[發明專利]爆炸式液態水霧化形成水合物設備

在審

• 申請號: 202011068803.2
• 申請日: 2020-09-30
• 公開（公告）號: CN112076693A
• 公開（公告）日: 2020-12-15
• 發明（設計）人: 張鵬;陳文婷;李帥君;陳雪萍;吳青柏
• 申請（專利權）人: 中國科學院西北生態環境資源研究院
• 主分類號: B01J3/04
• 分類號: B01J3/04;B01J3/00;B01J10/00;B01J19/00;B01J19/24;C10L3/10
• 代理公司: 北京超凡宏宇專利代理事務所(特殊普通合伙) 11463
• 代理人: 呂露

本申請公開一種爆炸式液態水霧化形成水合物設備。爆炸式液態水霧化形成水合物設備包括反應器、持水組件以及高壓氣體釋放組件。反應器內部呈高壓環境，且形成有互通的高溫區和低溫區。持水組件設于反應器內且連通高溫區中。高壓氣體釋放組件與持水組件連接，向持水組件釋放出高壓氣體，以使得的持水組件中的液態水被霧化為液滴，且由高溫區進入低溫區。其中，高溫區內的溫度高于零攝氏度，低溫區內的溫度低于零攝氏度。

技術領域

本申請涉及水合物技術領域，具體而言，涉及一種爆炸式液態水霧化形成水合物設備。

背景技術

天然氣具有很高的能量密度，在經濟發展及日常生活中廣泛應用。目前，全世界范圍內天然氣區域性不均勻消耗正在迅速上升，因此急需高效的天然氣儲存及運輸技術。液化天然氣(LNG)是目前天然氣運輸中廣泛采用的形式，但LNG需高壓(20MPa)及低溫(-162℃)條件，這意味著巨大能量消耗以及一些潛在的安全風險。近十年來，以水合物技術為基礎的天然氣運輸及儲存技術成為研究者關注的熱點問題。

氣體水合物是一種由水分子及氣體分子在高壓、低溫條件下構成的化合物。在適當低溫度及高壓條件下，水分子經氫鍵鍵合作用形成具不同形狀、尺寸的籠性結構，不同種類的氣體分子被圈閉于此結構中，便形成氣體水合物。天然氣的大部分組分氣體均可形成水合物，包括甲烷、二氧化碳、氫及其它具類似分子尺寸的氣體，另外一些小分子烴類氣體如新己烷(NH)、四氫呋喃(THF)及其它具類似分子尺寸的烴類氣體也可形成水合物。

相對于天然氣液化(LNG)，水合物形成所需的條件溫和得多，如275.15K時，甲烷水合物形成所需壓力為3.2MPa。因此，水合物技術對于天然氣的運輸與儲存，更加經濟且環境友好。另外，氣體水合物的能量密度很高，1體積的水合物在標準條件下可以釋放約170體積氣體。但是，水合物成核過程具有隨機性特征，且成核前會伴隨一個長時間的誘導期。這意味著，一般情況下水合物的形成效率較低。當水合物形成后，水-氣界面處形成的水合物會明顯降低氣體的滲透性，因此在水合物成核后的生長階段，氣體的物質傳輸能力會逐漸顯著下降。這意味著，一般情況下水合物最終的能量存儲能力較低。因此，雖然氣體水合物在天然氣存儲與運輸方面具有巨大潛力，但是采用一般方法形成水合物的過程中，存在的較慢形成效率及較低的最終能量存儲能力等問題，限制了水合物技術的商業應用規模。

發明內容

本申請提供了一種爆炸式液態水霧化形成水合物設備，其能夠提高水合物形成效率及液態水-水合物轉化效率。

第一方面，本發明實施例提供一種爆炸式液態水霧化形成水合物設備，包括：

反應器，內部呈高壓環境，且形成有互通的高溫區和低溫區；

持水組件，設于反應器內且連通高溫區中；以及

高壓氣體釋放組件，與持水組件連接，向持水組件釋放出高壓氣體，以使得的持水組件中的液態水被霧化為液滴，且由高溫區進入低溫區；

其中，高溫區內的溫度高于零攝氏度，低溫區內的溫度低于零攝氏度。

上述實現的過程中，高壓氣體釋放組件工作，向持水組件瞬間釋放出高壓氣體，其爆炸式地將持水組件中的液體水霧化為液滴；被瞬間激發的液滴繼續向前飛行，依次通過高溫區和低溫區；由于反應器內部為高壓環境，液滴在經過高溫區時，會瞬間完成水合物的成核過程；隨后，飛行進入低溫區，由于水合物已成核，故在低溫區只會出現水合物生長現象而不出現液態水到冰的轉化過程，因此水合物在低溫區內會急速生長。同時，由于爆炸式霧化液態水的過程中，會形成數量巨大、尺寸微小的液滴，氣/水接觸面積大幅提升，水合物成核時的核子數量也隨之大幅增加，最終水合物形成反應可在極短的時間(數秒或分鐘)內完成，且保證了極高的液態水-水合物轉化效率。進一步地，反應器內部形成有高、低兩個溫度區間，使反應器內部溫度場沿軸線方向呈梯度式降低，這樣可在反應器內部形成強烈的高壓對流氣體，將水合物成核、生長過程中釋放的熱量迅速擴散，大大提升轉化速率。