CN112111309B - 一种同心双螺旋式水合物连续反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于天然气水合物生产和应用技术领域，具体涉及一种同心双螺旋式水合物连续反应装置，主体结构包括外反应釜、中心反应釜和电机，外反应釜中套设有中心反应釜，中心反应釜由电机驱动，中心反应釜与外反应釜以同轴的形式组合在一起，安装于支架上，并通过同一电机驱动，中心搅拌叶片旋转搅拌时，能够增加气液接触面积，加大微液滴的扩散程度，促进水合物的生成，并将生成的水合物颗粒由右至左进行输送，水合物颗粒在中心反应釜的左端由通孔进入外反应釜，通过外螺旋搅拌叶片的旋转搅拌，由左至右输送至出料口排出，在此过程中，中心反应釜和外反应釜的螺旋输送，延长了转化时间，对生成的水合物颗粒进行了进一步强化转化。

Description

一种同心双螺旋式水合物连续反应装置

技术领域：

本发明属于天然气水合物生产和应用技术领域，具体涉及一种同心双螺旋式水合物连续反应装置。

背景技术：

天然气水合物作为一种清洁能源，具有储量巨大、环境友好的显著优势，但是，苛刻的开采环境限制了天然气水合物的开采应用。近年来，天然气水合物在气体储存、海水淡化、制冷、气体分离等方面也显示出了独特的优势与广阔的应用前景，基于天然气水合物作为储运天然气的一种方式，具有含气率高、储运环境简便、运输环节安全系数高等特点，被认定为一种新型的天然气储运方式，受到了广泛关注。然而，天然气水合物的生长环境相对苛刻，诱导期长，例如：甲烷在静态纯水体系中压力为5.76MPa、温度为4.3℃时，形成天然气水合物的诱导时间长达数十小时，此外，结晶困难、生长速度缓慢等问题也严重制约了天然气水合物的发展与应用。因此，研发设计新型的反应装置来提高水合物的生成速率是突破当前技术壁垒的关键。

目前常用的反应装置主要有搅拌式反应釜、喷淋式反应釜和鼓泡式反应釜，例如：中国专利201921205080.9公开的一种转动式化工工艺用搅拌式反应釜，包括反应釜釜体和外侧加热器，所述外侧加热器安装固定在反应釜釜体的下端外侧上，所述外侧加热器的上方位于反应釜釜体上设置有侧边支撑脚，所述外侧加热器的下端两侧设置有底部调节支脚，所述反应釜釜体的外侧下端中间设置有放料阀门管，所述反应釜釜体的内部下端中间设置有内部轴承，所述反应釜釜体的上端设置有反应釜上盖，所述反应釜上盖的上端中间设置有联动轴承座，所述联动轴承座的左侧位于反应釜上盖上设置有空气入口柱，所述联动轴承座的右侧位于反应釜上盖上设置有物料入口管，所述联动轴承座的上端设置有转动电机，所述联动轴承座的下端位于反应釜釜体的内部设置有金属轴杆，所述转动电机通过联动轴承座与金属轴杆相连接，所述金属轴杆的下端连接在内部轴承上，所述金属轴杆的中间套接设置有内部搅拌器，所述内部搅拌器的外侧位于反应釜釜体的内部设置有内壁搅拌刀，所述转动电机与外部电源电性连接；中国专利201821947439.5公开的一种喷淋反应釜，包括筒体、旋流除雾器、上喷淋管、下喷淋管、两组填料、抽水泵和循环水池，筒体设置有工作腔，筒体顶端连通设置有出风口，筒体的底部左侧壁上连通设置有进风口，筒体顶端设置有固定支架，旋流除雾器螺接在固定支架上，筒体中部侧壁上设置有两组填料支撑，两组填料分别放置在两组填料支撑上，并且两组填料顶端均设置有封盖，两组封盖分别与两组填料紧贴，抽水泵左侧输出端连通设置有出水管和抽水管，上喷淋管和下喷淋管的右端均连通焊接在出水管上，上喷淋管和下喷淋管的左端均穿过筒体侧壁并且伸入到工作腔内，然后上喷淋管和下喷淋管均与筒体侧壁焊接固定，上喷淋管和下喷淋管上均连通设置有两组爪型喷头，循环水池包括一号水池和二号水池，一号水池位于筒体工作腔的底端，二号水池焊接在筒体底部外侧壁上，并且一号水池和二号水池底端相互连通；还包括转换齿轮、传动齿轮、摇杆、滚珠轴承、密封垫、三角支架、横杆支架和刷杆，筒体底部侧壁上设置有控制孔，滚珠轴承和密封垫均卡装在控制孔上，三角支架焊接在筒体底部内侧壁上，摇杆的输出端分别穿过密封垫和滚珠轴承然后伸入到筒体的工作腔内，并且摇杆与三角支架旋转套装，传动齿轮与摇杆输出端连接，筒体的底端设置有固定环，横杆支架焊接在筒体的底部内侧，转换齿轮上设置有转换轴，转换轴与横杆支架旋转套装连接，并且转换轴的底端活动卡装在固定环内，刷杆焊接在转换轴上，并且刷杆下端设置有刷毛，转换齿轮和传动齿轮咬合；还包括两组观测门、两组扣卡扣手和两组固定钩，筒体工作腔的中部和顶部侧壁分别设置有上观测孔和下观测孔，两组观测门的左端分别活动铆接在上观测孔和下观测孔上，两组固定钩分别与上观测孔和下观测孔螺接固定，两组扣卡扣手分别螺接在两组观测门的右端，两组观测门的右端分别通过两组扣卡扣手与上观测门和下观测门的固定钩活动卡装；还包括两组螺旋杆、四组下动力帽、四组上动力帽和两组支撑杆，两组支撑杆左端分别焊接在筒体工作腔内侧壁的顶部和中部，并且位于两组填料的上侧，两组螺旋杆中心部位均设置有卡槽，两组卡槽内均设置有轴承，两组支撑杆的右端分别与两组轴承套装连接，四组上动力帽和四组下动力帽均设置有连接杆，四组上动力帽和四组下动力帽分别通过连接杆固定在两组螺旋杆上且均匀分布，同时四组上动力帽和四组下动力帽上均有一个动力帽颜色设置为红色；中国专利201520929170.8公开的一种新型鼓泡式反应釜，包括釜体、管道、辅料管、出料管、内撑、进料管，所述釜体是双层中空结构，在内层外壁上缠绕管道，管道的进料口设在釜体的上部，管道的出料口设在釜体的下部，在所述釜体顶部连接出料管，出料管上设有出料阀门，在所述釜体顶部上还连接辅料管，辅料管一端伸到釜体内，在所述釜体底部连接进料管，进料管连接到釜体内的螺旋管，釜体内的螺旋管固定在内撑上，内撑连接釜体内壁，所述的釜体内的进料管上连接有进料阀门。

其中，搅拌式反应釜和喷淋式反应釜因在改善气相传质方面的优势被广泛应用，搅拌式反应釜可以增加装置内的气液扰动，增加气液接触面积，加速气体在液体中的溶解，从而缩短水合物所需的诱导时间，进而不断促进水合物的生成，所以，搅拌式反应釜消耗的能量相对较多，并且在一定转速范围内，提高搅拌速度对水合物的生成速率有较大影响，但是搅拌过速时对水合物生成的促进效果有限，同时也增加了操作费用。喷淋式反应釜是通过安装在装置顶部的喷嘴向气相喷射出雾状的微液滴来增加气液接触面积，从而促进水合物快速生成的，由于气相中的反应热疏散较为容易，因此不会因反应热的聚集影响到水合物的生成，但是，水合物生成后会聚集在液滴表层，阻碍液体与气体的后续接触，所以，对喷淋设备的要求非常严格，喷射出的微液滴直径不同，将直接影响水合物的储气率。因此，将搅拌式反应釜和喷淋式反应釜组合，设计一种新型的搅拌—喷淋一体化反应装置，势必能够大幅提高天然气水合物的成核和生长速率。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种同心双螺旋式水合物连续反应装置，实现天然气水合物的连续、高效制备。

为了实现上述目的，本发明涉及的同心双螺旋式水合物连续反应装置的主体结构包括外反应釜、中心反应釜和电机；外反应釜中套设有中心反应釜，中心反应釜由电机驱动；外反应釜架设于支架之上；外反应釜与中心反应釜通过齿轮连接；中心反应釜与电机通过磁力传动杆连接；外反应釜的主体结构包括外筒体、外搅拌叶片、压力传感器、温度传感器、出料口和球阀；外筒体内设置有外搅拌叶片，外筒体的上部设置有压力传感器和温度传感器，外筒体的下部开设有出料口，出料口处设置有球阀；中心反应釜的主体结构包括中心筒体、搅拌杆、中心搅拌叶片、通孔、喷液口和进气口；中心筒体的内部中心设置有搅拌杆，搅拌杆上设置有中心搅拌叶片，中心筒体的一端均匀开设有若干个通孔，中心筒体的另一端开设有喷液口和进气口。

本发明涉及的支架用于支撑外反应釜、中心反应釜和电机；磁力传动杆一端与电机连接，另一端与搅拌杆连接，磁力传动杆能够将电机的动力传递给搅拌杆，并实现中心反应釜的高压密封；外搅拌叶片为螺旋状结构，设置于中心筒体的外壁上，旋转方式为左旋，螺距为15mm；压力传感器与温度传感器分别用于监测压力与温度；中心筒体通过齿轮与搅拌杆连接；中心搅拌叶片为螺旋状结构，旋转方式为右旋，螺距为10mm；通孔为水合物颗粒由中心反应釜进入外反应釜的通道；喷液口用于喷射微液滴；喷气口用于喷射气体。

本发明涉及的电机通过磁力传动杆带动搅拌杆转动，进而使中心搅拌叶片旋转，加强气体扰动，增加气液接触面积，延长微液滴转化时间，使得水合物更易生成，同时，右旋的中心搅拌叶片将生成的水合物颗粒由右至左进行输送；电机带动搅拌杆转动时，搅拌杆通过齿轮将动力传递给中心筒体，从而带动外搅拌叶片旋转，进而将外反应釜左端的水合物向右进行输送，并在此过程中实现水合物的进一步转化，水合物颗粒最终通过出料口排出，实现水合物连续生产和输运的一体化。

本发明涉及的外筒体的内壁、外搅拌叶片、中心筒体的内壁和外壁以及中心搅拌叶片均做超疏水处理，以保证微液滴能够顺畅移动，避免水合物贴壁生长发生堵塞。

本发明与现有技术相比，中心反应釜与外反应釜以同轴的形式组合在一起，安装于支架上，并通过同一电机驱动，中心搅拌叶片旋转搅拌时，能够增加气液接触面积，加大微液滴的扩散程度，促进水合物的生成，并将生成的水合物颗粒由右至左进行输送，水合物颗粒在中心反应釜的左端由通孔进入外反应釜，通过外螺旋搅拌叶片的旋转搅拌，由左至右输送至出料口排出，在此过程中，中心反应釜和外反应釜的螺旋输送，延长了转化时间，对生成的水合物颗粒进行了进一步强化转化，提高了转化率与储气率，从而实现了天然气水合物的连续高效制备。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意图。

图2为本发明的局部结构原理示意图。

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：

本实施例涉及的同心双螺旋式水合物连续反应装置的主体结构包括外反应釜1、中心反应釜2、电机3、支架4、齿轮5和磁力传动杆6；架设于支架4之上的外反应釜1中套设有中心反应釜2，中心反应釜2由电机3驱动；外反应釜1的主体结构包括外筒体10、外搅拌叶片11、压力传感器12、温度传感器13、出料口14和球阀15；外筒体10内设置有外搅拌叶片11，外筒体10的上部设置有压力传感器12和温度传感器13，外筒体10的下部开设有出料口14，出料口14处设置有球阀15；中心反应釜2的主体结构包括中心筒体20、搅拌杆21、中心搅拌叶片22、通孔23、喷液口24和进气口25；中心筒体20的内部中心设置有搅拌杆21，搅拌杆21上设置有中心搅拌叶片22，中心筒体20的一端均匀开设有若干个通孔23，中心筒体20的另一端开设有喷液口24和进气口25；外反应釜1与中心反应釜2通过齿轮5连接，中心筒体20通过齿轮5与搅拌杆21连接；中心反应釜2与电机3通过磁力传动杆6连接，磁力传动杆6一端与电机3连接，另一端与搅拌杆21连接；外搅拌叶片11设置于中心筒体20的外壁上。

实施例2：

本实施例涉及的同心双螺旋式水合物连续反应装置使用时，从进气口25通入气体对外反应釜1和中心反应釜2进行冲洗，排除空气，当外反应釜1和中心反应釜2的内部温度达到1℃时，再次通入气体，使外反应釜1和中心反应釜2的内部压力达到7MPa并维持恒定，打开电机3，设置转速为30r/min，打开喷液口24，液体以微液滴形式喷入中心反应釜2，在中心搅拌叶片22的不断搅动下，气体与微液滴充分混合并快速生成水合物颗粒，水合物颗粒在中心搅拌叶片22的带动下由右至左逐渐运移，到达中心反应釜2的左端，通过均匀分布的通孔23进入外反应釜1中，在外搅拌叶片11的携带下向右输送，在输送的过程中，水合物颗粒被进一步转化，最后经出料口14流出。

Claims (6)

1.一种利用同心双螺旋式水合物连续反应装置生产水合物的方法，其特征在于主体结构包括外反应釜、中心反应釜和电机；外反应釜中套设有中心反应釜，中心反应釜由电机驱动；外反应釜的主体结构包括外筒体、外搅拌叶片、压力传感器、温度传感器、出料口和球阀；外筒体内设置有外搅拌叶片，外筒体的上部设置有压力传感器和温度传感器，外筒体的下部开设有出料口，出料口处设置有球阀；中心反应釜的主体结构包括中心筒体、搅拌杆、中心搅拌叶片、通孔、喷液口和进气口；中心筒体的内部中心设置有搅拌杆，搅拌杆上设置有中心搅拌叶片，中心筒体的一端均匀开设有若干个通孔，中心筒体的另一端开设有喷液口和进气口；通孔为水合物颗粒由中心反应釜进入外反应釜的通道，水合物颗粒经外搅拌叶片输送至出料口排出；喷液口用于喷射微液滴；进气口用于喷射气体。

2.根据权利要求 1 所述的利用同心双螺旋式水合物连续反应装置生产水合物的方法，其特征在于外反应釜架设于支架之上；外反应釜与中心反应釜通过齿轮连接；中心反应釜与电机通过磁力传动杆连接。

3.根据权利要求2所述的利用同心双螺旋式水合物连续反应装置生产水合物的方法，其特征在于支架用于支撑外反应釜、中心反应釜和电机；磁力传动杆一端与电机连接，另一端与搅拌杆连接，磁力传动杆能够将电机的动力传递给搅拌杆，并实现中心反应釜的高压密封；外搅拌叶片为螺旋状结构，设置于中心筒体的外壁上，旋转方式为左旋，螺距为15mm；压力传感器与温度传感器分别用于监测压力与温度；中心筒体通过齿轮与搅拌杆连接；中心搅拌叶片为螺旋状结构，旋转方式为右旋，螺距为 10mm。

4.根据权利要求3 所述的利用同心双螺旋式水合物连续反应装置生产水合物的方法，其特征在于外筒体的内壁、外搅拌叶片、中心筒体的内壁和外壁以及中心搅拌叶片均做超疏水处理，以保证微液滴能够顺畅移动，避免水合物贴壁生长发生堵塞。

5.根据权利要求 4所述的利用同心双螺旋式水合物连续反应装置生产水合物的方法，其特征在于使用时，从进气口通入气体对外反应釜和中心反应釜进行冲洗，排除空气，当外反应釜和中心反应釜的内部温度达到 1℃时，再次通入气体，使外反应釜和中心反应釜的内部压力达到 7MPa 并维持恒定，打开电机，设置转速为 30r/min，打开喷液口，液体以微液滴形式喷入中心反应釜，在中心搅拌叶片的不断搅动下，气体与微液滴充分混合并快速生成水合物颗粒，水合物颗粒在中心搅拌叶片的带动下由右至左逐渐运移，到达中心反应釜的左端，通过均匀分布的通孔进入外反应釜中，在外搅拌叶片的携带下向右输送，在输送的过程中，水合物颗粒被进一步转化，最后经出料口流出。

6.根据权利要求 5 所述的利用同心双螺旋式水合物连续反应装置生产水合物的方法，其特征在于电机通过磁力传动杆带动搅拌杆转动，进而使中心搅拌叶片旋转，加强气体扰动，增加气液接触面积，延长微液滴转化时间，使得水合物更易生成，同时，右旋的中心搅拌叶片将生成的水合物颗粒由右至左进行输送；电机带动搅拌杆转动时，搅拌杆通过齿轮将动力传递给中心筒体，从而带动外搅拌叶片旋转，进而将外反应釜左端的水合物向右进行输送，并在此过程中实现水合物的进一步转化，水合物颗粒最终通过出料口排出，实现水合物连续生产和输运的一体化。

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