用于瓦斯水合分离的梯级旋转剪切装置的制作方法

本发明涉及瓦斯水合分离技术领域，尤其涉及一种用于瓦斯水合分离的梯级旋转剪切装置。

背景技术：

煤矿瓦斯作为一种煤炭伴生物，资源十分丰富，若将其排放到大气中，既浪费资源又会污染环境。而采用管道储运煤矿瓦斯，不仅仅成本高还易造成管道堵塞。

采用水合分离法进行煤矿瓦斯的水合分离，可实现常压条件下的远距离输送和储存，具有经济、安全有效等优点。瓦斯水合物的合成过程包括瓦斯气体溶解于水、晶核形成及水合物生长。在现有条件下，瓦斯水合物合成过程中存在水合物诱导时间长、水合物覆盖气液界面导致有效传质减少、生长速度缓慢及生成的水合物储气密度低等问题。因此，需要利用水合物快速生长技术克服液体表面张力、增大瓦斯混合气-水溶液接触面积及提高传质速率，以缩短瓦斯水合物生成时间，提高瓦斯水合物中瓦斯含量，从而促进煤矿瓦斯的快速分离。

现有促进水合物快速生长的辅助手段包括搅拌、喷雾、鼓泡、利用离心力作用等机械方式，这些技术手段通过促进液体分散、增大气液接触面来加速瓦斯水合物的生成，从而加速煤矿瓦斯分离。其中搅拌法在水合物生成后期浆体黏度不断增大，影响机械搅拌效率；喷雾法在喷射时易在喷嘴周围形成水合物堵塞喷射孔，中断反应；鼓泡法由于使用的孔板孔径较小，气体以悬浮气泡的形式不断注入，易在孔板表面生成水合物影响进气；而利用离心力的不锈钢多孔波纹板式或片式离心轴装置在高速旋转过程中会带动气体形成涡流，机械做功放热，使实验温度不断升高；而采用制冷系统进行控温的过程较为缓慢，散热不及时会抑制水合物的合成。因此，上述方法均不能获得相对饱和的瓦斯水合物。

因此，针对以上不足，需要提供一种瓦斯水合物生成装置，使其能够在扩大气液接触面积的基础上，又不会对温度产生大的影响。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有采用离心方式增大瓦斯水合物生成过程中气液接触面积的方法，会造成实验温度明显升高的缺陷，提供一种用于瓦斯水合分离的梯级旋转剪切装置。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于瓦斯水合分离的梯级旋转剪切装置，包括：

反应釜、电机、磁力搅拌器、转轴、转子、液体分布器、二级分散筒和二级固定筒，

反应釜内的釜底中心设置转轴；电机通过磁力搅拌器带动电机轴旋转，电机轴穿过所述釜底连接转轴；反应釜上盖中心连接注液管路，注液管路至少伸入到反应釜轴向的中间位置；

转子与转轴连接，转子中心设置液体分布器，液体分布器与注液管路底端面之间有间隙；

二级分散筒开口向上并且筒底与转子连接；二级固定筒的开口向下并且筒底与注液管路连接；二级固定筒的双层固定筒壁与二级分散筒双层分散筒壁沿径向相间隔设置，并且二级分散筒的分散外筒处于径向的最外层；

二级固定筒的双层固定筒壁上均具有均匀分布的通孔；二级分散筒的双层分散筒壁均由均匀分散布置的多个栅板形成；其中外层分散筒的筒壁相邻栅板间距离小于内层分散筒的筒壁相邻栅板间距离。

在根据本发明所述的用于瓦斯水合分离的梯级旋转剪切装置中，所述外层分散筒的相邻栅板间距离为0.15mm,内层分散筒的相邻栅板间距离为0.2mm；

二级固定筒和二级分散筒的相邻筒壁均距离5mm。

在根据本发明所述的用于瓦斯水合分离的梯级旋转剪切装置中，所述内层分散筒的直径为90mm，外层分散筒的直径为130mm。

在根据本发明所述的用于瓦斯水合分离的梯级旋转剪切装置中，所述剪切装置还包括水箱、平流泵、进水阀、进水单向阀和注液压力传感器，

水箱的出水口通过管路与平流泵的入口连通，平流泵的出口通过中间管路与注液管路连通，所述中间管路的入口侧设置进水阀，出口侧设置进水单向阀；所述中间管路上设置注液压力传感器。

在根据本发明所述的用于瓦斯水合分离的梯级旋转剪切装置中，所述剪切装置还包括出水阀和回压器，

所述反应釜靠近釜底的侧壁上设置出水口，所述出水口通过回收管路连通水箱，回收管路的进水侧设置出水阀，回收管路的出水侧设置回压器。

在根据本发明所述的用于瓦斯水合分离的梯级旋转剪切装置中，所述反应釜内设置卸压管路，所述卸压管路穿过反应釜上盖，反应釜上盖以外的卸压管路上设置安全阀。

在根据本发明所述的用于瓦斯水合分离的梯级旋转剪切装置中，所述装置还包括气源、调压阀、气体质量流量控制器和进气单向阀，

气源通过输气管路与反应釜连通，所述输气管路上由气源侧开始，依次设置调压阀、气体质量流量控制器和进气单向阀。

在根据本发明所述的用于瓦斯水合分离的梯级旋转剪切装置中，所述装置还包括集气罐，

所述注液管路上设置出气口，出气口通过气体回收管路连通集气罐；

所述气体回收管路的进气端依次设置温度传感器及釜内压力传感器。

在根据本发明所述的用于瓦斯水合分离的梯级旋转剪切装置中，所述装置还包括工控机，工控机用于对温度传感器及釜内压力传感器进行校准，并采集相应监测数据。

在根据本发明所述的用于瓦斯水合分离的梯级旋转剪切装置中，所述装置还包括恒温箱，所述恒温箱和反应釜设置在密闭的空间内，恒温箱以空气浴的形式为反应釜提供温度环境。

实施本发明的用于瓦斯水合分离的梯级旋转剪切装置，具有以下有益效果：本发明中设置了二级分散筒，二级分散筒通过转子带动进行旋转；注入反应釜的液体首先会经液体分布器进行分散，随着转子的转动，液体会经二级分散筒和二级固定筒向外侧飞溅，有效的增大了与通入的瓦斯气体的接触面积，能提高水合反应过程瓦斯混合气-水溶液两相间物质传递效率，并大幅提高水合物中瓦斯含量，从而生成高密度固态瓦斯水合物。经实验验证，本发明与现有水合物生成装置相比较，水合反应过程瓦斯混合气-水溶液两相间物质传递效率可提高1～2个数量级。

本发明装置中转子的旋转通过磁力搅拌器的动力带动，液体由于转子离心力的作用向外飞溅，可有效避免由于搅拌造成的液体温度升高，因此本发明装置的使用对实验温度影响较小，几乎不影响瓦斯水合物的生长过程。

附图说明

图1为根据本发明的用于瓦斯水合分离的梯级旋转剪切装置的示例性结构图；

图2为所述二级分散筒部分结构的示例性示意图；

图3为二级分散筒设置栅板的示例性结构示意图；

图4为二级分散筒旋转过程中，液滴飞溅的示例性示意图。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。

具体实施方式、本发明提供了一种用于瓦斯水合分离的梯级旋转剪切装置，结合图1、图2及图3所示，包括：反应釜1、电机2、磁力搅拌器3、转轴4、转子5、液体分布器6、二级分散筒7和二级固定筒8，反应釜1可以固定在支架上，反应釜1内的釜底中心设置转轴4；电机2通过磁力搅拌器3带动电机轴2-1旋转，电机轴2-1穿过所述釜底连接转轴4；反应釜1上盖中心连接注液管路1-1，注液管路1-1至少伸入到反应釜1轴向的中间位置；转子5与转轴4连接，转子5中心设置液体分布器6，液体分布器6与注液管路1-1底端面之间有间隙；

二级分散筒7开口向上并且筒底与转子5连接；二级固定筒8的开口向下并且筒底与注液管路1-1连接；二级固定筒8的双层固定筒壁与二级分散筒7双层分散筒壁沿径向相间隔设置，并且二级分散筒7的分散外筒处于径向的最外层；也就是说二级固定筒8的固定内筒处于二级分散筒6的分散内筒以内，二级固定筒8的固定外筒处于二级分散筒6的分散内筒与分散外筒之间；二级固定筒8的双层固定筒壁上均具有均匀分布的通孔；二级分散筒7的双层分散筒壁均由均匀分散布置的多个栅板7-3形成；其中外层分散筒7-2的筒壁相邻栅板间距离小于内层分散筒7-1的筒壁相邻栅板间距离。

本实施方式中提供了与现有技术中不同的反应釜1内部结构，在磁力搅拌器3带动转轴4并进而带动转子5旋转后，由注液管路1-1注入的液体首先注入到液体分布器6上，液体分布器6可以将外部注入的液体均匀喷洒在转子5内侧，并在随转子5旋转产生的离心力作用下径向向外飞溅，液滴飞溅的过程中，液体以极其细微的液滴甩离转子5，并进一步经多级筒结构碰撞、剪切和飞溅。内层分散筒7-1的栅格结构将液体初步剪切分散为不同微米级粒径，再经外层分散筒7-2将液体剪切撕裂至纳米级液膜、液丝或液滴，这个过程中能形成比表面积极大而又不断更新的气液界面，使液体与瓦斯气体充分流动接触反应。

所述接触反应过程中，二次碰撞剪切液体，不断变换气-液接触面，能克服现有技术存在的气液界面表面张力限制、瓦斯水合分离过程气液接触面积难以扩大的问题。本实施方式能提高水合反应过程瓦斯混合气-水溶液两相间物质传递效率和水合物中瓦斯含量，缩短了水合物的生成时间，大幅提高了水合物中瓦斯含量，为煤矿瓦斯快速水合分离提供了新的途径。

注液管路1-1尽量伸入到反应釜中比较向下的位置，使注入的液体尽量在被液体分布器6均匀喷洒并向外飞溅的过程中与气体结合形成瓦斯水合物，能防止在液体集中流动过程中与气体结合，造成气液接触面积小。

二级固定筒8的设置是为了给在液滴向外飞溅过程中与瓦斯结合生成的水合物提供着落壁，结合二级固定筒8与反应釜1的侧壁，其在实验过程中固定不旋转，能为液滴在每一层向外飞溅形成水合物时提供落点，使瓦斯水合物最后沿相应壁面流至釜底。

所述反应釜1可以配置为耐压15mpa，内径150mm，内壁高度150mm，外径190mm，外壁高度230mm；反应釜1内部液体经充分反应后，可由于重力作用沿侧壁向下流动至釜体底部，再继续水合物的成核及晶体生长。所述外层分散筒7-2的筒壁相邻栅板间距离小于内层分散筒7-1的筒壁相邻栅板间距离的设置形式，是为了首先经内层分散筒7-1将液体初步剪切分散为不同微米级粒径，再经相邻栅板间距较窄的外层分散筒7-2将液体剪切撕裂至纳米级液膜、液丝或液滴。

所述磁力搅拌器3带动转子5高速旋转，能使转子5产生强大的离心力从而模拟超重力环境。所述磁力搅拌器3可以由内磁环、导磁管焊接底盖、外转子、轴承、外磁环和导磁管构成，所述电机轴2-1带动外磁环转动，内磁环通过导磁管在外磁环磁力耦合力的作用下转动，外转子、转轴4带动转子在磁场作用下高速旋转。

进一步，结合图2至图4所示，所述外层分散筒7-2的相邻栅板间距离可以为0.15mm,内层分散筒7-1的相邻栅板间距离可以为0.2mm；二级固定筒8和二级分散筒6的相邻筒壁均距离5mm。

本实施方式可作为实际使用中的一种具体实施例，分别设置内外筒相邻栅板间距离，实现对液滴的梯级高速旋转剪切，完成液体的二次剪切。

再进一步，结合图2至图4所示，所述内层分散筒7-1的直径可以为90mm，外层分散筒7-2的直径可以为130mm。

本实施方式中内层分散筒7-1和外层分散筒7-2的实际尺寸会随反应釜的实际内部体积不同进行相适应设置。

再进一步，结合图1所示，所述剪切装置还包括水箱9、平流泵10、进水阀11、进水单向阀12和注液压力传感器13，水箱9的出水口通过管路与平流泵10的入口连通，平流泵10的出口通过中间管路与注液管路1-1连通，所述中间管路的入口侧设置进水阀11，出口侧设置进水单向阀12；所述中间管路上设置注液压力传感器13。

为了向反应釜1提供注液途径，本实施方式具体设计了进水方式。其中平流泵10可以具有单片机和芯片组成的微处理器，并可以配置流量积算仪。在实际使用过程中，可以由平流泵10的微处理器控制电机2运转，所述电机2可以选择步进电机。流量积算仪可以实时的显示注液累积量、注液流量以及瞬时注液速率等。在水合物生成过程中，可以配置重力传感器来监测反应釜底内部的重力变化，所述微处理器结合反应釜的温度、压力及水合物合成速率(根据反应釜底内部的重力变化获得)可以适应性调控注液量、注液流量、注液速率等，也可辅助实现对相关阀门的控制及清洗功能。

所述微处理器可以根据测得的所述水合物合成速率，判断水合物生成的当前状况，并适应性的控制电机2改变转速，从而调整二级分散筒7的转动速度，实现反馈控制，以更好的满足水合物的生成条件。电机2转速最高配置为1700rpm，分辨精度为0.2％。

进水单向阀12的设计能够防止异常情况下液体的倒流。

本实施方式中的平流泵10可以采用并联式双泵头结构，与回收管路及相应的单向阀配合，可完成连续的吸液排液，从而实现恒流输送液体。平流泵10具有高效的密封结构，能够在高压下输送液体，并具有过压保护功能，确保安全工作。

进一步，结合图1所示，所述剪切装置还包括出水阀14和回压器15，所述反应釜1靠近釜底的侧壁上设置出水口，所述出水口通过回收管路连通水箱9，回收管路的进水侧设置出水阀14，回收管路的出水侧设置回压器15。

所述的回收管路可用于将反应釜内没有合成瓦斯水合物的剩余液体排出至水箱9；回压器15可在反应釜釜体流程下游提供背压，用于模拟较高的釜体内部压力情况，配合进入管路，形成一个完整的吸液排液循环。回压器15的使用可满足不同釜体内部压力下水合物生成的实验研究需求。

再进一步，结合图1所示，所述反应釜1内还设置卸压管路，所述卸压管路穿过反应釜1上盖，反应釜1上盖以外的卸压管路上设置安全阀1-2。

所述卸压管路的设计是为了在反应釜1内压力超过承压极限的情况，缓解反应釜1内压力；此时，安全阀1-2可自动开启，能够避免出现安全问题。

再进一步，结合图1所示，所述装置还包括气源16、调压阀17、气体质量流量控制器18和进气单向阀19，气源16通过输气管路与反应釜1连通，所述输气管路上由气源16侧开始，依次设置调压阀17、气体质量流量控制器18和进气单向阀19。

本实施方式提供了瓦斯气体输入通路，气源16能提供气体输出的初始压力，调压阀17可以采用精密调压阀对气体减压得到实验所需的气体压力，气体质量流量控制器18可用于采集并计量流经的气体量，即向反应釜1通入的瓦斯气体量，以用于后续的计算。气体质量流量控制器18为软启动模式，响应速度快、精度高、稳定可靠。进气单向阀19的设置能够防止气体的反方向传送。

进一步，结合图1所示，本公开所述装置还包括集气罐20，所述注液管路1-1上设置出气口1-11，出气口1-11通过气体回收管路连通集气罐20；所述气体回收管路的进气端依次设置温度传感器21及釜内压力传感器22。

本实施方式还设置了多余气体的排出通路，在所述气体回收管路靠近注液管路1-1的一侧设置温度传感器21及釜内压力传感器22，用于监测反应釜内的实时温度和压力数据。

再进一步，结合图1所示，所述装置还包括工控机23，工控机23用于对温度传感器21及釜内压力传感器22进行校准，并采集相应监测数据。

所述工控机23可以在实验开始之前对温度传感器21及釜内压力传感器22进行校准和调零，同时可采集相应的温度及压力数据并进行显示。

所述工控机23可基于windows7中文操作系统，它可将实时采集获得的温度传感器21及釜内压力传感器22数据进行转换，对数据的转换可通过预置程序实现。

再进一步，结合图1所示，所述装置还包括恒温箱24，所述恒温箱24和反应釜1设置在密闭的空间内，恒温箱24以空气浴的形式为反应釜1提供温度环境。

本实施方式中，反应釜1的温度环境通过恒温箱24以空气浴的形式提供，采用空气浴的形式，与外界环境的隔离效果较好，不易受环境温度影响，使热效率利用率高，热响应速度快。

本发明的各个组成部分可以采用模块化设计，相关的控制及数据采集工作可以独立运行，有利于提高设备的整体利用率。

本发明装置通过高速旋转剪切多次分散液体，能实现瓦斯气体、气-液、液–液、液–固等两相联动，克服水合物合成过程气液界面表面张力限制，使反应釜内大部分液体可参与生成实验。

本发明装置的具体实施步骤包括：首先，利用恒温箱24将反应釜1所处的密闭空间降温至预设温度；反应釜1内的空气可预先排出，通过注液管路1-1上的出气口1-11，排出至集气罐20；然后打开气源16，通过调压阀17调节瓦斯气体压力至预设压力值并稳定，通入到反应釜1内部参与水合过程；气体流量可由气体质量流量控制器18采集计算，并可上传至工控机23；工控机23在装置系统初始化时，会对温度传感器21及釜内压力传感器22进行校准和调零，然后采集温度和压力数据；使水箱9的液体在平流泵10的作用下进入到反应釜1内，液体在进入反应釜1以前，通过中间管路上设置的注液压力传感器13采集压力数据；液体在转子5的带动下产生强大的离心力，沿径向向外侧运动，内层分散筒7-1将液体初步剪切分散为不同微米级粒径，外层分散筒7-2将液体剪切撕裂至纳米级液膜、液丝或液滴，形成比表面积极大而又不断更新的气液界面，使液体与瓦斯气体充分流动接触反应。充分反应后的水合物由于重力作用沿壁向下流动至釜体底部，并开始成核及晶体生长。未及时生成水合物的液体可经回收管路回收至水箱9，具体可通过平流泵10控制回压器15提供背压以模拟较高的釜体内部压力状况，使未反应的液体排出。

根据实时监测的反应釜内温度数据、压力数据及水合物合成速率(釜底内部重力变化)数据，可采用平流泵10进行数据处理，并根据处理结果，反馈给注水组件及电机旋转组件。例如可根据当前的反应釜监测数据确定当前对液体输入或是排出，并精准调控注液量、注液流量、注液速率；根据当前的反应釜监测数据还可以适时的改变电机的转速，以进行精确的反馈控制，从而使釜内水合物结合的瓦斯浓度达到目标值；最后的多余气体可导入至集气罐20中。

所述实施步骤的全过程需保证反应釜1的气密性。

本发明在实施过程中，由于水合物的持续生成，反应釜内压力会逐渐减小，根据压力传感器采集获得的不断降低的压力反馈值(釜底内部重力不断增大)，可以判断出水合物的生成速率不断下降，因此，采用平流泵10配置的处理器可控制电机减小转速，同时使平流泵注液量减少、注液速率减小，使反应釜内的液气比一直控制在10l/m³左右，直到反馈的压力值保持不变时，认为水合物的生成速率接近于0，水合物相中的瓦斯浓度达到目标值，实验结束。

本发明装置在使用中，最终生成的水合物中瓦斯含量随着超重力因子β的增加而提高，经控制，可大幅提高水合物中瓦斯含量，生成高密度固态瓦斯水合物，实现相对饱和的水合物测试实验，满足实验与生产要求。所述超重力因子β可以体现液体流动的强化程度，是平均离心加速度与重力加速度比的平均值：

式中，r表示转子的平均半径，m；n表示转子旋转的转速，rpm；

由上式可知，超重力因子β随转速的增加而增大，可以通过调节转子的转速来调节超重力场的强弱。

综上所述，本发明装置使用中，通过高速旋转，使气-液均呈动态，液体通过二级分散筒两次碰撞剪切，运动轨迹不断发生改变，气液接触面也不断变换，气液两相均匀接触，强化了传质过程，加速了水合物的生成；转子带动液滴成切线式甩离转子，旋转对釜内的温度影响小，不会抑制水合物生长。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；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。