相变离子液体水合法捕集分离CO2/CH4/N2系统装置的制作方法

本实用新型涉及化工设备，特别是用于捕集分离CO2、CH4和N2的相变离子液体促进气体水合物生成的一种相变离子液体水合法捕集分离CO2/CH4/N2系统装置。

背景技术：

据统计20世纪全球平均气温升高0.6℃，如果不采取方法限制CO2、CH4等气体的排放，21世纪全球气温将会上涨2~5℃。我国作为最大的发展中国家，对日益严峻的温室效应问题承担着不可推卸的责任。根据国际能源机构统计调查，我国现在的CO2排放量仅次于美国，占全球总排放量的1/7。

天然气工业、矿井开采及能源利用过程中排放的气体通常含有大量CO2和CH4气体。CO2是最主要的温室气体，CH4的温室效应要比二氧化碳高出22倍，在全球气候变暖中的份额占15%，仅次于CO2。这些气体不经处理直接排空，不仅加剧温室效应还造成资源浪费。CH4属于高效的清洁能源，可用于瓦斯发电和可燃冰制造，而CO2则是重要的工业生产原料，因此将这些气体捕集并加以利用是有效实现绿色节能的重要途径之一。

气体水合物是由水和其它一种或多种气体成分如天然气组成的结晶固体，通常在低温和高压条件下稳定存在，为非化学计量型固态化合物。1体积的水可以储存157体积的CO2或164体积的CH4，因此水合法储存二氧化碳和天然气具有广阔的应用前景。

离子液体是由有机阳离子和无机或有机阴离子构成的一种新型功能材料，具有熔点低、液程宽、几乎不挥发、热稳定性和化学稳定性高等优点，并且部分离子液体可以大幅降低气体水合物的生成时间，增加水合物的储气量，促进气体水合物的生成。

固态离子液体在特定条件下能够产生相变，相比普通离子液体，这类相变离子液体具有储能密度高、热稳定性好等优点，在储热、储能领域有独特的优势。相变离子液体对CO2、CH4和N2水合物生成具有促进作用，可及时吸收气体水合物形成过程所释放的热量。含羟基、羧基、羰基、胺基、酯基等极性基团的离子液体相变潜热值较高，甚至优于大部分常规无机和有机相变材料，且化学性质稳定，适合用作气体水合物促进剂。但如何实现相变离子液体水合法捕集分离气体的系统装置，至今未见有该设备的公开报道。

技术实现要素：
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针对上述情况，为克服现有技术缺陷，本实用新型之目的就是设计一种相变离子液体水合法捕集分离CO2/CH4/N2系统装置，可有效解决实现相变离子液体水合法捕集分离CO2/CH4 /N2，并防止工厂废气污染排放造大气污染和能量损失的问题。

本实用新型解决的技术方案是，一种相变离子液体水合法捕集分离CO2/CH4/N2系统装置，包括第一反应釜和第二反应釜，第一反应釜外壁上装有第一夹套，第一夹套外有第一隔热层，第一反应釜上装有与反应釜内部相连通的第一压力表、第一温度传感器和CO2气体检测仪，第一反应釜内装有第一搅拌器，第一搅拌器经伸出第一反应釜上部的第一搅拌杆与第一电机的转轴相连，构成反应釜内的第一搅拌结构；第一进气管道与第一反应釜内相连通，第一反应釜与第一管道进气口之间的管道上串装有第一流量控制仪，与第一反应釜相连的第一出气管道经第二流量控制仪和第二进气管道与第二反应釜内相连通，第一反应釜的第一夹套经第一温控系统管道与温控系统相连通，第二反应釜的外壁上装有第二夹套，第二夹套外有第二隔热层，第二夹套经第二温控系统管道与温控系统相连通，第二反应釜上装有与反应釜内部相连通的第二压力表、第二温度传感器和CH4气体检测仪，第二反应釜内装有第二搅拌器，第二搅拌器经伸出第二反应釜上部的第二搅拌杆与第二电机的转轴相连，构成反应釜内的第二搅拌结构；第一反应釜与第二流量控制仪之间的管道上经串联的第四阀门、第二增压泵装有相连通的第二储气罐，第一储气罐经装有第一增压泵、第六阀门的管道与第一反应釜内相连通，第三储气罐经装有第三增压泵、第七阀门的管道与第二反应釜内相连通，第四储气罐经装有第四增压泵、第八阀门、第五阀门的管道与第二反应釜内相连通，第一电机、第二电机、制冷压缩机、第一流量控制仪、第一压力表、第一温度传感器、CO2气体检测仪、第二流量控制仪、第二压力表、第二温度传感器、CH4气体检测仪均同控制装置相连，构成实时监测结构，反应釜内装有作为气体水合物促进剂的相变离子液体。

本实用新型适用于混合气体的吸收与分离，利用相变离子液体促进剂降低气体水合物生成压力并提高生成温度，加剧各气体水合物生成条件差异，从而实现混合气体的高效吸收和分离。通过温控系统控制反应釜内温度，通过反应釜内连接的压力表在PC端实时监测气体水合物生成过程中气压变化，由此计算气体捕集量。

附图说明：

图1为本实用新型的结构主视图。

1、进气口；2、进气口阀门；3、流量控制仪；4、反应釜；5、阀门；6、电动机；7、隔热层；8、搅拌杆；9、物理搅拌器；10、进气管道；11、反应釜上盖；12、出气管道；13、压力表；14、温度传感器；15、CO2气体检测仪；16、阀门；17、增压泵；18、储气罐；19、阀门；20、阀门；21、增压泵；22、储气罐；23、电脑；24、流量控制仪；25、阀门；26、反应釜；27、隔热层；28、电动机；29、搅拌杆；30、物理搅拌器；31、进气管道；32、出气管道；33、反应釜上盖；34、压力表；35、温度传感器；36、CH4气体检测仪；37、阀门；38、增压泵；39、储气罐；40、阀门；41、温控系统；42、管道；43、夹套；44、管道；45、夹套；46、阀门；47、增压泵；48、储气罐；49、出气口阀门；50、出气口。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作详细说明。

由图1所示，本实用新型公开一种相变离子液体水合法捕集分离CO2/CH4 /N2系统装置，包括第一反应釜和第二反应釜，第一反应釜4外壁上装有第一夹套43，第一夹套43外有第一隔热层7，第一反应釜4上装有与反应釜内部相连通的第一压力表13、第一温度传感器14和CO2气体检测仪15，第一反应釜4内装有第一搅拌器9，第一搅拌器9经伸出第一反应釜4上部的第一搅拌杆8与第一电机6的转轴相连，构成反应釜内的第一搅拌结构；第一进气管道10与第一反应釜4内相连通，第一反应釜4与第一管道进气口1之间的管道上串装有第一流量控制仪3，与第一反应釜4相连的第一出气管道12经第二流量控制仪24和第二进气管道31与第二反应釜26内相连通，第一反应釜4的第一夹套43经第一温控系统管道42与温控系统41相连通，第二反应釜26的外壁上装有第二夹套45，第二夹套45外有第二隔热层27，第二夹套45经第二温控系统管道44与温控系统41相连通，第二反应釜26上装有与反应釜内部相连通的第二压力表34、第二温度传感器35和CH4气体检测仪36，第二反应釜26内装有第二搅拌器30，第二搅拌器30经伸出第二反应釜26上部的第二搅拌杆29与第二电机28的转轴相连，构成反应釜内的第二搅拌结构；第一反应釜4与第二流量控制仪24之间的管道上经串联的第四阀门20、第二增压泵21装有相连通的第二储气罐22，第一储气罐18经装有第一增压泵17、第六阀门16的管道与第一反应釜4内相连通，第三储气罐39经装有第三增压泵38、第七阀门37的管道与第二反应釜26内相连通，第四储气罐48经装有第四增压泵47、第八阀门46、第五阀门40的第二出气管道32与第二反应釜26内相连通，第一电机6、第二电机28、温控系统41、第一流量控制仪3、第一压力表13、第一温度传感器14、CO2气体检测仪15、第二流量控制仪24、第二压力表34、第二温度传感器35、CH4气体检测仪36均同控制装置23相连，构成实时监测结构，反应釜内装有作为气体水合物促进剂的相变离子液体。

所述的控制装置为计算机或PLC控制柜。

所述的第一出气管道12经串联在一起的第二阀门19、第二流量控制仪24、第三阀门25和第二进气管道31与第二反应釜26内相连通，第二阀门19、第三阀门25均为与计算机或PLC控制器相连的电磁阀。

所述的第一流量控制仪3两边相连通的管道上分别装有进气口阀门2、第一阀门5，进气口阀门2、第一阀门5均为与计算机或PLC控制器相连的电磁阀。

所述的第二出气管道32上装有第五阀门40，第二出气管道32上装有第四增压泵47，第二出气管道32的出口与第四增压泵47之间的管道上装有第八阀门46，第五阀门40和第八阀门46均为与计算机或PLC控制器相连的电磁阀。

所述的第三储气罐39的气口与第七阀门37之间的管道上装有第三增压泵38，并经第七阀门37与第二反应釜26内相连通，第七阀门37为电磁阀，第三增压泵38、第七阀门37均与计算机或PLC控制器相连。

所述的第一储气罐18的气口与第六阀门16之间管道上装有第一增压泵17，第一增压泵17为与计算机或PLC控制器相连的电磁阀。

所述的第一反应釜4的上口上装有第一反应釜上盖11，第二反应釜26的上口上装有第二反应釜上盖33。

所述的第五阀门40与第八阀门46之间的出气口50的管道上装有第九阀门49，第八阀门46经第四增压泵47与第四储气罐48的罐口相连通。

所述的温控系统包括制冷装置和加热装置，控温范围为-20℃～60℃，夹套内装有传热介质，以便控温。

所述的相变离子液体为含有羟基、羧基、羰基、酯基的极性基团的相变离子液体，相变潜热值与热分解温度高，用于促进CO2水合物生成，带有长烷烃链的相变离子液体适用于促进CH4水合物生成，对CO2/CH4/N2混合气体的分离选择性好，并可循环利用；

所述的温控系统包括制冷装置和加热装置，控温范围为-20℃～60℃，不仅用于水合物形成过程，还可用于气体水合物分解回收气体过程；

所述夹套内装有传热介质，以便控温，气体水合物形成过程利用制冷系统实现降温，气体水合物分解过程则启动加热系统实现升温；

所述的夹套外部的隔热层可隔绝反应釜内部与周围环境的能量交换，减少能量损失；

所述的两个反应釜设置不同的温度和压力条件，分别为CO2和CH4水合物的形成和生长提供适宜条件。

由上述可以看出，本实用新型第一反应釜4与夹套43和隔热层7组成一个封闭的系统，反应釜为带有内腔的空心体，用于盛放相变离子液体和水，第一反应釜4内部设有第一物理搅拌器9并通过第六阀门16、第一增压泵17与第一储气罐18相连，第一反应釜上方设有第一电动机6、第一压力表13、第一温度传感器14、CO2气体检测仪15、进气管道10和出气管道12，温度传感器和压力表的自由端与电脑23相连，进气管道10接在第一阀门5的一端，第一阀门5的另一端经第一流量控制仪3与进气口阀门2相连，混合气体经进气口1进入装置系统内，受第一流量控制仪3控制，出气管道12接在第二阀门19的一端，第二阀门19的另一端经第二流量控制仪24与第三阀门25相连，第二阀门19与第二流量控制仪24中间另外连接一条管道，管道上连接的有第四阀门20、第二增压泵21和第二储气罐22。第二反应釜26与夹套45和隔热层27组成一个封闭的系统，反应釜为带有内腔的空心体，用于盛放相变离子液体和水，第二反应釜26内部设有第二物理搅拌器30并通过第七阀门37、第三增压泵38与第三储气罐39相连，上方设有第二电动机28、第二压力表34、第二温度传感器35、CH4气体检测仪36、进气管道31和出气管道32，温度传感器和压力表的自由端与电脑23相连，进气管道31接在第三阀门25的一端，出气管道32接在第五阀门40的一端，第五阀门40的另一端连接第九阀门49，第五阀门40与第九阀门49中间另外连接一条管道，管道上连接的有第八阀门46、第四增压泵47和第四储气罐48。温控系统41经管道42、管道44与夹套43、夹套45相连。

所述的第一反应釜4最外围设有隔热层7以防止与外部能量交换，第一反应釜4与隔热层7之间设有夹套43以控制反应釜内温度，第一反应釜4内设有物理搅拌器9以加快水合物的生成，并防止生成的水合物团簇。

所述的第一储气罐18通过第一增压泵17、第六阀门16与第一反应釜4相通以回收反应过后的CO2气体。

所述的第二反应釜26最外围设有隔热层27以防止与外部能量交换，第二反应釜26与隔热层27之间设有夹套45以控制反应釜内温度，第二反应釜26内设有第二物理搅拌器30以加快水合物的生成，并防止生成的水合物团簇。

所述的电脑23与第一流量控制仪3、第二流量控制仪24相连以控制进入反应釜内气体的流速，与第一压力表13、第一温度传感器14、第二压力表34、第二温度传感器35相连以实时监测反应釜内的温度压力。

所述的温控系统41包含制冷和加热功能，分别通过管道42、管道44控制夹套43、夹套45以控制反应釜内的温度。

本实用新型的安装使用情况是，将第一反应釜4和第二反应釜26的上盖11和上盖33打开，对反应釜内部进行清理之后，安装反应釜上盖11和上盖33，同时保证第一压力表13、第一温度传感器14、CO2气体检测仪15与第一反应釜4内部相通，第二压力表34、第二温度传感器35、CH4气体检测仪36与第二反应釜26相通，第一物理搅拌器9和第二物理搅拌器30浸入到溶液中但不与反应釜内壁和底侧接触。将进气口阀门2、第一流量控制仪3、第一阀门5、进气管道10依次连接，将第一电动机6、搅拌杆8、第一物理搅拌器9依次连接，将第六阀门16、第一增压泵17、第一储气罐18依次连接，将出气管道12、第二阀门19、第二流量控制仪24、第三阀门25、进气管道31依次连接，将第四阀门20、第二增压泵21、第二储气罐23依次连接，将第二电动机28、搅拌杆29、第二物理搅拌器30依次连接，将第七阀门37、第三增压泵38、第三储气罐39依次连接，将出气管道32、第五阀门40、第九阀门49依次连接，将第八阀门46、第四增压泵47、第四储气罐48依次连接，将第一流量控制仪3、第一温度传感器14、第一压力表13、第二流量控制仪24、第二压力表34、第二温度传感器35与电脑23连接，将温控系统41分别通过管道42、管道44与夹套43、夹套45连接，将阀门全部关闭。装样前需先检测系统是否漏气，将除第九阀门49之外的所有阀门全部打开，通气一段时间后关闭进气口阀门2，观测压力表13与压力表34的数值是否下降，压力表的数值一致且稳定不变则表示整个系统气密性良好，反之，则表示存在漏气，需查找漏源；若反应釜气密良好，则打开第九阀门49，待第一压力表13和第二压力表34示数为0后，关闭所有阀门。打开反应釜上盖11和上盖33，装入按比例混合的相变离子液体和水，然后关闭反应釜上盖11和上盖33；打开温控系统41，通过第一温度传感器14观察，使第一反应釜4降到指定温度；打开进气口阀门2和第一阀门5，使CO2/CH4/N2混合气体经进气口1进入第一反应釜4中，进气速度受第一流量控制仪3控制，通过第一压力表13观察，达到指定压力后，关闭进气口阀门2和第一阀门5，停止通入气体，同时打开第一电动机6，控制物理搅拌器9的搅拌速度，促进气体水合物的生成，并避免形成的水合物团簇。生成CO2、CH4和N2水合物所需的外界条件不同，生成CO2水合物所需的温度相对较高，控制温度可以保证第一反应釜4内仅生成CO2水合物，相变离子液体不仅可以促进气体水合物的生成，同时可以吸收水合物生成所散发出的热量。待第一压力表13数值稳定，使用CO2气体检测仪15检测第一反应釜4内部气体成分，若示数为0，则说明第一反应釜4中CO2吸收完全。关闭第一电动机6，打开第三阀门19、第四阀门20和第二增压泵21，使第一反应釜4内剩余的CH4、N2混合气体全部进入第二储气罐22中，然后关闭第三阀门19、第四阀门20和第二增压泵21。控制温控系统41，升高第一反应釜4内的温度至30℃~50℃，打开第六阀门16和第一增压泵17，水合物完全分解后，第一反应釜4内的CO2气体全部进入第一储气罐18中回收利用，之后关闭第六阀门16和第一增压泵17；同时控制温控系统41，通过第二温度传感器35观察，使第二反应釜26降到指定温度;打开第四阀门20和第三阀门25，使CH4、N2混合气体经进气管道31进入第二反应釜26中，进气速度受第二流量控制仪24控制，通过第二压力表34观察，达到指定压力后，关闭第四阀门20和第三阀门25，同时打开第二电动机28，控制第二物理搅拌器30的搅拌速度，促进CH4气体水合物的生成，并避免形成的水合物团簇。待第二压力表34数值稳定后，使用CH4气体检测仪36检测第二反应釜26内部气体成分，若示数为0，则说明第二反应釜26中CH4吸收完全。之后关闭第二电动机28，打开第五阀门40、第八阀门46和第四增压泵47，反应后剩余的N2通过出气管道32进入第四储气罐48中。储存完毕后，关闭第五阀门40、第八阀门46和第四增压泵47，控制温控系统41，升高第二反应釜26内的温度至20℃~50℃，打开第七阀门37和第三增压泵38，水合物完全分解后，第二反应釜26内的CH4气体全部进入第三储气罐39中回收利用，关闭第七阀门37、第三增压泵39和温控系统41。之后关闭所有阀门。

本实用新型适用于CO2/CH4/N2等混合气体的分离。天然气开采气、煤层抽采瓦斯气以及工厂废气均可作为气源，通过阀门、流量控制仪以及压力表可以使反应釜内气氛处于一定压力，通过温控系统、夹套和温度传感器可以使反应釜内温度达到某一气体水合物生成所需温度，通过隔热层可以防止反应釜与外部能量交换，通过电动机可以加快反应釜内气体水合物的生成速度同时避免生成的水合物团簇，通过温度传感器、温度采集系统和压力表、压力采集系统可以实现对反应釜内部温度、压力的实时记录，通过气体检测仪可以检测反应釜内气体成分，通过储气罐可以实现对提纯后气体的回收利用。本实用新型的特点在于利用相变离子液体促进各气体水合物生成，一定程度上提高水合物生成温度和降低生成压力。带有羧基、胺基、羟基等极性官能团的相变离子液体用作促进CO2气体水合物生成，带有长烷烃链的相变离子液体用作促进CH4水合物生成。利用不同气体水合物生成条件差异实现混合气体在反应釜内的分离吸收，并对温度、压力、流量进行监控与记录。本实用新型自动化程度高，捕集分离效果好，可实现相变离子液体水合法捕集分离CO2/CH4 /N2，相变离子液体热稳定性和化学稳定性高，可循环利用，经实地试验和应用，取得了非常好的、未曾预料到的有益技术效果，节能高达50%以上，节约资源2倍以上，而且大大减少了对环境的污染，真正实现了节能环保，经济和社会效益显著。