CN113082983B - 一种基于气体节流技术的连续式水合物法分离二氧化碳和氢气的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水合物应用技术领域，提供了一种基于气体节流技术的连续式水合物法分离CO2和H2的系统。混合气体通过气体节流装置后进入水合物生成室，获得瞬时低温。在水/柴油乳液中加入阻聚剂，同时利用水/柴油乳液的流动性，加快了水合物生成，使得乳液中的水近乎均匀分布，阻止了水合物生成时聚集而造成管道堵塞。根据气体水合物的密度和乳液密度的差异，设置了溢出孔，达到了生成即排出的效果，阻止了水合物聚集堵塞。水合物生成室和分解室相连接，水合物生成产生的热量通过导热介质传输到水合物分解室。本发明利用水合物技术是实现了快速、连续、无堵塞的混合气体分离，通过吸收‑水合耦合的方式，最大限度的降低分离装置成本的投入。
Description
技术领域
本发明属于水合物应用技术领域，涉及到一种基于气体节流技术的连续式水合物法分离CO2和H2的系统。
背景技术
关于气体混合物分离，已经有许多成熟的技术，包括精馏、吸收、变压吸附以及膜分离等。目前氢气的回收通常是采用变压吸附和膜分离法，但这两种分离方法用于高压加氢和合成氨装置弛放气上并不经济。原因在于变压吸附操作压力低，需要将高压弛放气减压至变压吸附装置能承受的操作压力，而提浓后的氢气需再次增大压缩比增压后才能返回反应器，这样必然造成能耗和设备投资的增加。膜分离法虽然比较适合压力高的气源，但由于得到的富氢产品在膜的低压侧，氢分压降低十分显著，也需要大压缩比增压后才能返回反应器，同样造成能耗的增加。而水合分离类似于反应吸收，操作压力越高越好，对压力没有上限要求。
对于低沸点气体混合物的分离，水合物法与这些传统分离方法相比，有其独特的优点。首先，相较于精馏法需要在低温下分离低沸点气体混合物的限制性，水合法可在零度以上进行分离，大大提高了分离的操作温度，既可以节省能耗也可以降低设备投资。其次，与变压吸附和膜分离相比，水合法具有压力损失小，分离效率高等优点，在特定背景下具有竞争优势。由于水合物分离气体混合物技术具有节能、高效、无污染等优点，使得采用水合法在炼厂催化干气分离回收氢气和C2组分以及改造乙烯裂解气深冷分离流程中去掉昂贵的冷箱、降低脱甲烷塔冷负荷或完全代替深冷分离流程，具有很好的工业应用前景。虽然水合分离技术相比较于其他气体分离方法有一定的优势，但是也存在一些问题。例如，第一，采用单独水合分离技术时，生成的水合物呈现固体冰状，一方面固体水合物容易堵塞设备，另一方面固体水合物没有流动特性，而无法实现连续的气体分离，使得整个分离过程效率较低；第二，由于水合物的快速聚结，被水合物包裹的液体水很难与气体分子进一步分离，因此整个分离过程的水合速率很慢、水转化率较低，即使有水合物促进剂的促进作用，效果也不是太理想。
因此，单独的气体分离技术要实现产业化应用，必须解决水合速率慢、水合分离效率低和水合物聚集堵塞三大主要技术难题。对此，本发明为了解决上述存在的问题提出一种基于气体节流技术的连续式水合物法分离CO2和H2的系统与装置。
发明内容
本发明提供了一种基于气体节流技术的连续式水合物法分离CO2和H2的系统与装置，将CO2和H2的混合气体通过水合物技术将两者分离开来，分别进一步提高CO2和H2的提纯浓度。本发明通过分析对比不同气体混合物分离的相关技术，提出一种系统，利用气体节流技术为水合物生成创造低温条件，利用增压泵为水合物生成创造高压条件，利用水合物法的来连续分离CO2和H2，同时创新性地提出在系统上加入常温水循环系统，无需在分离气体时投入大量的热成本，无需水合物生成投入冷却装置和水合物分解投入加热装置，可以大大降低分离气体的投资成本，为一种基于气体节流技术的连续式水合物法分离CO2和H2提供了一种可实现工业化的经济性系统。
本发明的技术方案如下：
一种基于气体节流技术的连续式水合物法分离CO2和H2的系统，包括水合物反应系统、气体节流系统、进气系统、水循环系统、气体收集系统、水/柴油乳液系统、调节系统和计算机数据采集系统；
水合物反应系统包括水合物生成室35和水合物分解室11，两者通过水合物溢出孔36相连；水合物生成室35和水合物分解室11分别呈球形；水合物生成室35和水合物分解室11均由耐压不锈钢制作而成；水合物生成室35设置在水合物分解室11内；水合物生成室35和水合物分解室11中间由4个均布的连接轴10连接；水合物生成室35内、下表面设有阻油透气膜16，其内装有水/柴油乳液18；水合物生成室35中部两侧分别有水合物溢出孔36，水合物溢出孔36 设置在与水合物生成35室内液面相齐平的位置；水合物生成室35内的液面处设置液面感触器15；水合物生成室35连接有水/柴油乳液补充管25；水合物生成室35上部有氢气排出孔，其下部有混合气体进气孔；水合物分解室11上部和下部分别开有CO2排出孔和排液孔，其中下部与循环水箱26相连接；
水循环系统包括循环水箱26、循环排水阀27、储水罐24、循环进水阀19 和第一增压泵14；循环水箱26、循环排水阀27、储水罐24、循环进水阀19和第一增压泵14依次通过高压管路连通，形成内循环；循环水箱右上部有循环进水孔，左下部有循环排水孔；循环水箱26与水合物分解室11相连接，循环水箱26设置在水合物分解室11的外表面；
气体节流系统包括气体节流装置37、混合气体入口A。气体节流装置37主要包括第一节流板38、第二节流板39、第三节流板40、第四节流板44、第一管径47、第二管径46、第一变径处43、第二变径处45、混合气体出孔41和节流孔42；气体节流装置37一端与第二增压泵22通过高压管路相连接，另一端与进气阀23通过高压管路相连接，进气阀23与水合物生成室35相连；第一节流板38设置在第一变径处43前；第二节流板39设置在第一变径处43后；第三节流板40设置在第二变径处45前；第四节流板44设置在第二变径处45后；混合气体出孔41设置在第二管径46末；在第一节流板38、第二节流板39、第三节流板40、第四节流板44上设置不同大小的节流孔42，大小规格依次呈现递减；
进气系统包括混合气体瓶34、第三压力表20、安全阀21和第二增压泵22；气体从混合气体瓶34流出，依次经过第三压力表20、安全阀21、第二增压泵 22和进气阀23；在混合气体瓶34、第三压力表20、安全阀21、第二增压器泵和进气阀23之间，分别用高压管连接；
气体收集系统包括H2储罐1、第一压力表2、第一干燥器3、CO2第一排气阀 4、H2排气阀5、CO2第二排气阀6、第二干燥器7、第二压力表8、CO2储罐9、CO2排出孔48、CO2排空阀32和H2排空阀33；水合物生成室35的氢气排出孔通过安装有H2排气阀5的高压管路与第一干燥器3相连；第一干燥器3进一步与H2储罐1，二者间的高压管路上安装有第一压力表2；水合物分解室11的CO2排出孔48设置在水合物分解室11的顶部，左右各一个呈对称分布；CO2排出孔48通过高压管路分别与CO2第一排气阀4、CO2第二排气阀6相连，汇集后与第二干燥器7相连；第二干燥器7进一步与CO2储罐9相连，二者间的高压管路上安装有第二压力表8；
水/柴油乳液系统包括排液阀17、通水阀31、水/柴油乳液罐30、进液阀 29、第三增压泵28和水/柴油乳液补充管25；水/柴油乳液罐30与储水罐24之间有通水阀31；排液阀17、水/柴油乳液罐30、进液阀29、第三增压泵28之间依次用高压管路相连；水/柴油乳液补充管25一端与第三增压泵28相连，另一端与水合物生成室35通过高压管路相连接；排液阀17一端与水合物分解室 11相连，另一端与水/柴油乳液罐30通过高压管路相连接；
调节系统包括CO2第一排气阀4、CO2第二排气阀6、CO2排空阀32、H2排气阀5、H2排空阀33、排液阀17、进液阀29、通水阀31、第一增压泵14、第二增压泵22和第三增压泵28；在各个高压管路上安装有不同形式的阀门；
计算机数据采集系统包括第一压力表2、第二压力表8、计算机12、A/D模块13、第三压力表20、液面感触器15；液面感触器15与A/D模块13通过数据线相连接；A/D模块13一端与第一压力表2、第二压力表8、第三压力表20和液面感触器15分别通过数据传输线相连接，另一端与计算机12通过数据传输线相连接。
本发明的效果和益处是实现了在分离混合气体过程中，水合物生成产生的热量无需增加冷却装置，水合物分解需要的热量无需增加加热装置，实现了水合物生成的自我耦合，不仅加快了反应速率，还实现了混合气体的连续式分离，同时大大减少了混合气体分离的投资成本。在混合气体进入水合物生成室之前，利用气体节流装置、增压泵装置，使得混合气体提前达到高压、低温的生成环境，这样大大加快了水合物生成反应速率，从而节约了混合气体分离的时间。同时利用水/柴油乳液的流动性，加快了水合物的生成，阻止了水合物聚集堵塞。在水/柴油乳液中加入阻聚剂，使得乳液中的水近乎均匀分布，阻止了水合物生成时因聚集而造成管道堵塞。根据气体水合物的密度和乳液密度的差异，在水合物生成室设置了溢出孔，达到了生成即排出的效果，阻止了水合物聚集堵塞。水合物生成室和水合物分解室相连接，水合物生成产生的热量通过导热介质传输到水合物分解室，为水合物分解提供热量，水合物分解时吸收热量从而冷却水合物生成室，为水合物生成提供了低温环境。在分解室外有常温循环水箱，一方面用来为水合物分解提供热量，另一方面起到保温的效果。水合物生成室和分解室设计为球形，不仅起到耐高压的作用，还有收集气体的作用。在水合物分解室设置了水/柴油乳液排出阀，以便二次利用水/柴油乳液，极大提高了装置和系统的经济性。
附图说明
图1是一种基于节流增压技术的水合物法连续式分离CO2和H2的系统与装置的结构框图。
图2是一种基于节流增压技术的水合物法连续式分离CO2和H2的系统与装置的结构示意图。
图3是一种气体节流的装置结构示意图。
图4是一种节流板的结构示意图。
图中：1H2储罐；2第一压力表；3第一干燥器；4CO2第一排气阀；5H2排气阀；6CO2第二排气阀；7第二干燥器；8第二压力表；9CO2储罐；10连接轴；11水合物分解室；12计算机；13A/D模块；14第一增压泵；15液面感触器；16阻油透气膜；17排液阀；18水/柴油乳液；19循环进水阀；20第三压力表；21安全阀；22第二增压泵；23进气阀；24储水罐；25水/柴油乳液补充管；26循环水箱；27循环排水阀；28第三增压泵；29进液阀；30水/柴油乳液罐；31通水阀；32CO2排空阀；33H2排空阀；34混合气体瓶；35水合物生成室；36溢出孔；37气体节流装置；38第一节流板；39第二节流板；40第三节流板；41混合气体出孔；42节流孔；43第一变径处；44第四节流板；45第二变径处；46第二管径；47第一管径；A混合气体入口。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
图1所示为一种基于气体节流技术的连续式水合物法分离CO2和H2的系统与装置的工作原理框图，其工作过程为：先打开水循环系统，在循环水箱内注满循环水，后打开水/柴油乳液系统，将水/柴油乳液通入到水合物生成室，继续打开进气系统，混合气体经过节流、增压装置，然后将混合气通入到水合物生成室，未参与水合反应的H2排出水合物生成室，生成的水合物通过溢出孔流到水合物分解室，分解产生的CO2排出水合物分解室，排出的气体进入到气体收集系统。反应过程中的液面高度信号、压力信号均由计算机数据采集系统实时记录与分析。
图2所示为一种基于气体节流技术的连续式水合物法分离CO2和H2的系统与装置示意图。
(1)水循环系统工作过程：打开循环进水阀和第一增压泵，水经高压管路从储水罐进入到循环水箱；打开循环排水阀，使得水得以流动和循环，持续为水合物分解提供一定的热量；循环水箱设置在水合物分解室的外表边，一是可以为水合物分解提供一定的热量，同时还起到保温的功能；通过调整阀门的开度和第一增压泵的流速来控制循环水的流速；通过循环不断的水将热量转移到水合物分解过程中去；
(2)进气系统工作过程：打开混合气体气瓶、安全阀、第二增压泵，混合气体经高压管路进入到气体节流装置；通过调整阀门的开度和第二增压泵的流速来控制混合气体的流速；经第二增压泵的混合气体得以压缩，压力得以提高，高压混合气体排入到节流增压系统；
(3)节流增压系统工作过程：打开进气阀，混合气体经第二增压泵增大气体注入压力，高压混合气体进入到节流装置；高压混合气体依次经过第一管径、第一节流板、第二节流板、第三节流板、第四节流板和第二管径；节流板上设置大小规格不同的节流孔，高压混合气体射流到大小规格不同的节流孔上；，由于混合气体压力高，当气体射流到节流板上通过节流孔时，混合气体的流速迅速提高，温度迅速降低；高压的混合气体经过气体节流装置，气体流速得以迅速提高，温度得以迅速降低，得到低温、高压和高流速的混合气体，为水合物的生成提供了适宜的反应条件，大大提高了反应速率，节约了大量的时间；低温、高压和高流速的混合气体经过进气阀，通入到水合物生成室；
(4)水合物反应系统工作过程：在水合物生成室下半部注满水/柴油乳液，设置阻油透气膜，加入阻聚剂，快速注入混合气体，上半部打开H2排气阀。从水合物生成室的下部注入混合气体，混合气体和乳液中的水充分反应，未反应的H2通过排气阀排出。由于阻聚剂的原因，水近乎均匀分布，生成的水合物没有聚集在一起，由于气体水合物和乳液密度的原因，气体水合物浮在乳液上。由于水/柴油乳液的流动性，生成的水合物依次通过水合物溢出孔，流出到水合物分解室，水合物在分解室吸收循环水的热量和水合物生成放出的热量得以使得水合物分解。在水合物生成时放热，把放出来的热量通过导热介质传送到水合物分解室，供以水合物分解，在分解时吸收热量，为生成提供低温环境，实现了热量与冷量的自我耦合的效果。在水合物生成时，无需配有冷却设备，在水合物分解时，无需配有加热设备，极大降低了混合气体分离的投资成本；在水合物分解室下部设置排液孔，经分解后得到的乳液再次收集重新利用，提高了利用率，降低了成本；
(5)气体收集系统工作过程：在混合气体通入到水合物生成室时，打开H2排气阀，H2经第一干燥器、第一压力表、高压管路被收集到H2储罐；在水合物分解时，打开CO2第一排气阀、CO2第二排气阀，CO2经第二干燥器、第二压力表、高压管路被收集到CO2储罐；待储罐到达一定压力时，H2和CO2分别通过H2排空阀、CO2排空阀，达到再次利用的目的；
(6)水/柴油乳液系统工作过程：打开第三增压泵、进液阀，水/柴油乳液从水/柴油乳液罐经高压管路输送到水合物生成室；生成的水合物利用水/柴油乳液的流动性将水合物输送到溢出孔，进入到水合物分解室；在水合物分解室下部设置排液阀，将水合物分解得到的乳液再次排到水/柴油乳液罐，再次利用，提高了利用率，进一步提高了经济性；
(7)调节系统工作过程：通过控制阀门的开度和增压泵的流速来进一步控制气体、水和水/柴油乳液的流速，从而进一步控制反应的速率；各个高压管路上安装有不同形式的阀门；
(8)计算机数据采集系统工作过程：实时接收第一压力表、第二压力表、计算机、A/D模块、第三压力表、液面感触器出来的信号，实时记录，根据设定值进行信号反馈及信号信息成像，实时监控和存储数据信号，以便数据的分析和处理。
Claims (1)
1.一种基于气体节流技术的连续式水合物法分离CO2和H2的系统，其特征在于，该系统包括水合物反应系统、气体节流系统、进气系统、水循环系统、气体收集系统、水/柴油乳液系统、调节系统和计算机数据采集系统；
水合物反应系统包括水合物生成室(35)和水合物分解室(11)，两者通过水合物溢出孔(36)相连通；水合物生成室(35)和水合物分解室(11)分别呈球形；水合物生成室(35)和水合物分解室(11)均由耐压不锈钢制作而成；水合物生成室(35)设置在水合物分解室(11)内；水合物生成室(35)和水合物分解室(11)中间由4个均布的连接轴(10)连接；水合物生成室(35)内、下表面设有阻油透气膜(16)，其内装有水/柴油乳液(18)；水合物生成室(35)中部两侧分别有水合物溢出孔(36)，水合物溢出孔(36)设置在与水合物生成室(35)内液面相齐平的位置；水合物生成室(35)内的液面处设置液面感触器(15)；水合物生成室(35)连接有水/柴油乳液补充管(25)；水合物生成室(35)上部有氢气排出孔，其下部有混合气体进气孔；水合物分解室(11)上部和下部分别开有CO2排出孔和排液孔，其中下部与循环水箱(26)相连接；
水循环系统包括循环水箱(26)、循环排水阀(27)、储水罐(24)、循环进水阀(19)和第一增压泵(14)；循环水箱(26)、循环排水阀(27)、储水罐(24)、循环进水阀(19)和第一增压泵(14)依次通过高压管路连通，形成内循环；循环水箱(26)与水合物分解室(11)相连接，循环水箱(26)设置在水合物分解室(11)的外表面；
气体节流系统包括气体节流装置(37)、混合气体入口(A)；气体节流装置(37)主要包括第一节流板(38)、第二节流板(39)、第三节流板(40)、第四节流板(44)、第一管径(47)、第二管径(46)、第一变径处(43)、第二变径处(45)、混合气体出孔(41)和节流孔(42)；气体节流装置(37)一端与第二增压泵(22)通过高压管路相连接，另一端与进气阀(23)通过高压管路相连接，进气阀(23)与水合物生成室(35)相连；第一节流板(38)设置在第一变径处(43)前；第二节流板(39)设置在第一变径处(43)后；第三节流板(40)设置在第二变径处(45)前；第四节流板(44)设置在第二变径处(45)后；混合气体出孔(41)设置在第二管径(46)末；在第一节流板(38)、第二节流板(39)、第三节流板(40)、第四节流板(44)上设置不同大小的节流孔(42)，大小规格依次呈现递减；
进气系统包括混合气体瓶(34)、第三压力表(20)、安全阀(21)和第二增压泵(22)；气体从混合气体瓶(34)流出，依次经过第三压力表(20)、安全阀(21)、第二增压泵(22)和进气阀(23)；在混合气体瓶(34)、第三压力表(20)、安全阀(21)、第二增压器泵和进气阀(23)之间，分别用高压管连接；
气体收集系统包括H2储罐(1)、第一压力表(2)、第一干燥器(3)、CO2第一排气阀(4)、H2排气阀(5)、CO2第二排气阀(6)、第二干燥器(7)、第二压力表(8)、CO2储罐(9)、CO2排出孔(48)、CO2排空阀(32)和H2排空阀(33)；水合物生成室(35)的氢气排出孔通过安装有H2排气阀(5)的高压管路与第一干燥器(3)相连；第一干燥器(3)进一步与H2储罐(1)相连，二者间的高压管路上安装有第一压力表(2)；水合物分解室(11)的CO2排出孔(48)设置在水合物分解室(11)的顶部，左右各一个呈对称分布；CO2排出孔(48)通过高压管路分别与CO2第一排气阀(4)、CO2第二排气阀(6)相连，汇集后与第二干燥器(7)相连；第二干燥器(7)进一步与CO2储罐(9)相连，二者间的高压管路上安装有第二压力表(8)；
水/柴油乳液系统包括排液阀(17)、通水阀(31)、水/柴油乳液罐(30)、进液阀(29)、第三增压泵(28)和水/柴油乳液补充管(25)；水/柴油乳液罐(30)与储水罐(24)之间有通水阀(31)；排液阀(17)、水/柴油乳液罐(30)、进液阀(29)、第三增压泵(28)之间依次用高压管路相连；水/柴油乳液补充管(25)一端与第三增压泵(28)相连，另一端与水合物生成室(35)通过高压管路相连接；排液阀(17)一端与水合物分解室(11)相连，另一端与水/柴油乳液罐(30)通过高压管路相连接；
调节系统包括CO2第一排气阀(4)、CO2第二排气阀(6)、CO2排空阀(32)、H2排气阀(5)、H2排空阀(33)、排液阀(17)、进液阀(29)、通水阀(31)、第一增压泵(14)、第二增压泵(22)和第三增压泵(28)；在各个高压管路上安装有不同形式的阀门；
计算机数据采集系统包括第一压力表(2)、第二压力表(8)、计算机(12)、A/D模块(13)、第三压力表(20)、液面感触器(15)；液面感触器(15)与A/D模块(13)通过数据线相连接；A/D模块(13)一端与第一压力表(2)、第二压力表(8)、第三压力表(20)和液面感触器(15)分别通过数据传输线相连接，另一端与计算机(12)通过数据传输线相连接。
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