CN112111308B

CN112111308B - 一种水合物生产-输运一体式连续反应装置

Info

Publication number: CN112111308B
Application number: CN202010993795.6A
Authority: CN
Inventors: 王飞; 张国栋
Original assignee: Qingdao University of Science and Technology
Current assignee: Qingdao University of Science and Technology
Priority date: 2020-09-21
Filing date: 2020-09-21
Publication date: 2021-03-12
Anticipated expiration: 2040-09-21
Also published as: CN112111308A

Abstract

本发明属于天然气水合物生产和应用技术领域，具体涉及一种水合物生产‑输运一体式连续反应装置，主体结构包括内螺旋反应釜、外螺旋反应釜、电机、卡环和磁力传动杆，内螺旋反应釜和外螺旋反应釜以嵌套的形式组装，在外螺旋反应釜中引入喷淋法，利用喷淋法产生微液滴，通过外螺旋叶片的缓冲作用，增加气液接触面积，减缓微液滴的下落速度，加大微液滴的分散程度，延长微液滴的转化时间，增加了水合物的转化时间，提高转化率和储气率，利用搅拌杆和内螺旋叶片的输运功能对生成的水合物进行输出，在此过程中进行二次强化转化，进一步增加了转化率，提高了储气率，实现了天然气水合物的连续、快速、高效的连续化生产和输送。

Description

一种水合物生产-输运一体式连续反应装置

技术领域：

本发明属于天然气水合物生产和应用技术领域，具体涉及一种水合物生产-输运一体式连续反应装置。

背景技术：

进入现代社会以后，生产制造业迎来黄金发展阶段，经济迅猛发展，能源消耗量日益增加，尤其是煤炭被高度消耗。长此以往，经济发展将被能源短缺所限。为避免过度依赖能源进口与减少环境污染，利用储量丰富、清洁高效的能源大规模代替煤炭、石油在生产中的使用势在必行。

天然气因其优良的特性，近年来在能源供应方面的占比越来越大，天然气存在分布地域差异巨大与季节性供需失衡的问题，天然气的发展与推广受到了严重限制。尽管CNG、LNG技术与长距离输气在天然气的季节调峰和地域调配工作中起到了巨大作用，但是使用CNG与LNG技术储运时的压力、温度条件十分苛刻，长距离输气还要考虑压力增补与管道维修等问题。基于此，研究人员对新的天然气储运技术不断进行探索与开发，在此背景下，天然气水合物储运技术应运而生。

天然气水合物储运技术是将天然气人为的转化为水合物的形式进行储存和运输。与CNG、LNG技术相比，具有安全性好，不易爆炸，生产设备要求低，生产与储存条件温和的优势，理想储气倍数可以达到170V/V，完全满足储运天然气的要求。然而，天然气水合物储运技术大规模应用受到生产过程中诱导期漫长和生长率缓慢的限制。

机械法可以有效缩短水合物的诱导期并实现天然气水合物的多级、连续反应，以及分离、压实与收集。其中，搅拌法最为直接简便，能够打破气液界面的传质限制，通过不断更新界面，有效缩短诱导期，但是搅拌效率随着天然气水合物的不断生成逐渐降低，从而导致最终储气率低；喷淋法通过喷射分散微小液滴来提高气液传质能力，能够大幅增强气液混合效果，提高转化率，但未完全转化的天然气水合物在反应釜底部的聚集会阻滞进一步转化。

天然气水合物生产和储运各自为政，一体化生产和储运工艺仍未成熟，距离工业化生产和储运水合物还有相当长的路要走。例如：中国专利201920848186.4公开的一种天然气水合物合成反应釜上设置有压力表、温度计、气体入口、气体出口和液体入口，所述反应釜包括反应室和储存室，所述反应室上部设置有连接口A，所述储存室上部设置有连接口B，所述连接口A的位置高于连接口B的位置且两者通过管道连通，反应釜还设置有液体循环喷射系统，所述液体循环喷射系统包括依次连接的循环泵、换热器和喷射器，所述循环泵的入口与储存室底部连通，所述喷射器位于反应室内部上端，所述换热器的出口与喷射器顶部连通，所述喷射器的侧面设置有喷射器进气口，所述喷射器进气口位置高于所述连接口A，所述喷射器的出口位于反应室下部，所述压力表套接于反应室顶盖，其探测端伸入反应室上部，所述液体入口与喷射器顶部入口连通，所述储存室下部设置有过滤网，所述反应室正对连接口A处设置有环形溢流槽，所述溢流槽上设置有溢流口；中国专利201210458591.8公开的一种气体水合物输送方法，包括下述步骤：(1)集气步骤：天然气经过压缩机输送至预处理装置，对天然气进行初步的净化，脱除其中的微小固体颗粒杂质；由压力计、温度计和流量计实时监测输气管道的运行工况；同时由海底抽上来的海水首先经过过滤器过滤，随后经过输送泵的输送进入输水管道，输水管道同样设置压力计，温度计以及流量计进行工况的监测，在输水管道的流量计后设置一加药口，加入水合物生成促进剂以促进水合物快速生成；天然气和海水经过气液混合器的作用之后，两者充分混合，进入海底，为水合物的生成做准备；(2)水合物生成及运输步骤：经气液混合的天然气和海水进入海底的水合物生成盘管，管道内温度为1-5℃，管道内压力为3-8MPa，生成水合物晶体；水合物晶体生成之后进入管道输送系统，管道输送系统中设置起旋装置，使水合物浆体在海底管道的运输中旋转起来，水合物浆体的管内流速为1.0～3.5m/s；(3)水合物分离及分解步骤：含有游离水的水合物浆体由管道经过螺杆泵运送上岸之后进入分离罐；含有游离水的水合物浆体在分离罐中被分离出来以后，游离水直接由排水口排入大海；分离出的水合物浆体采用分解处理法和/或分离处理法处理：分解处理法：由分离罐输送过来的除去游离水的水合物浆体，经过螺压式脱水器进一步脱水，分离出的水经过排水口排入大海；然后经过螺杆泵进入分解罐，水合物浆体在分解罐中逐步分解成天然气，罐内设置一层隔离网，块状的水合物被保留在隔离网上，碎屑状水合物落到罐底，在管内设置一射流泵，由输水泵循环利用水合物分解得到的淡水，并将淡水引入射流泵，射流泵保证罐底的碎屑状水合物持续运动，以提高水合物的分解速度；分解出的淡水被转存到储水罐中；水合物分解的过程中的冷能通过换热装置进行回收利用；在分解罐得到的天然气经过压缩机输入储气罐，在储气罐中储存；储气罐中的天然气经由压缩机输入旋流分离器，使天然气中的水分得到进一步的分离，然后再输入处理装置，在处理装置中，对天然气进行净化处理，脱除SO₂、CO₂气体，使天然气满足管道外输标准，最后经过压缩机进入外输管道；水合物分离方法：由分离罐输送过来的除去游离水的水合物浆体，经过螺压式脱水器进一步脱水，分理出的水经过排水口排入大海；水合物浆体经过螺杆泵进入水合物成型装置，在低温高压条件下使水合物浆体在模具中逐渐生成水合物砖或者水合物球，从而得到水合物固体；在各步骤中，压力计与温度计中得到的数据均输入计算机数据采集系统进行处理分析，保证整个系统的正常运行。因此，研发设计一种高效的天然气水合物生成与储运的一体化装置，对于实现天然气经济高生产和效储运具有重要意义。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种水合物生产-输运一体式连续反应装置，实现天然气水合物的连续、快速、高效制备和运输。

为了实现上述目的，本发明涉及的水合物生产-输运一体式连续反应装置的主体结构包括内螺旋反应釜、外螺旋反应釜和电机；内螺旋反应釜的一端伸入外螺旋反应釜的内部并与外螺旋反应釜连接，内螺旋反应釜的另一端与电机连接。

本发明涉及的内螺旋反应釜的主体结构包括内筒体、搅拌杆、内螺旋叶片、出料口和球阀；内筒体的内部设置有搅拌杆，搅拌杆上设置有内螺旋叶片，内筒体的外端部设置有出料口，出料口上设置有球阀。

本发明涉及的外螺旋反应釜的主体结构包括外筒体、进气口、喷液口、喷头、温度传感器、压力传感器和外螺旋叶片；外筒体的下部对称式设置有两个进气口，外筒体的上部对称式设置有两个喷液口，喷液口处设置有喷头，外筒体的中部设置有温度传感器和压力传感器，外筒体的内壁侧设置有外螺旋叶片。

本发明涉及的内螺旋反应釜与外螺旋反应釜通过卡环连接时，内螺旋反应釜的上部与外螺旋反应釜的顶部固定连接，内螺旋反应釜的底部与外螺旋反应釜的下部通过卡环连接，卡环与外螺旋反应釜固定连接，卡环上等间距式设置有4个L形结构的卡爪，卡爪将内螺旋反应釜的内筒体卡住，避免其工作运转时发生移动；内螺旋反应釜与电机通过磁力传动杆连接。

本发明涉及的电机为行星减速无刷电机；磁力传动杆既能将电机的动力传递给搅拌杆，又能对内螺旋反应釜的内筒体进行高压密封；搅拌杆的一端伸入外螺旋反应釜的底部，搅拌杆的另一端通过磁力传动杆与电机连接。

本发明与现有技术相比，内螺旋反应釜和外螺旋反应釜以嵌套的形式组装，在外螺旋反应釜中引入喷淋法，利用喷淋法产生微液滴，通过外螺旋叶片的缓冲作用，增加气液接触面积，减缓微液滴的下落速度，加大微液滴的分散程度，延长微液滴的转化时间，增加了水合物的转化时间，提高转化率和储气率，利用搅拌杆和内螺旋叶片的输运功能对生成的水合物进行输出，在此过程中进行二次强化转化，进一步增加了转化率，提高了储气率，实现了天然气水合物的连续、快速、高效的连续化生产和输送；其结构简单，反应过程呈动态平衡，集水合物生成和输运于一体。

附图说明：

图1为本发明的主体结构使用状态示意图。

图2为本发明的主体结构剖面示意图。

图3为本发明涉及的内螺旋反应釜与外螺旋反应釜的连接关系示意图。

具体实施方式：

下面通过实施实例并结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1：

本实施例涉及的水合物生产-输运一体式连续反应装置的主体结构包括内螺旋反应釜1、外螺旋反应釜2、电机3、卡环4和磁力传动杆5；横截面为长方形的内螺旋反应釜1的一端伸入横截面为倒梯形的外螺旋反应釜2的内部，内螺旋反应釜1的另一端与电机3连接；内螺旋反应釜1与外螺旋反应釜2通过卡环4连接，内螺旋反应釜1与外螺旋反应釜2的中轴线重合，内螺旋反应釜1与电机3通过磁力传动杆5连接。

本实施例涉及的内螺旋反应釜1的主体结构包括内筒体11、搅拌杆12、内螺旋叶片13、出料口14和球阀15；横截面为长方形的内筒体11的内部设置有搅拌杆12，搅拌杆12的一端伸入外螺旋反应釜2的底部，搅拌杆12的另一端通过磁力传动杆5与转速为0～200r/min的电机3连接，搅拌杆12上设置有内螺旋叶片13，内筒体11的外端部设置有出料口14，出料口14上设置有球阀15；内螺旋叶片13的螺距为15mm，能够对生成的水合物进行二次强化转化和输运。

本实施例涉及的外螺旋反应釜2的主体结构包括外筒体21、进气口22、喷液口23、喷头24、温度传感器25、压力传感器26和外螺旋叶片27；横截面为倒梯形的外筒体21的下部对称式设置有两个进气方向为斜上方的进气口22，能够在为反应提供所需气体的同时，减缓微液滴的下落速度，外筒体21的上部对称式设置有两个喷液口23，喷液口23处设置有能够喷射出喷雾的喷头24，外筒体21的中部设置有分别用于测量温度和气压的温度传感器25和压力传感器26，内筒体11的外壁与外筒体21的内壁之间设置有外螺旋叶片27，内筒体11的外壁与外螺旋叶片27固定连接，外螺旋叶片27的螺距为14mm，能够减缓微液滴下落速度，使其在外螺旋叶片27上以滚动、跳跃的形式向下螺旋运动，延长微液滴的转化时间，提高水合物的转化率。

本实施例涉及的内螺旋反应釜1与外螺旋反应釜2通过卡环4连接时，内螺旋反应釜1的上部与外螺旋反应釜2的顶部固定连接，内螺旋反应釜1的底部与外螺旋反应釜2的下部通过卡环4连接，卡环4与外螺旋反应釜2固定连接，卡环4上等间距式设置有4个L形结构的卡爪41，卡爪41将内螺旋反应釜1的内筒体21卡住，避免其工作运转时发生移动，外螺旋反应釜2中生成的水合物通过卡爪41之间的空隙进入内螺旋反应釜1。

本实施例涉及的内筒体11和外筒体21的内壁、搅拌杆12的表面以及内螺旋叶片13和外螺旋叶片27均做超疏水处理，以保证微液滴顺畅的向下移动，避免粘结和聚集，防止水合物贴壁生长发生堵塞。

实施例2：

本实施例涉及的水合物生产-输运一体式连续反应装置使用时，将内筒体11的上部、外筒体21的1/3长度处和2/3长度处分别与支架6连接，支架6在支撑内螺旋反应釜1和外螺旋反应釜2的同时，具有角度调节功能，将内螺旋反应釜1和外螺旋反应釜2的倾角调节为30°(支架6的调节范围为0°～90°)；通过进气口22送入气体对内螺旋反应釜1和外螺旋反应釜2进行吹扫，排除空气，当内螺旋反应釜1和外螺旋反应釜2的内部温度达到设定的反应温度时，再次通过进气口22送入气体，使内螺旋反应釜1和外螺旋反应釜2的内部压力达到6Mpa，维持6Mpa的恒定压力，打开电机3，设置转速为30r/min，打开喷液口23，液体以喷雾的形式喷入外螺旋反应釜2形成微液滴，气体与微液滴充分混合并快速生成水合物颗粒，水合物颗粒在重力作用下向下运移，经过卡爪41之间的空隙进入内螺旋反应釜1的底部，搅拌杆12带动内螺旋叶片13向上旋转，内螺旋叶片13携带底部水合物向上输送，水合物到达内螺旋反应釜1的顶部，经出料口14排出，实现水合物的进一步转化和输送。

Claims

1.一种水合物生产-输运一体式连续反应装置，其特征在于主体结构包括内螺旋反应釜、外螺旋反应釜和电机；内螺旋反应釜的一端伸入外螺旋反应釜的内部并与外螺旋反应釜连接，内螺旋反应釜的另一端与电机连接；内螺旋反应釜的主体结构包括内筒体、搅拌杆、内螺旋叶片、出料口和球阀；内筒体的内部设置有搅拌杆，搅拌杆上设置有内螺旋叶片，内筒体的外端部设置有出料口，出料口上设置有球阀；外螺旋反应釜的主体结构包括外筒体、进气口、喷液口、喷头、温度传感器、压力传感器和外螺旋叶片；外筒体的下部对称式设置有两个进气口，外筒体的上部对称式设置有两个喷液口，喷液口处设置有喷头，外筒体的中部设置有温度传感器和压力传感器，外筒体的内壁侧设置有外螺旋叶片。

2.根据权利要求1所述的水合物生产-输运一体式连续反应装置，其特征在于内螺旋反应釜与外螺旋反应釜通过卡环连接，内螺旋反应釜的上部与外螺旋反应釜的顶部固定连接，内螺旋反应釜的底部与外螺旋反应釜的下部通过卡环连接，卡环与外螺旋反应釜固定连接，卡环上等间距式设置有4个L形结构的卡爪，卡爪将内螺旋反应釜的内筒体卡住，避免其工作运转时发生移动；内螺旋反应釜与电机通过磁力传动杆连接。

3.根据权利要求1所述的水合物生产-输运一体式连续反应装置，其特征在于电机为行星减速无刷电机；磁力传动杆既能将电机的动力传递给搅拌杆，又能对内螺旋反应釜的内筒体进行高压密封；搅拌杆的一端伸入外螺旋反应釜的底部，搅拌杆的另一端通过磁力传动杆与电机连接。

4.根据权利要求1所述的水合物生产-输运一体式连续反应装置其特征在于内螺旋反应釜的横截面为长方形；外螺旋反应釜的横截面为倒梯形；内螺旋反应釜与外螺旋反应釜的中轴线重合。

5.根据权利要求2所述的水合物生产-输运一体式连续反应装置，其特征在于内筒体的横截面为长方形，内筒体的外壁与外螺旋叶片固定连接，外螺旋叶片的螺距为14mm，能够减缓微液滴下落速度，使其在外螺旋叶片上以滚动、跳跃的形式向下螺旋运动，延长微液滴的转化时间，提高水合物的转化率；外筒体的横截面为倒梯形；电机的转速为0～200r/min；内螺旋叶片的螺距为15mm，能够对生成的水合物进行二次强化转化和输运；进气口的进气方向为斜上方的，能够在为反应提供所需气体的同时，减缓微液滴的下落速度；喷头能够喷射出喷雾；温度传感器和压力传感器分别用于测量温度和气压；卡爪为L形结构。

6.根据权利要求5所述的水合物生产-输运一体式连续反应装置，其特征在于内筒体和外筒体的内壁、搅拌杆的表面以及内螺旋叶片和外螺旋叶片均做超疏水处理，以保证微液滴顺畅的向下移动，避免粘结和聚集，防止水合物贴壁生长发生堵塞。

7.根据权利要求6所述的水合物生产-输运一体式连续反应装置，其特征在于使用时，将内筒体的上部、外筒体的1/3长度处和2/3长度处分别与支架连接，支架在支撑内螺旋反应釜和外螺旋反应釜的同时，具有角度调节功能，将内螺旋反应釜和外螺旋反应釜的倾角调节为30°；通过进气口送入气体对内螺旋反应釜和外螺旋反应釜进行吹扫，排除空气，当内螺旋反应釜和外螺旋反应釜的内部温度达到设定的反应温度时，再次通过进气口送入气体，使内螺旋反应釜和外螺旋反应釜的内部压力达到6Mpa，维持6Mpa的恒定压力，打开电机，设置转速为30r/min，打开喷液口，液体以喷雾的形式喷入外螺旋反应釜形成微液滴，气体与微液滴充分混合并快速生成水合物颗粒，水合物颗粒在重力作用下向下运移，经过卡爪之间的空隙进入内螺旋反应釜的底部，搅拌杆带动内螺旋叶片向上旋转，内螺旋叶片携带底部水合物向上输送，水合物到达内螺旋反应釜的顶部，经出料口排出，实现水合物的进一步转化和输送。