖与罐体连接孔放入法兰螺柱、法兰螺母、弹垫、平垫连接固定；将裙座固定于稳固平面，连接好的上下罐盖和罐体下方用螺栓安装支架，并使用吊环螺钉吊装将支架放至裙座上；抽真空口连接真空模块，分流器接口与高压天然气水合物反应釜模块出口或循环液出口相接，液体注入口与注液模块相接；下罐盖外部的气体注入口与注气模块相接，泄液口与排液管线相连，循环液出口经循环泵与高压天然气水合物反应釜模块入口或分流器接口相接。
(2)甲烷溶解罐抽真空：在真空模块经抽真空口使罐体达到真空状态时，关闭抽真空阀门静置一段时间，观察压力变化检漏，若压力长时间不变，证明不漏进行下一步操作否则重新拆装检测漏点。
(3).气体注入：若压力长时间不变，开启注气模块定量注气通过气体注入口，经多层烧结滤网进入罐体；当罐内压力达到设定值时开启关闭注气模块阀门；
(4)初始向甲烷溶解罐注液：气体定量注入罐中压力稳定后此时注液模块开启，通过液体注入口定量注入液体至罐体，液位计连接上液位接口和下液位计接口检测罐体内液位量，达到设定液位开启关闭注液模块阀门；
(5)反应釜内循环：开启循环液出口向高压天然气水合物反应釜模块注气液，开启分流器接口让高压天然气水合物反应釜模块气液流入，并通过分流器和雾化喷嘴使气液形成喷雾充分混合，再经多层烧结滤网和循环液出口经循环泵向高压天然气水合物反应釜模块形成气液循环促进气液在反应釜内均匀分布加快水合物生成速率，此过程实现反应釜内的甲烷与水的混合液与釜外饱和溶液的置换，实现釜内混合液的循环流动，提高甲烷在反应釜内的分布均匀度，同时加速可燃冰的生成；
(6)反应釜外循环：开启循环液出口与分流器接口相连阀门，并通过分流器和雾化喷嘴使气液形成喷雾充分混合，再经多层烧结滤网和循环液出口，经循环泵流回至分流器接口，通过此过程实现甲烷与水的混合液的搅拌作用，加速甲烷在水中的溶解速率，提高制备甲烷饱和溶液的速度。注气模块向甲烷溶解罐内注入气体主要目的是在反应釜外实现饱和甲烷溶液的生成，便于后续对反应釜实现饱和甲烷溶液的釜内循环，促使可燃冰的生成；
(7)溶解罐控温：甲烷溶解罐体外设计有水夹套，通过测温接管监测温度，与反应釜水夹套共用恒温水浴制冷机组，达到反应釜与甲烷溶解罐温度相对一致。
开采方法可根据需要选择降压开采或注热开采，其中，降压开采是目前主要的天然气水合物开采方法之一，是通过降低水合物层压力，使其低于水合物在该区域温度条件下相平衡压力，从而使水合物从固体分解相变产生甲烷气体的过程。降压法开采井的设计与常规油气开采相近，渗透性较好的水合物藏内压力传播很快，因此，降压法是最有潜力的经济、有效的开采方式。注热开采，又称热激发开采法，是直接对天然气水合物层进行注热或加热，使天然气水合物层的温度超过其平衡温度，从而促使天然气水合物分解为水与天然气的开采方法。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种溶解气法加快天然气水合物生成的装置，其特征在于，包括甲烷溶解罐、注气模块、抽真空模块、注液模块和反应釜，甲烷溶解罐和反应釜置于温控环境中，
所述注液模块用于给甲烷溶解罐内和所述反应釜内注入甲烷气液混合物所需要的液体；
所述抽真空模块用于抽取甲烷溶解罐的气体；
所述注气模块用于给甲烷溶解罐内和所述反应釜内注入甲烷气液混合物所需要的气体；
所述甲烷溶解罐用于在其闭合内腔内形成甲烷气液混合物，甲烷气液混合物通过甲烷溶解罐底端的循环出口离开甲烷溶解罐，在循环泵的驱动下间隔时间进行内循环和外循环，其中，所述内循环的路径为离开甲烷溶解罐的甲烷气液混合物经过所述反应釜再进入甲烷溶解罐，所述外循环的路径为离开甲烷溶解罐的甲烷气液混合物直接进入甲烷溶解罐；
所述甲烷溶解罐包括罐体以及用于闭合所述罐体的上罐盖和下罐盖，所述上罐盖上设有抽真空口、分流器接口和液体注入口，所述注液模块通过所述液体注入口注入甲烷气液混合物所需要的液体，所述抽真空模块通过所述抽真空口抽取甲烷溶解罐的气体，所述分流器接口还连接有分流器，所述分流器上设有雾化喷嘴，所述注液模块注入的液体经过所述分流器雾化；
所述下罐盖上设有气体注入口，所述注气模块通过所述气体注入口给甲烷溶解罐内注入甲烷气液混合物所需要的气体，所述循环出口开设在所述下罐盖上，所述下罐盖上设有多层烧结滤网；
还包括液位计和温度传感器，所述液位计分别通过上液位计接口和下液位计接口连接在所述罐体上，所述温度传感器通过测温接管连接在所述罐体上；
所述罐体的两端具有法兰端，上罐盖和下罐盖均通过法兰螺柱、法兰螺母、弹垫和平垫固定，上罐盖和下罐盖与罐体的接触面还设有橡胶O形密封圈；
所述甲烷溶解罐设置在裙座上；
所述下罐盖上还设有泄液口。
2.一种溶解气法加快天然气水合物生成的方法，其应用于权利要求1所述的溶解气法加快天然气水合物生成的装置，其特征在于，包括以下步骤：
利用抽真空模块抽出甲烷溶解罐内的气体；
检查甲烷溶解罐的气密性，待甲烷溶解罐内的气体压强变化少于设定值或稳定不变后，给甲烷溶解罐内注入甲烷气液混合物所需要的气体，气体经循环管道再次进入甲烷溶解罐内；
当甲烷溶解罐内的气体压强达到设定值时，给甲烷溶解罐内注入甲烷气液混合物所需要的液体；
通过分流器使得进入甲烷溶解罐内的液体雾化以充分和气体混合，甲烷气液混合物通过甲烷溶解罐底端的循环出口离开甲烷溶解罐，离开甲烷溶解罐的甲烷气液混合物在循环泵的驱动下进行内循环或外循环。
3.根据权利要求2所述的溶解气法加快天然气水合物生成的方法，其特征在于，通过液位计检测甲烷溶解罐内的液位，当液位达到设定的最低液位时，注入甲烷气液混合物所需要的液体，液位达到设定的最高液位时，停止注入甲烷气液混合物所需要的液体。
4.根据权利要求2所述的溶解气法加快天然气水合物生成的方法，其特征在于，通过将甲烷溶解罐和反应釜置于水夹套中，监测甲烷溶解罐和反应釜的环境温度，以保持甲烷溶解罐和反应釜内水合物生成的温度一致。
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