CN112316859A - 一种强化气体水合物生成的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种强化气体水合物生成的装置和方法，所述装置包括外壳和进气管，所述外壳的一端设有进料口，所述外壳的另一端设有出料口，所述外壳的内部沿流动方向依次设有渐窄部、第一流速加强部、气液混合区、第二流速加强部和渐宽部，所述进气管的出气端设于所述气液混合区内。本发明的装置结构简单，加工及组装难度低，其可连续生成水合物，还可显著加强气液两相的对冲效果，从而强化水合物生成，并使生成的水合物始终处于高速流动状态，防止水合物粘壁和积聚，从而防止装置堵塞，具有工业化应用价值。

Description

一种强化气体水合物生成的装置和方法

技术领域

本发明涉及气体水合物生成和气体分离技术领域，尤其涉及一种强化气体水合物生成的装置和方法。

背景技术

当前传统的气体分离技术主要有化学吸收、物理吸附、深冷分离和膜分离等。在工业化应用中，每种气体分离技术都有自己的优点和缺点。例如,化学吸收法只能适用于特定的气体种类，能量消耗和投资都很大，且化学试剂溶液对设备有腐蚀，影响设备寿命；物理吸附法主要用于分压条件高的气体，适用范围窄，且分离效率低，气体回收率不高；深冷分离法能够得到纯度非常高的产品，但是设备投资和能耗都很高；膜分离法对原料气洁净度要求高，而且膜容易受到部分物质的破坏，需要进行原料气预处理，一旦膜有损坏就需要及时修复和处理，甚至需要经常更换。气体水合物分离技术是新近开发的气体分离技术，该技术流程简单，且由于过程中工作液一直在装置内循环流动，不会对外排出废液，对环境友好，是一种新型环保气体分离技术，在多年的研究基础上，现已经取得一定进展。

气体水合物是一种以水分子为主体，客体气体小分子如甲烷、乙烷、丙烷、二氧化碳和硫化氢等形成的非计量性类冰状晶体混合物，是在低温高压条件下，水分子之间通过氢键相连，形成一系列大小不同，结构不同的笼状多面体孔穴主体，然后客体气体小分子进入到这些孔穴中并稳定存在，一旦压力温度条件改变，主体的笼状多面体孔穴就会解散，客体的气体小分子也会随之解析出来。由于不同气体分子形成气体水合物的相平衡条件不同，所以在相同条件下，水合物对气体分子具有选择性，同等条件下更易生成水合物的气体分子更优先进入形成气体水合物，所以混合气体生成水合物后，水合物相和平衡气相中气体组成会发生变化，水合物相富集更多易生成水合物的气体，而平衡气中则富集更多难生成水合物的气体，从而实现了利用水合物法分离混合气的目的。

当前气体水合物分离技术还处于实验室研究阶段，大部分科研工作者主要研究气体水合物的生成热力学、动力学等方面。关于水合物的工业化应用研究较少，本发明主要针对水合物的生成强化，提出一种具有工业化应用价值的水合物生成强化设备及方法。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种强化气体水合物生成的装置和方法。本发明的装置能连续生成水合物，并能强化水合物生成，不会发生堵塞，适合工业化应用。

为实现其目的，本发明采取的技术方案如下：

一种强化气体水合物生成的装置，其包括外壳和进气管，所述外壳的一端设有进料口，所述外壳的另一端设有出料口，所述外壳的内部沿流动方向依次设有渐窄部、第一流速加强部、气液混合区、第二流速加强部和渐宽部，所述进气管的出气端设于所述气液混合区内。

进一步地，所述外壳为耐高压外壳，其内部为长方体空腔。

进一步地，所述渐窄部为在流动方向上渐窄，所述渐宽部为在流动方向上渐宽。

进一步地，所述外壳的内部设有第一导流结构体，所述第一导流结构体的外凸曲面与所述外壳的内壁形成所述渐窄部和所述第一流速加强部。

进一步地，所述外壳的内部设有第二导流结构体，所述第二导流结构体的水平顶面与所述外壳的内壁形成所述第二流速加强部，所述第二导流结构体的直斜面与所述外壳的内壁形成所述渐宽部。

进一步地，所述外壳的内部还设有第一回旋涡流部和第二回旋涡流部。

进一步地，所述第一导流结构体的内凹曲面形成所述第一回旋涡流部，所述第二导流结构体的内凹曲面形成所述第二回旋涡流部。

所述第一回旋涡流部与所述第二回旋涡流部构成一个半封闭的椭圆空间(即涡流循环空间)，气液固混合物在该空间内高速循环流动，使水合物生成后始终处于高速运动状态，不会粘壁和积聚，从而防止装置堵塞。同时，在气液固混合物高速循环流动的过程中，部分气液固混合物在经过所述第二回旋涡流部后，从所述第二流速加强部被高速甩出。

进一步地，所述第一导流结构体的内凹曲面和外凸曲面、以及所述第二导流结构体的内凹曲面均为平滑过渡的圆曲面。

进一步地，所述第一回旋涡流部的曲面半径小于所述第二回旋涡流部的曲面半径，所述第一回旋涡流部的弧度大于所述第二回旋涡流部的弧度。如此，所述第一回旋涡流部可加强气液固混合物的循环流动，所述第二回旋涡流部利于部分气液固混合物从所述第二流速加强部甩出。

进一步地，所述进气管的出气口靠近所述第一流速加强部，所述进气管的出气端以一定的倾斜角度伸入所述气液混合区内，所述倾斜角度为30°～60°。如此，可进一步促使高速进入的工作液与逆流的气体充分撞击混合反应，使水合物更快速生成。

进一步地，所述第一导流结构体和所述第二导流结构体与所述外壳为一体连接。

本发明中，经过冷却处理的工作液从所述装置的进料口进入，然后在所述渐窄部的引流作用下进入所述第一流速加强部，所述渐窄部和所述第一流速加强部可对工作液起到增速作用，使工作液以高速流入所述气液混合区。同时，所述进气管以倾斜角度伸入所述气液混合区且其出气口靠近所述第一流速加强部的出口。如此，高速流入的工作液直接到达所述出气口附近，使工作液与逆流气体的撞击混合得到强化，从而强化水合物生成。

工作液与气体反应生成水合物后形成气液固混合物，在所述第一回旋涡流部和所述第二回旋涡流部的引流作用下，气液固混合物在内部高速循环流动，使水合物生成后始终处于高速运动状态，防止水合物粘壁和积聚，避免装置堵塞。同时，在气液固混合物高速循环流动的过程中，由于离心作用，部分气液固混合物在经过所述第二回旋涡流部后，会从所述第二流速加强部被高速甩出。甩出后的气液固混合物进入所述渐宽部并进一步混合，进一步促进水合物生成。最后，气液固混合物从所述出料口排出，并配合现有的水合物分离器进行分离。

本发明还提供了一种强化气体水合物生成的方法，所述方法包括采用本发明所述的强化气体水合物生成的装置生成水合物，还包括如下步骤：

(1)从所述装置的进料口输入冷却到反应温度的工作液；

(2)工作液从所述进料口进入后，在所述渐窄部的引流作用下进入所述第一流速加强部；

(3)工作液从所述第一流速加强部流出后，进入所述气液混合区，并与所述进气管输出的逆流气体撞击混合，生成水合物，形成包含水合物、气体和工作液的气液固混合物；

(4)在所述第一回旋涡流部和所述第二回旋涡流部的引流作用下，所述气液固混合物在所述装置的内部循环流动，且部分所述气液固混合物从所述第二流速加强部甩出；

(5)甩出的所述气液固混合物进入所述渐宽部，最后经所述出料口排出。

优选地，所述方法中，控制所述进料口的进液流速在0.8m/s以上。如此，工作液在进入所述气液混合区时，流速可增加到3m/s以上。

优选地，所述方法中，所述进气管的进气速率按照标态下气体体积气液比进气，气液比不大于500。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明的装置结构简单，加工及组装难度低，其可连续生成水合物，还可显著加强气液两相的对冲效果，从而强化水合物生成，并使生成的水合物始终处于高速流动状态，防止水合物粘壁和积聚，从而防止装置堵塞，具有工业化应用价值。

附图说明

图1为本发明所述强化气体水合物生成的装置的结构示意图。

图中，外壳1、进气管2、进料口3、出料口4、第一导流结构体5、第二导流结构体6、渐窄部7、第一流速加强部8、第一回旋涡流部9、第二回旋涡流部10、第二流速加强部11、渐宽部12、气液混合区13、出气口14。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，本发明通过下列实施例进一步说明。显然，下列实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。应理解，本发明实施例仅用于说明本发明的技术效果，而非用于限制本发明的保护范围。

实施例1

本实施例1提供一种强化气体水合物生成的装置，如图1所示，该装置包括耐高压的外壳1和进气管2。其中，外壳1的一端设有进料口3，另一端设有出料口4。外壳1的内部为长方体空腔，且一体连接设有第一导流结构体5和第二导流结构体6。第一导流结构体5靠近进料口3，第二导流结构体6靠近出料口4，且第一导流结构体5与第二导流结构体6之间的空间构成气液混合区13。

第一导流结构体5具有外凸曲面和内凹曲面，其外凸曲面与外壳1的内壁构成在流动方向上渐窄的渐窄部7和第一流速加强部8，渐窄部7和第一流速加强部8依次位于进料口3的后方，其内凹曲面构成第一回旋涡流部9。

第二导流结构体6具有内凹曲面、水平顶面和直斜面，其内凹曲面构成第二回旋涡流部10，其水平顶面与外壳1的内壁构成第二流速加强部11，其直斜面与外壳1的内壁构成在流动方向上渐宽的渐宽部12，第二回旋涡流部10、第二流速加强部11和渐宽部12沿流动方向依次设置。

进气管2的出气端以30°～60°的倾斜角度伸入气液混合区内13，且进气管2的出气口14靠近第一流速加强部8。

第一流速加强部8和第二流速加强部11的长度不限于附图所示长度，可根据实际需要将其长度加长或缩短。

工作液从进料口3进入后，在渐窄部7的引流作用下进入第一流速加强部8，渐窄部7和第一流速加强部8可对工作液起到增速作用，使工作液以高速流入气液混合区13。同时，进气管2以倾斜角度伸入气液混合区13且其出气口14靠近第一流速加强部8的出口。如此，高速流入的工作液直接到达出气口附近，使工作液与逆流气体的撞击混合得到强化，从而强化水合物生成。

第一回旋涡流部9与第二回旋涡流部10构成一个半封闭的椭圆空间(即涡流循环空间)，工作液与气体反应生成水合物后形成气液固混合物，气液固混合物在该空间内高速循环流动，使水合物生成后始终处于高速运动状态，不会粘壁和积聚，从而防止装置堵塞。同时，在气液固混合物高速循环流动的过程中，由于离心作用，部分气液固混合物在经过第二回旋涡流部10后，会从第二流速加强部11被高速甩出。甩出后的气液固混合物进入渐宽部12并进一步混合，进一步促进水合物生成。最后，气液固混合物从出料口4排出，并配合现有的水合物分离器进行分离。

本实施例中，第一导流结构体5的内凹曲面和外凸曲面、以及第二导流结构体6的内凹曲面均为平滑过渡的圆曲面。且第一导流结构体5的内凹曲面(即第一回旋涡流部9)的曲面半径小于第二导流结构体6的内凹曲面(即第二回旋涡流部10)的曲面半径，第一回旋涡流部9的弧度大于第二回旋涡流部10的弧度。如此，第一回旋涡流部可加强气液固混合物的循环流动，第二回旋涡流部利于部分气液固混合物从第二流速加强部甩出。

实施例2

本实施例2提供一种强化气体水合物生成的方法，具体为通过实施例1的装置来实现强化水合物生成的目的。

工作液的主要组成为水，并可适当添加苯磺酸钠、四丁基溴化铵、四氢呋喃、儿茶素、葡萄糖苷等热力学和动力学促进剂。进气管2向装置内输入的气体(即原料混合气)为可由多种气体以不同配比组成，主要由烷烃类气体、烯烃类气体、二氧化碳、氮气、氢气、一氧化碳等组成，实际应用中，根据不同气体种类和比例选择合适的压力、温度条件。

本实施例中，按体积百分比计，原料混合气由80％的氢气、10％的甲烷、5％的乙烷、3％的丙烷和2％的杂质气体组成。进气管2的进气速率按照标态下气体体积气液比进气，气液比不大于500。如图1所示，经过冷却后的过冷工作液以0.8m/s以上的流速由进料口3进入实施例1的装置内，经过渐窄部7和第一流速加强部8后，工作液流速增加，达到3m/s以上，并且与进气管2输入的常温混合气逆流冲撞混合。此时，过冷的工作液将原料混合气降温达到反应温度，由于装置内的压力设定已经达到反应压力，因此水合物可立即在装置内生成，使装置内的流体为气液固混合相。在高速工作液的推动下，以及在第一回旋涡流部9和第二回旋涡流部10的引流下，混合相在装置的气液混合区13内高速循环运动，起到防止水合物粘壁积聚的作用。其中，在离心作用下，部分混合相经过第二回旋涡流部10后，从第二流速加强部11被高速甩出，然后经渐宽部12和出料口4离开装置。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种强化气体水合物生成的装置，其特征在于，所述装置包括外壳和进气管，所述外壳的一端设有进料口，所述外壳的另一端设有出料口，所述外壳的内部沿流动方向依次设有渐窄部、第一流速加强部、气液混合区、第二流速加强部和渐宽部，所述进气管的出气端设于所述气液混合区内。

2.如权利要求1所述的强化气体水合物生成的装置，其特征在于，所述渐窄部为在流动方向上渐窄，所述渐宽部为在流动方向上渐宽。

3.如权利要求1所述的强化气体水合物生成的装置，其特征在于，所述外壳的内部设有第一导流结构体，所述第一导流结构体的外凸曲面与所述外壳的内壁形成所述渐窄部和所述第一流速加强部。

4.如权利要求3所述的强化气体水合物生成的装置，其特征在于，所述外壳的内部设有第二导流结构体，所述第二导流结构体的水平顶面与所述外壳的内壁形成所述第二流速加强部，所述第二导流结构体的直斜面与所述外壳的内壁形成所述渐宽部。

5.如权利要求4所述的强化气体水合物生成的装置，其特征在于，所述外壳的内部还设有第一回旋涡流部和第二回旋涡流部。

6.如权利要求5所述的强化气体水合物生成的装置，其特征在于，所述第一导流结构体的内凹曲面形成所述第一回旋涡流部，所述第二导流结构体的内凹曲面形成所述第二回旋涡流部。

7.如权利要求6所述的强化气体水合物生成的装置，其特征在于，所述第一导流结构体的内凹曲面和外凸曲面、以及所述第二导流结构体的内凹曲面均为平滑过渡的圆曲面。

8.如权利要求6所述的强化气体水合物生成的装置，其特征在于，所述第一回旋涡流部的曲面半径小于所述第二回旋涡流部的曲面半径，所述第一回旋涡流部的弧度大于所述第二回旋涡流部的弧度。

9.如权利要求1所述的强化气体水合物生成的装置，其特征在于，所述进气管的出气口靠近所述第一流速加强部，所述进气管的出气端以一定的倾斜角度伸入所述气液混合区内，所述倾斜角度为30°～60°。

10.一种强化气体水合物生成的方法，其特征在于，所述方法包括采用如权利要求1～9任一项所述的强化气体水合物生成的装置生成水合物，还包括如下步骤：

(1)从所述装置的进料口输入冷却到反应温度的工作液；

(2)工作液从所述进料口进入后，在所述渐窄部的引流作用下进入所述第一流速加强部；

(3)工作液从所述第一流速加强部流出后，进入所述气液混合区，并与所述进气管输出的逆流气体撞击混合，生成水合物，形成包含水合物、气体和工作液的气液固混合物；

(4)在所述第一回旋涡流部和所述第二回旋涡流部的引流作用下，所述气液固混合物在所述装置的内部循环流动，且部分所述气液固混合物从所述第二流速加强部甩出；

(5)甩出的所述气液固混合物进入所述渐宽部，最后经所述出料口排出。

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