快速制備天然氣水合物的撞擊流反應(yīng)器及配套系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于天然氣水合物制備領(lǐng)域，具體涉及一種快速制備天然氣水合物的撞擊流反應(yīng)器及配套系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]天然氣水合物(NGH)是一種類冰狀的籠型絡(luò)合物，具有高儲氣特性和自保護效應(yīng)。I立方米的水合物可以儲存標(biāo)況下160-200立方米的天然氣；水合物本身的導(dǎo)熱系數(shù)很低，僅有0.6W/ (m_.K)，這使得低溫下天然氣水合物不易分解。上世紀90年代挪威科技大學(xué)Gudmundsson教授首次提出利用天然氣水合物的自保護效應(yīng)和高儲氣特性，在常壓和-15°C?_5°C溫度下大規(guī)模儲運天然氣的固態(tài)儲運技術(shù)(Gts)—一天然氣水合物儲運技術(shù)。采用該技術(shù)常壓大規(guī)模儲運天然氣時，不必把水合物冷卻至相平衡溫度以下，而是利用水合物的自保護效應(yīng)，將水合物冷凍至水的冰點以下，保持完全絕熱就可以保持穩(wěn)定而不分解。
[0003]現(xiàn)今天然氣的儲運方法主要有管道儲運技術(shù)(PNG)、壓縮天然氣儲運技術(shù)(CNG)、液化天然氣儲運技術(shù)(LNG)和多孔介質(zhì)吸附天然氣儲運技術(shù)(ANG)。其中絕大部分的天然氣采用管道輸送，初期投資大且越洋運輸不易實現(xiàn)。對于小城鎮(zhèn)的小規(guī)模用戶、孤立海島和小型分散天然氣田、海上氣田、叢林或者崎嶇的山地等，鋪設(shè)輸氣管線非常不經(jīng)濟或者較為困難，制約了天然氣的進一步推廣應(yīng)用。天然氣水合物(NGH)儲運技術(shù)是近年來研宄發(fā)展的一項新技術(shù)° Gudmundsson、Najibi，H、Rezaei, R、Javanmardi, J 和 Nasrifar, K 等先后考察了各種天然氣儲運技術(shù)的經(jīng)濟性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)天然氣水合物儲運天然氣(NGH)的成本遠低于壓縮天然氣、液化天然氣和多孔介質(zhì)吸附天然氣的儲運成本；并且當(dāng)運輸距離超過2000公里后，水合物法固態(tài)輸運天然氣比高壓管道輸運天然氣更為經(jīng)濟。因此，天然氣水合物具有存儲空間小存儲量大、儲氣條件相對溫和、安全高效和經(jīng)濟等優(yōu)點，這些優(yōu)點使氣體水合物技術(shù)在天然氣儲運領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。
[0004]但就當(dāng)前的研宄現(xiàn)狀來看，天然氣水合物生產(chǎn)和儲運技術(shù)仍未成熟。如何經(jīng)濟快速大規(guī)模生成水合物是天然氣固態(tài)儲運的第一個關(guān)鍵步驟。該步驟中有兩大技術(shù)難題，其一是天然氣水合物的生成是高放熱過程，水合熱高達540KJ/Kg，這部分熱量如不及時消除，水合反應(yīng)的溫度條件即會打破，生成反應(yīng)就會因而停止。另外，天然氣水合物是在氣和水相界面膜處生成，相界面處往往形成水合物薄膜鎧甲，其會阻礙傳質(zhì)過程的高速進行。Gudmundsson教授申請了世界上第一個水合物快速生成領(lǐng)域內(nèi)的專利，其采用傳統(tǒng)攪拌式反應(yīng)器來強化天然氣水合物的快速生成。隨后，天然氣水合物快速生成技術(shù)得到了前所未有的關(guān)注，大量的氣體水合物強化生成技術(shù)問世。例如，2001年日本三井株式會社提出的管式水合物反應(yīng)器以及強化水合物生成工藝(JP 323751 A) ;2009年江蘇工業(yè)學(xué)院王樹立等提出折疊管式水合物強化工藝與裝置(CN 101818088 A);2001年Moil Oil有限公司(US6180843)和2002年Marathon Oil有限公司(US 6350928)在美國分別提出了采用流化床技術(shù)強化水合物生成過程中傳質(zhì)傳熱效率的新型水合物生成工藝和裝置；2008年中國科學(xué)院廣州能源所白凈、梁德青等提出了采用靜態(tài)超重力技術(shù)強化水合物快速生成的工藝和裝置(CN 101225338 A)。雖然現(xiàn)有較多的生產(chǎn)水合物的方法及裝置問世，但目前仍無法有效地解決水合物生成中氣-液-固三相界面的快速更新和水合生成熱的快速移除兩大問題，仍未實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)天然氣水合物，所以仍需進一步研宄開發(fā)新型高效的天然氣水合物快速生成工藝和成套裝備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了提供一種快速制備天然氣水合物的撞擊流反應(yīng)器，提供相應(yīng)的包含該反應(yīng)器的配套系統(tǒng)和方法則是本發(fā)明的另一個目的。
[0006]基于上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種快速制備天然氣水合物的撞擊流反應(yīng)器，包括外層反應(yīng)器和內(nèi)層反應(yīng)器，外層反應(yīng)器與內(nèi)層反應(yīng)器之間設(shè)有篩板，所述外層反應(yīng)器底部設(shè)有排料口和排水口，排料口設(shè)于篩板上方，排水口設(shè)于篩板下方；所述內(nèi)層反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有盤管冷卻器、攪拌器、上下兩個導(dǎo)流筒和氣體分布器，攪拌器上設(shè)有兩層槳葉旋向相反的攪拌槳，兩層攪拌槳分別位于內(nèi)層反應(yīng)器上部導(dǎo)流筒的頂部和內(nèi)層反應(yīng)器下部導(dǎo)流筒的底部；內(nèi)層反應(yīng)器頂部設(shè)有進液口和排氣口，底部設(shè)有進氣口，進氣口與氣體分布器相連通，內(nèi)層反應(yīng)器側(cè)壁上設(shè)有溢液口。
[0007]所述進液口靠近內(nèi)層反應(yīng)器內(nèi)壁，使反應(yīng)器內(nèi)的物料分布均勻。
[0008]所述導(dǎo)流筒內(nèi)壁均布有四個軸向設(shè)置的擋板，可以增加撞擊流的劇烈撞擊程度，加快氣-液-固的三相表面更新速率和水合生成速率。
[0009]包含所述撞擊流反應(yīng)器的配套系統(tǒng)，撞擊流反應(yīng)器的進液口上連接有儲罐，儲罐上部連接有粉碎機，儲罐與進液口之間設(shè)有冰水高壓泵，內(nèi)層反應(yīng)器的進氣口上連接有氣體增壓機，排氣口上連接有緩沖罐；外層反應(yīng)器的排料口上連接有分離器，粉碎機減小冰粒的粒徑，降低輸送能耗，增大反應(yīng)接觸面積。
[0010]所述儲罐內(nèi)設(shè)有冷卻器，內(nèi)層反應(yīng)器的進氣口與氣體增壓機之間設(shè)有冷卻器，可進一步降低冰水混合物和天然氣的溫度，避免天然氣因壓縮加壓而產(chǎn)生升溫現(xiàn)象。
[0011]所述外層反應(yīng)器的排水口、分離器的出水口分別與儲罐相連通，實現(xiàn)水的循環(huán)利用。
[0012]所述緩沖罐與氣體增壓機相連，實現(xiàn)天然氣的循環(huán)利用。
[0013]所述氣體增壓機為壓縮機。
[0014]利用所述的配套系統(tǒng)快速制備天然氣水合物的方法，其步驟為:
(I)通過進液口向內(nèi)層反應(yīng)器注入冰水混合物至冰水混合物淹沒上層的攪拌槳；
(2 )開始攪拌至冰水混合物流動穩(wěn)定后，通過進氣口向內(nèi)層反應(yīng)器內(nèi)通入天然氣，待內(nèi)外層反應(yīng)器內(nèi)壓力達到4MPa以上時，繼續(xù)注入冰水混合物，從而形成氣-固-液三相混合體系，其中，攪拌器的轉(zhuǎn)速超過350轉(zhuǎn)/min ；
(3)在高速旋轉(zhuǎn)的不同旋向攪拌槳推動作用下，同時耦合導(dǎo)流筒和擋板的整流效應(yīng)，使得內(nèi)層反應(yīng)器內(nèi)上下部的流體高速相對流動，形成高速撞擊流；氣體經(jīng)分布器后形成小氣泡，其在撞擊流作用下直徑不斷減小，并且在撞擊區(qū)往返多次運動，極大提高了氣泡在內(nèi)層反應(yīng)器內(nèi)的停留時間，極大增加了其與水和冰粒的相接觸面積；冰水混合物從進液口進入內(nèi)層反應(yīng)器的中部，冰粒在撞擊流作用下直徑不斷減小，也在撞擊區(qū)多次往返運動，其停留時間也大大延長，極大增加了其與氣泡的相接觸面積，冰粒表面形成的天然氣水合物顆粒在撞擊流作用下，不斷破碎，天然氣水合物顆粒直徑逐漸減??；內(nèi)層反應(yīng)器內(nèi)形成的天然氣水合物顆粒在撞擊區(qū)多次往返運動，停留時間大為延長，提供了大量天然氣水合物晶核，從而促進了更多的天然氣與水或者冰生成天然氣水合物；液體夾帶冰粒、氣泡及天然氣水合物顆粒在撞擊流作用下，在上下兩層攪拌漿之間的中心高速碰撞破碎混合，生成大量微小天然氣水合物晶體；天然氣水合物的生成熱由冰粒的融化和盤管換熱器內(nèi)的冷流體移除，同時高速撞擊流能強化該過程的熱量傳遞；
(4)逃逸出撞擊區(qū)的天然氣水合物細小顆粒在上層攪拌槳上的流體區(qū)域中逐漸聚結(jié)、長大，并漂浮于內(nèi)層反應(yīng)器內(nèi)溶液表面，形成天然氣水合物漿，當(dāng)液面高度達到溢液口時，天然氣水合物漿溢流進入外層反應(yīng)器，經(jīng)篩板初步分離后，大部分水經(jīng)排水口循環(huán)利用，含部分水的天然氣水合物漿經(jīng)外層反應(yīng)器的排料口進入分離器分離后得到的目標(biāo)產(chǎn)物天然氣水合物進入天然氣水合物儲罐。
[0015]所述冰水混合物中冰粒的體積分數(shù)為10%至20%，所述冰粒粒徑為830到1000微米。
[0016]該撞擊流反應(yīng)器所有與水接觸的壁面，包括內(nèi)層反應(yīng)器的內(nèi)外兩表面、外層反應(yīng)器內(nèi)表面、導(dǎo)流筒的內(nèi)外表面、擋板的表面、盤管冷卻器的外表面、氣體分布器的內(nèi)外表面、進液管內(nèi)外表面、天然氣水合物出料管內(nèi)表面、排水管內(nèi)表面等均經(jīng)過改性處理為非極性面。
[0017]由于反應(yīng)物料是冰水混合物，并且冰的液化熱高達335KJ/Kg，所以大部分的水合反應(yīng)熱促使冰粒融化成水，而水又構(gòu)造成天然氣水合物的籠形骨架；內(nèi)置于反應(yīng)器的冷卻器能夠移走部分的水合反應(yīng)熱。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，推進式攪拌槳形成的撞擊流相對速度能達到30m/s以上，高速的撞擊破壞了天然氣水合物的薄膜鎧甲效應(yīng)，并充分擴大了氣-液接觸面積，實現(xiàn)氣-液-固三相界面快速更新，加快了水合反應(yīng)速率，反應(yīng)器內(nèi)的氣體轉(zhuǎn)化率能達到80%以上，液體水或者冰粒轉(zhuǎn)化率可達8%以上；由于冰粒直徑僅有830到1000微米，加上氣-液-固顆粒的碰撞和破碎，導(dǎo)致其表面積相當(dāng)大，使水合反應(yīng)熱的移走速度快；另外，以推進式攪拌槳形成的撞擊流制備天然氣水合物，可以減少天然氣和冰水混合物的循環(huán)量，從而降低能耗。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明提供的撞擊流反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明提供的配套系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明。
[0021]如圖1、圖2所示，一種快速制備天然氣水合物的撞擊流反應(yīng)器，包括外層反應(yīng)器I和內(nèi)層反應(yīng)器2，外層反應(yīng)器I與內(nèi)層反應(yīng)器2之間設(shè)有篩板8，所述外層反應(yīng)器I底部設(shè)有排料口 12和排水口 11，排料口 12設(shè)于篩板8上方，排水口 11設(shè)于篩板8下方