一种气体水合物生成实验装置

技术领域

本发明属于气体水合物应用及储运技术领域，特别涉及一种气体水合物生成实验装置。

背景技术

天然气水合物是一种由主体分子(水)和客体分子(气体分子)在低温、高压下生成的一种非化学计量的冰状笼形包合物。可生成水合物的气体包括甲烷、乙烷、丙烷、CO

水合物的生成主要包括成核和生长两个过程。成核是指当溶液处于过冷状态或过饱和状态时，形成达到临界尺寸的稳定水合物核的过程，当晶核达到某一临界尺寸后，进入水合物的稳定生长阶段。成核过程中晶核的形成一般包括一段时间的诱导期，诱导期具有较大的随机性和不稳定性，；此外，水合物生成过程中，会形成水合物膜，阻碍气体进入水相和水合物相，阻止水合物的生成。水合物生成的条件较为严格，这也是工业应用的难点。在水合物生成实验中，需要花费一定时间来进行降温，从而达到水合物生成的条件，这也意味这需要耗费能量来降温、保温。基于以上情况，本发明能够迅速降温且不需要其他传热介质，减少中间能耗，且可以同水充分接触，快速达到水合物生成的条件，加速水合物的生成。

但是，在工业生产与运用过程中，基于水合物生成的相关技术应用的瓶颈主要在于生成条件高、生成速度慢、诱导时间长、储气密度低等。目前解决的关键问题就是提高水合物的生成速率和效率。目前强化水合物生成的方法分为两大类：化学物理强化和机械强化。化学物理强化主要是添加促进剂促进水合物的生成，促进剂有热力学促进剂和动力学促进剂。机械强化目前主要有搅拌法、鼓泡法、喷雾法、外场法等。机械强化主要是增大气液接触面积，快速散去水合反应中产生的热量。目前，搅拌法存在能量消耗大、储气密度低、易磨损等不利因素，在工业中很少单独使用，但是在大多数的静态水合物生成实验装置中应用很多；采用超声波雾化，增大气液接触面积，可以提高水合物生成速度，但是系统添加的超声波雾化器不仅投资费用增加，而且运行费用也增大。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种气体水合物生成实验装置。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种气体水合物生成实验装置，包括气液输送系统、冷却系统、高压反应釜生成系统和数据采集系统；

所述气液输送系统包括气相管路、回收管路和加液管路，用于输送气体或液体；

所述冷却系统安装在气相管路上，用于对气相管路上的气体进行冷却；

所述高压反应釜生成系统分别与气相管路、回收管路和加液管路连接，用于生成水合物；

所述气相管路用于往高压反应釜生成系统输送气体；

所述加液管路用于往高压反应釜生成系统输送反应试剂；

所述回收管路还与气相管路连接；

所述采集系统与高压反应釜生成系统连接，用于采集高压反应釜系统中的数据。

优选地，所述气液输送系统还包括储气瓶，所述储气瓶与输送管路连接。

优选地，气液输送系统还包括增压管路、第一压力表、气体压缩机、气体增压泵、第二截止阀和第二压力表；

所述第二截止阀、第一压力表和第二压力表依次安装在输送管路上；

所述增压管路与气相管路连通，且位于第一压力表和第二压力表之间；

所述气体压缩机和气体增压泵均安装在增压管路上，且气体增压泵安装在增压管路末端。

优选地，所述增压管路还依次安装有第四截止阀、第三压力表和第五截止阀，所述第四截止阀、第三压力表和第五截止阀位于气体压缩机和气体增压泵之间。

优选地，所述回收管路上安装有第一截止阀、第六截止阀和超声速旋流分离装置，所述超声速旋流分离装置位于第一截止阀和第六截止阀之间；

所述超声速旋流分离装置包括螺旋纽带和第一喷管，第一喷管通过与回收管路固定连接，螺旋纽带焊接在回收管路内部。

所述超声速旋流分离装置还连通有回收口。

优选地，所述气相管路还连通有气相旁路，所述气相旁路，所述气相旁路上安装有第三截止阀；

所述第三截止阀一端位于第二截止阀前侧，另一端位于增压管路和第二压力表之间。

优选地，所述冷却系统包括第二喷管；

所述第二喷管安装在气相管路上。

优选地，所述高压反应釜生成系统包括雾化喷头、高压反应釜、观察窗和真空泵；

所述雾化喷头安装在高压反应釜顶部，与加液管路连接，所述高压反应釜底部与气相管路连接；

所述观察窗用于观察高压反应釜的内部水合物；

所述真空泵用于给高压反应釜抽真空。

优选地，所述气液输送系统还包括加液口，所述加液口通过管路与雾化喷头连通。

优选地，所述第一喷管包括渐缩管段和渐扩管段，所述渐缩管段和渐扩管段之间设置有喉部，所述减缩管段至喉部的直径逐渐减小，所述喉部至渐扩管段的喉部逐渐增大。

优选地，所述第一喷管和第二喷管均为拉瓦尔喷管。

优选地，所述数据收集系统包括温度传感器、压力传感器、高清摄像头、数据采集单元；

所述温度传感器用于检测高压反应釜内部的温度；

所述压力传感器用于检测高压反应釜内部的压力；

所述高清摄像头用于对高压反应釜内部摄像；

所述数据采集单元用于采集高压反应釜内部的温度、压力以及内部摄像的图片。

本发明的有益效果：

1、本发明采用通过气相管路给高压反应釜生成系统输送气体，同时通过加液管路往高压反应釜生成系统输送液体，生成水合物，同时通过回收管路进行水合物的回收，实现高效利用，并且通过采集系统采集高压反应釜生成系统的数据，便于监测，有利于提高水合物的生成效率；

2、本发明利用拉瓦尔喷管，节流降温，省去水浴制冷设备，节省设备成本、降低能耗、简化操作，本装置利用拉瓦尔喷管可使气体达到超声速，并利用螺旋纽带使高速气体因不同的离心力，实现高效、无外部能耗气液分离，另外采用拉瓦尔喷管实现气体迅速降温，通过气液相互接触直接传热，无需第三传热介质，实现水合物快速生成；

3、投资和运行费用低。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明的一种气体水合物生成实验装置的结构示意图；

图2示出了本发明的拉瓦尔管的内部结构示意图；

图3示出了本发明的超声速旋流分离装置的内部结构示意图。

图中：1、储气瓶；101、气相管路；102、气相旁路；103、回收管路；104、加液管路；105、增压管路；2、第一截止阀；3、第一压力表；4、气体压缩机；5、气体增压泵；6、加液口；7、回收口；8、超声速旋流分离装置；801、螺旋纽带；802、第一喷管；9、雾化喷头；10、高压反应釜；11、第二喷管；12、观察窗；13、温度传感器；14、压力传感器；15、高清摄像头；16、真空泵；17、数据采集单元；18、第二截止阀；19、第三截止阀；20、第二压力表；21、第四截止阀；22、第三压力表；23、第五截止阀；24、第六截止阀。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种气体水合物生成实验装置，如图1所示，包括气液输送系统、冷却系统、高压反应釜生成系统和数据采集系统；

气液输送系统包括气相管路101、回收管路103和加液管路104，用于输送气体或液体；

冷却系统安装在气相管路101上，用于对气相管路101上的气体进行冷却；

高压反应釜生成系统分别与气相管路101、回收管路103和加液管路104连接，用于生成水合物；

气相管路101用于往高压反应釜生成系统输送气体；

加液管路104用于往高压反应釜生成系统输送反应试剂；

回收管路103还与气相管路101连接；

采集系统与高压反应釜生成系统连接，用于采集高压反应釜系统中的数据。

需要说明的是，气体通过气相管路101进入高压反应釜生成系统，并且在进入高压反应釜生成系统前通过冷却系统对气体进行冷却，另外，加液管路104将反应液体输送至高压反应釜生成系统中，然后回收管路103可以回收生成的产物，而采集系统可以实时采集高压反应釜生成系统的内部状态信息。

进一步地，气液输送系统还包括储气瓶1，储气瓶1与气相管路101连接。

需要说明的是，储气瓶1用来存储反应所需的气体。

进一步地，气液输送系统还包括增压管路105、第一压力表3、气体压缩机4、气体增压泵5、第二截止阀18和第二压力表20；

第二截止阀18、第一压力表3和第二压力表20依次安装在气相管路101上；其中，第二截止阀18调节气体流速，第一压力表3和第二压力表20监测管路内压力。

增压管路105与气相管路101连通，且位于第一压力表3和第二压力表20之间；

气体压缩机4和气体增压泵5均安装在增压管路105上，且气体增压泵5安装在增压管路105末端。

需要说明的是，若气体进入高压反应釜生成系统后的压力达不到实验所设定的值，此时说明气相管路101上的气体压力不足，可通过气体增压泵5和气体压缩机4给气体增压，从而使气相管路101上的气体压力上升，具体的压力数值可以通过第二压力表20检测得到。

进一步地，增压管路105还依次安装有第四截止阀21、第三压力表22和第五截止阀23，第四截止阀21、第三压力表22和第五截止阀23位于气体压缩机4和气体增压泵5之间。其中，第四截止阀21与第五截止阀23调节气体流速，第三压力表22监测管路内压力。

进一步地，回收管路103上安装有第一截止阀2、第六截止阀24和超声速旋流分离装置8，超声速旋流分离装置8位于第一截止阀2和第六截止阀24之间；

如图3所示，超声速旋流分离装置8包括螺旋纽带801和第一喷管802，第一喷管802通过与回收管路103固定连接，螺旋纽带801焊接在回收管路103内部；

超声速旋流分离装置8还连通有回收口7。

超速旋流装置包含螺旋纽带801和第一喷管802(拉瓦尔喷管)，首先通过拉瓦尔喷管使气体、气路中的液滴和水合物颗粒等进一步降温，增强水合物颗粒的稳定性，然后通过螺旋纽带801，实现气液及气固两相(气体和气路中的液滴、气体和水合物颗粒)的高效旋流分离，此超速旋流装置无需外部能量供应，实现气体的循环利用和气液、气固的分离，具有低能耗、高效率、低成本的特点和优势。

需要说明的是，回收管路103会回收高压反应釜生成系统产生的水合物，然后水合物会经过超声速旋流分离装置8，使气体与液体分离，废液通过回收口7排出，洁净气体通过回收管路103再次进入气相管路101。

进一步地，气相管路101还连通有气相旁路102，气相旁路102，气相旁路102上安装有第三截止阀19；

第三截止阀19一端位于第二截止阀18前侧，另一端位于增压管路105和第二压力表20之间。

需要说明的是，当储气瓶1内的气体压力可以直接满足高压反应釜生成系统的压力时，可以通过第二截止阀18关闭气相管路101，同时打开第三截止阀19，让储气瓶1的气体通过气相旁路102进入高压反应釜生成系统。

进一步地，冷却系统包括第二喷管11；

第二喷管11安装在气相管路101上。

需要说明的是，第二喷管11的作用是使气体速度增大为超声速，温度随之急剧下降，气体得到迅速冷却。

进一步地，高压反应釜生成系统包括雾化喷头9、高压反应釜10、观察窗12和真空泵16；

雾化喷头9安装在高压反应釜10顶部，与加液管路104连接，高压反应釜10底部与气相管路101连接；

观察窗12用于观察高压反应釜10的内部水合物；

真空泵16用于给高压反应釜10抽真空。

需要说明的是，气相管路101输送的气体和加液管路104输送的反应液体在高压反应釜10中进行反应，生成水合物，使反应液体呈雾化状态喷出。

进一步地，气液输送系统还包括加液口6，加液口6通过管路与雾化喷头9连通。

进一步地，数据收集系统包括温度传感器13、压力传感器14、高清摄像头15、数据采集单元17；

温度传感器13用于检测高压反应釜10内部的温度；

压力传感器14用于检测高压反应釜10内部的压力；

高清摄像头15用于对高压反应釜10内部摄像；

数据采集单元17用于采集高压反应釜10内部的温度、压力以及内部摄像的图片。

进一步地，如图2所示，第一喷管802包括渐缩管段和渐扩管段，渐缩管段和渐扩管段之间设置有喉部，减缩管段至喉部的直径逐渐减小，喉部至渐扩管段的喉部逐渐增大。

进一步地，第一喷管802和第二喷管11均为拉瓦尔喷管。

需要说明的是，本发明的气体水合物生成实验装置的运行过程如下：

实验开始前，需要用蒸馏水将高压反应釜10清洗2～3次，然后打开真空泵16，将高压反应釜10内处于真空状态。实验用气体由储气瓶1提供，开始试验时，将储气瓶1打开，气体通过气相管路101进入第二喷管11(拉瓦尔喷管)，气体通过拉第二喷管11速度增大为超声速，温度随之急剧下降，气体得到迅速冷却，冷却后的气体随后迅速进入高压反应釜10中，与通过由加液口6进入、经雾化喷头9雾化的反应液体充分接触，形成水合物。水合物的宏观生成过程可通过观察窗12观察。此外，也可通过高清摄像头15拍摄各个时间水合物的宏观生长过程，高压反应釜10内的温度和压力变化分别由温度传感器13和压力传感器14测量并传输到数据采集单元17记录。若气体进入高压反应釜10后的压力达不到实验所设定的值，可通过气体增压泵5和气体压缩机4给气体增压。此外，还可以对高压反应釜内10的压力进行调节，为了得到不含杂质的循环气体，通过超声速旋流分离装置8将气体与液体分离，废液通过回收口7排出，洁净气体通过回收管路103再次进入系统参与反应。

在实验过程中，通过控制温度和压力，来控制和观察气体水合物的生成。冷却系统中的拉瓦尔喷管迅速降低气体温度，减少传热损耗的热量，保证气液两相之间充分接触，使水合物在高压反应釜10内快速生成。另外可调节系统压力，通过拉瓦尔喷管和螺旋纽带801实现无能耗气液分离，避免循环利用的气体含杂质且对设备造成损坏。整套实验装置操作方便，降低设备成本，满足水合物生成机理实验的要求。

需要说明的是，本发明的目的是针对水合物生成须在低温高压下，对设备要求高，需要的能耗大，在现有的实验设备的基础上利用拉瓦尔喷管，使气体先压缩加速达到超生速，再节流膨胀降温。并且通过拉瓦尔喷管特殊的性能和螺旋纽带801结合，无需外部能量供应，实现气体的循环利用和气液的分离，从而实现低能耗、高效率、低成本、快速生成水合物的实验装置。要解决的技术问题是减少能源消耗并达到快速降温从而生成水合物，循环利用纯净反应气体，消除传统水浴循环制冷存在的设备高成本和操作复杂性。整套设备控制在高压、低温的状态下，为气体水合物的快速生成提供基本的条件；在供气管路内设置拉瓦尔喷管，迅速降低气体温度，进一步提高气体水合物的生成速度；同时气体进入气体回收管路103，利用拉瓦尔管和螺旋纽带801实现无能耗、高效气液分离，实现洁净实验气体再利用。通过观察窗12可以观测水合物生成的宏观变化。通过数据采集系统可以记录温压变化数据，便于研究水合物生成规律和机理。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。