CN117619186A - 混合单元及应用该单元的水合物法连续气体分离系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混合单元及应用该单元的水合物法连续气体分离系统，该混合单元应用于水合物法连续气体分离的工艺中，混合单元为多级设置，包括：文丘里混合器，其入口段接收冷却后的工作液，喉管段接收预设的低温高压混合气，混合气和工作液在喉管段形成垂直撞击，用于强化气液的相间传递，气液混合后从出口稳定段流出；管式反应器，其接收来自文丘里混合器的气液混合物，该管式反应器中均匀间隔布设丘陵状凸起，气液混合物在流经凸起时形成湍流扰动，使得混合气与工作液进一步混合接触反应，实现水合物的生成。本发明通过多级设置的混合单元，气液混合更为充分，在降低能耗的同时，可有效增加气液传质，提高水合物的生成速率；还可有效解决水合物法气体分离过程中的连续性问题。
Description
技术领域
本发明涉及水合物法分离气体技术领域，特别涉及一种混合单元及应用该单元的水合物法连续气体分离系统。
背景技术
气体水合物是气体和水在高压低温下形成的类冰状的结晶化合物。由于不同气体形成水合物的温度、压力不同，这就使水合物法分离气体的技术成为可能。当两种混合气A、B生成水合物时，由于A、B气体生成水合物的条件不同，易生成水合物的组分A会生成水合物浆液，不易生成水合物的组分B在气相中富集，然后将水合物浆液分解得到气体A，从而实现气体的分离。
例如，中国专利申请CN110229043A公开了一种水合物法的CH4/CO2分离装置及方法，该装置包括气源、水源以及若干级分离机构，气源和水源均与若干级分离机构中第一级分离机构相连接；各级分离机构中的水合反应器的反应温度均高于283K。该方案通过设置多级分离机构，并且各分离机构的水合反应器中的反应温度均高于283K，这样在实现CH4/CO2的分离的同时可以得到固体的CH4水合物与液体的CO2，该方案可简化工艺流程，减少了设备投入。该方案虽然采用多级分离的方式，但气液混合效果并不充分，水合物生成速度慢，能耗较大，多级分离的后端很难保证气体分离的效果。
虽然类似前述现有的基于水合物的气体分离技术已广泛研究，但大多都是基于实验室规模的小型设备进行的。目前多数研究是采用多级分离方法进行的，需要较大压力，这是因为分离过程中除去压力损失外还要保证每一级的压力高于水合物生成的压力，从而实现气体分离，这种方法增加了能耗。而有些采用间歇式操作中，连续生产纯化气体需要两套或更多套反应器，不能同时从形成水合物的反应器中取出气相，气体分离不能连续进行操作，并且形成水合物的水溶液没有循环再次使用。其次水合物的形成随着分离目标气体浓度的减少，分离条件变得更为苛刻。普通的管式反应器，流体在管道中处于层流状态，气液传质弱，水合物生成速度慢，且不充分，不能充分达到气体分离的效果。
因此，亟需一种混合单元及应用该单元的水合物法连续气体分离系统，采用多级连续气体水合物法分离工艺，降低能耗的同时，可增加气液传质，提高水合物的生成速率；同时可有效解决水合物法气体分离过程中的连续性问题。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混合单元及应用该装置的水合物法连续气体分离系统，通过多级设置的混合单元，气液混合更为充分，在降低能耗的同时，可有效增加气液传质，提高水合物的生成速率。
本发明的另一目的在于，可有效解决水合物法气体分离过程中的连续性问题。
为实现上述目的，根据本发明的第一方面，本发明提供了一种混合单元，应用于水合物法连续气体分离的工艺中，混合单元为多级设置，包括：文丘里混合器，其入口段接收冷却后的工作液，喉管段接收预设的低温高压混合气，混合气和工作液在喉管段形成垂直撞击，用于强化气液的相间传递，气液混合后从出口稳定段流出；管式反应器，其接收来自文丘里混合器的气液混合物，该管式反应器中均匀间隔布设丘陵状凸起，气液混合物在流经凸起时形成湍流扰动，使得混合气与工作液进一步混合接触反应，实现水合物的生成。
进一步，上述技术方案中，管式反应器可以设计为直管结构，反应器中可设有沿轴向延伸的多层隔板，丘陵状凸起沿轴向布设多列，相邻两列的凸起错开设置。
进一步，上述技术方案中，隔板数量可以为两层，两层隔板分别布设在距直管底部1/3直径和2/3直径处。
进一步，上述技术方案中，管式反应器外部可设有用于温度控制的浴槽，该浴槽的工作温度设计为-20～90℃。
进一步，上述技术方案中，管式反应器的直管上可设有透明视窗，耐压20MPa，用于观察气液混合物的流动以及水合物的形成情况。
进一步，上述技术方案中，在文丘里混合器的入口段可设有加药口，用于向混合器内泵送阻聚剂避免生成的部分水合物固化。
进一步，上述技术方案中，每级文丘里混合器喉管段均设有进气口，低温高压混合气可分别通入每级文丘里混合器。
进一步，上述技术方案中，多级混合单元可采用串联连接的方式。
进一步，上述技术方案中，混合气可以为CO2和CH4；工作液可以为TBAB水溶液。
根据本发明的第二方面，本发明提供了一种水合物法连续气体分离系统，包括前述任意一项的混合单元，还包括：进气单元，其通过高压气瓶供气，冷却后的混合气通过并联进气管路分别进入缓冲气瓶，在缓冲气瓶中获得预设压力的混合气后通入混合单元中的每一级文丘里混合器；进液单元，其将冷却后的工作液泵送至第一级文丘里混合器中；气液分离单元，其接收来自混合单元最后一级管式反应器中的气体B和含有气体A成分的水合物浆液并进行气液分离；气液分离后的水合物浆液经水合物分解为气体A和液相，分解后的液相作为循环工作液注入进液单元。
进一步，上述技术方案中，进气单元可包括：增压子单元，其并联在进气管路中，根据形成水合物的压力需要通过气体压缩机调整混合气的压力；背压子单元，其在进气管路中的混合气压力超过报警值时进行泄压。
进一步，上述技术方案中，气液分离单元可包括：气液分离器，其接收来自最后一级管式反应器中的气体B和水合物浆液并将气体B分离出来进行回收；水合物化解子单元，其接收来自气液分离器的水合物浆液并对水合物进行加热降压，化解为气体A和工作液；气体A分离出来进行回收。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1)本发明通过多级设置的混合单元，将每一级混合单元中的文丘里混合器和管式反应器依次进行串联，在文丘里混合器中使得气液混合更为充分，两股混合流高速垂直流动撞击，在撞击瞬间达到极高的相间相对速度，从而极大地强化相间传递；
2)本发明在管式反应器中的多层带丘陵状凸起的隔板能使A气体与工作液充分接触，产生的漩涡提高了在管式反应器中的反应时间，促进传质，达到更好的分离效果；错落设置的凸起可起到导流的作用，避免浆液堵塞；
3)本发明中已生成的水合物晶体撞击到错落开的隔板凸起，会变成小颗粒，小颗粒可作为水合物的诱导晶核，使成核点增多，且增大了水合物与气体的接触面积，进一步促进水合物生成；
4)采用本发明的管式反应器，反应器中气液接触停留时间长，气液界面更新速度快，更有利于水合物的连续高效快速生成；
5)本发明通过向每一级文丘里混合器中通入混合气，可实现连续气体水合分离，有效弥补单纯水合物对低浓度气体分离效率不高，当A气体浓度较低时，需要额外加压才能实现彻底分离的不足，可有效节约成本，降低能耗；
6)本发明的系统通过采用多级连续生成工艺，提高了水合物生成效率，多级水合物生成可以在各级混合单元中增加到同样的压力，避免了多级生成水合物的过程中需要预留压降损失的问题；该系统包括水合物的生成，分离和化解整个过程，实现了水合物法连续气体分离。
上述说明仅为本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段并可依据说明书的内容予以实施，同时为了使本发明的上述和其他目的、技术特征以及优点更加易懂，以下列举一个或多个优选实施例，并配合附图详细说明如下。
附图说明
图1是本发明水合物法连续气体分离系统的连接示意图。
图2是本发明混合单元中文丘里混合器的结构示意图。
图3是本发明混合单元中管式反应器的内部结构示意图(图中箭头方向为气液混合物流向)。
主要附图标记说明：
1-高压气瓶；2-第一截止阀；3-第二截止阀；4-气体压缩机；5-第三截止阀；6-缓冲气瓶；7-第四截止阀；8-第五截止阀；9-第六截止阀；10-第七截止阀；11-一级管式反应器；111-第一隔板；112-第二隔板；113-丘陵状凸起；12-二级管式反应器；13-N级管式反应器；14-储液罐；15-第八截止阀；16-循环泵；17-第九截止阀；18-文丘里混合器；181-工作液预冷管路；182-入口段；183-缩颈段；184-喉管段；185-出口稳定段；186-进气管；19-气液分离器；20-第十截止阀；21-水合物化解子单元；22-第十一截止阀；23-第十二截止阀；24-第十三截止阀；25-背压阀；26-第十四截止阀；27-排放软管；28-加药罐；29-柱塞泵；30-高低温浴槽。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其他元件或其他组成部分。
在本文中，为了描述的方便，可以使用空间相对术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上方”、“上”等，来描述一个元件或特征与另一元件或特征在附图中的关系。应理解的是，空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的方向之外物件在使用或操作中的不同方向。例如，如果在图中的物件被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下”的元件将取向在所述元件或特征的“上方”。因此，示范性术语“下方”可以包含下方和上方两个方向。物件也可以有其他取向(旋转90度或其他取向)且应对本文使用的空间相对术语作出相应的解释。
在本文中，术语“第一”、“第二”等是用以区别两个不同的元件或部位，并不是用以限定特定的位置或相对关系。换言之，在一些实施例中，术语“第一”、“第二”等也可以彼此互换。
本发明的水合物法连续气体分离系统，用于分离混合气中的A/B气体，不同气体生成水合物的条件不同，当气体混合物A/B生成水合物时，容易生成水合物的组分A会在水合物相富集，从而实现了气体的分离。本发明的系统通过多个串联连通的混合单元(包括文丘里混合器和管式反应器)，过程采用多级分离工艺，实现了混合气体的连续分离，可保持系统反应的起动力。可有效提升采用单级分离时的分离效果，也节约了能耗，还能够实现气体的高效连续分离。
实施例1
本实施例提供一种混合单元，该混合单元应用于水合物法连续气体分离的工艺中，混合单元为多级设置，可通过串联方式连接。如图1、2所示，本实施例的每一级混合单元均包括文丘里混合器18和管式反应器。其中，文丘里混合器18为液体与气体高效混合的设备，其上游连接工作液预冷管路181，下游连接水合反应管路，均可通过法兰连接。文丘里混合器18可分为入口段182、缩颈段183、喉管段184以及出口稳定段185。喉管段184设有气孔连接进气管186，用于通入A/B气体的混合气。文丘里混合器18的入口段182接收冷却后的工作液，喉管段184接收预设的低温高压混合气，混合气和工作液在喉管段形成垂直撞击，用于强化气液的相间传递，气液混合后从出口稳定段185流出。混合气可以为CO2和CH4，工作液可以为TBAB水溶液(即四丁基溴化铵水溶液)。由于气液在每一级文丘里混合器18中混合后会直接形成部分水合物，水合物浆液有可能固化，且由于文丘里混合器18本身的缩径段、喉管段结构，极易造成堵塞，因此本实施例在文丘里混合器18的入口段182设有加药口，通过柱塞泵29将加药罐28中的阻聚剂泵送至混合器内，避免生成的部分水合物固化。进一步地，每级文丘里混合器喉管段184均设有进气口，低温高压混合气可分别通入每级文丘里混合器18，这样可有效保证混合气的及时补给，即补充已生成水合物的混合气体损失。采用本实施例的文丘里气液混合，高速喷射的混合气以垂直的方向冲击来自缩径段183的高速工作液，可对工作液产生雾化效果，气液混合效果更佳。
进一步如图1、3所示，管式反应器接收来自文丘里混合器18的气液混合物(此时已形成部分A气体的水合物)，用于水合物的生成。一级管式反应器11的前端连接本级的文丘里混合器18，后端连接下一级的文丘里混合器18，二级管式反应器12的前端连接本级的文丘里混合器18，后端连接下一级的文丘里混合器18，当混合单元设置N级时(即N级管式反应器)以此类推。管式反应器采用可拆卸设计，可以在不同管径之间自由更换。优选而非限制性地，直管的管道承压设计为15MPa，工作温度为-20～90℃，材质可采用316不锈钢。每一级的管式反应器中均匀间隔布设丘陵状凸起113，气液混合物在流经丘陵状凸起113时形成湍流扰动，使得混合气与工作液进一步混合接触反应，实现水合物的生成。优选而非限制性地，管式反应器11设计为直管结构，反应器中设有沿轴向延伸的多层隔板(图3中示出两层)，丘陵状凸起113可沿轴向布设多列，相邻两列的凸起错开设置。进一步地，当隔板数量为两层(即图3中的第一隔板111和第二隔板112)，两层隔板分别布设在距直管底部1/3直径和2/3直径处。
经发明人研究发现，采用分层隔板以及丘陵状凸起113的布置方式，气液经过文丘里混合器18的混合，流到一级管式反应器11入口，在隔板的作用下分成三层，扩大了湍流产生的面积。每一层隔板上优选设置三列丘陵状凸起113，相邻凸起错落开，可起到导流的作用，避免在管式反应器中形成的水合物浆液堵塞聚集。流体流入每一层后，遇到凸起会产生垂直于流体流动方向的压力梯度差，导致流体存在两个方向的流动而产生涡流。如图3箭头方向所示，涡流是发生在主流方向中的一种伴流流动，凸起的存在增加了流体的速度变化，引起了湍流扰动。经实验验证，可使流体运动过程中阻力产生的能量损耗增大，提高流体的传质和传热性能，增强流体进一步的混合效果，促进水合物的生成。本实施例中的二级管式反应器12直至N级管式反应器13内均可采用和一级管式反应器11内的隔板、凸起相同的布置方式。
进一步地，如图1所示，由于水合反应的温度要求较高，为了保证一级管式反应器11、二级管式反应器12以及N级管式反应器13内保持需要的恒温，本实施例在管式反应器外部设有用于温度控制的高低温浴槽30，该浴槽的工作温度设计为-20～90℃，具有过热保护、过载保护等功能。进一步地，为了便于观察，管式反应器的直管上可设有透明视窗，可采用耐压20MPa高强度耐压蓝宝石材质，用于观察管式反应器中气液混合物的流动以及水合物的形成情况。
本实施例通过多级设置的混合单元，将每一级混合单元中的文丘里混合器和管式反应器依次进行串联，在文丘里混合器中使得气液混合更为充分，两股混合流高速垂直流动撞击，在撞击瞬间达到极高的相间相对速度，从而极大地强化相间传递；在管式反应器中，多层带丘陵状凸起的隔板能使A气体与工作液充分接触，产生的漩涡提高了在管式反应器中的反应时间，促进传质，达到更好的分离效果。错落设置的凸起可起到导流的作用，避免浆液堵塞。同时，已生成的水合物晶体撞击到错落开的层板凸起，会变成小颗粒，小颗粒可作为水合物的诱导晶核，使成核点增多，且增大了水合物与气体的接触面积，进一步促进水合物生成。在本实施例的管式反应器中，气液接触停留时间长，气液界面更新速度快，更有利于水合物的连续高效快速生成；通过向每一级文丘里混合器中通入混合气，可实现连续气体水合分离，有效弥补单纯水合物对低浓度气体分离效率不高，当A气体浓度较低时，需要额外加压才能实现彻底分离的不足，节约了成本，降低了能耗。
实施例2
如图1所示，本实施例提供一种水合物法连续气体分离系统，包括前述实施例1中的混合单元，还包括进气单元、进液单元以及气液分离单元。其中，进气单元通过高压气瓶1供气，混合气需要在低温状态下进行水合反应，因此可在高压气瓶前端进行混合气的冷却，也可以在高压气瓶后端的进气管路中进行冷却。冷却后的混合气通过并联的进气管路分别进入缓冲气瓶6，在缓冲气瓶6中获得预设压力(即水合反应需要的高压环境)的混合气后通入混合单元中的每一级文丘里混合器。具体地，进气单元包括高压气瓶1、第一截止阀2、第二截止阀3、气体压缩机4、第三截止阀5以及和缓冲气瓶6，气体压缩机4和第二截止阀3作为增压子单元，并联第三截止阀5所在的进气管路中，根据形成水合物的压力需要通过气体压缩机4调整混合气的压力。缓冲气瓶6通过控制第四截止阀7、第五截止阀8、第六截止阀9以及第七截止阀10分别向各级混合单元的文丘里混合器18供气。进气单元还包括背压子单元，在缓冲气瓶6与混合单元之间的管路上设置第十三截止阀24和背压阀25，通过背压阀25可在进气管路中的混合气压力超过报警值时进行泄压。同时还可设置用于应急排放的排放软管27，通过第十四截止阀26进行控制。
进一步如图1所示，进液单元将冷却后的工作液泵送至混合单元的第一级文丘里混合器中。具体地，进液单元包括储液罐14、第八截止阀15、循环泵16以及第九截止阀17。储液罐14用于提供经冷却的低温工作液。
进一步如图1所示，气液分离单元包括气液分离器19和第十截止阀20，气液分离器19接收来自混合单元最后一级管式反应器中的气体B和含有气体A成分的水合物浆液并进行气液分离，分离出的气体B进行回收利用。气液分离单元还包括水合物化解子单元21，水合物化解子单元21接收来自气液分离器的水合物浆液并对水合物进行加热降压，化解为气体A和工作液，气体A通过第十一截止阀22进行控制，分离出来进行回收。分解后的液相作为循环工作液注入进液单元的储液罐14中。
下面以一个具体的实例对本发明的水合物法连续气体分离工艺过程进行说明：
如图1所示，高压气瓶1中的CO2、CH4混合气在高压的情况下直接进气至缓冲气瓶6中，若压力不能满足水合物法的分离要求，则通过气体压缩机4增压，然后经过第五截止阀8、第六截止阀9、第七截止阀10进入各级文丘里混合器18；储液罐14中存放TBAB水溶液，通过循环泵16、第九截止阀17进入第一级文丘里混合器18，TBAB水溶液在喉管段与CO2、CH4混合气充分混合；一级管式反应器11的水浴温度设为8-10℃，混合后的混合物流体流入一级管式反应器11，流体被分成三层，经过隔板上的丘陵状凸起气液充分接触后，进入第二级文丘里混合器18，通过第六截止阀9进气，补充已生成水合物的混合气体损失，重复上述过程；经过三次气液充分混合反应，水合物浆液进入气液分离器19，分离后的CH4气体从第十截止阀20排出收集，CO2水合物浆液进入水合物化解子单元21，化解后的CO2从第十一截止阀22排出收集，化解后的TBAB溶液从第十二截止阀23回流至储液罐14，用于下次气体分离循环。
本实施例的系统不仅具有实施例1中所述的气液混合、接触反应优于现有技术的效果，通过采用多级连续生成工艺，提高了水合物生成效率，多级水合物生成可以在各级混合单元中增加到同样的压力，避免了多级生成水合物的过程中需要预留压降损失的问题；该系统包括水合物的生成，分离和化解整个过程，实现了水合物法连续气体分离。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。针对上述示例性实施方案所做的任何简单修改、等同变化与修饰，都应落入本发明的保护范围。
Claims (12)
1.一种混合单元，其特征在于，应用于水合物法连续气体分离的工艺中，所述混合单元为多级设置，包括：
文丘里混合器，其入口段接收冷却后的工作液，喉管段接收预设的低温高压混合气，所述混合气和工作液在喉管段形成垂直撞击，用于强化气液的相间传递，气液混合后从出口稳定段流出；
管式反应器，其接收来自所述文丘里混合器的气液混合物，该管式反应器中均匀间隔布设丘陵状凸起，所述气液混合物在流经所述凸起时形成湍流扰动，使得所述混合气与工作液进一步混合接触反应，实现水合物的生成。
2.根据权利要求1所述的混合单元，其特征在于，所述管式反应器为直管结构，反应器中设有沿轴向延伸的多层隔板，所述丘陵状凸起沿轴向布设多列，相邻两列的所述凸起错开设置。
3.根据权利要求2所述的混合单元，其特征在于，所述隔板数量为两层，两层所述隔板分别布设在距所述直管底部1/3直径和2/3直径处。
4.根据权利要求1所述的混合单元，其特征在于，所述管式反应器外部设有用于温度控制的浴槽，该浴槽的工作温度为-20～90℃。
5.根据权利要求1所述的混合单元，其特征在于，所述管式反应器的直管上设有透明视窗，耐压20MPa，用于观察气液混合物的流动以及水合物的形成情况。
6.根据权利要求1所述的混合单元，其特征在于，在所述文丘里混合器的入口段设有加药口，用于向混合器内泵送阻聚剂避免生成的部分水合物固化。
7.根据权利要求1所述的混合单元，其特征在于，每级所述文丘里混合器喉管段均设有进气口，所述低温高压混合气分别通入每级文丘里混合器。
8.根据权利要求1所述的混合单元，其特征在于，多级所述混合单元串联设置。
9.根据权利要求1所述的混合单元，其特征在于，所述混合气为CO2和CH4；所述工作液为TBAB水溶液。
10.一种水合物法连续气体分离系统，其特征在于，包括如权利要求1至9中任意一项所述的混合单元，还包括：
进气单元，其通过高压气瓶供气，冷却后的混合气通过并联进气管路分别进入缓冲气瓶，在缓冲气瓶中获得预设压力的所述混合气后通入所述混合单元中的每一级文丘里混合器；
进液单元，其将冷却后的工作液泵送至第一级所述文丘里混合器中；
气液分离单元，其接收来自所述混合单元最后一级管式反应器中的气体B和含有气体A成分的水合物浆液并进行气液分离；气液分离后的所述水合物浆液经水合物分解为气体A和液相，分解后的液相作为循环工作液注入所述进液单元。
11.根据权利要求10所述的水合物法连续气体分离系统，其特征在于，所述进气单元包括：
增压子单元，其并联在所述进气管路中，根据形成水合物的压力需要通过气体压缩机调整混合气的压力；
背压子单元，其在所述进气管路中的混合气压力超过报警值时进行泄压。
12.根据权利要求10所述的水合物法连续气体分离系统，其特征在于，所述气液分离单元包括：
气液分离器，其接收来自所述最后一级管式反应器中的气体B和水合物浆液并将所述气体B分离出来进行回收；
水合物化解子单元，其接收来自所述气液分离器的所述水合物浆液并对水合物进行加热降压，化解为所述气体A和所述工作液；所述气体A分离出来进行回收。
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