[發明專利]一種快速形成氣體水合物的噴霧裝置

有效

• 申請號: 201310670233.8
• 申請日: 2013-12-10
• 公開（公告）號: CN103623766A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發明（設計）人: 李小森;徐純剛;陳朝陽;李剛;張郁
• 申請（專利權）人: 中國科學院廣州能源研究所
• 主分類號: B01J19/26
• 分類號: B01J19/26
• 代理公司: 廣州科粵專利商標代理有限公司 44001
• 代理人: 莫瑤江

技術領域：

本發明涉及一種快速形成氣體水合物的噴霧裝置。

背景技術：

氣體水合物（Gas?Hydrate）是一種由水分子和客體氣體小分子形成的類冰狀晶體混合物，通常在低溫高壓條件下形成，水分子通過氫鍵相連，形成一系列大小不同、結構不同的多面體孔穴，不同大小的客體分子進入到這些孔穴中，在范德華力的作用下而穩定存在。不同的客體分子形成氣體水合物的相平衡條件不同，由此，在相同條件下，水合物對不同的客體分子具有選擇性，相平衡條件更溫和的客體分子能優先進入形成氣體水合物，導致水合物相和氣相中的氣體組分的變化，在水合物相中，更易形成氣體水合物的組分富集，在氣相中，則變稀薄，因此可以實現利用水合物法從混合氣中分離氣體并提純氣體。相對于傳統的氣體分離技術（如化學吸收、物理吸附、膜分離，等），水合物法分離氣體技術具有能耗更低、更環保等優點，因此關于水合物法分離氣體技術的研究在世界范圍內已成為熱點，水合物法分離氣體的工藝及應用是該技術轉向工業化應用的關鍵。

當前，水合物法分離氣體的工藝研究受制于氣體水合物形成速度以及氣體分離效率，尤其在工藝化過程中，氣體水合物的形成速度是制約水合物法分離技術的關鍵因素。從水合物形成熱力學和動力學兩方面分析，影響氣體水合物形成的關鍵因素之一在于氣水接觸面積。氣水接觸表面積越大，越有利于氣體在水相中的溶解，氣體在水相中的逸度會相應增加，從而進一步提高了氣體水合物形成的驅動力，為快速形成氣體水合物提供了條件。氣體水合物的形成方式通常有攪拌法、噴淋法、鼓泡法等，這些方法運用的目的是為了促進氣水的充分混合，提高氣水接觸面積。攪拌法有機械攪拌和電磁攪拌兩種，機械攪拌適用于較大體積反應器，攪拌速度始終能維持不變，而電磁攪拌受限于磁力做功，僅適用于小型反應器，而且攪拌速度隨著水合物的形成以及體系稠度的增加而下降。但磁力攪拌可更易實現體系的密封，這在高壓環境下尤其重要。噴淋法是通過噴淋管，將水噴灑在充滿氣體的反應釜內，在空間上形成氣包水形式，促進氣水接觸；鼓泡法則相反，是將氣體通過氣泡發生碟，以氣泡形式進入裝有水的反應釜內，形成水包氣的形式，以促進氣水接觸。這些方法，相對于靜置體系，顯然有助于促進氣體在水中的溶解，增加氣水接觸表面，能相對地縮短水合物形成誘導時間，提高水合物形成速度，并且在大量的實驗研究中得到驗證。然而，由于氣體水合物的形成是一個微觀晶核的成長過程，攪拌法、噴淋法以及鼓泡法等造成的氣水接觸，在尺度上都遠大于微觀成核尺度，導致的氣水接觸面積不夠大，氣水接觸并不充分，不足以顯著提高氣體水合物的形成速度以滿足工藝化生產需求。

發明內容：

本發明針對制約氣體水合物快速形成的關鍵問題——氣水充分接觸，提供一種快速形成氣體水合物的噴霧裝置，這種裝置通過將氣水充分混合后霧化成5-10μm的霧滴，從而顯著增加了氣水接觸表面積，提高了氣體在水相中的逸度，從而提高了氣體水合物形成驅動力，縮短了氣體水合物形成誘導時間，提高了氣體水合物形成速度。

本發明是通過以下技術方案予以實現的：

一種快速形成氣體水合物的噴霧裝置，主要包括由管路或線路連接的穩定供氣系統、飽和溶液制備系統、氣液混合噴霧器、控溫系統和數據采集及處理系統；所述穩定供氣系統由試驗氣瓶、CO₂氣瓶、減壓閥和增壓泵組成，所述穩定供氣系統向飽和溶液制備系統和氣液混合噴霧器提供氣體；所述飽和溶液制備系統由溶液罐和增壓泵組成，所述飽和溶液制備系統向氣液混合噴霧器提供飽和溶液；所述氣液混合噴霧器內部主要包括高速流體腔、跟高速流體腔連通的氣液混合腔，設在氣液混合腔內的霧化器；所述試驗氣瓶經減壓閥、氣體流量計跟氣液混合噴霧器的氣液混合腔連通；所述CO₂氣瓶頂端設有兩氣體管路，其中的一氣體管路經增壓泵跟溶液罐的底部連通，另一氣體管路跟溶液罐的頂部連通；所述溶液罐經增壓泵跟氣液混合噴霧器的高速流體腔連通；所述控溫系統包括溫控制冷系統和設在所述溶液罐、氣液混合噴霧器外圍的恒溫室，所述控溫系統控制溶液罐和氣液混合噴霧器的溫度變化；所述數據采集及處理系統包括液體流量計、氣體流量計、數據采集器和電腦處理系統，所述數據采集及處理系統用來控制、采集、保存和分析所述穩定供氣系統、飽和溶液制備系統、氣液混合噴霧器和控溫系統的溫度、壓力、氣體流量、液體流量數據。

所述氣液混合噴霧器內部中空，內壁對稱設有梯形凸起將所述氣液混合噴霧器內部分割為互相連通的高速流體腔和氣液混合腔；所述氣液混合腔內靠近高速流體腔的凸起端設有氣體流入口，所述氣液混合噴霧器還包括設在霧化器外端的噴霧頭、噴霧頭上均布的分布器。