CN112705132A - 一种气体水合物快速连续生成及制饼装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种气体水合物快速连续生成及制饼装置和方法,气体供应模块提供的气体经微纳米气泡制备模块生成微纳米气泡,微纳米气泡和纳米流体供应模块提供的纳米流体进入水合物生成模块,微纳米气泡和纳米流体在水合物生成模块中反应得到水合物浆液,水合物浆液经水合物浆液过滤模块过滤后得到气体水合物,过滤后的滤液回流至纳米流体供应模块;水合物浆液过滤模块过滤后得到的气体水合物经水合物制饼模块压制成饼状,然后转移至水合物饼收集储存模块中储存。本发明可有效避免水合物生成热排除并能连续化生产,实现气体水合物的高效生成,成本低廉。

Description

一种气体水合物快速连续生成及制饼装置和方法
技术领域
本发明涉及水合物储运技术,具体为一种气体水合物快速连续生成及制饼装置和方法。
背景技术
水合物储运技术是通过一定工艺将天然气转化为固态水合物形式进行储存、运输及利用,其相比管道输送、LNG及高压容器等传统方式具有明显优势。水合物储运技术不仅可作为衔接天然气开发、利用的关键环节,同时也在气体分离、CO2捕获、海水淡化、溶液浓缩及储能利用等领域凸显出了巨大的技术集成潜力。水合物生成是一个涉及相变、热质传递的动力学过程。诸多水合物应用技术及其工业化实施的关键在于如何快速、连续制备水合物。因此,若能充分提高气液接触,强化热质传递,必然能提高水合物的生成效率。
目前已尝试了物理法(如搅拌、喷雾及鼓泡等),热力学促进剂(如THF、TBAB及CP等),动力学促进剂(如SDS、SDBS及纳米颗粒等)及外场(如超声波、微波及超重力场等)等来促进水合物生成,其在缩短诱导时间、增加生成速率及提高储气能力等方面取得了较大成效。但单一手段均会存在不同程度的缺陷,如物理法会受到水合物生成热排除、高能耗及连续化生产等制约;热力学促进剂本身会参与水合反应;纳米颗粒过量添加会发生团聚,不利于水合物生成;外场则会增加设备投资,均不是理想的方法。即现有技术大多停留在反应釜内部构造的改造设计、热力学促进剂或动力学促进剂的复配优选,未能根本上解决水合物生成过程中气液接触不足及热质传递效益差等技术难题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题,本发明提供一种气体水合物快速连续生成及制饼装置和方法,可有效避免水合物生成热排除并能连续化生产,实现气体水合物的高效生成,成本低廉。
本发明是通过以下技术方案来实现:
一种气体水合物快速连续生成装置,包括气体供应模块、微纳米气泡制备模块、纳米流体供应模块、水合物生成模块、水合物浆液过滤模块;
气体供应模块提供的气体经微纳米气泡制备模块生成微纳米气泡,微纳米气泡和纳米流体供应模块提供的纳米流体进入水合物生成模块,微纳米气泡和纳米流体在水合物生成模块中反应得到水合物浆液,水合物浆液经水合物浆液过滤模块过滤后得到气体水合物,过滤后的滤液回流至纳米流体供应模块;
所述纳米流体是将CuO纳米颗粒或Fe3O4纳米颗粒与表面活性剂加入水中复配得到。
优选的,所述气体供应模块包括气源,所述微纳米气泡制备模块包括纳米气泡发生器,所述纳米流体供应模块包括原料罐,所述水合物生成模块包括反应釜;
气源的气体出口通过气体管路与纳米气泡发生器的气体入口连接,纳米气泡发生器的气泡出口与反应釜底部的气泡入口连接;原料罐的纳米流体出口与反应釜顶部的纳米流体入口连接。
进一步的,水合物浆液过滤模块包括管式过滤器和旋流过滤器;反应釜底部的气体水合物浆液出口依次与管式过滤器和旋流过滤器连接;管式过滤器和旋流过滤器的滤液出口均与原料罐连接。
进一步的,气体管路上设置有减压阀、增压泵和单向止回阀。
一种气体水合物快速连续生成制饼装置,包括所述气体水合物快速连续生成装置,还包括水合物制饼模块及水合物饼收集储存模块;水合物浆液过滤模块过滤后得到的气体水合物经水合物制饼模块压制成饼状,然后转移至水合物饼收集储存模块中储存。
优选的,水合物制饼模块包括往复运动活塞缸体,复运动活塞缸体内设有呈滤网结构设置的往复运动活塞,经往复运动活塞压滤得到的滤液回流至原料罐。
一种气体水合物快速连续生成方法,将气体生成微纳米气泡,将CuO或Fe3O4纳米颗粒与表面活性剂加入水中复配得到纳米流体,将微纳米气泡与纳米流体混合反应得到气体水合物浆液,将气体水合物浆液过滤得到气体水合物。
优选的,表面活性剂为SDS。
一种气体水合物快速连续生成制饼方法,基于所述的气体水合物快速连续生成方法,将过滤得到的气体水合物压滤,得到滤饼。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
本发明气体水合物快速连续生成装置,使用时,通过微纳米气泡制备模块将气体生成微纳米气泡,将纳米颗粒与表面活性剂的复配溶液和微纳米气泡在水合物生成模块中反应,采用纳米气泡工艺强化气液接触、增加气体溶解,通过表面活性剂增加气体溶解、阻碍纳米颗粒聚结,纳米颗粒促进水合物成核、生长;本发明通过多原理协同方式增加气液接触、强化气液间的热质传递,进而提高气体水合物的生成制备效率,无需机械搅拌或复杂的反应釜构造,可有效避免水合物生成热排除及连续化生产,实现气体水合物的高效生成。本发明结构合理,方案合理,容易实现,满足工业化生产需求,成本低廉,可广泛应用于水合物储运、CO2捕获、溶液浓缩及储能利用等技术领域。
本发明装置结合往复运动式活塞缸体压缩制备水合物饼以供便捷储运。
进一步的,采用呈滤网结构设置的往复运动活塞,能实现压滤的效果,将还含有的少量液体滤出回收使用。
本发明制备方法,纳米气泡与纳米流体可协同在静态环境下促进气体水合物生成,无需借助机械搅拌或反应釜内部构造复杂化;通过表面活性剂增加气体溶解、阻碍纳米颗粒聚结,解决了纳米颗粒聚结缺陷,纳米颗粒促进水合物成核、生长;采用纳米气泡工艺强化气液接触、增加气体溶解,解决了气体溶解不充分、气液接触效率低等问题,实现了水合物连续生产过程。
进一步的,表面活性剂SDS促进水合物生成效果显著且SDS不会影响水合物晶型结构。
附图说明
图1是本发明一种气体水合物快速连续生成、制饼装置及方法工作流程示意图。
其中:1-气源,2-减压阀,3-增压泵,4-1-第一单向止回阀,4-2-第二单向止回阀,4-3-第三单向止回阀,4-4-第四单向止回阀,4-5-第五单向止回阀,5-纳米气泡发生器,6-反应釜,7-原料罐,8-1-第一循环泵,8-2-第二循环泵,9-管式过滤器,10-旋流过滤器,11-往复运动活塞缸体,12-低温储运罐。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明,所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明所述的气体水合物快速连续生成装置,包括气体供应模块、微纳米气泡制备模块、纳米流体供应模块、水合物生成模块、水合物浆液过滤模块;
气体供应模块提供的气体经微纳米气泡制备模块生成微纳米气泡,微纳米气泡和纳米流体供应模块提供的纳米流体进入水合物生成模块,微纳米气泡和纳米流体在水合物生成模块中反应得到水合物浆液,水合物浆液经水合物浆液过滤模块过滤后得到气体水合物,过滤后的滤液回流入纳米流体供应模块。
所述微纳米气泡为天然气或CO2气体经微纳米气泡发生器产生制备的直径小于100μm的微纳米气泡。微纳米气泡可增加气体与溶液的接触效率,提高溶液中气体的溶解度。
所述纳米流体是将CuO纳米颗粒或Fe3O4纳米颗粒与表面活性剂SDS加入水中复配得到。纳米CuO或Fe3O4、SDS可显著缩短气体水合物生成诱导时间,提高水合物储气能力,促进水合物生成。
如图1,所述气体供应模块包括气源1,所述微纳米气泡制备模块包括纳米气泡发生器5,所述纳米流体供应模块包括原料罐7,所述水合物生成模块包括反应釜6,水合物浆液过滤模块包括管式过滤器9和旋流过滤器10。气源1的气体出口通过气体管路与纳米气泡发生器5的气体入口连接,气体管路上设置有减压阀2、增压泵3和第一单向止回阀4-1。纳米气泡发生器5的气泡出口与反应釜底部的气泡入口连接。原料罐7的纳米流体出口通过第一循环泵8-1与反应釜6顶部的纳米流体入口连接。反应釜6底部的气体水合物浆液出口经第二循环泵8-2依次与管式过滤器9和旋流过滤器10连接。管式过滤器9和旋流过滤器10的滤液出口均与原料罐7连接。
本发明所述的气体水合物快速连续生成制饼装置,是在上述气体水合物快速连续生成装置的基础上增加水合物制饼模块及水合物饼收集储存模块。过滤后得到的气体水合物经水合物制饼模块压制成饼状,然后转移至水合物饼收集储存模块中储存。
水合物制饼模块包括往复运动活塞缸体11,旋流过滤器10的气体水合物出口与往复运动活塞缸体11内腔体连通。复运动活塞缸体11内设有呈滤网结构设置的往复运动活塞,经往复运动活塞压滤得到的滤液回流至原料罐7。所述水合物饼收集储存模块包含低温储存罐12。
反应釜输出管路第二单向止回阀4-2和第三单向止回阀4-3,滤液回流管路上设置有第四单向止回阀4-4和第五单向止回阀4-5。
本发明中原料罐7、反应釜6、低温存储罐12及往复活塞式缸体11均为316不锈钢材质,耐压值为25MPa,低温存储罐12外层包裹有恒温隔热材料。
本发明所述的气体水合物快速连续生成方法,包括以下步骤:
(1)气源中气体经过减压阀、增压泵后进入纳米气泡发生器,产生的微纳米气泡经过底部进入反应釜,同时纳米颗粒与表面活性剂在原料罐内充分搅拌混合均匀后,经离心泵通过反应釜顶部输入至水合物反应釜内;
(2)反应釜内微纳米气泡与纳米流体充分混合溶解,在高压低温条件下发生反应生成固态气体水合物,所得气体水合物浆液经管式过滤器、旋流过滤器过滤,得到气体水合物,滤液回流至原料罐。
本发明所述的气体水合物快速连续生成、制饼方法,是将上述方法中旋流过滤器过滤得到的气体水合物输送至往复运动式活塞缸体;在往复运动式活塞缸体内,气体水合物经带有滤网的往复运动活塞压滤成圆饼状,直至压缩至特定厚度,打开往复运动式活塞缸体底部,卸下水合物饼至低温储存罐,其中过滤的纳米流体经排除管路回流至原料罐。通过原料罐内充分混合后,再次进入反应釜和气体生成气体水合物,如此往复,形成一个气体水合物连续生成的循环工艺。
本发明中的气体经纳米气泡发生器雾化后形成微纳米气泡,显著增加了其比表面积,极大地提高了其在水溶液中的溶解度。同时,其在水溶液中能够长时间停留,大大增加了气体与水溶液的接触效率。此外,本发明中纳米流体为纳米颗粒与表面活性剂复配而成,避免了纳米颗粒自身的聚结及表面活性剂的强化传质减速现象。简而言之,本发明是利用纳米气泡特殊物理化学效应及纳米流体强化气体水合物生成过程两个关键技术环节来提高气体水合物生成效率,结合往复运动式活塞缸体压缩制备气体水合物饼。本发明同时集结了气体增溶、促进气体水合物成核及强化气液热质传递等诸多优势,进一步强化了气体水合物的生成效率,具有工艺简单可行、能耗成本低及效率高等优势,可广泛应用于气体水合物的生成过程。
在本发明中,纳米流体是0.03wt%~0.3wt%的纳米颗粒CuO或Fe3O4与0.03wt%~0.1wt%的SDS表面活性剂复配溶液,纳米颗粒为水合物提供成核点,强化气液传质,SDS阻碍纳米颗粒聚结,缩短水合物诱导时间,两者复配可显著促进水合物生成。本发明优选可制备直径小于100μm的微纳米气泡发生器,无需昂贵精细设备,从而节省成本。
实施气体水合物快速连续生成、制饼方法的装置中气源可自由选择管输气、LNG气、富CO2气源或其他有效的可以与水溶液生成水合物的天然气或CO2气源,本发明中已气瓶作为替代;原料罐及低温储运罐可以自由混合或存储容器、设备或者任何可以实现本发明方法用于混合存储的容器,本发明优选储罐。本发明中所使用的原料或组分若无特殊说明均可以通过商业途径或常规方法制得。
本发明利用纳米气泡及纳米流体增加气体溶解、促进水合物成核及强化气液热质传递,进而提高水合物生成效率,无需机械搅拌或复杂的反应釜构造。与现有公开的物理化学法强化气体水合物生成工艺相比:一是本技术采用纳米流体在静态条件下生成水合物,技术核心是通过表面活性剂增加气体溶解、阻碍纳米颗粒聚结,纳米颗粒促进水合物成核、生长;二是采用纳米气泡工艺强化气液接触、增加气体溶解,而现有技术多依赖于搅拌或复杂反应釜内部构造;三是结合往复活塞缸体完成了水合物制饼工艺,实现了水合物连续生产过程。具体效果如下:(A)本发明靠纳米气泡发生器产生微纳米气泡,解决了气体溶解不充分、气液接触效率低等问题;(B)本发明利用表明活性剂SDS复配纳米颗粒制备纳米流体,解决了纳米颗粒聚结缺陷,为水合物成核、生长提供了便利;(C)纳米气泡与纳米流体可协同在静态环境下促进气体水合物生成,无需借助机械搅拌或反应釜内部构造复杂化;(D)本发明采用往复式活塞缸体压缩制备水合物饼,可快速实现水合物模型化储运;(E)本发明结构合理,方案合理,工艺简单,容易实现,满足工业化生产需求,成本低廉,可广泛应用于水合物储运、CO2捕获、溶液浓缩及储能利用等技术领域。

Claims (9)

1.一种气体水合物快速连续生成装置,其特征在于,包括气体供应模块、微纳米气泡制备模块、纳米流体供应模块、水合物生成模块、水合物浆液过滤模块;
气体供应模块提供的气体经微纳米气泡制备模块生成微纳米气泡,微纳米气泡和纳米流体供应模块提供的纳米流体进入水合物生成模块,微纳米气泡和纳米流体在水合物生成模块中反应得到水合物浆液,水合物浆液经水合物浆液过滤模块过滤后得到气体水合物,过滤后的滤液回流至纳米流体供应模块;
所述纳米流体是将CuO纳米颗粒或Fe3O4纳米颗粒与表面活性剂加入水中复配得到。
2.根据权利要求1所述的气体水合物快速连续生成装置,其特征在于,所述气体供应模块包括气源(1),所述微纳米气泡制备模块包括纳米气泡发生器(5),所述纳米流体供应模块包括原料罐(7),所述水合物生成模块包括反应釜(6);
气源(1)的气体出口通过气体管路与纳米气泡发生器(5)的气体入口连接,纳米气泡发生器(5)的气泡出口与反应釜底部的气泡入口连接;原料罐(7)的纳米流体出口与反应釜(6)顶部的纳米流体入口连接。
3.根据权利要求2所述的气体水合物快速连续生成装置,其特征在于,水合物浆液过滤模块包括管式过滤器(9)和旋流过滤器(10);反应釜(6)底部的气体水合物浆液出口依次与管式过滤器(9)和旋流过滤器(10)连接;管式过滤器(9)和旋流过滤器(10)的滤液出口均与原料罐(7)连接。
4.根据权利要求2所述的气体水合物快速连续生成装置,其特征在于,气体管路上设置有减压阀(2)、增压泵(3)和单向止回阀。
5.一种气体水合物快速连续生成制饼装置,其特征在于,包括权利要求1-4任一项所述的装置,还包括水合物制饼模块及水合物饼收集储存模块;水合物浆液过滤模块过滤后得到的气体水合物经水合物制饼模块压制成饼状,然后转移至水合物饼收集储存模块中储存。
6.根据权利要求5所述的气体水合物快速连续生成制饼装置,其特征在于,水合物制饼模块包括往复运动活塞缸体(11),复运动活塞缸体(11)内设有呈滤网结构设置的往复运动活塞,经往复运动活塞压滤得到的滤液回流至原料罐(7)。
7.一种气体水合物快速连续生成方法,其特征在于,将气体生成微纳米气泡,将CuO或Fe3O4纳米颗粒与表面活性剂加入水中复配得到纳米流体,将微纳米气泡与纳米流体混合反应得到气体水合物浆液,将气体水合物浆液过滤得到气体水合物。
8.根据权利要求7所述的气体水合物快速连续生成方法,其特征在于,表面活性剂为SDS。
9.一种气体水合物快速连续生成制饼方法,其特征在于,基于权利要求7或8所述的方法,将过滤得到的气体水合物压滤,得到滤饼。
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