專利名稱：一種水合物法連續(xù)分離天然氣中二氧化碳的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種水合物法高效連續(xù)分離天然氣中(X)2的裝置。
背景技術(shù)：
氣體水合物是水與甲烷、乙烷、CO2及等小分子氣體在一定溫壓條件下形成的非化學(xué)計(jì)量性籠狀晶體物質(zhì)，又稱籠型水合物。當(dāng)沼氣形成水合物時(shí)，水合物相中氣體組成與氣相組成不一致，CO2在水合物相富集，CH4在氣相中富集，實(shí)現(xiàn)CH4和CO2的分離。水合物分離法分離天然氣中CO2可以實(shí)現(xiàn)天然氣脫碳工藝的簡(jiǎn)單化、技術(shù)安全環(huán)保化、生產(chǎn)穩(wěn)定化、費(fèi)用低廉化等效果，在天然氣脫碳方面具有較好的工業(yè)前景。為實(shí)現(xiàn)水合物分離法脫除天然氣中ω2工業(yè)化，需要設(shè)計(jì)出一套安全高效的連續(xù)水合物法脫除天然氣中(X)2工藝。因此，研發(fā)水合物法快速高效分離天然氣中(X)2技術(shù)及工藝具有重要意義。目前，水合物法分離沼氣和天然氣中的(X)2還沒(méi)有工業(yè)應(yīng)用案例。水合物法分離氣體研究較多的是煙氣的分離，N2和(X)2在5°C下形成水合物壓力相差25MPa，CH4和(X)2在 5°C下形成水合物壓力相差2MPa。因?yàn)镃H4和(X)2的生成水合物的壓力相差很小，CO2生成水合物條件下，CH4也易于生成水合物，使水合物法分離沼氣對(duì)天然氣中(X)2的選擇性要低于煙氣中對(duì)(X)2的選擇性，用水合物法脫除天然氣中C02，CH4生成水合物的比例較高，分離難度大。氣體水合物形成要經(jīng)過(guò)氣體溶解、晶核生成和晶體生長(zhǎng)階段，水合物只能在氣液界面形成，且開始形成的膜狀水合物阻止氣體進(jìn)一步與水溶液接觸，水合物生成過(guò)程由反應(yīng)速率控制變?yōu)闅怏w擴(kuò)散速率控制，使水合物的自然生成速度十分緩慢，水合物法分離天然氣中(X)2的效率低下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)需要。當(dāng)近年來(lái)，在如何提高水合物法分離沼氣的選擇性，提高水合速率方面，國(guó)內(nèi)外許多科研人員進(jìn)行了大量研究并取得了很大的進(jìn)展。研究的方向主要包括在動(dòng)力學(xué)上，采用拉大C02和CH4形成水合物的時(shí)間方法，在熱力學(xué)上， 添加能拉大CH4和C02形成水合物壓力的添加劑，改善傳質(zhì)/傳熱條件，增強(qiáng)混合等。水合物法分離天然氣中C02的研究近幾年才開始，文獻(xiàn)和專利報(bào)道都集中在研究階段。例如2009年，Nena Dabrowski等設(shè)計(jì)了一個(gè)多級(jí)平衡結(jié)晶流程模擬水合物分離天然氣中CO2,得出水合物可以分離天然氣中CO2，需要解決的問(wèn)題是甲烷損失率高的問(wèn)題。殼牌石油公司在水合物法分離天然氣中CO2研究較多，2009年，Mark van Denderen等研究了 THF, CTAB, NaCL存在下水合物分離天然氣中(X)2的效果，得出水合物可以分離CH4AD2混合氣，但反應(yīng)速率慢，甲烷損失較多。2009年，Michael Golombok等通過(guò)動(dòng)力學(xué)研究天然氣中 CO2的脫除，發(fā)現(xiàn)(X)2形成水合物的誘導(dǎo)時(shí)間對(duì)攪拌速率更敏感，隨著攪拌速率的增加，誘導(dǎo)時(shí)間(X)2減少比CH4快，攪拌轉(zhuǎn)速在500RPM以下，(X)2生成水合物的誘導(dǎo)時(shí)間大于CH4生成水合物的誘導(dǎo)時(shí)間，攪拌速率1000RPM時(shí)，CO2的誘導(dǎo)時(shí)間遠(yuǎn)低于CH4,這樣當(dāng)C02生成水合物后，CH4還是氣體，從而可以實(shí)現(xiàn)CH4與(X)2的分離。上述水合物法分離天然氣中C02方法目前只停留在試驗(yàn)階段，還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。在國(guó)外，特別是日本、挪威對(duì)水合物分離技術(shù)非常重視，殼牌石油公司在水合物法脫除天然氣中CO2研究較多。但是，離商業(yè)化應(yīng)用還用一定距離，還有許多技術(shù)問(wèn)題需要解決。因此開發(fā)水合物法高效連續(xù)脫除天然氣中(X)2的裝置很有意義。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種能夠高效、連續(xù)分離天然氣中(X)2的裝置，本實(shí)用新型也也用于天然氣中其它氣體分離如H2S分離。為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用了以下的技術(shù)方案一種水合物法連續(xù)分離天然氣中(X)2的裝置，包括進(jìn)氣管9、低溫水浴1、低溫水罐 2、氣體壓縮機(jī)3、液體增壓水泵4、氣液混合器5、管式分離器6、液體輸送泵16和水合物分解塔8 ；所述低溫水罐2設(shè)有加試劑口、出水口、補(bǔ)水口和液體進(jìn)口，出水口依次與液體增壓泵4和氣液混合器5的液體進(jìn)口連接；加試劑口與加試劑管18相連，補(bǔ)水口與補(bǔ)水管17相連；所述低溫水罐2中設(shè)有氣體管道，氣體管道的一端連接進(jìn)氣管9，另一端依次與氣體壓縮機(jī)3和氣液混合器5的氣體進(jìn)口連接，所述低溫水罐2中還設(shè)有冷卻水管道，冷卻水管道的兩端分別與低溫水浴1的第一出水口和第一進(jìn)水口相連；所述的管式分離器6包括管程和殼程，殼程的冷卻水進(jìn)口與低溫水浴1的第二出水口相連，殼程的冷卻水出口與低溫水浴1的第二進(jìn)水口通過(guò)管道相連，管式分離器6的管程進(jìn)口與氣液混合器5的出口通過(guò)管道連接，管式分離器6管程的設(shè)有氣體出口和液體出口，管程的液體出口與水合物分解塔8 的進(jìn)口相連，水合物分解塔的頂部設(shè)有氣體排出口，底部設(shè)有液體出口，液體出口連接到低溫水罐2的液體進(jìn)口，所述的水合物分解塔8中交錯(cuò)設(shè)有塔板，底部有一加熱器19。所述管程為并聯(lián)的直管10及與其相貫通的部分；殼程為直管外的通道及與其相貫通的部分，殼程設(shè)有折流板。所述直管外設(shè)有翅片20 ；直管內(nèi)設(shè)有流體回旋鱗片12。所述流體回旋鱗片12的高度與管徑比為0. 6^0. 7，兩流體回旋鱗片間距離與管徑比在1. 5 2. 0。所述水合物分解塔8可以為板式精餾塔。所述管程的氣體出口連接有兩條管路，一條通過(guò)壓力閥與進(jìn)氣管連接，構(gòu)成進(jìn)氣管的支路，另一條連接壓力閥，直接排出氣體。所述的裝置連續(xù)分離天然氣中(X)2的方法，包括以下步驟(1)由補(bǔ)水管加入的水和由加試劑管加入的水合物促進(jìn)劑一起進(jìn)入低溫水罐形成混合液，低溫水浴中的冷卻水進(jìn)入低溫水罐將混合液冷卻至5 15°C，混合液進(jìn)入液體增壓水泵增壓至2 7MPa ；由進(jìn)氣管通入的含(X)2的天然氣經(jīng)低溫水罐冷卻后進(jìn)入氣體壓縮機(jī)， 增壓至2 7MPa ；經(jīng)增壓后的混合液和天然氣一起進(jìn)入氣液混合器混合；(2)混合后的氣液混合物進(jìn)入管式分離器中發(fā)生水合反應(yīng)，生成水合物漿，同時(shí)分離出的氣體一部分作為產(chǎn)品氣CH4輸出，另一部分氣體回流到進(jìn)氣管；(3)水合物漿進(jìn)入水合物分解塔，水合物漿在2(T40°C分解，產(chǎn)生的氣體(X)2輸出， 液體經(jīng)液體輸送泵回流至低溫水罐，即連續(xù)分離天然氣中的co2。所述低溫水浴1的溫度為廣7°C。所述水合物漿從水合物分解塔的最上層塔板一步步流下到最下層塔板。所述管式分離器的內(nèi)部有并聯(lián)的直管；管外殼程設(shè)置折流板，管道外帶有翅片用于增強(qiáng)換熱。管道內(nèi)安裝流體回旋鱗片，回旋鱗片的高度與管徑比在0.6-0. 7之間，兩鱗片間距離與管徑比在1.5-2.0之間。列管內(nèi)走氣液混合物，管外走冷卻介質(zhì)。管道并聯(lián)不僅增強(qiáng)單位體積氣液混合物換熱效果，而且避免管道過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致生成水合物堵塞管道的問(wèn)題， 有效提高水合物分離效率；設(shè)置折流板可以改善冷卻介質(zhì)與直管的對(duì)流角度，提高傳熱系數(shù)。此外折流板還可以起到支撐管束、保持管距的作用。翅片增大了管壁與冷卻介質(zhì)的換熱面積，增強(qiáng)傳熱效果；流體回旋鱗片既可增加氣液混合物流動(dòng)的湍流程度，增大氣液混合效果，強(qiáng)化熱量傳遞和質(zhì)量傳遞，又可避免水合物在管壁面粘結(jié)。從管式分離器出來(lái)的氣體一部分作為產(chǎn)品CH4輸出，一部分進(jìn)入氣體循環(huán)回路，通過(guò)調(diào)節(jié)輸出氣體和循環(huán)氣體的比例，使輸出氣體中CH4的濃度達(dá)到要求。從管式分離器出來(lái)的水合物漿進(jìn)入水合物分解塔，水合物分解塔底部有加熱器。 水合物漿進(jìn)入分解塔內(nèi)壓力降低，同時(shí)在塔板上傳熱，水合物在低壓高溫下分解，分解后的氣體CO2經(jīng)塔頂管道輸出，分解后的液體進(jìn)入液體循環(huán)回路。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)所具有的優(yōu)點(diǎn)及有益效果1、實(shí)現(xiàn)水合物法脫除天然氣中(X)2 ；2、本實(shí)用新型設(shè)置了流體回旋鱗片，使氣液混合物回旋流動(dòng)，增大了氣-液接觸面積；3、加快反應(yīng)過(guò)程的傳質(zhì)與傳熱；4、實(shí)現(xiàn)水合物法連續(xù)快速脫除天然氣中C02。

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施案例裝置示意圖；圖2是本實(shí)用新型管式分離器的單管示意圖；圖3是管式分離器中列管中安裝的流體回旋翅片示意圖。1-低溫水浴；2-低溫水罐；3-氣體壓縮機(jī)；4-液體增壓水泵；5-氣液混合器； 6-管式分離器；7-液體輸送泵；8-水合物分解塔；9-進(jìn)氣管；10-直管；11-折流板；12-流體回旋鱗片13-氣體壓力調(diào)節(jié)閥；14-氣體壓力調(diào)節(jié)閥；15-氣體壓力調(diào)節(jié)閥；16-液體輸送泵；17-補(bǔ)水管；18-加試劑管；19-加熱器；20-翅片。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施案例對(duì)本實(shí)用新型內(nèi)容做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明如圖1所示，一種水合物法連續(xù)分離天然氣中(X)2的裝置，包括進(jìn)氣管9、低溫水浴 1、低溫水罐2、氣體壓縮機(jī)3、液體增壓水泵4、氣液混合器5、管式分離器6、液體輸送泵(7， 16)和水合物分解塔8 ；所述低溫水罐2設(shè)有加試劑口、出水口、補(bǔ)水口和液體進(jìn)口，出水口依次與液體增壓泵4和氣液混合器5的液體進(jìn)口連接；加試劑口與加試劑管18相連，補(bǔ)水口與補(bǔ)水管17相連；所述低溫水罐2中設(shè)有氣體管道，氣體管道的一端連接進(jìn)氣管9，另一端依次與氣體壓縮機(jī)3和氣液混合器5的氣體進(jìn)口連接，所述低溫水罐2中還設(shè)有冷卻水管道，冷卻水管道的兩端分別與低溫水浴1的第一出水口和第一進(jìn)水口相連；所述的管式分離器6包括管程和殼程，殼程的冷卻水進(jìn)口與低溫水浴1的第二出水口相連，殼程的冷卻水出口與低溫水浴1的第二進(jìn)水口通過(guò)管道相連，管式分離器6的管程進(jìn)口與氣液混合器 5的出口通過(guò)管道連接，管式分離器6管程的設(shè)有氣體出口和液體出口，管程的液體出口與水合物分解塔8的進(jìn)口相連，水合物分解塔的頂部設(shè)有氣體排出口，底部設(shè)有液體出口，液體出口連接到低溫水罐2的液體進(jìn)口，所述水合物分解塔8為板式精餾塔，交錯(cuò)設(shè)有塔板， 底部有一加熱器19。所述管程為并聯(lián)的直管10及與其相貫通的部分；殼程為直管外的通道及與其相貫通的部分，殼程設(shè)有折流板。圖2所示，所述直管外設(shè)有翅片20 ；直管內(nèi)設(shè)有流體回旋鱗片12。圖3中，所述流體回旋鱗片12的高度與管徑比為0. 6^0. 7，兩流體回旋鱗片間距離與管徑比在1.5 2.0。所述管程的氣體出口連接有兩條管路，一條通過(guò)壓力閥與進(jìn)氣管連接，構(gòu)成進(jìn)氣管的支路，另一條連接壓力閥，直接排出氣體。所述的裝置連續(xù)分離天然氣中(X)2的方法，包括以下步驟(1)由補(bǔ)水管加入的水和由加試劑管加入的水合物促進(jìn)劑一起進(jìn)入低溫水罐形成混合液，低溫水浴中的冷卻水進(jìn)入低溫水罐將混合液冷卻至5 15°C，混合液進(jìn)入液體增壓水泵增壓至2 7MPa ；由進(jìn)氣管通入的含(X)2的天然氣經(jīng)低溫水罐冷卻后進(jìn)入氣體壓縮機(jī)， 增壓至2 7MPa ；經(jīng)增壓后的混合液和天然氣一起進(jìn)入氣液混合器混合；(2)混合后的氣液混合物進(jìn)入管式分離器中發(fā)生水合反應(yīng)，生成水合物漿，同時(shí)分離出的氣體一部分作為產(chǎn)品氣CH4輸出，另一部分氣體回流到進(jìn)氣管；(3)水合物漿進(jìn)入水合物分解塔，水合物漿在2(T40°C分解，產(chǎn)生的氣體(X)2輸出， 液體經(jīng)液體輸送泵回流至低溫水罐，即連續(xù)分離天然氣中的co2。所述低溫水浴1的溫度為廣7°C。所述水合物漿從水合物分解塔的最上層塔板一步步流下到最下層塔板。實(shí)施例2本實(shí)施案例裝置在使用時(shí)，由補(bǔ)水管17來(lái)的水和加添加劑管18來(lái)的水合物促進(jìn)劑一起進(jìn)入低溫水罐，經(jīng)低溫水浴1冷卻到7。C，液體增壓泵4使液壓提高到3MPa。由進(jìn)氣管9來(lái)的含(X)2的天然氣經(jīng)低溫水罐，被其內(nèi)的低溫液體冷卻后進(jìn)入氣體壓縮機(jī)3使氣體壓力提高到3MPa。經(jīng)水泵增壓后的帶有促進(jìn)劑的液體和經(jīng)氣體壓縮機(jī)增壓后的天然氣一起進(jìn)入氣液混合器5。氣體與液體充分混合，由此在氣液混合器5出口處形成帶有大量微小氣泡的水。然后，上述氣液混合物進(jìn)入管式分離器，在管內(nèi)進(jìn)行湍流回旋流動(dòng)，在此過(guò)程中氣體與液體充分混合傳質(zhì)和傳熱，CO2與液體水合從混合氣中分離；分離后的氣體一部分經(jīng)氣體壓力調(diào)節(jié)閥13作為產(chǎn)品014輸出，一部分氣體經(jīng)氣體壓力調(diào)節(jié)閥14循環(huán)回進(jìn)氣管9，形成氣體回路。所述的冷卻熱交換系統(tǒng)由低溫水浴1的循環(huán)冷卻介質(zhì)提供，溫度為5°C，用管道連接至管式分離器6和低溫水罐2，經(jīng)換熱之后溫度升高，然后循環(huán)回低溫水浴1進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。所述水合物分解塔8底部設(shè)有加熱器19，加熱器向塔內(nèi)提供熱量使水合物分解。 管式分離器6中的水合物漿經(jīng)液體輸送泵7進(jìn)入水合物分解塔，水合物在塔內(nèi)從最上面第一塊塔板，一步步流到最下面一塊塔板，水合物一步步分解。分解后的氣體經(jīng)塔頂部管道13 輸出，分解后的液體經(jīng)液體流量泵16循環(huán)回低溫水罐進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。本實(shí)施案例有以下優(yōu)點(diǎn)1實(shí)現(xiàn)水合物法脫除天然氣中C02;2增大了氣-液接觸面積；3加快反應(yīng)過(guò)程的傳熱；4實(shí)現(xiàn)水合物法連續(xù)快速脫除天然氣中C02，CH4產(chǎn)量IOOm3 /h。
權(quán)利要求1.一種水合物法連續(xù)分離天然氣中二氧化碳的裝置，其特征在于，包括進(jìn)氣管(9)、低溫水浴(1)、低溫水罐(2)、氣體壓縮機(jī)(3)、液體增壓水泵(4)、氣液混合器(5)、管式分離器 (6)、液體輸送泵(16)和水合物分解塔(8);所述低溫水罐(2)設(shè)有加試劑口、出水口、補(bǔ)水口和液體進(jìn)口，出水口依次與液體增壓泵(4)和氣液混合器(5)的液體進(jìn)口連接；加試劑口與加試劑管(18)相連，補(bǔ)水口與補(bǔ)水管(17)相連；所述低溫水罐(2)中設(shè)有氣體管道，氣體管道的一端連接進(jìn)氣管(9)，另一端依次與氣體壓縮機(jī)(3)和氣液混合器(5)的氣體進(jìn)口連接，所述低溫水罐(2)中還設(shè)有冷卻水管道，冷卻水管道的兩端分別與低溫水浴(1)的第一出水口和第一進(jìn)水口相連；所述的管式分離器(6)包括管程和殼程，殼程的冷卻水進(jìn)口與低溫水浴(1)的第二出水口相連，殼程的冷卻水出口與低溫水浴(1)的第二進(jìn)水口通過(guò)管道相連，管式分離器(6)的管程進(jìn)口與氣液混合器(5)的出口通過(guò)管道連接，管式分離器 (6)管程的設(shè)有氣體出口和液體出口，管程的液體出口與水合物分解塔(8)的進(jìn)口相連，水合物分解塔的頂部設(shè)有氣體排出口，底部設(shè)有液體出口，液體出口連接到低溫水罐(2)的液體進(jìn)口，所述的水合物分解塔(8)中交錯(cuò)設(shè)有塔板，底部有一加熱器(19)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述管程為并聯(lián)的直管(10)及與其相貫通的部分；殼程為直管外的通道及與其相貫通的部分，殼程設(shè)有折流板。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述直管外設(shè)有翅片(20);直管內(nèi)設(shè)有流體回旋鱗片(12)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述流體回旋鱗片(12)的高度與管徑比為0. 6^0. 7，兩流體回旋鱗片間距離與管徑比在1. 5^2. 0。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述水合物分解塔(8)為板式精餾塔。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述管程的氣體出口連接有兩條管路，一條通過(guò)壓力閥與進(jìn)氣管連接，構(gòu)成進(jìn)氣管的支路，另一條連接壓力閥，直接排出氣體。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種水合物法連續(xù)分離天然氣中二氧化碳的裝置。裝置包括進(jìn)氣管(9)、低溫水浴(1)、低溫水罐(2)、氣體壓縮機(jī)(3)、液體增壓水泵(4)、氣液混合器(5)、管式分離器(6)、液體輸送泵(16)和水合物分解塔(8)；由補(bǔ)水管進(jìn)的水和加試劑管進(jìn)的添加劑一起進(jìn)入低溫水罐，冷卻到水合物分離溫度，經(jīng)增壓后與增壓后的天然氣一起進(jìn)入氣液混合器混合，連續(xù)形成水合物，分離后的水合物漿進(jìn)入水合物分解塔，分解水合物回收溶液和CO2，本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了水合物法連續(xù)快速脫除天然氣中CO2，CH4產(chǎn)量是100m3/h。
文檔編號(hào)C10L3/10GK202107679SQ201120222120
公開日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2011年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月28日
發(fā)明者樊栓獅, 王燕鴻, 聶江華, 郎雪梅 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)