CN113198391B - 一种在水热液化反应中精准控压的装置系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种在水热液化反应中精准控压的装置系统及方法，装置系统包括反应器、单向阀、压力检测系统、加压过滤器、气体钢瓶和加压输水装置，加压过滤器内设置有半透膜，并被分隔为上、下两个腔室，上腔室的气体进口通过管路与气体钢瓶连接，上腔室的气体出口通过单向阀与反应器由管路连接，压力检测系统用于检测输入反应器内气体的压力，加压输水装置用以将水压入加压过滤器的下腔室中。本申请中，通过将水压入加压过滤器的下腔室内，促使水面上升带动半透膜上升，将储存的气体压入反应器中，反应器内压力上升，重复操作可使反应器压力达到预设值。单向阀的存在保证反应器内气体和反应物不倒流，解决了反应物倒流造成的产物损失和堵塞问题。

Description

一种在水热液化反应中精准控压的装置系统及方法

技术领域

本申请涉及一种在水热液化反应中精准控压的装置系统及方法。

背景技术

水热液化技术近年来得到了广泛关注，最初是指生物质在高温高压水体系中进行重整的热化学过程。随着研究的进展，目前水热液化技术被广泛用于高含水率生物质和有机废物中回收燃料和化学物质。相对于热解、生物法等方法，液化技术不仅能耗低、设备投资低，同时也不需要对物料进行脱水等预处理，具有投资低、普适性好等明显优势。在国内外得到了长时间的研究发展及运用。当流体通过升高温度和压力达到超临界状态时，会展现一些既不同于气体，也不同于液体的独特物理化学特性，被称为超临界流体。超临界流体具有类似气体的较强渗透能力和较低的黏度，同时密度又与液体相近，具有良好的溶解性，可使得反应更好的进行。

液化反应中最常用的溶剂为水，温度和压力的临界点分别为374℃和22.1 MPa，在常温下，水的介电常数约为80；当温度升高至300℃时，水的介电常数降低至20，此时水为极性溶剂，能溶解可溶性盐类，但有机物和气体在亚临界水中的溶解度很低；超过374℃时，水的介电常数小于5，此时水变为弱极性，对有机物和气体的溶解度大大提高；当温度持续上升到400℃时，水的介电常数基本保持稳定；当上升到420℃，压力为25 MPa时，水的介电常数约等于2，相当于己烷的介电常数。超临界水对气体和液体的高溶解度很大程度上减少了气体和液体间的阻力，使反应接触面更大，有利于反应的进行。同时研究表明许多有机溶剂也可代替水成为液化反应的溶剂，比如乙醇等。乙醇的临界温度和压力分别为243.2℃和6.38 MPa，远低于水的临界温度，因此可以在能耗更低的情况下到达超临界状态。乙醇不仅可以作为反应介质，同时还能作为反应物，通过酯化反应与酸性组分发生反应。乙醇在有水的条件下还可通过蒸汽重整制造富氢环境，使得反应更好的进行。

但无论何种溶剂，欲达到超临界状态，都必须将温度和压力同时达到临界状态。在传统的液化反应中，只能对反应温度进行定值控制，而无法精准控制反应时的压力。通常反应温度到达临界点时，体系中的压力未达到临界值，反应体系仍处于亚临界状态。继续升高反应温度虽然可以使体系中的压力进一步上升，但所需的能耗会大大增加。同时过高的反应温度对反应器的材料要求也随着提高，大大增加了成本。因此通常通过外接手压泵添加气体的方式来增加体系中的压力。而常用的手压泵在压力较高时加压困难，且反应器中反应物会倒流至手压泵中，不但会造成产物损失，而且会造成手压泵堵塞，降低手压泵的使用寿命。

发明内容

为了克服现有手压泵在压力较高时加压困难，且反应器中反应物会倒流至手压泵中，导致产物损失及手压泵堵塞，降低手压泵的使用寿命的问题，本申请的目的在于提供一种在水热液化反应中精准控压的装置系统及方法，本申请的方法利用一种改良的加压装置为水热液化反应精准控压。

所述的一种在水热液化反应中精准控压的装置系统，其特征在于包括反应器、单向阀、压力检测系统、加压过滤器、气体钢瓶和加压输水装置，所述加压过滤器内滑动密封设置有半透膜，半透膜将加压过滤器内部空间分隔为上、下两个腔室，上腔室包括一个气体进口和一个气体出口，上腔室的气体进口通过管路与气体钢瓶连接，所述上腔室用以储存由气体钢瓶输入的气体，上腔室的气体出口通过管路连接单向阀进口，且上腔室的气体出口与单向阀进口之间的管路上设置所述压力检测系统，单向阀出口再通过管路与反应器的反应器进口连接；所述下腔室通过管路与加压输水装置连接，相应管路上均设置有相应的控制阀门；所述加压输水装置用以将水压入加压过滤器的下腔室中，促使水面上升带动半透膜上升，使所述上腔室内储存的气体压入反应器中。

所述的一种在水热液化反应中精准控压的装置系统，其特征在于所述加压输水装置包括水压泵，水压泵包括泵体腔室和设置于泵体腔室上的推塞组件，泵体腔室的最右端设置有出水口并在靠近出水口处连通有加水腔，加水腔与泵体腔室之间的连接处设置有1#液体阀手轮，通过加水腔进入泵体腔室的水流能够通过1#液体阀手轮进行控制，所述泵体腔室的出水口与加压过滤器的下腔室通过管路连接；当驱动所述推塞组件时，能够将泵体腔室内的水通过出水口压入加压过滤器的下腔室中。

所述的一种在水热液化反应中精准控压的装置系统，其特征在于所述推塞组件包括推杆及设置在推杆右端的活塞，所述泵体腔室包括左端封头、中部壳体和右端封头，所述泵体腔室的出水口设置在其右端封头上；推杆的右端设置在泵体腔室内，且所述活塞与泵体腔室内壁密封滑动接触；推杆的左端从泵体腔室的左端封头水平向外穿出，且推杆中部外壁与泵体腔室的左端封头密封滑动连接。

所述的一种在水热液化反应中精准控压的装置系统，其特征在于所述推塞组件还包括基座、支撑板、导轨、丝杆、丝杆滑块和手转轮，基座上固定设置一左一右两个竖直平行的支撑板；其中，左方的支撑板上转动设置有手转轮，右方的支撑板上固定安装所述泵体腔室，所述两个支撑板之间连接有两个上下水平设置的导轨，所述两个导轨上滑动设置有丝杆滑块；所述手转轮上设置一根丝杆，丝杆设于上下两个导轨之间并与丝杆滑块螺纹连接。

所述的一种在水热液化反应中精准控压的装置系统，其特征在于所述下腔室的底部连通有液体中间腔，液体中间腔上设置有进水口、用于控制进水口开启或关闭的2#液体阀手轮、排水口以及用于控制排水口开启或关闭的3#液体阀手轮；所述液体中间腔的进水口通过管路与所述加压输水装置连接。

所述的一种在水热液化反应中精准控压的装置系统，其特征在于所述上腔室的顶部连通有气体中间腔，气体中间腔上设置有气体阀进口、用于控制气体阀进口开启或关闭的1#气体阀手轮、气体阀出口以及用于控制气体阀出口开启或关闭的2#气体阀手轮；所述气体中间腔的气体阀进口通过管路与气体钢瓶连接，所述气体中间腔的气体阀出口通过单向阀与反应器由管路连接。

所述的一种在水热液化反应中精准控压的装置系统，其特征在于所述气体钢瓶上设置有减压阀，减压阀上设置有开关旋钮和减压阀出气口，减压阀出气口通过管路与所述气体中间腔的气体阀进口连接。

所述的一种在水热液化反应中精准控压的装置系统，其特征在于所述压力检测系统包括设置在所述上腔室的气体出口与单向阀进口之间管路上的测压腔室，测压腔室上设置有3个气体开口，分别为第一气体开口、第二气体开口和第三气体开口；所述第一气体开口通过管路与所述上腔室的气体出口连接，所述第二气体开口通过管路与单向阀的进口连接，单向阀的出口再通过管路与反应器连接；所述第三气体开口通过管路连接有压力传感器，压力传感器还通过电路连接有压力显示器。

一种在水热液化反应中精准控压的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）保持气体钢瓶的开关以及减压阀的开关旋钮在开启状态，打开1#气体阀手轮且关闭其他阀门，将加压气体输送至加压过滤器的上腔室内储存起来，然后将所述1#气体阀手轮关闭；驱动手转轮将推杆上的活塞推动至泵体腔室的右端；

2）在加水腔内加入水，打开1#液体阀手轮，驱动手转轮将推杆上的活塞从泵体腔室的右端移动至左端，使加水腔中水被吸入泵体腔室，然后关闭1#液体阀手轮；

3）步骤2）操作结束后，再打开2#液体阀手轮及2#气体阀手轮，驱动手转轮将推杆上的活塞再从泵体腔室的左端移动至右端，将水压入加压过滤器的下腔室中，促使水面上升带动半透膜上升，使加压过滤器的上腔室内储存的气体被压缩，压缩加压的气体依次通过压力检测系统的测压腔室以及单向阀后，进入反应器中；其中，压力检测系统的压力传感器对测压腔室内流通的气体压力进行实时检测，并将检测的压力数据传输给压力显示器进行显示；

4）步骤3）操作过程中，若推杆上的活塞被推动至泵体腔室的最右端，但压力检测系统检测到的压力数据仍未达到预设值，则关闭2#液体阀手轮及2#气体阀手轮，重复步骤2）和步骤3）的操作过程，直至压力检测系统检测到的压力数据达到预设值；

5）实验结束后，将反应器的反应器进口封闭，打开3#液体阀手轮，使水从排水口排出。

与现有的技术相比较，本发明的有益效果：

1、本申请在手压泵和反应器之间添加了加压过滤器，利用挤压水推动气体的方式代替传统直接压缩气体，使体系中反应压力较高时仍可以继续加压。

2、本申请在反应器前添加了单向阀，可防止反应器内反应物及气体倒流，从而解决了反应物倒流造成的产物损失和堵塞问题。

3、本申请实现了水热液化反应过程中的精准控压，通过压缩反应气氛的方式精准控制，使反应体系恰好达到超临界状态，节约了反应成本。

附图说明

图1为本申请的在水热液化反应中精准控压的装置系统的结构示意图；

图2为本申请的手压泵在使用状态下的结构示意图；

图3为本申请的加压过滤器在使用状态下的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例：对照图1-3

一种在水热液化反应中精准控压的装置系统，包括反应器1、单向阀2、压力检测系统3、加压过滤器5、气体钢瓶7和加压输水装置，所述加压过滤器5内滑动密封设置有半透膜，半透膜将加压过滤器5内部空间分隔为上、下两个腔室，上腔室包括一个气体进口和一个气体出口，上腔室的气体进口通过管路与气体钢瓶7连接，所述上腔室用以储存由气体钢瓶7输入的气体，上腔室的气体出口通过管路连接单向阀2进口，且上腔室的气体出口与单向阀2进口之间的管路上设置所述压力检测系统3，单向阀2出口再通过管路与反应器1的反应器进口j连接；所述下腔室通过管路与加压输水装置连接，相应管路上均设置有相应的控制阀门；所述加压输水装置用以将水压入加压过滤器5的下腔室中，促使水面上升带动半透膜上升，使所述上腔室内储存的气体压入反应器1中。

对照图2，加压输水装置包括水压泵4，水压泵4包括泵体腔室405和设置于泵体腔室405上的推塞组件，泵体腔室405的最右端设置有出水口k并在靠近出水口k处连通有加水腔8，加水腔8与泵体腔室405之间的连接处设置有1#液体阀手轮A，通过加水腔8进入泵体腔室405的水流能够通过1#液体阀手轮A进行控制，所述泵体腔室405的出水口k与加压过滤器5的下腔室通过管路连接；当驱动所述推塞组件时，能够将泵体腔室405内的水通过出水口k压入加压过滤器5的下腔室中。

进一步地，所述推塞组件包括推杆及设置在推杆右端的活塞，所述泵体腔室405包括左端封头、中部壳体和右端封头，所述泵体腔室405的出水口k设置在其右端封头上；推杆的右端设置在泵体腔室405内，且所述活塞与泵体腔室405的中部壳体内壁密封滑动接触；推杆的左端从泵体腔室405的左端封头水平向外穿出，且推杆中部外壁与泵体腔室405的左端封头密封滑动连接。

对照图2中，推塞组件还包括基座406、支撑板402、导轨403、丝杆404、丝杆滑块407和手转轮401，基座406上固定设置一左一右两个竖直平行的支撑板402；其中，左方的支撑板402上转动设置有手转轮401，右方的支撑板402上固定安装所述泵体腔室405，所述两个支撑板402之间连接有两个上下水平设置的导轨403，所述两个导轨403上滑动设置有丝杆滑块404；所述手转轮401上设置一根丝杆403，丝杆403设于上下两个导轨403之间并与丝杆滑块404螺纹连接。

在本申请中，加压过滤器5的下腔室底部连通有液体中间腔，液体中间腔上设置有进水口d、用于控制进水口d开启或关闭的2#液体阀手轮D、排水口m以及用于控制排水口m开启或关闭的3#液体阀手轮E；所述液体中间腔的进水口d通过管路与所述加压输水装置连接。

加压过滤器5的上腔室顶部连通有气体中间腔，气体中间腔上设置有气体阀进口b、用于控制气体阀进口b开启或关闭的1#气体阀手轮B、气体阀出口c以及用于控制气体阀出口c开启或关闭的2#气体阀手轮C；所述气体中间腔的气体阀进口b通过管路与气体钢瓶7连接，所述气体中间腔的气体阀出口c通过管路连接单向阀2进口，单向阀2出口再通过管路与反应器1的反应器进口j连接。

对照图1中，气体钢瓶7上设置有减压阀6，减压阀6上设置有开关旋钮和减压阀出气口a，减压阀出气口a通过管路与所述气体中间腔的气体阀进口b连接。

对照图1中，压力检测系统3包括设置在气体中间腔的气体阀出口c与单向阀2进口之间管路上的测压腔室，测压腔室上设置有3个气体开口，分别为第一气体开口h、第二气体开口g和第三气体开口e；所述第一气体开口h通过管路与气体中间腔的气体阀出口c连接，所述第二气体开口g通过管路与单向阀2的进口连接，单向阀2的出口再通过管路与反应器1连接；所述第三气体开口e通过管路连接有压力传感器f，压力传感器f还通过电路连接有压力显示器。

操作方法：一种在水热液化反应中精准控压的方法，当反应器需要加压时，包括以下步骤：

1）保持气体钢瓶7的开关以及减压阀6的开关旋钮在开启状态，打开1#气体阀手轮B且关闭其他阀门，将加压气体输送至加压过滤器5的上腔室内储存起来，然后将所述1#气体阀手轮B关闭；驱动手转轮401将推杆上的活塞推动至泵体腔室405的右端；

2）在加水腔8内加入水，打开1#液体阀手轮A，驱动手转轮401将推杆上的活塞从泵体腔室405的右端移动至左端，使加水腔8中水被吸入泵体腔室405，然后关闭1#液体阀手轮A；

3）步骤2）操作结束后，再打开2#液体阀手轮D及2#气体阀手轮C，驱动手转轮401将推杆上的活塞再从泵体腔室405的左端移动至右端，将水压入加压过滤器5的下腔室中，促使水面上升带动半透膜上升，使加压过滤器5的上腔室内储存的气体被压缩，压缩加压的气体依次通过压力检测系统3的测压腔室以及单向阀2后，进入反应器1中；其中，压力检测系统3的压力传感器f对测压腔室内流通的气体压力进行实时检测，并将检测的压力数据传输给压力显示器进行显示；

4）步骤3）操作过程中，若推杆上的活塞被推动至泵体腔室405的最右端，但压力检测系统3检测到的压力数据仍未达到预设值，则关闭2#液体阀手轮D及2#气体阀手轮C，重复步骤2）和步骤3）的操作过程，直至压力检测系统3检测到的压力数据达到预设值；

5）实验结束后，将反应器1的反应器进口j封闭（例如，反应器1的反应器进口j处设置有截止阀门，将该截止阀门关闭即可），打开3#液体阀手轮E，使水从排水口m排出。

工作原理：一种在水热液化反应中精准控压的方法，在工作时，气体从钢瓶7进入加压过滤器5的上腔室及气体中间腔中被储存，通过驱动手压泵4的手转轮401将水从手压泵4泵体压入加压过滤器5的下腔室及液体中间腔中，水面上升带动半透膜上升，上腔室及气体中间腔内气体被压入反应器中，重复这一过程，使得气体不断被压入反应器中，达到加压效果；同时单向阀2的存在保证了反应器1内气体和反应物不倒流，从而解决了反应物倒流造成的产物损失和堵塞问题；通过压力显示器的压力读数和对手压泵4的手转轮401的控制，可做到对反应器1内压力的精准控制。

本说明书所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式。

Claims (6)

1.一种在水热液化反应中精准控压的装置系统，其特征在于包括反应器（1）、单向阀（2）、压力检测系统（3）、加压过滤器（5）、气体钢瓶（7）和加压输水装置，所述加压过滤器（5）内滑动密封设置有半透膜，半透膜将加压过滤器（5）内部空间分隔为上、下两个腔室，上腔室包括一个气体进口和一个气体出口，上腔室的气体进口通过管路与气体钢瓶（7）连接，所述上腔室用以储存由气体钢瓶（7）输入的气体，上腔室的气体出口通过管路连接单向阀（2）进口，且上腔室的气体出口与单向阀（2）进口之间的管路上设置所述压力检测系统（3），单向阀（2）出口再通过管路与反应器（1）的反应器进口（j）连接；所述下腔室通过管路与加压输水装置连接，相应管路上均设置有相应的控制阀门；所述加压输水装置用以将水压入加压过滤器（5）的下腔室中，促使水面上升带动半透膜上升，使所述上腔室内储存的气体压入反应器（1）中；

所述加压输水装置包括水压泵（4），水压泵（4）包括泵体腔室（405）和设置于泵体腔室（405）上的推塞组件，泵体腔室（405）的最右端设置有出水口（k）并在靠近出水口（k）处连通有加水腔（8），加水腔（8）与泵体腔室（405）之间的连接处设置有1#液体阀手轮（A），通过加水腔（8）进入泵体腔室（405）的水流能够通过1#液体阀手轮（A）进行控制，所述泵体腔室（405）的出水口（k）与加压过滤器（5）的下腔室通过管路连接；当驱动所述推塞组件时，能够将泵体腔室（405）内的水通过出水口（k）压入加压过滤器（5）的下腔室中；

所述推塞组件包括推杆及设置在推杆右端的活塞，所述泵体腔室（405）包括左端封头、中部壳体和右端封头，所述泵体腔室（405）的出水口（k）设置在其右端封头上；推杆的右端设置在泵体腔室（405）内，且所述活塞与泵体腔室（405）内壁密封滑动接触；推杆的左端从泵体腔室（405）的左端封头水平向外穿出，且推杆中部外壁与泵体腔室（405）的左端封头密封滑动连接；

所述推塞组件还包括基座（406）、支撑板（402）、导轨（403）、丝杆（404）、丝杆滑块（407）和手转轮（401），基座（406）上固定设置一左一右两个竖直平行的支撑板（402）；其中，左方的支撑板（402）上转动设置有手转轮（401），右方的支撑板（402）上固定安装所述泵体腔室（405），所述两个支撑板（402）之间连接有两个上下水平设置的导轨（403），所述两个导轨（403）上滑动设置有丝杆滑块（407）；所述手转轮（401）上设置一根丝杆（404），丝杆（404）设于上下两个导轨（403）之间并与丝杆滑块（407）螺纹连接。

2.如权利要求1所述的一种在水热液化反应中精准控压的装置系统，其特征在于所述下腔室的底部连通有液体中间腔，液体中间腔上设置有进水口（d）、用于控制进水口（d）开启或关闭的2#液体阀手轮（D）、排水口（m）以及用于控制排水口（m）开启或关闭的3#液体阀手轮（E）；所述液体中间腔的进水口（d）通过管路与所述加压输水装置连接。

3.如权利要求1所述的一种在水热液化反应中精准控压的装置系统，其特征在于所述上腔室的顶部连通有气体中间腔，气体中间腔上设置有气体阀进口（b）、用于控制气体阀进口（b）开启或关闭的1#气体阀手轮（B）、气体阀出口（c）以及用于控制气体阀出口（c）开启或关闭的2#气体阀手轮（C）；所述气体中间腔的气体阀进口（b）通过管路与气体钢瓶（7）连接，所述气体中间腔的气体阀出口（c）通过单向阀（2）与反应器（1）由管路连接。

4.如权利要求3所述的一种在水热液化反应中精准控压的装置系统，其特征在于所述气体钢瓶（7）上设置有减压阀（6），减压阀（6）上设置有开关旋钮和减压阀出气口（a），减压阀出气口（a）通过管路与所述气体中间腔的气体阀进口（b）连接。

5.如权利要求1所述的一种在水热液化反应中精准控压的装置系统，其特征在于所述压力检测系统（3）包括设置在所述上腔室的气体出口与单向阀（2）进口之间管路上的测压腔室，测压腔室上设置有3个气体开口，分别为第一气体开口（h）、第二气体开口（g）和第三气体开口（e）；所述第一气体开口（h）通过管路与所述上腔室的气体出口连接，所述第二气体开口（g）通过管路与单向阀（2）的进口连接，单向阀（2）的出口再通过管路与反应器（1）连接；所述第三气体开口（e）通过管路连接有压力传感器（f），压力传感器（f）还通过电路连接有压力显示器。

6.如权利要求1~5任一所述装置系统在水热液化反应中精准控压的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）保持气体钢瓶（7）的开关以及减压阀（6）的开关旋钮在开启状态，打开1#气体阀手轮（B）且关闭其他阀门，将加压气体输送至加压过滤器（5）的上腔室内储存起来，然后将所述1#气体阀手轮（B）关闭；驱动手转轮（401）将推杆上的活塞推动至泵体腔室（405）的右端；

2）在加水腔（8）内加入水，打开1#液体阀手轮（A），驱动手转轮（401）将推杆上的活塞从泵体腔室（405）的右端移动至左端，使加水腔（8）中水被吸入泵体腔室（405），然后关闭1#液体阀手轮（A）；

3）步骤2）操作结束后，再打开2#液体阀手轮（D）及2#气体阀手轮（C），驱动手转轮（401）将推杆上的活塞再从泵体腔室（405）的左端移动至右端，将水压入加压过滤器（5）的下腔室中，促使水面上升带动半透膜上升，使加压过滤器（5）的上腔室内储存的气体被压缩，压缩加压的气体依次通过压力检测系统（3）的测压腔室以及单向阀（2）后，进入反应器（1）中；其中，压力检测系统（3）的压力传感器（f）对测压腔室内流通的气体压力进行实时检测，并将检测的压力数据传输给压力显示器进行显示；

4）步骤3）操作过程中，若推杆上的活塞被推动至泵体腔室（405）的最右端，但压力检测系统（3）检测到的压力数据仍未达到预设值，则关闭2#液体阀手轮（D）及2#气体阀手轮（C），重复步骤2）和步骤3）的操作过程，直至压力检测系统（3）检测到的压力数据达到预设值；

5）实验结束后，将反应器（1）的反应器进口（j）封闭，打开3#液体阀手轮（E），使水从排水口（m）排出。

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