專利名稱：一種高效制備氣體水合物的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及氣體儲運領域中的氣體水合物制備技術，特別是涉及一種高效制備氣體水合物的方法及裝置。
背景技術：
水合物是某些低分子量的氣體和揮發(fā)性液體，如C1～C4輕烴，N2，O2，CO2，H2S，環(huán)氧乙烷、四氫呋喃和鹵代烷烴等在一定溫度和壓力的條件下與水形成類籠形結構的冰狀晶體。在自然界中，水合物大多存在于大陸永久凍土帶和海底沉積層中，其形成氣體的組成以甲烷為主，與天然氣相似，故常稱作天然氣水合物。在標準狀況下，1m3的甲烷水合物可攜帶150～170m3的甲烷氣。研究表明，甲烷水合物可在2～15MPa，0～20℃的條件下制備，常壓、溫度低于-15℃可穩(wěn)定儲存，加熱或減壓即可實現(xiàn)其分解。以固態(tài)形式出現(xiàn)的氣體儲運技術是完全不同于管道(氣態(tài)形式)輸送、液化(液態(tài)形式)儲運的新型儲運技術，其較好的儲氣條件和較高的儲氣能力，使固態(tài)儲運相關氣體的方式成為可能。
生成水合物的氣體一般都難溶于水，在沒有擾動的情況下大多只在水和氣體界面生成少量水合物，通過機械攪拌可促成氣—水界面接觸來制備水合物，直至水合反應全部完成。機械攪拌可以破碎已形成包裹冰顆粒的水合物以促進水(冰)與反應氣體的接觸，可以將這種方式歸類于制造富水(冰)環(huán)境、維持穩(wěn)定壓力控制條件下的水合物制備工藝，如Gudmundsson(1996)提出的以海運方式進行天然氣水合物儲運工藝過程(Borrehaug.A，Gudmundsson J.S.Gas Transportation in Hydrate Form，EUROGAS 96，3-5June，Trondheim，35-41)、劉芙蓉(2000)為研究天然氣水合物形成及動力特性所采用的實驗裝置(劉芙蓉，王勝杰等.冰—水—氣生成天然氣水合物的實驗研究.西安交通大學學報，2000，34(12)66～69)就都采用的是機械攪拌方法，該方法如圖2所示，由反應釜21、攪拌器22、攪拌器電機23、進氣管24與排氣管25、閥門26、27、壓力表28、溫度傳感器29及其顯示器30組成。反應時氣流經(jīng)閥門26與進氣管24進入反應釜21，攪拌器22在其電機23帶動下擾動液體，使液—氣混合進行反應，直至生成固體水合物。雖然通過攪拌可以加快氣體水合物生成速率，但這種在反應釜中增加傳動葉片的機械攪拌方式，仍存在以下缺點(1)氣體水合物比水的密度小(一般水合物密度為0.915g/cm3)，生成的氣體水合物浮于液面上，阻止氣—液充分接觸，并且隨著生成水合物濃度增加，液體粘度增大，影響機械攪拌的效率；(2)氣體水合物的生成導致氣體在水中濃度降低，特別在反應后期，液體內(nèi)部消耗的氣體得不到及時補充，從而影響生成水合物的密度；(3)攪拌擾動不可避免會產(chǎn)生熱效應，影響實際水合物的生成條件的維持，增加制備過程的能耗。
這些因素直接影響著形成的氣體水合物密度與反應效率，不利于該技術進一步工業(yè)化應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在克服現(xiàn)有技術的缺點，提供一種高效制備氣體水合物的方法，本發(fā)明的進一步目的是提供一種高效制備氣體水合物方法的所用裝置。本發(fā)明的方法及裝置簡單、適用，產(chǎn)品成本低，制備氣體水合物的生產(chǎn)率高。
本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的一種高效制備氣體水合物的方法，其低分子量的氣體在溫度0～20℃和壓力2～15Mpa的條件下與水接觸可形成類籠形結構的冰狀晶體，其特征在于所述的制備氣體水合物的步驟為(1)注水水流經(jīng)閥門與循環(huán)泵進入反應釜中，液面上升到設定高度時，反應釜中的水流即可經(jīng)閥門、循環(huán)泵、噴嘴形成回路；(2)加氣所述氣體由氣源經(jīng)壓縮機從反應釜下方壓入反應釜內(nèi)腔；(3)反應由控制器與壓力傳感器將反應釜內(nèi)腔壓力控制在2.0～15.0Mpa、由溫度控制系統(tǒng)維持反應釜中的溫度在0～20℃條件下，所述氣體由反應釜下方進入，與水接觸后部分形成水合物，未來得及反應的氣體則到達反應釜內(nèi)腔上部與噴嘴噴出的霧化水進一步水合反應，生成的水合物浮于液面上部，未反應的水則在下部由循環(huán)泵送達噴嘴，噴射霧化后繼續(xù)參與反應。
(4)卸壓反應完成后可以使反應釜內(nèi)腔溫度降低來卸壓，打開反應釜的端蓋，取出固態(tài)氣體水合物。
一種高效制備氣體水合物方法的所用裝置，包括反應釜，其特征在于所述的裝置是在筒形反應釜的外圍設置恒溫浴槽，恒溫浴槽與制冷循環(huán)系統(tǒng)連接，反應釜的下部分別與水循環(huán)系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)連接。
所述的恒溫浴槽由控制器、冷凍機、盤管、溫度傳感器、均溫器組成，置于恒溫浴槽內(nèi)的盤管連接冷凍機，兩個溫度傳感器分別置于恒溫浴槽和反應釜內(nèi)，并由控制器控制，均溫器設在恒溫浴槽的空腔內(nèi)。
所述的水循環(huán)系統(tǒng)由水管、噴嘴、循環(huán)泵以及閥門組成，噴嘴位于反應釜內(nèi)腔的上部。
所述的供氣系統(tǒng)由壓縮機、壓力傳感器、控制器組成，氣體經(jīng)壓縮機、壓力傳感器通過進氣管由反應釜的下部進入反應釜內(nèi)腔，其內(nèi)腔的壓力通過壓力傳感器由控制器控制。
所述的反應釜通過上端蓋、下端蓋與恒溫浴槽連為一體。
本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果有1.在反應體系中采用噴射霧化的方法，使固定體積的液體表面積顯著增加，有效提升化學反應速率，使單位體積反應空間水合物的生產(chǎn)率與密度大大提高。
2.生產(chǎn)過程中，由于氣體連續(xù)供給，液體定量，液體基本全部水合反應，生成高密度氣體水合物，無需再進行固液分離環(huán)節(jié)。
3.整個裝置內(nèi)部由于沒有旋轉部件，密封性好，工作性能可靠，因此特別適宜于易爆炸、易分解的氣體，防止了泄漏。
本發(fā)明的方法及裝置簡單、適用，產(chǎn)品成本低，制備氣體水合物的生產(chǎn)率高。


圖1為本發(fā)明的結構示意圖，圖2為傳統(tǒng)機械攪拌式反應釜結構示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖通過實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
如圖1所示，一種高效制備氣體水合物的方法，是在一種制備氣體水合物的裝置—圓筒形反應釜1及其輔助系統(tǒng)中進行的，其步驟為(1)注水打開閥門11，關閉閥門12，啟動循環(huán)泵10，水流經(jīng)閥門11與循環(huán)泵10進入反應釜1內(nèi)腔，反應釜內(nèi)腔液面高度維持在反應釜高度的1/2至1/3之間，液面上升到設定高度時關閉閥門11，打開閥門12，反應釜內(nèi)腔中的水流即可經(jīng)由閥門12、循環(huán)泵10、噴嘴9形成循環(huán)回路；(2)加氣所述氣體由氣源經(jīng)壓縮機13壓入至反應釜1的內(nèi)腔；(3)反應維持反應釜1內(nèi)腔中的溫度在0～20℃、絕對壓力2.0～15.0MPa條件下，所述氣體由反應釜下方進入，與水接觸后部分形成水合物，未來得及反應的氣體則到達反應釜內(nèi)腔上部與噴嘴9噴出的霧化水進一步水合反應，生成的水合物浮于液面上部，未反應的水則在下部由循環(huán)泵10送達噴嘴9，噴射霧化后繼續(xù)參與反應。
反應釜1內(nèi)腔中的壓力控制由控制器3與壓力傳感器14完成，當反應釜內(nèi)腔壓力達到設定值時控制器3控制壓縮機13停止工作，反應中當消耗氣體使反應釜1內(nèi)腔中壓力降低時，壓縮機13運轉直至達到設定壓力。反應釜1內(nèi)腔中的溫度由控制器3、溫度傳感器6與冷凍機4及冷凍盤管5組成的溫度控制系統(tǒng)完成，當溫度達到設定值時控制器3控制冷凍機4停止工作。均溫器7用來保證浴槽2內(nèi)乙二醇溶液溫度均勻。
(4)卸壓反應完成后即可進行卸壓操作，卸壓操作可以使反應釜內(nèi)腔溫度降低，在該條件下，水合物處于過冷狀態(tài)，使生成的氣體水合物保持穩(wěn)定狀態(tài)，打開上端蓋16或下端蓋17即可取出的固態(tài)氣體水合物，在其“自保護效應”作用下在去除壓力以后氣體水合物不會立即分解。
上面所述的制備氣體水合物的方法中，水合反應可使用化學促進劑如十二烷基硫酸鈉等來加快反應速度。
一種高效制備氣體水合物方法的所用裝置，包括反應釜，所述的裝置是在筒形反應釜1的外圍設置恒溫浴槽2，恒溫浴槽與制冷循環(huán)系統(tǒng)連接，反應釜的下方分別與水循環(huán)系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)連接。
所述的恒溫浴槽2由控制器3、冷凍機4、盤管5、溫度傳感器6、均溫器7組成，置于恒溫浴槽內(nèi)的盤管5連接冷凍機4，兩個溫度傳感器6分別置于恒溫浴槽2和反應釜1內(nèi)，并由控制器3控制，均溫器7設在恒溫浴槽2的空腔內(nèi)。
所述的水循環(huán)系統(tǒng)由水管8、噴嘴9、循環(huán)泵10以及閥門11、12組成，噴嘴9位于反應釜1內(nèi)腔的上部。
所述的供氣系統(tǒng)由壓縮機13、壓力傳感器14、控制器3組成，氣體經(jīng)壓縮機13、壓力傳感器14通過進氣管15由反應釜1的下部進入反應釜內(nèi)腔，其內(nèi)腔的壓力通過壓力傳感器14由控制器3控制。
所述的反應釜1通過上端蓋16、下端蓋17，與恒溫浴槽2連為一體。上、下端蓋上可以布置反應釜上所需的開口。
氣體壓縮機的選用、氣體壓縮機與循環(huán)泵的排液能力和壓頭及壓縮機的排氣量根據(jù)工藝設計選定。
生產(chǎn)過程中由于氣體過量，水全部轉化為水合物，過量氣體經(jīng)卸壓后返回進料口可繼續(xù)循環(huán)使用，因此生產(chǎn)過程沒有污染環(huán)境的副產(chǎn)物。利用本工藝生產(chǎn)氣體水合物，可以用于煤層氣與天然氣的儲運。其它氣體也可以用做生成氣體水合物顆粒的氣相原料。適用本工藝的氣體包括商業(yè)產(chǎn)品，污染物質(zhì)和其它在自然界或工業(yè)過程中產(chǎn)生的有害氣體。
按圖1的結構，可制成反應釜高800mm、直徑150mm、壓縮機流量60L/h、最高壓力35Mpa、循環(huán)泵流量40L/h、最高壓力40Mpa的裝置。
使用上述設備，在設定4℃、6MPa條件下對甲烷實施反應，生成的甲烷水合物水氣比(mol)為5.99∶1(理想比為5.83∶1)，換算為1體積水合物包含166體積甲烷氣體。
實施例可進行許多變通或等同替換，但不偏離權利要求定義的本發(fā)明范圍。
權利要求
1.一種高效制備氣體水合物的方法，其低分子量的氣體在溫度0～20℃和壓力2～15Mpa的條件下與水接觸可形成類籠形結構的冰狀晶體，其特征在于所述的制備氣體水合物的步驟為(1)注水水流經(jīng)閥門與循環(huán)泵進入反應釜中，液面上升到設定高度時，反應釜中的水流即可經(jīng)閥門、循環(huán)泵、噴嘴形成回路；(2)加氣所述氣體由氣源經(jīng)壓縮機從反應釜下方壓入反應釜中；(3)反應由控制器與壓力傳感器將反應釜內(nèi)腔壓力控制在2.0～15.0Mpa、由溫度控制系統(tǒng)維持反應釜中的溫度在0～20℃條件下，氣體由反應釜下方進入，與水接觸后部分形成水合物，未來得及反應的氣體則到達反應釜內(nèi)腔上部與噴嘴噴出的霧化水進一步水合反應，生成的水合物浮于液面上部，未反應的水則在下部由循環(huán)泵送達噴嘴，噴射霧化后繼續(xù)參與反應。(4)卸壓反應完成后可以使反應釜內(nèi)腔溫度降低來卸壓，打開反應釜端蓋取出固態(tài)氣體水合物。
2.一種按照權利要求1的方法所用的裝置，包括反應釜(1)，其特征在于所述的裝置是在筒形反應釜的外圍設置恒溫浴槽(2)，恒溫浴槽與制冷循環(huán)系統(tǒng)連接，反應釜的下方分別與水循環(huán)系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)連接。
3.按照權利要求2所述的的裝置，其特征在于所述的恒溫浴槽(2)由控制器(3)、冷凍機(4)、盤管(5)、溫度傳感器(6)、均溫器(7)組成，置于恒溫浴槽內(nèi)的盤管(5)連接冷凍機(4)，兩個溫度傳感器(6)分別置于恒溫浴槽和反應釜內(nèi)，并由控制器(3)控制，均溫器(7)設在恒溫浴槽(2)的空腔內(nèi)。
4.按照權利要求2所述的的裝置，其特征在于所述的水循環(huán)系統(tǒng)由水管(8)、噴嘴(9)、循環(huán)泵(10)以及閥門(11、12)組成，噴嘴(9)位于反應釜(1)內(nèi)腔的上部。
5.按照權利要求2所述的的裝置，其特征在于所述的供氣系統(tǒng)由壓縮機(13)、壓力傳感器(14)、控制器(3)組成，氣體經(jīng)壓縮機(13)、壓力傳感器(14)通過進氣管(15)由反應釜(1)的下部進入反應釜內(nèi)腔，其內(nèi)腔的壓力通過壓力傳感器(14)由控制器(3)控制。
6.按照權利要求2所述的的裝置，其特征在于所述的反應釜(1)通過上端蓋(16)、下端蓋(17)，與恒溫浴槽(2)連為一體。
全文摘要
一種高效制備氣體水合物的方法與裝置，涉及氣體儲運領域中氣體水合物制備技術。傳統(tǒng)的水合物生成方法采用機械攪拌方式，存在氣－液接觸不充分、反應后期液體內(nèi)部消耗氣體得不到補充、隨著反應液體粘度增大影響機械攪拌效率等缺點。本發(fā)明提供的方法首先向反應釜中通入要求壓力的氣體，然后冷卻到0～20℃，使其與循環(huán)的微細水滴反應生成氣體水合物。本發(fā)明所用的裝置是在筒形反應釜的外圍設置恒溫浴槽，恒溫浴槽與制冷循環(huán)系統(tǒng)連接，反應釜的下方分別與水循環(huán)系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)連接。本發(fā)明具有方法科學、合理，所用裝置結構簡單、適用，產(chǎn)品成本低，制備氣體水合物的生產(chǎn)率高等優(yōu)點。
文檔編號B01J10/00GK1672782SQ20051001230
公開日2005年9月28日 申請日期2005年1月4日 優(yōu)先權日2005年1月4日
發(fā)明者趙建忠, 趙陽升, 石定賢, 郭相平 申請人:太原理工大學