CN112126482A - 一种双绞笼式水合物连续反应装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于天然气水合物生产和应用技术领域，涉及一种双绞笼式水合物连续反应装置，主体结构包括储气罐、双绞笼反应釜、水罐、水合物收集罐和电机，储气罐与双绞笼反应釜连接，双绞笼反应釜分别与水罐和水合物收集罐连接，双绞笼反应釜由电机驱动，利用上筒体的绞笼叶片的旋转搅拌减缓微液滴下落的速度，加大微液滴的分散程度，增加气液接触面积，增长微液滴的转化时间，提高转化率和储气率，同时，利用下筒体的绞笼杆的螺旋输运对水合物进行二次强化转化和输送，双绞笼反应釜的上筒体与下筒体的结构分布和连接方式可根据需求变化，将刚性连接的水合物通道变为柔性管路的连接通道时，能够实现上筒体和下筒体同时变换不同倾角，获得最佳反应效果。
Description
技术领域：
本发明属于天然气水合物生产和应用技术领域，具体涉及一种双绞笼式水合物连续反应装置，实现天然气水合物高效、快速、连续反应。
背景技术：
天然气作为一种优质、高效和清洁的低碳能源，提高其在一次能源消费结构中的占比能够有效降低含碳、氮、硫废气和固体颗粒的排放。随着环保力度的不断加大，天然气消费量保持高速增长。但是，现阶段在天然气供应、储存调峰、输送和消费的产业链中，存在天然气供应量不足、气源供应结构单一、输送-储气-调峰基础设施缺乏等问题，加速天然气调峰储气设施建设是基本的解决措施。目前，天然气储运的主要方式——管道天然气储运(PNG)、液化天然气储运(LNG)、压缩天然气储运(CNG)各有突出的优势与缺陷，开发新型高效的天然气储运方式具有重要的意义。天然气水合物作为一种新型天然气储运方式(NGH)已经得到了工业界和学术界的广泛关注和认可。
天然气水合物储气倍数高、储存条件温和、安全性高，是理想的储运天然气的方式。然而水合物法储运天然气还存在着许多尚未完全解决的技术难题，例如，天然气水合物生成过程诱导期长、后期生长缓慢和水转化率低，人们开始寻找促进天然气水合物快速生成的方法：中国专利201710366669.6公开的一种快速合成天然气水合物样品的方法，包括以下步骤：A，将冰粉以目标水合物合成形态填入反应釜的样品腔中，然后在低于冰点的恒定反应温度下，将水合物形成气注入反应釜内至釜内压力高于生成目标水合物样品所需的压力，使所述水合物形成气与冰粉持续合成水合物样品；B，当釜内压力的降低速率低于0.2MPa/天时，将反应温度提高并恒定在冰点以上、水合物样品的相平衡温度以下，使剩余冰粉融化为水，所述水与水合物形成气进一步持续合成水合物样品；C，将反应温度降低并恒定在冰点以下，使剩余的水转化为冰粉；所述冰粉与水合物形成气再进一步持续合成水合物样品；D，重复步骤B-C，直至冰粉完全转化为水合物样品；中国专利202010157613.1公开的天然气水合物产品连续快速生产的方法，包括以下步骤：往乳液配制器中按设定比例泵入水、油-环戊烷-乳化剂混合溶液，总液量为容器体积的3/4，开启搅拌器让体系分散均匀形成水/油-环戊烷乳液；将配样器顶部抽真空，注入适量的天然气，让油预先溶解饱和天然气；将水合物合成塔抽真空，再通过塔底的天然气注入口注入一定压力的天然气；开启制冷控制单元，给配样器和水合物合成塔降温，降温过程给配样器及时补充天然气，保证配样器中压力在设定低温下天然气在水/油-环戊烷乳液中的水合物生成压力以下0.3MPa以内；将配样器中饱和了天然气的水/油-环戊烷乳液泵输至合成塔中，注入管线在塔内通过喷头注入乳液，乳液中环戊烷、水与天然气在合成塔中接触后快速生成水合物油浆液，及时通过注气管线向合成塔中补充天然气保持压力稳定；当合成塔中流体占据体积的4/5以上，开启塔底的水合物油浆液排出口，水合物油浆液经过节流阀进入过滤器，在过滤器中水合物晶体与油相、气相分离，留在网箱中的水合物晶体被收集、运输，从过滤器底部出来的油相和顶部出来的气相分别进入油相收集罐、闪蒸气收集罐，再次通过管线循环进入乳液配制器重复使用；中国专利200710032642.X公开的一种采用静态超重力快速制备天然气水合物的方法，至少包括如下步骤：a0、下述液体可以是低温水、低温水和冰粒形成的冰水混合物；a、将液体冷却加压，把来自井口的天然气冷却增压使其压力达到6至9兆帕；b、高压冷却液体从反应器的上部轴心位置喷入反应器，与此同时，高压冷却天然气沿反应器周向方向，紧贴反应器的内壁喷入反应器；c、冷却的天然气在反应器壁形成高速回旋气流，在下降过程中与高压冷却液体剧烈混合，回旋气流及水合物颗粒达到反应器底后再从反应器的轴心位置回旋上升，回旋上升气流夹带的水合物与反应器轴心位置的内冷却器碰撞并进行换热；d、反应中形成的水合物颗粒逐渐长大，在离心力作用沿反应器的内壁下滑，再经排料管路排出；回旋气流上升过程中，再次与喷嘴所喷出的高压冷却液体混合，速度降低后从排气口排出。
水合物首先在气液界面处生长，当水合物膜覆盖界面后会阻止气液的接触，从而降低水合物的生成速率。机械法能够突破气液界面优先生成的水合物薄膜的限制，增强传质，增加气液接触面积，达到促进水合物快速生成的目的，搅拌法与鼓泡法在水合物形成初期可以取得良好的效果，能够有效缩短诱导期，但是，随着水合物的不断生成，搅拌桨卡顿、鼓泡动力不足等缺陷使得后期促进效果愈加不理想，使得最后生产的水合物大多呈浆状或泡沫状，水转化率和储气率低，若要达到理想的储运状态，还需要增加后期压缩造粒等处理程序。喷淋法是将液体以微液滴形式喷入反应釜内，以此增加气液接触面积，但是，由于微液滴喷出后很快沉降到反应釜底部，使得微液滴转化为水合物的过程短暂，导致微液滴转化不充分。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种双绞笼式水合物连续反应装置，以实现天然气水合物的高效、快速和连续化反应。
为了实现上述目的，本发明涉及的双绞笼式水合物连续反应装置的主体结构包括储气罐、双绞笼反应釜、水罐、水合物收集罐和电机；储气罐与双绞笼反应釜连接，双绞笼反应釜分别与水罐和水合物收集罐连接，双绞笼反应釜由电机驱动。
本发明涉及的储气罐通过供气管路与双绞笼反应釜连接，双绞笼反应釜通过供水管路与水罐连接，双绞笼反应釜通过波纹管与水合物收集罐柔性连接，双绞笼反应釜通过磁力传动搅拌杆与电机连接；储气罐上设置有一号压力传感器和一号温度传感器；供气管路上顺着介质流动方向依次设置有送气阀、气体流量控制器和一号单向阀；供水管路上顺着介质流动方向依次设置有恒流泵和二号单向阀；波纹管的末端设置有阀门。
本发明涉及的双绞笼反应釜的主体结构包括上筒体、下筒体、绞笼杆、绞笼叶片、喷液口、二号温度传感器、进气口、二号压力传感器和出料口；上筒体和下筒体的内部均设置有绞笼杆，绞笼杆上设置有螺旋式结构的绞笼叶片，上筒体的上部开设有喷液口，上筒体的中部设置有二号温度传感器，上筒体的下部开设有进气口，进气口处设置有二号压力传感器，下筒体的尾端设置有带球阀的出料口。
本发明涉及的双绞笼反应釜的耐压值为25MPa；电机为行星减速无刷电机；电机通过磁力传动搅拌杆将动力传递至绞笼杆，同时，对双绞笼反应釜进行高压密封；气体流量控制器能够精确测量气体流量；恒流泵能够连续、平稳地将水罐中的水供送至双绞笼反应釜；上筒体和下筒体的内壁、绞笼杆以及绞笼叶片均做超疏水处理，以使微液滴从上筒体顺畅的流入下筒体，避免水合物贴壁生长，发生堵塞。
本发明涉及的上筒体与下筒体并列、柔性或V形连接；并列或V形连接时，上筒体与下筒体通过水合物通道连通；柔性连接时，上筒体与下筒体通过柔性管路(波纹管)连通，上筒体和下筒体的倾角根据需要调整；上筒体的绞笼叶片的螺距为14mm，工作时，绞笼叶片向上旋转，减缓微液滴的下落速度，加大微液滴的分散程度，进而增加气液接触面积，延长微液滴的转化时间，同时，绞笼叶片诱导的螺旋搅拌能够增加传质，促进水合物高效和快速生成；下筒体的绞笼叶片的螺距由下至上逐级减小，工作时，绞笼叶片向上旋转；上筒体中生成的水合物在重力的作用下进入下筒体，通过下筒体的绞笼杆的旋转作用向上输运，水合物在向上输运的过程中，进行二次强化转化，逐级减小的绞笼叶片对水合物进行压实；绞笼杆与磁力传动搅拌杆连接；喷液口与供水管路连接，喷液口处设置有喷头，以使水以微液滴形式喷入上筒体；进气口与供气管路连接，进气口倾斜向上，以使气体进入上筒体后向上流动，减缓微液滴的下落，增加微液滴的分散程度。
本发明与现有技术相比，利用上筒体的绞笼叶片的旋转搅拌减缓微液滴下落的速度，加大微液滴的分散程度，增加气液接触面积，增长微液滴的转化时间，提高转化率和储气率，同时，利用下筒体的绞笼杆的螺旋输运对水合物进行二次强化转化和输送，双绞笼反应釜的上筒体与下筒体的结构分布和连接方式可根据需求变化，将刚性连接的水合物通道变为柔性管路的连接通道时，能够实现上筒体和下筒体同时变换不同倾角，以达到各自最优倾角，获得最佳效果；其结构简单，将喷淋法和机械搅拌法有效结合，利用螺旋搅拌增强微液滴分散，强化气液对流，提高了转化率，通过双绞笼反应釜实现水合物的生产、输送和收集一体化，从而达到水合物高效和快速的连续化生产。
附图说明：
图1为本发明的主体结构的主视图。
图2为本发明涉及上筒体与下筒体柔性连接示意图。
图3为本发明涉及上筒体与下筒体V形连接示意图。
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：
本实施例涉及的双绞笼式水合物连续反应装置的主体结构包括储气罐1、双绞笼反应釜2、水罐3、水合物收集罐4和电机5；储气罐1通过供气管路10与双绞笼反应釜2连接，储气罐1上设置有一号压力传感器11和一号温度传感器12，供气管路10上顺着介质流动方向依次设置有送气阀13、气体流量控制器14和一号单向阀15；双绞笼反应釜2通过供水管路30与水罐3连接，供水管路30上顺着介质流动方向依次设置有恒流泵31和二号单向阀32；双绞笼反应釜2通过波纹管40与水合物收集罐4柔性连接，波纹管40的末端设置有阀门41；双绞笼反应釜2通过磁力传动搅拌杆50与电机5连接；双绞笼反应釜2的主体结构包括上筒体21、下筒体22、绞笼杆23、绞笼叶片24、喷液口25、二号温度传感器26、进气口27、二号压力传感器28和出料口29；上筒体21和下筒体22的内部均设置有绞笼杆23，绞笼杆23上设置有螺旋式结构的绞笼叶片24，上筒体21的上部开设有喷液口25，上筒体21的中部设置有二号温度传感器26，上筒体21的下部开设有进气口27，进气口27处设置有二号压力传感器28，下筒体22的尾端设置有带阀门的出料口29。
本实施例涉及的双绞笼式水合物连续反应装置使用时，置于设置有气体报警器300的恒温室400，恒温室400的温度调节范围为-20～50℃，能够为水合物生成提供适宜的环境；将双绞笼反应釜2装设于旋转支架(倾角调整范围为0°～90°)上，并调整至设定的倾角，将恒温室400的制冷温度设置为1℃，恒温室400对储气罐1、双绞笼反应釜2、水罐3和水合物收集罐4进行预冷，确保气体和水进入双绞笼反应釜2之前达到设定的反应温度；打开送气阀13向双绞笼反应釜2送气，当双绞笼反应釜2的压力达到6Mpa并维持恒定时，打开两个电机5，设置转速为90r/min，双绞笼反应釜2的温度达到设定的反应温度后，打开恒流泵31和二号单向阀32向双绞笼反应釜2供液，然后打开喷液口25，水以喷雾形式喷入双绞笼反应釜2形成微液滴，在上筒体21的绞笼叶片24的上旋搅拌作用下，气体与微液滴充分混合并快速生成水合物颗粒，水合物颗粒在重力作用下进入下筒体22，水合物颗粒在下筒体22的绞笼杆23的携带下向上输送，输送的过程中，水合物颗粒进行了二次强化转化，被逐级减小的绞笼叶片24挤压，实现压实，经过出料口29进入水合物收集罐4。
Claims (10)
1.一种双绞笼式水合物连续反应装置，其特征在于主体结构包括储气罐、双绞笼反应釜、水罐、水合物收集罐和电机；储气罐与双绞笼反应釜连接，双绞笼反应釜分别与水罐和水合物收集罐连接，双绞笼反应釜由电机驱动。
2.根据权利要求1所述的双绞笼式水合物连续反应装置其特征在于双绞笼反应釜的主体结构包括上筒体、下筒体、绞笼杆、绞笼叶片、喷液口、二号温度传感器、进气口、二号压力传感器和出料口；上筒体和下筒体的内部均设置有绞笼杆，绞笼杆上设置有螺旋式结构的绞笼叶片，上筒体的上部开设有喷液口，上筒体的中部设置有二号温度传感器，上筒体的下部开设有进气口，进气口处设置有二号压力传感器，下筒体的尾端设置有带球阀的出料口。
3.根据权利要求1或2所述的双绞笼式水合物连续反应装置，其特征在于储气罐通过供气管路与双绞笼反应釜连接，双绞笼反应釜通过供水管路与水罐连接，双绞笼反应釜通过波纹管与水合物收集罐柔性连接，双绞笼反应釜通过磁力传动搅拌杆与电机连接。
4.根据权利要求所述1或2的双绞笼式水合物连续反应装置，其特征在于储气罐上设置有一号压力传感器和一号温度传感器。
5.根据权利要求1所述的双绞笼式水合物连续反应装置，其特征在于供气管路上顺着介质流动方向依次设置有送气阀、气体流量控制器和一号单向阀；供水管路上顺着介质流动方向依次设置有恒流泵和二号单向阀，恒流泵能够连续、平稳地将水罐中的水供送至双绞笼反应釜；波纹管的末端设置有阀门。
6.根据权利要求2所述的双绞笼式水合物连续反应装置其特征在于上筒体与下筒体并列、柔性或V形连接；并列或V形连接时，上筒体与下筒体通过水合物通道连通；柔性连接时，上筒体与下筒体通过柔性管路连通，上筒体和下筒体的倾角根据需要调整。
7.根据权利要求2或6所述的双绞笼式水合物连续反应装置，其特征在于上筒体的绞笼叶片的螺距为14mm，工作时，绞笼叶片向上旋转，减缓微液滴的下落速度，加大微液滴的分散程度，进而增加气液接触面积，延长微液滴的转化时间，同时，绞笼叶片诱导的螺旋搅拌能够增加传质，促进水合物高效和快速生成；下筒体的绞笼叶片的螺距由下至上逐级减小，工作时，绞笼叶片向上旋转；上筒体中生成的水合物在重力的作用下进入下筒体，通过下筒体的绞笼杆的旋转作用向上输运，水合物在向上输运的过程中，进行二次强化转化，逐级减小的绞笼叶片对水合物进行压实。
8.根据权利要求3所述的双绞笼式水合物连续反应装置，其特征在于绞笼杆与磁力传动搅拌杆连接；喷液口与供水管路连接，喷液口处设置有喷头，以使水以微液滴形式喷入上筒体；进气口与供气管路连接，进气口倾斜向上，以使气体进入上筒体后向上流动，减缓微液滴的下落，增加微液滴的分散程度。
9.根据权利要求3所述的双绞笼式水合物连续反应装置，其特征在于使用时，置于设置有气体报警器的恒温室，恒温室的温度调节范围为-20～50℃，能够为水合物生成提供适宜的环境；将双绞笼反应釜装设于旋转支架上，并调整至设定的倾角，将恒温室的制冷温度设置为1℃，恒温室对储气罐、双绞笼反应釜、水罐和水合物收集罐进行预冷，确保气体和水进入双绞笼反应釜之前达到设定的反应温度；打开送气阀向双绞笼反应釜送气，当双绞笼反应釜的压力达到6Mpa并维持恒定时，打开两个电机，设置转速为90r/min，双绞笼反应釜的温度达到设定的反应温度后，打开恒流泵和二号单向阀向双绞笼反应釜供液，然后打开喷液口，水以喷雾形式喷入双绞笼反应釜形成微液滴，在上筒体的绞笼叶片的上旋搅拌作用下，气体与微液滴充分混合并快速生成水合物颗粒，水合物颗粒在重力作用下进入下筒体，水合物颗粒在下筒体的绞笼杆的携带下向上输送，输送的过程中，水合物颗粒进行了二次强化转化，被逐级减小的绞笼叶片挤压，实现压实，经过出料口进入水合物收集罐。
10.根据权利要求9所述的双绞笼式水合物连续反应装置，其特征在于双绞笼反应釜的耐压值为25MPa；电机为行星减速无刷电机；电机通过磁力传动搅拌杆将动力传递至绞笼杆，同时，对双绞笼反应釜进行高压密封；气体流量控制器能够精确测量气体流量；上筒体和下筒体的内壁、绞笼杆以及绞笼叶片均做超疏水处理，以使微液滴从上筒体顺畅的流入下筒体，避免水合物贴壁生长，发生堵塞。
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