CN107638849A - 一种天然气水合物合成反应釜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气水合物合成反应釜，主要由筒体8、上平盖封头9、下平盖封头10、温度传感器12、压力传感器13、搅拌棒6组成，筒体8和上平盖封头9、下平盖封头10固定组合为反应釜釜体，上平盖封头有气体出入口2、温度传感器12、压力传感器13，下平盖封头10有液体出口5，筒体8侧壁有液体入口4；釜体内有搅拌棒6及桨叶7，搅拌棒内部有中空通道14，搅拌棒中上部水平分布着4～8个进气口20，桨叶7也为中空结构，并与搅拌杆的中空通道相连通，在桨叶的背液面分布着直径不等的气孔18。本发明原理可靠，操作简便，能有效提高水合反应过程的气液接触面积，提高水合反应效率，也可广泛用于化工、石油天然气工业等相关领域。

Description

一种天然气水合物合成反应釜

技术领域

本发明涉及一种天然气水合物合成反应釜，属于新能源开采领域。

背景技术

天然气水合物是天然气与水在低温、高压条件下形成的类冰状的非化学计量笼型结晶物质，由于其在常温、常压下，点火可燃，也称为“可燃冰”。目前，各国科学家对全球天然气水合物的资源量较为一致的结论为2×10¹⁶m³，其有机碳约占全球有机碳的53.3%，而煤、石油、天然气三者之和才仅占到26.6%。因此，天然气水合物被认为是21世纪最重要的潜在能源，在面临能源危机的今天，具有巨大的吸引力。

自然界中，天然气水合物主要分布在海底松散沉积物、多年冻土区沉积物或裂缝中。为了科学、合理地开发利用水合物，须通过大量的实验了解沉积物中水合物的物理化学特性、成藏机理等，并在此基础上进行相关的实验模拟。然而目前天然气水合物开采技术还不成熟，开采到的天然水合物远不能满足实验过程的需求，因此不得不利用人工合成的天然气水合物进行相关实验。在高压、低温反应釜内，加入一定量的水与砂，再通入天然气，通过搅拌，形成多相流流体，经过一定的时间即可生成人工合成水合物。

由于砂为固体，为了生成与天然的水合物结构类似的人工水合物，需要可提高多相流混合程度的反应釜。同时，由于水合反应时间较长，为了缩短水合物制备时间，大容量的反应釜是未来发展的趋势。然而，反应釜的容量越大，均匀混合的难度越大。专利CN204522949U、CN204933407U、CN106010698A 以及CN106268520A等均设计并提出了适用于人工天然气水合物合成的反应釜，同时，专利CN204522949U还通过在反应釜底加入鼓泡器，提高釜内多相流体间的混合程度，增加了气液接触面积，缩短了气体溶解的时间。然而，上述水合物反应釜相关技术大多是针对促进加气过程气液接触效率而提出的。由于水合物往往是在气液界面处开始生成的，随着水合反应的进行，极易形成一定厚度的水合物膜，阻止水合反应的进一步进行。如何提高水合反应过程中的气液接触面积，避免水合物膜的形成，是解决水合反应速率缓慢的关键所在，尤其是针对大容积的反应釜尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种天然气水合物合成反应釜，该反应釜原理可靠，操作简便，能有效提高水合反应过程的气液接触面积，提高水合反应效率，保证了水合反应顺利、高效进行，既可用于天然气水合物的合成，也可广泛用于化工、石油天然气工业等相关领域，具有广阔的市场前景。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

本发明天然气水合物合成反应釜，包括筒体、上下平盖封头和搅拌棒。上平盖封头上有气体出入口与温度、压力传感器，温度、压力传感器可以获取反应釜的温度、压力，进而实现对天然气水合物合成效率的调控；下平盖封头上有液体出口，液体入口在筒体壁；搅拌棒为中空结构，中空通道上开孔于搅拌棒的中上部，下开口于桨叶的背液面，利用搅拌过程中桨叶附近形成的负压，使气体由搅拌棒中上部的进气口进入，通过中空通道，再由桨叶上的气孔喷出，实现气体在气液相之间的循环，提高了搅拌效率，避免了水合物膜的形成，解决了水合反应过程中气液接触面积较小、水合反应速率较慢的问题。

一种天然气水合物合成反应釜，主要由筒体、上平盖封头、下平盖封头、温度传感器、压力传感器、搅拌棒组成，所述筒体和上平盖封头、下平盖封头通过法兰、螺栓以及螺帽固定组合为反应釜釜体，上平盖封头设置有气体出入口、温度传感器、压力传感器，下平盖封头设置有液体出口，筒体侧壁设置有液体入口；釜体内有搅拌棒，搅拌棒上端连接转子发动机，下端通过连接轴连接桨叶，所述搅拌棒为中空结构，其内部有中空通道，在搅拌棒中上部水平分布着4~8个进气口，所述桨叶也为中空结构，并与搅拌杆的中空通道相连通，桨叶的背液面上如“莲蓬”式地分布直径不等的气孔。

搅拌棒的主要材质为铜，利用铜高导热性的特点，一方面能够将水合反应的热量带出，保证水合反应的进行，另一方面提高了搅拌棒的温度，一定程度地避免水合物在搅拌棒上生成，造成孔道的堵塞。

搅拌棒中上部进气口周围、中空通道以及桨叶上均涂有防水的纳米材料，避免水分子吸附于周围，进一步抑制了水合物在搅拌棒的孔道中生成，避免水合物的生成堵塞孔道。

将搅拌棒的中空通道的拐角均设计为弧形，增加了管道内光滑度，避免了水合物在这些部位生成。

所述桨叶的背液面上分布直径不等的气孔，气孔的直径随离釜底距离增大而增大，随离釜底距离减小而减小。其原因在于，离釜底越近，气孔周围的水压越大，为了保证喷气效果，将气孔直径缩小，以增加气体流速。

本发明反应釜采用合金钢加不锈钢316材质防腐层，并针对反应釜内腔、搅拌棒以及桨叶上均进行防腐处理；为了减小进气压力，提高气液接触面积，将反应釜进气方式由釜底进气，改成由釜顶进气；为了提高进气过程与水合反应过程的气液接触效率，进气时即将搅拌棒开启，由于在搅拌过程中的离心力作用，桨叶附近会形成的一定的负压，气体从搅拌杆上的进气口进入，通过搅拌杆的中空通道，由桨叶上的气孔喷入液相，进而提高了气液接触效率。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）铜的导热系数高达405W/(m.K)，将其作为搅拌棒的主要材料，能将水合反应所产生热量及时从反应釜内导出，保证了水合反应的进行；

（2）在桨叶的背液面“莲蓬”式地分布着直径不等的气孔，利用搅拌时桨叶处产生的负压，让气体从桨叶处喷出，与液体充分接触，多孔进气与单孔进气相比，有利于增加气液接触面积；

（3）搅拌棒的进气口附近、搅拌棒中空通道以及桨叶上均涂有防水纳米材料，避免水分子粘附在这些部位，形成水合物造成孔道堵塞；

（4）搅拌棒的内部孔道的拐角设计为弧形，避免了水合物在这些部位生成而造成的孔道堵塞，保证了水合反应的高效进行。

附图说明

图1是本发明一种天然气水合物合成反应釜的结构示意图。

图2是桨叶的三视图，（a）为正视图，（b）为仰视图，（c）为俯视图。

图3是搅拌杆的横向截面图。

图4是搅拌杆的轴向截面图。

图中：1-转子发动机，2-气体出入口，3-螺帽，4-液体入口，5-液体出口，6-搅拌棒，7-桨叶，8-筒体，9-上平盖封头，10-下平盖封头，11-螺栓，12-温度传感器，13-压力传感器，14-搅拌棒内中空通道，15-法兰，16-桨叶的背液面，17-桨叶的迎液面，18-气孔，19-连接轴，20-进气口。

具体实施方式

下面通过附图和实施例进一步说明本发明，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，但不用于限制本发明。

参见图1、图2、图3、图4。

一种天然气水合物合成反应釜，主要由筒体8、上平盖封头9、下平盖封头10、温度传感器12、压力传感器13、搅拌棒6组成，所述筒体8和上平盖封头9、下平盖封头10通过法兰15、螺栓11以及螺帽3固定组合为反应釜釜体，上平盖封头9设置有气体出入口2、温度传感器12、压力传感器13，下平盖封头10设置有液体出口5，筒体8侧壁设置有液体入口4（图1）；釜体内有搅拌棒6，搅拌棒上端连接转子发动机1，下端通过连接轴19连接桨叶7，所述搅拌棒为中空结构（图3），其内部有中空通道14，在搅拌棒中上部水平分布着4～8个进气口20，所述桨叶7也为中空结构，并与搅拌杆的中空通道相连通，桨叶的背液面16如“莲蓬”式地分布着直径不等的气孔18，桨叶的迎液面17上采用传统结构，以保证搅拌效率（图2）。

所述搅拌棒的中空通道14的拐角处（图4）设计为弧形，以避免水合物在这些部位生成。

实施例1：

利用本发明提供的水合物合成反应釜，结合配套的加压***、数据采集***、进料***等进行人工天然气水合物的合成，反应釜的设计压力为20MPa，设计温度为-15℃~40℃，釜内尺寸为Φ950mm×1200mm，腔体总容积为850L，注水孔直径为25mm，搅拌棒直径为50mm。

利用所述反应釜进行人工天然气水合物的合成，过程如下：

首先在反应釜内加入适当的砂，并将反应釜的上平盖封头扣上，再通入适量的水，将搅拌棒开启，对反应釜进行制冷，接着向釜内加气直至所需压力。由于加气过程中，开启了搅拌棒，部分气体通过搅拌棒，在液-固相喷出，一方面增加了气液接触面积，另一方面气体的冲击也促进了水和砂的混合，反应釜内均匀多相流形成时间可缩短20%~40%。同时与釜底进气相比，利用搅拌棒桨叶喷气，加气压力可减小10%~40%。在水合反应过程中，利用搅拌棒能够实现气体在气相与液固相间的循环，一方面避免了水合物膜的生成，阻碍水合反应的正常进行，另一方面，增强了搅拌作用，增加了气相与液-固相的接触面积，实现了水合反应的高效进行。

Claims (5)

1.一种天然气水合物合成反应釜，主要由筒体（8）、上平盖封头（9）、下平盖封头（10）、温度传感器（12）、压力传感器（13）、搅拌棒（6）组成，其特征在于，所述筒体（8）和上平盖封头（9）、下平盖封头（10）通过法兰（15）、螺栓（11）以及螺帽（3）固定组合为反应釜釜体，上平盖封头（9）设置有气体出入口（2）、温度传感器（12）、压力传感器（13），下平盖封头（10）设置有液体出口（5），筒体（8）侧壁设置有液体入口（4）；釜体内有搅拌棒（6），搅拌棒上端连接转子发动机（1），下端通过连接轴（19）连接桨叶（7），所述搅拌棒为中空结构，其内部有中空通道（14），在搅拌棒中上部水平分布着4～8个进气口（20），所述桨叶（7）也为中空结构，并与搅拌杆的中空通道相连通，桨叶的背液面（16）上分布直径不等的气孔（18）。

2.如权利要求1所述的一种天然气水合物合成反应釜，其特征在于，所述搅拌棒（6）的主要材质为铜。

3.如权利要求1所述的一种天然气水合物合成反应釜，其特征在于，所述搅拌棒（6）的进气口（20）周围、中空通道（14）以及桨叶（7）上均涂有防水的纳米材料。

4.如权利要求1所述的一种天然气水合物合成反应釜，其特征在于，所述搅拌棒的中空通道（14）的拐角为弧形。

5.如权利要求1所述的一种天然气水合物合成反应釜，其特征在于，所述桨叶（7）的背液面上分布直径不等的气孔，气孔的直径随离釜底距离增大而增大。