CN100341615C - 用超声波生产水合物及水合物浆的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用超声波生产水合物及水合物浆的装置与方法，主要应用于制冷空调储能石油、天然气工业等液(气)体—液体反应的强化结晶反应、超声波混合反应，特别是科研和中试。所述的装置，包括超声波发生器、水合物/浆反应器、气/液瓶、真空泵、恒温水浴箱、加水箱，为变幅杆浸入式***。本发明首次把超声波波引入水合物浆反应中，在此基础上设计了一个适合于能够在高压下生产水合物及水合物浆的超声波反应器。
Description
技术领域
本发明涉及用超声波生产水合物及水合物浆的装置与方法，主要应用于制冷空调储能石油、天然气工业等液(气)体一液体反应的强化结晶反应、超声波混合反应，特别是科研和中试。
背景技术
超声波是由一系列疏密相间的纵波构成的，并通过液体介质向四周传播。当超声波能量足够高时，就会产生超声空化现象。超声空化气泡是在声波负压相下而产生的(即液体在声波负压下被拉开而形成空穴)，它们又在随之而来的声波正压相作用下迅即崩溃。空化气泡的寿命约0.1μs，当空化气泡崩溃时，可释放巨大的能量，并产生速度约110m/s、具有强烈冲击力的微射流，使碰撞密度高达1.5kg/cm2，伴随产生数百个大气压的高压和数千度的高温。这些条件能促进非匀相面间的扰动和相界面更新，从而加速界面间的传质和传热过程。化学反应和物理过程的超声强化作用主要是由于液体的超声空化产生的能量效应和机械效应引起的。
功率超声在工业(如超声清洗、焊接、加工)、医学(如超声理疗、治癌)、生物学(如超声成功剪切DNA大分子)、化学(如聚合物降解、催化)、化工(如超声结晶、雾化、沉淀)上的应用非常广泛，在结晶过程中引入超声波主要具有调节晶体粒度、改善粒度分布、缩短成核结晶时间的作用。
目前气体水合物通常采用循环泵产生扰动或机械搅拌促气体水合物生成，然而扰动除消耗能源，效率比较低，引导时间较长，过冷度较大，水合物生成也不均匀，粒度分布范围大，产生的水合物浆难以输送。
发明内容
本发明的目的是利用现有的超声波技术和耐高压石英玻璃，提供一种能够在高压下利用超声波作用来研究水合物及水合物浆装置。
本发明所述的用超声波生产水合物及水合物浆的装置，包括超声波发生器、水合物/浆反应器、气/液瓶、真空泵、恒温水浴箱、加水箱；
所述的超声波发生器由依次相连的超声波发生控制器、换能器、变幅杆组成，变幅杆的末端为超声探头，***水合物/浆反应器并浸入反应体系中；由换能器发射的超声波，经过变幅杆的发射端即超声探头直接发射到水合物/浆反应器中；超声波源频率设定为10k-50kHz，功率为0-10kW，可根据需要线形调节超声波的输入功率和作用时间；
所述的水合物/浆反应器上接有水合反应物注入阀门和泄水阀门；水合物/浆反应器的底部装有过滤网；
所述的气/液瓶与真空泵通过三通管、阀门与水合物/浆反应器相连；
所述的恒温水浴箱内装有换热器，通过管道与制冷器相连；恒温水浴箱通过泵、阀门与水合物/浆反应器相连；恒温水浴箱接有温度控制器；恒温水浴的温度范围为0-15℃可调，保证整个水合过程不结冰；
所述的加水箱，通过泵、阀门与恒温水浴箱相连。
所述的水合物/浆反应器的主体是石英玻璃或蓝宝石圆筒，通过密封圈、螺栓固定于上法兰盖与下法兰盖之间；变幅杆通过密封圈和螺栓固定在上法兰盖上。
本发明所述的超声探头的形状可以根据需要变化。超声探头，是由超声换能驱动的变幅杆(亦称速度变换器)的发射端，由换能器发射的超声波，经过它的发射端直接发射到反应器中。变幅杆端面的质点振动幅度或声强，由改变输入换能器的电功率来控制。利用声变幅***，其辐射端面上可获得上百w/cm2的高功率密度。这种变幅杆浸入式***的主要优点有以下几点：(1)与超声清洗机相比，在处理液体中不仅可获得高得多的超声功率密度，还可完全消除超声波在穿过水槽与烧瓶底部时引起的能量损耗。(2)可为反应液体提供较大的功率密度变化范围，以便从中寻求确定最佳超声辐照条件。(3)超声强度与辐照液体容量之间可以达到较好的匹配，以期取得最佳效果。
本装置的反应器使用耐高压的石英玻璃或蓝宝石，可视，根据不同的厚度，可以耐压0-40MPa。石英玻璃或蓝宝石圆筒耐腐蚀，透光率为80％，通过它可观测到水合物的反应情况。
由于恒温***可将反应器的温度降到零下20℃，石英玻璃或蓝宝石可在低温下保持性能，因此本装置也可进行低温实验。
本发明所述的装置还可在超声波发生器中加上输出电流调节器及输出功率记录器，可连续线形调节输出功率，同时记录输出功率，因此可以实时处理数据，跟踪反应过程。
本发明的另一目的是提供一种用超声波生产水合物及水合物浆的方法。
本发明所述的用超声波生产水合物及水合物浆的方法，包括以下步骤：
A)将氮气瓶通过水合反应物注入阀门与水合物/浆反应器相连，对水合物/浆反应器进行试漏；
B)将真空泵通过阀门与水合物/浆反应器相连，对水合物/浆反应器进行抽真空；
C)再次将管道与水合反应物注入阀门相连接，先往连接管道内注满水，以保证反应器内保持真空，然后将连接管道的另一端***盛有水的敞开容器的水面之下，打开水合反应物注入阀门，水在虹吸的作用下被吸入水合物/浆反应器中；
D)将气/液瓶通过阀门与水合物/浆反应器相连接，输入气或液体；
E)将恒温水浴箱调整至水合物生成的温度，在设定温度稳定后，把水合物/浆反应器放入恒温水浴中，开启数据采集***，并开始计时；
F)当水合物/浆反应器内温度下降到设定的水浴温度并稳定后，设定超声波作用时间为1-5秒，设定超声波发生器的间断开启周期为3-10个；
G)由换能器发射的超声波，经过变幅杆的发射端即超声探头直接发射到水合物/浆反应器中；超声波源频率设定为10k-50kHz，功率为0-10kW，可根据需要线形调节超声波的输入功率和作用时间；
H)超声波作用完成后，水合物/浆反应器中水合物或水合物浆生成。
步骤G中，可通过输出电流调节器及输出功率记录器连续线形调节输出功率，同时记录超声波输出功率。
反应时，先对***抽真空，然后关闭抽真空***，利用真空吸入一定量的蒸馏水，然后再抽真空，注意抽真空不能抽到蒸馏水在当时温度的饱和蒸汽压以下，根据水合物浆中水合物的比例，加入一定水合反应气(液)，再抽真空，反复几次后一般均可满足需求。
抽完真空及加完反应后，将恒温水浴调整至设定温度，在设定温度稳定后，把反应器放入恒温水浴中，开启数据采集***，并开始计时；当水合体系下降到设定的水浴温度并稳定一段时间时，设定超声波作用时间，间断开启超声波发生器，水合物浆生成。如果需要增加水合物浆的浓度，打开阀门，让一定量的水流出。如果需要减少水合物浆的浓度，开启泵，向反应器加入一定量的水。当反应器中水合物全部反应完成时，通过观察水合物浆中水合物粒度大小决定是否开启超声波及时间长短。
本发明的有益效果有：
1.首次把超声波波引入水合物浆反应中，在此基础上设计了一个适合于能够在高压下生产水合物及水合物浆的超声波反应器。
2.应用范围广，温度和压力可测量，超声波功率线性可调。
3.采用了整体化设计，结构紧凑。
附图说明
图1是本发明的整体结构图；
图2是本发明所述的水合物/浆反应器的结构示意图。
具体实施方式
本发明所述的用超声波生产水合物及水合物浆的装置，如图1所示，包括超声波发生器、水合物/浆反应器5、气/液瓶、真空泵、恒温水浴箱8、加水箱11；
所述的超声波发生器由依次相连的超声波发生控制器1、换能器、变幅杆3组成，变幅杆3的末端为超声探头4，***水合物/浆反应器5并浸入反应体系中；由换能器发射的超声波，经过变幅杆3的发射端即超声探头4直接发射到水合物/浆反应器5中；超声波源频率设定为10k-50kHz，功率为0-10kW，可根据需要线形调节超声波的输入功率和作用时间；
所述的水合物/浆反应器5上接有水合反应物注入阀门f5和泄水阀门f4；水合物/浆反应器5的底部装有过滤网；
所述的气/液瓶与真空泵通过三通管、阀门f3与水合物/浆反应器5相连；
所述的恒温水浴箱8内装有换热器9，通过管道与制冷器10相连；恒温水浴箱8通过泵b1和b3、阀门f1与水合物/浆反应器5相连；恒温水浴箱8接有温度控制器t1；恒温水浴的温度范围为0-15℃可调，保证整个水合过程不结冰；
所述的加水箱11，通过泵b2、阀门f2与恒温水浴箱8相连。
如图2所示，所述的水合物/浆反应器5的主体是石英玻璃或蓝宝石圆筒21，通过密封圈24、螺栓25固定于上法兰盖22与下法兰盖23之间；变幅杆3通过密封圈27和螺栓28固定在上法兰盖22上。
所述的超声波发生器中安装有输出电流调节器及输出功率记录器，可连续线形调节输出功率，同时记录输出功率。
应用如图1中的装置，用超声波生产水合物及水合物浆的方法，包括以下步骤：
A)将氮气瓶通过水合反应物注入阀门f5与水合物/浆反应器5相连，对水合物/浆反应器5进行试漏；
B)将真空泵通过阀门f3与水合物/浆反应器5相连，对水合物/浆反应器5进行抽真空；
C)再次将管道与水合反应物注入阀门f5相连接，先往连接管道内注满水，以保证反应器内保持真空，然后将连接管道的另一端***盛有水的敞开容器的水面之下，打开水合反应物注入阀门f5，水在虹吸的作用下被吸入水合物/浆反应器5中；
D)将气/液瓶通过阀门f3与水合物/浆反应器5相连接，输入气或液体；
E)将恒温水浴箱8调整至水合物生成的温度，在设定温度稳定后，把水合物/浆反应器5放入恒温水浴中，开启数据采集***，并开始计时；
F)当水合物/浆反应器5内温度下降到设定的水浴温度并稳定后，设定超声波作用时间为1-5秒，设定超声波发生器的间断开启周期为3-10；
G)由换能器发射的超声波，经过变幅杆3的发射端即超声探头4直接发射到水合物/浆反应器5中；超声波源频率设定为10k-50kHz，功率为0-10kW，可根据需要线形调节超声波的输入功率和作用时间；
H)超声波作用完成后，水合物/浆反应器5中水合物或水合物浆生成。
步骤G中，通过输出电流调节器及输出功率记录器连续线形调节输出功率，同时记录超声波输出功率。
实施例一：
按图1设计了一个实验装置，其中超声波源频率为15kHz，最大输出功率1000瓦，线性可调。反应器体积460ml，反应器横截面积38.5cm2，反应器由石英玻璃圆筒、上法兰盖、下法兰盖、水合反应物注入阀门和泄水阀门组成。石英玻璃圆筒耐腐蚀，透光率为80％，圆筒内径为70mm，厚3mm，长130mm，通过它可观测到水合物的反应情况。法兰盖由不锈钢材料整体车制而成，上法兰盖厚13mm，下法兰盖厚8mm。上下法兰盖通过螺栓、O型密封圈连接来密封玻璃圆筒。超声探头通过螺栓、硅橡胶O型圈与上法兰盖连接密封。
该实施例的反应物为水和液体HCFC-141b，反应时生成水合物浆，水和HCFC-141b的质量比为6∶1，生成的水合物浆浓度为46.3％。为了加快反应进程可适当加一些表面活性剂。实验开始前先设置好水浴，开制冷***把温度降到实验所需要的温度，然后用已配好一定浓度的水溶液润洗反应器，抽真空，然后把一定量已配好浓度的水溶液，利用真空把吸入反应器内，再抽真空，为了保证空气不残留在反应内，可加入少量气态HCFC-141b，再抽一次真空，最后加入所需HCFC-141b。温度恒定2个小时后，设定好超生波功率、作用时间，开启超声波。结果显示超声波能够明显降低水合物生成的过冷度，提高生成速度，水合物粒度均匀，形成的水合物浆稳定细腻。结果证明了该装置能够可靠地促进水合反应。
实施例二：
按图1设计了一个实验装置，其中超声波源频率为25kHz，最大输出功率1500瓦，线性可调。反应器体积78.5ml，反应器横截面积19.6cm2，反应器由蓝宝石玻璃圆筒、上法兰盖、下法兰盖、水合反应物注入阀门和泄水阀门组成。蓝宝石玻璃圆筒耐腐蚀，透光率为90％，圆筒内径为50mm，厚5mm，长40mm，通过它可观测到水合物的反应情况。法兰盖由不锈钢材料整体车制而成，上法兰盖厚13mm，下法兰盖厚8mm。上下法兰盖通过螺栓、O型密封圈连接来密封玻璃圆筒。超声探头通过螺栓、硅橡胶O型圈与上法兰盖连接密封。
该实施例的反应物为水和液体HFC-134a，反应时全部生成水合物，水和HFC-134a的质量比为2.55∶1。为了加快反应进程可适当加一些表面活性剂。实验开始前先设置好水浴温度，开制冷***把温度降到实验所需要的温度，然后用已配好一定浓度的水溶液润洗反应器，抽真空，然后把一定量已配好浓度的水溶液，利用真空把吸入反应器内，再抽真空，为了保证空气不残留在反应内，可加入少量气态HFC-134a，再抽一次真空，最后加入所需HFC-134a。温度恒定2个小时后，设定好超生波功率、作用时间，开启超声波。结果显示超声波能够使水合物快速生成，全部反应物形成水合物。结果证明了该装置能够可靠地生成水合物。
Claims (5)
1、一种用超声波生产水合物及水合物浆的装置，其特征在于：包括超声波发生器、水合物/浆反应器(5)、气/液瓶、真空泵、恒温水浴箱(8)、加水箱(11)；
所述的超声波发生器由依次相连的超声波发生控制器(1)、换能器、变幅杆(3)组成，变幅杆(3)的末端为超声探头(4)，***水合物/浆反应器(5)并浸入反应体系中；由换能器发射的超声波，经过变幅杆(3)的发射端即超声探头(4)直接发射到水合物/浆反应器(5)中；超声波源频率设定为10k-50kHz，功率为0-10kW，可根据需要线形调节超声波的输入功率和作用时间；
所述的水合物/浆反应器(5)上接有水合反应物注入阀门(f5)和泄水阀门(f4)；水合物/浆反应器(5)的底部装有过滤网；
所述的气/液瓶与真空泵通过三通管、阀门(f3)与水合物/浆反应器(5)相连；
所述的恒温水浴箱(8)内装有换热器(9)，通过管道与制冷器(10)相连；恒温水浴箱(8)通过泵(b1、b3)、阀门(f1)与水合物/浆反应器(5)相连；恒温水浴箱(8)接有温度控制器(t1)；恒温水浴的温度范围为0-15℃可调，保证整个水合过程不结冰；
所述的加水箱(11)，通过泵(b2)、阀门(f2)与恒温水浴箱(8)相连。
2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的水合物/浆反应器(5)的主体是石英玻璃或蓝宝石圆筒(21)，通过密封圈(24)、螺栓(25)固定于上法兰盖(22)与下法兰盖(23)之间；变幅杆(3)通过密封圈(27)和螺栓(28)固定在上法兰盖(22)上。
3、根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述的超声波发生器中安装有输出电流调节器及输出功率记录器，可连续线形调节输出功率，同时记录输出功率。
4、一种用超声波生产水合物及水合物浆的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A)将氮气瓶通过水合反应物注入阀门(f5)与水合物/浆反应器(5)相连，对水合物/浆反应器(5)进行试漏；
B)将真空泵通过阀门(f3)与水合物/浆反应器(5)相连，对水合物/浆反应器(5)进行抽真空；
C)再次将管道与水合反应物注入阀门(f5)相连接，先往连接管道内注满水，以保证反应器内保持真空，然后将连接管道的另一端***盛有水的敞开容器的水面之下，打开水合反应物注入阀门(f5)，水在虹吸的作用下被吸入水合物/浆反应器(5)中；
D)将气/液瓶通过阀门(f3)与水合物/浆反应器(5)相连接，输入气或液体；
E)将恒温水浴箱(8)调整至水合物生成的温度，在设定温度稳定后，把水合物/浆反应器(5)放入恒温水浴中，开启数据采集***，并开始计时；
F)当水合物/浆反应器(5)内温度下降到设定的水浴温度并稳定后，设定超声波作用时间为1-5秒，设定超声波发生器的间断开启周期为3-10个；
G)由换能器(2)发射的超声波，经过变幅杆(3)的发射端即超声探头(4)直接发射到水合物/浆反应器(5)中；超声波源频率设定为10k-50kHz，功率为0-10kW，可根据需要线形调节超声波的输入功率和作用时间；
H)超声波作用完成后，水合物/浆反应器(5)中水合物或水合物浆生成。
5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤G中，通过输出电流调节器及输出功率记录器连续线形调节输出功率，同时记录超声波输出功率。
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