一种活性炭固载天然气水合物连续反应装置的制作方法

技术领域：

本实用新型属于水合物制备技术领域，具体涉及一种活性炭固载天然气水合物连续反应装置，实现天然气水合物的高效、快速和连续反应。

背景技术：
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2016年生效的《巴黎气候协定》加快推动了能源消费结构转型，发出了绿色低碳和可持续发展的强烈信号。开启了加快天然气开发与利用的进程。然而，随着对天然气的需求量逐年快速增长，许多国家的天然气长期存在供不应求的局面，只能依赖进口解决，针对天然气需求具有的典型季节差异，完善天然气的储运与调峰技术显得尤为重要。除了传统的压缩天然气(cng)、液化天然气(lng)以及地下气库储气技术等，天然气水合物(ngh)因其独特的优势在天然气储运与调峰方面发挥着重要的作用。与压缩天然气和液化天然气相比，天然气水合物同样具有较高的储气量，其理论值可达到164v/v，储存环境温和，可在常压、-15℃的条件下进行长期储存，具有存储成本低廉和安全的特点。然而，由于苛刻的生成条件以及结晶过程的随机性，反应速度慢成为了技术发展的关键问题：天然气水合物通常首先在气液接触面开始生成，但是在气体与水接触的表面生成的天然气水合物阻止了气体向水中的进一步扩散，使得天然气水合物的形成速率大大降低，为了增加气体与水的接触面积，加速天然气水合物的生成，机械搅拌、气体鼓泡以及液体喷淋等方法被广泛应用，但是在天然气水合物形成的后期效果很不理想。

利用多孔介质的吸附作用来储存天然气近年来被广泛关注，即吸附天然气(ang)，其在解吸附时大量的天然气会滞留在多孔介质中，导致天然气损失无法被利用，从而限制了吸附天然气的应用。但是，多孔介质中的大量微孔和高比表面积为天然气水合物的形成提供了有利空间，利用多孔介质湿储天然气技术得到了快速发展，研究表明多孔介质表面吸附的水分子会按一定规律排列，有利于促进天然气水合物的形成，大幅缩短甚至消除诱导期，与吸附天然气相比，多孔介质湿储天然气的充放气具有良好的一致性。活性炭作为典型的多孔介质，具有成本低廉、易于获取等优点：中国专利201410169852.3公开的一种气体水合物生成促进剂是由纳米活性炭粉与烷基二苯醚二磺酸盐表面活性剂复配，并溶于水中形成的混合溶液；以混合水溶液总量计算，烷基二苯醚二磺酸盐表面活性剂所占的质量分数为0.01-0.08％，纳米活性炭粉的质量分数为0.05-0.15％，水的质量分数为99.77-99.94％，三者的质量分数之和为100％；中国专利200610150853.9公开的一种天然气水合物在活性炭中的形成方法，在耐压20mpa的压力储罐内加入活性炭和蒸馏水，蒸馏水与活性炭的质量比为0.8-2.2:1，压力储罐内的压力为3-10mpa，压力储罐内的温度为-5-25℃，然后向压力储罐内充入天然气形成天然气水合物，天然气中的甲烷纯度大于99％，反应时间为30-200min。因此，利用活性炭固载天然气水合物以实现天然气的储存对于天然气储运和调峰具有重要的意义。

技术实现要素：
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本实用新型的目的在于克服现有技术存在的缺点，研发设计一种活性炭固载天然气水合物连续反应装置，利用活性炭多孔介质的特性将其作为载体，实现天然气水合物高效、快速、连续反应。

为了实现上述目的，本实用新型涉及的活性炭固载天然气水合物连续反应装置的主体结构包括搅拌单元、供液单元、降温单元、一级反应单元、二级反应单元、固液分离单元、水合物收集单元和供气单元；供液单元与搅拌单元连接，搅拌单元与降温单元连接，降温单元与一级反应单元连接，一级反应单元与二级反应单元连接，二级反应单元分别与固液分离单元和水合物收集单元连接，供气单元分别与一级反应单元与二级反应单元连接；搅拌单元的主机结构包括储罐、加料口、喷液口、搅拌叶片、传动杆、搅拌电机、一号出料口、一号球阀和一号波纹管；供液单元的主机结构包括输液管道、水罐、恒流泵和一号单向阀；降温单元的主机结构包括冷却箱、单绞笼、绞笼杆、冷却电机、一号进料口、一号温度传感器、二号出料口、二号温度传感器、二号球阀和二号波纹管；一级反应单元的主机结构包括螺杆泵反应釜、磁力搅拌杆、一号电机、二号进料口、一号压力传感器、安全阀、三号温度传感器、一号进气口、三号出料口、三号球阀和三号波纹管；二级反应单元的主机结构包括双绞笼反应釜、双绞笼杆、二号电机、三号进料口、四号出料口、四号球阀、四号波纹管、四号温度传感器、二号进气口、五号出料口、五号球阀和五号波纹管；固液分离单元为液体收集罐；水合物收集单元为水合物收集罐；供气单元的主机结构包括储气罐、二号压力传感器、五号温度传感器、进气口、一号出气口、二号出气口、一号输气管道、二号输气管道、一号送气阀、一号气体流量控制器、二号单向阀、三号压力传感器、二号送气阀、二号气体流量控制器、三号单向阀和四号压力传感器。

本实用新型与现有技术相比，依靠微纳尺度限域空间内天然气水合物的特定动力学行为制备天然气水合物，将具有多孔特性和丰富的比表面积的活性炭作为载体，对活性炭进行预吸附水，以增加气液接触面积，螺杆泵反应釜和双绞笼反应釜的两级反应，提高了天然气水合物的转化率，固液分离单元和可移动更换的水合物收集单元实现了天然气水合物的连续反应；其结构简单，通过降温单元产生的冰晶和螺杆泵反应釜的快速升压能力，加速了天然气水合物的连续反应。

附图说明：

图1为本实用新型的主体结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本实用新型做进一步描述。

实施例1：

本实施例涉及的活性炭固载天然气水合物连续反应装置的主体结构包括储罐1、加料口2、喷液口3、输液管道4、水罐5、恒流泵6、一号单向阀7、搅拌叶片8、传动杆9、搅拌电机10、一号出料口11、一号球阀12、冷却箱13、单绞笼14、绞笼杆15、冷却电机16、一号进料口17、一号温度传感器18、一号波纹管19、二号出料口20、二号温度传感器21、二号球阀22、螺杆泵反应釜23、磁力搅拌杆24、一号电机25、二号进料口26、一号压力传感器27、安全阀28、二号波纹管29、三号温度传感器30、一号进气口31、三号出料口32、三号球阀33、双绞笼反应釜34、双绞笼杆35、二号电机36、三号进料口37、四号出料口38、三号波纹管39、四号球阀40、四号波纹管41、液体收集罐42、四号温度传感器43、二号进气口44、五号出料口45、五号球阀46、五号波纹管47、水合物收集罐48、储气罐49、二号压力传感器50、五号温度传感器51、进气口52、一号出气口53、二号出气口54、一号输气管道55、二号输气管道56、一号送气阀57、一号气体流量控制器58、二号单向阀59、三号压力传感器60、二号送气阀61、二号气体流量控制器62、三号单向阀63和四号压力传感器64；储罐1的顶部设置有加料口2和喷液口3，喷液口3通过输液管道4与水罐5连接，输液管道4上设置有恒流泵6和一号单向阀7，储罐1的内部设置有搅拌叶片8，搅拌叶片8通过传动杆9与设置在储罐1外部的搅拌电机10连接，储罐1的底部设置有一号出料口11，一号出料口11上设置有一号球阀12；冷却箱13中设置有单绞笼14，单绞笼14的内部设置有绞笼杆15，绞笼杆15与设置在冷却箱13外部的冷却电机16连接，单绞笼14的底部设置有一号进料口17，一号进料口17上设置有一号温度传感器18，一号进料口17通过一号波纹管19与一号出料口11连接，单绞笼14的顶部设置有二号出料口20，二号出料口20上设置有二号温度传感器21和二号球阀22；螺杆泵反应釜23的内部设置有磁力搅拌杆24，磁力搅拌杆24与设置在螺杆泵反应釜23外部的一号电机25连接，螺杆泵反应釜23的尾部设置有二号进料口26，二号进料口26上设置有一号压力传感器27和安全阀28，二号进料口26通过二号波纹管29与二号出料口20连接，螺杆泵反应釜23的中部设置有三号温度传感器30，螺杆泵反应釜23的头部设置有一号进气口31和三号出料口32，三号出料口32上设置有三号球阀33；双绞笼反应釜34的内部设置有双绞笼杆35，双绞笼杆35与设置在双绞笼反应釜34外部的二号电机36连接，双绞笼反应釜34的底部设置有三号进料口37和四号出料口38，三号进料口37通过三号波纹管39与三号出料口32连接，四号出料口38上设置有四号球阀40，四号出料口38通过四号波纹管41与液体收集罐42连接，双绞笼反应釜34的中部设置有四号温度传感器43，双绞笼反应釜34的顶部设置有二号进气口44和五号出料口45，五号出料口45上设置有五号球阀46，五号出料口45通过五号波纹管47与水合物收集罐48连接；储气罐49的顶部设置有二号压力传感器50和五号温度传感器51，储气罐49的侧壁设置有进气口52、一号出气口53和二号出气口54，一号出气口53和二号出气口54分别通过一号输气管道55和二号输气管道56与一号进气口31和二号进气口44连接，一号输气管道55上设置有一号送气阀57、一号气体流量控制器58、二号单向阀59和三号压力传感器60，二号输气管道56上设置有二号送气阀61、二号气体流量控制器62、三号单向阀63和四号压力传感器64。

本实施例涉及的喷液口3中设置有喷头；单绞笼14为中国专利201910464078.1公开的绞笼反应釜；螺杆泵反应釜23为以螺杆泵为输送和增压元件的反应釜；一号电机25和二号电机36为行星减速无刷电机；二号进料口26处的压力为大气压；双绞笼杆35上设置有绞笼叶片；双绞笼反应釜34为将中国专利201910464078.1公开的绞笼反应釜中的绞笼杆替换为双绞笼杆的绞笼反应釜；四号出料口38处装设有滤网；液体收集罐42为具有液位报警的容器，当液面到达设定液面时，发生声光报警，提醒工作人员及时排液。

本实施例涉及的活性炭固载天然气水合物连续反应装置在安装有气体报警器的恒温室生产天然气水合物时，将降温单元和二级反应单元置于旋转支架上，并将旋转支架的倾角调节为45°，将一号温度传感器18、二号温度传感器21、一号压力传感器27、三号温度传感器30、四号温度传感器43、二号压力传感器50、五号温度传感器51、三号压力传感器60和四号压力传感器64与数据采集箱和计算机连接；打开一号送气阀57和二号送气阀61，通过一号气体流量控制器58和二号气体流量控制器62监测气体消耗量；将冷却箱的温度设定为-10℃，当螺杆泵反应釜23和双绞笼反应釜34的压力为7mpa时，打开一号电机25和二号电机36，设定一号电机25的转速为600r/min，二号电机36的转速为90r/min，当一号温度传感器18、二号温度传感器21、三号温度传感器30、四号温度传感器43和五号温度传感器51的温度值均达到设定值时，打开搅拌电机10，通过加料口2向储罐1加入活性炭，打开喷液口3向储罐1喷入液滴形式的液体，活性炭与液体的质量比为1:1，搅拌叶片8对液体和活性炭进行搅拌，使其充分混合形成固液混合物；通过控制冷却电机16的转速调节固液混合物的输送速率，固液混合物依次经过一号出料口11、一号波纹管19和一号进料口17进入降温单元进行进一步预冷，使其快速降温至-5℃以下，预冷后的固液混合物依次经过二号出料口20、二号波纹管29和二号进料口26进入一级反应单元，螺杆泵反应釜23对固液混合物进行快速增压，使其由大气压迅速增压至7mpa，气体从一号进气口31通入螺杆泵反应釜23进行一级反应并维持螺杆泵反应釜23的压力恒定，生成固载活性炭的天然气水合物，当压力异常(>0.15mpa)时，安全阀28自动卸压；活性炭、液体和固载活性炭的天然气水合物三者的混合物经三号出料口32、三号波纹管39和三号进料口37进入二级反应单元，气体从二号进气口44通入双绞笼反应釜34进行二级反应并维持反应釜内部压力恒定，进一步生成固载活性炭的天然气水合物，固载活性炭的天然气水合物被双绞笼杆35携带向五号出料口45运移，经过五号波纹管47进入水合物收集罐48，当水合物收集罐48装满后，关闭五号球阀46，将水合物收集罐48用水合物收集罐运输车运走，同时，将另一水合物收集罐48通过五号波纹管47与双绞笼反应釜34连接，并打开五号球阀46进行固载活性炭的天然气水合物的持续收集，未参与反应的液体经四号出料口38流入液体收集罐42；生产过程中，运气车通过进气口52向储气罐49输送气体。

本实施例涉及的恒温室的温度调节范围为-10-40℃；旋转支架的倾角调节范围为0-90°；气体为天然气；液体为水。