的方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于水合物法分离沼气中CO2的方法及装置，所述装置包括有气体增压泵、气体冷却器、水合物反应釜、水合物浆液加热器、液体增压泵、液体冷却器、气相色谱仪、数据采集及处理单元以及阀门和管路；所述水合物反应釜内部镀钛层，避免水合物越来越多的聚集在反应釜壁面上，解决了水合物分离气体中水合物浆液在反应釜中聚集从而循环不畅的问题；所述水合物反应釜采用外部夹套制冷和内部盘管制冷双重制冷方法，同时外面包覆保温材料层，既能保证水合物反应过程中大的制冷环境，减少热量散失，又能使得水合物反应釜内温度均匀。本发明结构简单，工艺更简单，更节能，针对沼气的分离效果更好。
【专利说明】一种基于水合物法分离沼气中CO2的方法及装置
【技术领域】
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[0001]本发明涉及混合气体分离【技术领域】，具体涉及一种基于水合物法分离沼气中CO2的方法及装置。
【背景技术】
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[0002]沼气是有机物质在厌氧条件下，经过微生物的发酵作用而生成的一种混合气体，一般含甲烷50?70%，其余为二氧化碳和少量的氮、氢和硫化氢等。其特性与天然气相似，是一种极具应用前景的新能源，其开发利用是解决能源紧张形势下农村能源供应问题的有效举措，因此，它的发展日益受到国家的重视
[0003]沼气中的CO2,&5等酸性气体在沼气利用中常常有不利的影响，因此需要去除。目前常用的沼气中去除杂质气体的方法主要有压缩分离液态CO2法，膜分离法等。但是，压缩分离的方法能耗比较高，而膜分离方法工艺比较繁复，同时对CH4的消耗量也比较大。
[0004]天然气水合物气体分离技术是一种有效分离不同种类气体的途径。它是利用不同气体客体分子形成水合物所需要的相平衡条件以及难易程度的不同，使某种气体分子与水反应生成水合物，而不反应的气体留在气相中，以达到气体分离的效果。该方法装置简单，反应条件温和，操作方便，CO2吸收速率高，分离后沼气纯度高，而且水溶液能够重复循环利用，对环境比较友好。
【发明内容】
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[0005]本发明的目的是提供一种基于水合物法分离沼气中CO2的方法及装置。
[0006]本发明是通过以下技术方案予以实现的:
[0007]—种基于水合物法分离沼气中CO2的装置，包括有用于将沼气增压至预定压力的气体增压泵、冷却至预定温度的气体冷却器、水合物反应釜、水合物浆液加热器、液体增压泵、液体冷却器、气相色谱仪、数据采集及处理单元以及阀门和管路；
[0008]所述水合物反应釜壁面采用夹套结构，由内到外依次为制冷剂夹层、保温材料层，所述制冷剂夹层内循环有制冷剂，温度采用外部恒温水浴控制设定；所述水合物反应釜釜体内部镀有钛层，反应釜内设有制冷盘管；所述水合物反应釜釜体顶端法兰连接有釜盖，所述釜盖上设有气体排空以及收集阀门、监测水合物反应釜内气相压力的压力传感器和分别检测水合物反应釜内气相温度和液相温度的温度传感器；所述水合物反应釜上端设有溶液喷淋装置；所述水合物反应釜下端设有机械搅拌装置、气体进口、抽真空阀门和跟水合物浆液加热器连通的水合物浆液出口 ；所述气体进口处安装了单向阀门；
[0009]所述数据采集及处理单元包括数据采集仪、跟所述数据采集处理仪连接的温度传感器和压力传感器；所述温度传感器分别用于监测所述气体冷却器、水合物反应釜气液相、水合物浆液加热器、液体冷却器的温度、所述压力传感器用于监测所述水合物反应釜压力；
[0010]所述气体增压泵经由气体冷却器跟水合物反应釜气体进口连通；所述水合物反应釜釜盖上设有的气体收集阀门连接有气体干燥器和气相色谱仪；所述水合物反应釜下端设有的水合物浆液出口依次连接有水合物浆液加热器、液体增压泵和液体冷却器、水合物反应釜上端设有的进液口，形成一个回路。
[0011]所述水合物反应釜由耐高压的不锈钢制成，所述制冷剂夹层内循环有制冷剂，对水合物反应釜釜内物质进行降温或升温，降温和升温过程以及制冷温度采用外部终端控制设定。
[0012]所述水合物反应釜壁面的保温材料层，尽量使热量散失达到最小。所述水合物反应釜内设有制冷盘管，以增加水合物反应过程中的制冷量。
[0013]所述釜体内部镀有钛层以增加壁面疏水性，避免水合物浆在反应釜壁面生成。
[0014]所述溶液喷淋装置，将水溶液均匀向水合物反应釜内喷洒，增大溶液与气体的接触面积。
[0015]所述水合物反应釜侧面设有视窗，能够监测水合物反应的整个过程。
[0016]所述水合物浆液加热器用来加热分解来自所述水合物反应釜底部的水合物浆液，分解后的co2气体通过阀门排出，收集后用作工业原料，剩余的水溶液则通过液体增压泵增压后输送至液体冷却器中冷却至反应釜设置温度后进入水合物反应釜。
[0017]所述气体冷却器、水合物反应釜、水合物浆液加热器和液体冷却器分别通过恒温水浴控制温度。
[0018]本发明还提供一种基于水合物法分离沼气中C02的方法，利用上述装置，包括以下步骤:
[0019]a、将原料沼气通过气体增压泵增压至2_5MPa，并通入气体冷却室降温至273-280K，然后将气体通入抽真空后的水合物反应釜中，通过单向截止阀保证气体不回流，釜内温度通过恒温水浴控制在273-280K之间，压力控制在2-5MPa之间；同时，将水合物生成所需的质量浓度为0-40%的含促进剂水溶液通过喷淋装置向反应釜气相中均匀喷洒，开启反应釜下端机械搅拌装置，促使水溶液与气体充分接触发生水合物反应，所述喷淋溶液的总量达到反应釜3/4的体积；
[0020]b、待水合物反应结束后，排出生成的水合物浆液，并通过水合物浆液加热器加热分解生成的水合物，通过阀门将水合物收集的co2等酸性气体排出，同时回收得到的水溶液经过液体增压泵增压后送往液体冷却器中降温后再次送往水合物反应釜中重复利用；水合物反应釜中剩余气体经过干燥后，用气相色谱仪分析气体组分，若符合用气要求则直接输出，若不符合则重新循环通入水合物反应釜反应直到符合要求。
[0021]所述喷淋溶液的总量达到反应釜3/4的体积，使得水合物浆的浓稠度下降，最利于co2气体的分离，且最利于水合物浆的输运，避免水合物在反应釜内结块聚集。
[0022]本发明的有益效果如下:
[0023]1、所述水合物反应釜内部镀钛层，避免水合物越来越多的聚集在反应釜壁面上，解决了以往的水合物分离气体中水合物浆液在反应釜中聚集从而循环不畅的问题；
[0024]2、本发明水合物反应釜采用外部夹套制冷和内部盘管制冷双重制冷方法，同时外面包覆保温材料层，其中外部夹套和内部盘管分别制冷，既能保证水合物反应过程中大的制冷环境，减少热量散失，又能使得水合物反应釜内温度均匀。
[0025]3、水合物反应釜底部设有机械搅拌装置，反应釜上部设有溶液喷淋装置，将搅拌与喷淋结合，尽可能的增加高压气体与水溶液的接触面积，促进水合物的生成。
[0026]4、水合物生成所需的含促进剂的水溶液是与水反应能生成半笼型水合物的客体分子与表面活性剂的混合水溶液，这种混合溶液既能有效降低水合物生成所需要的温度和压力条件，还能促进水合物的生成和气体的分离，又对环境不造成大的危害，不腐蚀反应釜。
[0027]5、水合物反应后生成的水合物浆液通过阀门排出反应釜，然后经过加热使其分离成气体和水溶液，并分别进行回收，气体可以用作工业原料，水溶液可以重复再利用。
[0028]6、水合物反应釜气体出口连接气相色谱仪，随时监测釜内气体中CH4, CO2以及H2S的含量，只要气体组分达到用气的标准，可以随时输出气体。
[0029]总之，本申请结构简单，工艺更简单，更节能，针对沼气(CO2含量比较高)的分离效果更好。
【专利附图】
【附图说明】
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[0030]图1是本发明的结构示意图；
[0031]图2是水合物反应釜的剖面图；
[0032]其中，1.气体增压泵，2.压力表，3.温度传感器，4.恒温水浴，5.气体冷却器，6.单向截止阀，7.压力传感器，8.温度传感器，9.温度传感器，10.数据采集仪，11.水合物反应釜，12.视窗，13.真空泵14.进液管，15.恒温水浴，16.水合物浆液加热器，17.恒温水浴，18.温度传感器，19.液体增压泵，20.液体冷却器，21.温度传感器，22.气体干燥器，23.气相色谱仪，24.制冷剂进出口，25.保温材料层，26.制冷盘管进出口，27.反应釜支架，28.机械搅拌装置，29.制冷盘管，30.制冷剂夹层，31.溶液喷淋装置，32.连接法兰；V1-V10.阀门。
【具体实施方式】
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[0033]以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
[0034]一种基于水合物法分离沼气中CO2的装置，如图1所示，包括有用于将沼气增压至预定压力的气体增压泵1、冷却至预定温度的气体冷却器5、水合物反应釜11、水合物浆液加热器16、液体增压泵19、液体冷却器20、气相色谱仪23、数据采集及处理单元以及阀门Vl-VlO和管路；
[0035]如图2所示，所述水合物反应釜11壁面采用夹套结构，由内到外依次为制冷剂夹层30、保温材料层25，所述制冷剂夹层30内循环有制冷剂，制冷温度采用外部恒温水浴15控制设定；所述水合物反应釜11釜体内部镀有钛层，反应釜内设有制冷盘管29 ;所述水合物反应釜11釜体顶端通过连接法兰32法兰连接有釜盖，所述釜盖上设有气体排空以及收集阀门V7、监测水合物反应釜11内气相压力的压力传感器7和分别检测水合物反应釜11内气相温度和液相温度的温度传感器8、9 ;所述水合物反应釜11上端设有溶液喷淋装置31 ;所述水合物反应釜11下端设有机械搅拌装置28、气体进口、抽真空阀门和跟水合物浆液加热器16连通的水合物浆液出口 ；所述气体进口处安装了单向阀门6 ；
[0036]所述数据采集及处理单元包括数据采集仪10、跟所述数据采集处理仪10连接的温度传感器3、8、9、18、21和压力传感器7 ;所述温度传感器3、8、9、18、21分别用于监测所述气体冷却器5、水合物反应釜11气液相、水合物浆液加热器16、液体冷却器20的温度；
[0037]所述气体增压泵1经由气体冷却器5跟水合物反应釜11气体进口连通；所述水合物反应釜11釜盖上设有的气体收集阀门连接有气体干燥器22和气相色谱仪23 ;所述水合物反应釜11下端设有的水合物浆液出口依次连接有水合物浆液加热器16、液体增压泵19和液体冷却器20、水合物反应釜11上端设有的进液口，形成一个回路。
[0038]利用上述装置基于水合物法分离沼气中C02的方法如下:
[0039]1.打开阀门VI，将原料气通入增压泵1中增压至一定压力(根据原料沼气中CH4的含量不同，压力范围介于2-5MPa之间)，压力数值通过压力表2读取。然后开启阀门V2，将增压后的原料气通入气体冷却器5中冷却至273-280K，气体冷却器5通过恒温水浴4降温，温度通过温度传感器3控制。
[0040]2.打开阀门V3，利用真空泵13将水合物反应釜抽真空，将冷却后的高压原料气经单向截止阀6通入水合物反应釜11中，利用恒温水浴15和反应釜内制冷盘管26将反应釜温度降低至合适温度(温度范围介于273-280K之间)，反应过程中反应釜内压力数值由压力传感器7采集，气相温度和液相温度分别由温度传感器8和9采集，采集数值通过数据采集仪10收集。
[0041]3.反应釜温度降低至设定温度后，打开反应釜溶液喷淋装置31和机械搅拌装置28，使水溶液与高压原料气充分接触反应生成水合物。
[0042]4.当水合物反应结束后，即压力传感器数值7不再发生变化时，打开阀门V4，将生成的水合物浆输送到溶液加热器16中进行加热，溶液加热器温度由恒温水浴17控制，设定在300K，以充分分解水合物浆。分解后的C02气体通过阀门V5排出，进行收集，可以进一步用作工业原料。剩余的水溶液则通过液体增压泵19进行增压后输送至液体冷却器20中冷却至反应釜设置温度后继续通过阀门V6和进液管14进入水合物反应釜中参与反应。
[0043]5.打开阀门V8，将反应釜内的提纯气体经过干燥器22进行干燥，然后利用气相色谱仪23对气体进行成分分析，当CH4组分含量达到要求时，打开阀门V9，将气体通过三向阀V10输出，当杂质气体含量未达到标准时，则将气体再次进行循环。
[0044]实施例1
[0045]取原料气样，其中CH4含量为60 %，C02含量为40 %，选取质量浓度为300ppm的SDS水溶液，反应釜温度为278K，压力为5MPa时，反应30min后，反应釜气相中CH4的含量提高到90.8 %，C02的含量为9.2%，再经过一次循环后，反应釜气相中CH4的含量为97.1%，C02的含量为2.9%。
[0046]实施例2
[0047]取原料气样，其中CH4含量为50%，C02含量为50%，选取质量浓度为0.05%的TBAB水溶液，反应釜温度为276K，压力为3.5MPa时，反应30min后，反应釜气相中CH4的含量为88.8 %，C02的含量为11.2%，将水合物分解后，原料气再经过2次循环后，反应釜气相中CH4的含量为95.3%, C02的含量为4.7%。
[0048]实施例3
[0049]取原料气样，其中CH4含量为40%，C02含量为59%，H2S含量为1%，选取质量浓度为1 %的THF和lOOppm的SDS混合水溶液，反应釜温度为278K，压力为2.5MPa，反应lh后，反应釜内气相中CH4含量为85.5%，C02含量为13.9%，H2S含量为0.6%，经过3次循环后，CH4含量为95.2%, C02含量为4.2%, H2S含量为0.4%,
【权利要求】
1.一种基于水合物法分离沼气中CO2的装置，其特征在于，包括有用于将沼气增压至预定压力的气体增压泵(I)、冷却至预定温度的气体冷却器(5)、水合物反应釜(11)、水合物浆液加热器(16)、液体增压泵(19)、液体冷却器(20)、气相色谱仪(23)、数据采集及处理单元以及阀门(Vl-VlO)和管路； 所述水合物反应釜(11)壁面采用夹套结构，由内到外依次为制冷剂夹层(30)、保温材料层(25)，所述制冷剂夹层(30)内循环有制冷剂，制冷温度采用外部恒温水浴(15)控制设定；所述水合物反应釜(11)釜体内部镀有钛层，反应釜内设有制冷盘管(29);所述水合物反应釜(11)釜体顶端法兰连接有釜盖，所述釜盖上设有气体排空以及收集阀门(V7)、监测水合物反应釜(11)内气相压力的压力传感器(7)和分别检测水合物反应釜(11)内气相温度和液相温度的温度传感器(8、9);所述水合物反应釜(11)上端设有溶液喷淋装置(31)；所述水合物反应釜(11)下端设有机械搅拌装置(28)、气体进口、抽真空阀门和跟水合物浆液加热器(16)连通的水合物浆液出口 ；所述气体进口处安装了单向阀门(6)； 所述数据采集及处理单元包括数据采集仪(10)、跟所述数据采集处理仪(10)连接的温度传感器(3、8、9、18、21)和压力传感器(7);所述温度传感器(3、8、9、18、21)分别用于监测所述气体冷却器(5)、水合物反应釜(11)气液相、水合物浆液加热器(16)、液体冷却器(20)的温度； 所述气体增压泵(I)经由气体冷却器(5)跟水合物反应釜(11)气体进口连通；所述水合物反应釜(11)釜盖上设有的气体收集阀门连接有气体干燥器(22)和气相色谱仪(23)；所述水合物反应釜(11)下端设有的水合物浆液出口依次连接有水合物浆液加热器(16)、液体增压泵(19)和液体冷却器(20)、水合物反应釜(11)上端设有的进液口，形成一个回路。
2.根据权利要求1所述的基于水合物法分离沼气中CO2的装置，其特征在于，所述水合物反应釜侧面设有视窗。
3.一种基于水合物法分离沼气中CO2的方法，其特征在于，利用权利要求1或2所述装置，包括以下步骤: a、将沼气通过气体增压泵增压至2-5MPa，并通入气体冷却室降温至273-280K，然后将气体通入抽真空后的水合物反应釜中，通过单向截止阀保证气体不回流，釜内温度通过恒温水浴控制在273-280K之间，压力控制在2-5MPa之间；同时，将水合物生成所需的质量浓度为0-40 %的含促进剂水溶液通过喷淋装置向反应釜气相中均匀喷洒，开启反应釜下端机械搅拌装置，促使水溶液与气体充分接触发生水合物反应，所述喷淋溶液的总量达到反应釜3/4的体积； b、待水合物反应结束后，排出生成的水合物浆液，并通过水合物浆液加热器加热分解生成的水合物，通过阀门将水合物收集的CO2酸性气体排出，同时回收得到的水溶液经过液体增压泵增压后送往液体冷却器中降温后再次送往水合物反应釜中重复利用；水合物反应釜中剩余气体经过干燥后，用气相色谱仪分析气体组分，若符合用气要求则直接输出，若不符合则重新循环通入水合物反应釜反应直到符合要求。
【文档编号】C10L3/10GK104403711SQ201410586780
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年10月28日 优先权日:2014年10月28日
【发明者】臧小亚, 梁德青, 吴能友 申请人:中国科学院广州能源研究所