一种低温高压气体水合物置换反应釜及系统.pdf

本发明涉及一种低温高压气体水合物置换反应釜及系统，用于气体水合物的置换反应，整个反应釜浸入低温恒温水浴中，以保持低温，真空系统通过进气口对低温高压反应釜腔内抽真空；气相组分检测系统通过气体采样口进行气体采集并分析；压力控制系统与低温高压反应釜进气口连接，保证低温高压反应釜需要的压力；数据采集系统与低温高压反应釜测温口及测压口连接，采集系统数据。以静密封代替了动密封，解决了高压旋转密封性能差的问题，具有运行可靠、无噪音的优点。还可以通过可视窗口实时观察反应釜内所发生的现象，以及通过拉曼光谱仪实时测量水合物固相中的气体组分变化。

1、  一种低温高压气体水合物置换反应釜，包括反应釜本体、上端盖、法兰、搅拌装置、底盘、一对可视窗口和数个连接口，搅拌装置包括电机、搅拌器、搅拌叶片、搅拌轴，其特征在于，上端盖与釜体采用法兰连接，之间用聚四氟乙烯垫片密封，在上端盖的中心凸起部上安装有搅拌电机，搅拌电机采用永磁体；在上端盖的中心凸起部下面对接安装有搅拌器，其与搅拌电机处于同一中心线上，搅拌电机和搅拌器通过磁力耦合联结，搅拌器的搅拌轴的下端部有搅拌叶片，用以充分搅拌釜内液体，在釜体的底部有底盘，用以固定釜体，反应釜本体的下部侧壁上有一对可视窗口，两个窗口的中心线一致，呈对视状态，数个连接口位于反应釜的外侧。

2、  根据权利要求1所述的低温高压气体水合物置换反应釜，其特征在于，所述可视窗的窗口材料为石英玻璃，窗口的密封圈采用氟橡胶密封圈，玻璃窗口通过旋转螺母产生压力与釜体密封。

3、  根据权利要求1所述的低温高压气体水合物置换反应釜，其特征在于，所述搅拌叶片可为2个，顺序安装在搅拌轴上，相距一定距离。

4、  根据权利要求1所述的低温高压气体水合物置换反应釜，其特征在于，所述数个连接口包括一组进排液口、一组进排气口、一组测温口、一个测压口和一个气体采样口。

5、  根据权利要求1、4所述的低温高压气体水合物置换反应釜，其特征在于，所述进液口布置在反应釜本体的法兰的侧面位置上，并径向穿过法兰进入反应釜腔内；排液口布置在反应釜本体靠近底部的侧面位置上，并径向穿过釜底部、再向上垂直进入反应釜腔内的中心最凹处。

6、  根据权利要求1、4所述的低温高压气体水合物置换反应釜，其特征在于，所述进气口有两个，分别布置在反应釜本体的法兰的侧面位置上，两个进气口相毗邻。

7、  根据权利要求1、4所述的低温高压气体水合物置换反应釜，其特征在于，所述气体采样口布置在上端盖的侧面，并径向穿过上端盖再垂直进入反应釜腔内，采样口兼作排气口。

8、  根据权利要求1、4所述的低温高压气体水合物置换反应釜，其特征在于，所述测温口有两个，对称布置在反应釜上端盖的中心凸起部的两侧，并垂直穿过反应釜端盖进入腔内，测温口上有温度传感器安装螺纹口。

9、  根据权利要求1、4所述的低温高压气体水合物置换反应釜，其特征在于，所述测压口兼做安全阀，布置在反应釜本体的法兰的侧面位置上，并径向穿过法兰进入反应釜腔内。

10、  一种低温高压气体水合物置换系统，包括低温高压气体水合物置换反应釜，其特征在于，还包括供气系统、气相组分检测系统、真空系统、低温恒温水浴、压力控制系统、数据采集系统，反应釜浸入低温恒温水浴内，保持反应釜内液体温度稳定；真空系统通过进气口对低温高压反应釜腔内抽真空；气相组分检测系统通过气体采样口进行气体采集并分析；压力控制系统与低温高压反应釜进气口连接，保证低温高压反应釜需要的压力；数据采集系统与低温高压反应釜测温口及测压口连接，采集系统数据。

11、  根据权利要求10所述的低温高压气体水合物置换系统，其特征在于，所述低温恒温水浴相对的两个侧壁上有一对视可视窗口，与反应釜本体的下部侧壁上的一对可视窗口相对。

12、  根据权利要求10所述的低温高压气体水合物置换系统，其特征在于，所述压力控制系统包括活塞式恒压器，活塞式恒压器由电机控制活塞的行程以调节压力。

13、  根据权利要求10、12所述的低温高压气体水合物置换系统，其特征在于，所述供气系统包括双路进气系统，双路进气系统包括置换气体、被置换气体、两个进气阀、两个压力调节阀、气体流量计和三通阀，通过三通阀切换两路进气系统与活塞式恒压器之间的连通。

一种低温高压气体水合物置换反应釜及系统
技术领域
本发明涉及一种气体水合物置换领域，特别涉及一种低温高压气体水合物置换反应釜。
背景技术
人类社会在21世纪除了面临能源问题，还肩负着环境保护的巨大压力，其中温室效应问题尤为突出。二氧化碳作为最主要的温室气体，对其进行减排、捕集与隔离已成为各国关注的焦点。2005年2月16日《京都议定书》正式生效，标志着全球应对温室气体排放开始走向具体实施阶段。利用水合物技术处理CO₂等温室气体目前已成为国际水合物界研究的热点，将电厂燃烧排放的CO₂气体注入海底，在高压条件下制成气体水合物进行隔离，由于CO₂水合物的密度比海水大，可以永久储存于海底，而且这种方法对海洋生态环境的影响很小。该技术前景光明，在所有CO₂处理技术中，能耗最低，仅为7％。采用水合物技术对电厂排放的污染气体进行净化处理，可成功实现“电厂零排放”。日本、美国等发达国家对该技术的研究已十分重视。
另一方面，随着传统能源供应量的逐渐减少，开发新能源显得越来越重要。天然气水合物存在于海底或陆地冻土带内，是由天然气与水在高压低温条件下结晶形成的固态笼状化合物。纯净的天然气水合物呈白色，形似冰雪，可以像固体酒精一样直接被点燃，因此，又被通俗、形象地称为“可燃冰”。由于天然气水合物中通常含有大量CH₄或其它碳氢气体，因此极易燃烧，被称为“可燃烧的冰”，燃烧产生的能量比同等条件下，煤、石油、天然气产生的都多得多，而且在燃烧以后几乎不产生任何残渣或废弃物，污染比煤、石油、天然气等要小得多。不难想象，在解决了天然气水合物的开发技术后，能用经济有效的手段获取天然气水合物中的CH₄，那么它就可能取代其它日益减少的化石能源(如石油、煤、天然气等)，成为一种主要的能源类型。
目前，天然气水合物的开采方法主要有热激化法、减压法和注入剂法三种。开发的最大难点是保证井底稳定，使CH₄气不泄漏、不引发温室效应。针对这一问题，日本提出了“分子控制”开采方案。天然气水合物矿藏的最终确定必须通过钻探，其难度比常规海上油气钻探要大得多，一方面是水太深，另一方面由于天然气水合物遇减压会迅速分解，极易造成井喷。日益增多的成果表明，由自然或人为因素所引起的温压变化，均可使水合物分解，造成海底滑坡、生物灭亡和气候变暖等环境灾害。因而研究天然气水合物的钻采方法已迫在眉捷，尽快开展室内外天然气水合物分解、合成方法和钻采方法的研究工作刻不容缓，天然气水合物研究的未来仍面临着挑战。由此可见，“可燃冰”带给人类的不仅是新的希望，同样也有新的困难，只有合理的、科学的开发和利用，“可燃冰”才会真正的为人类造福。
最近人们发现，CO₂水合物和CH₄水合物结构极其相似，于是置换法应运而生。CO₂置换CH₄水合物的方案首先由日本研究者提出，方法依据的仍然是天然气水合物稳定带的压力条件。在一定的温度条件下，天然气水合物保持稳定需要的压力比CO₂水合物更高。因此在某一特定的压力范围内，天然气水合物会分解，而CO₂水合物则易于形成并保持稳定。如果此时向天然气水合物藏内注入CO₂气体，CO₂气体就可能与天然气水合物分解出的水生成CO₂水合物。这种作用释放出的热量可使天然气水合物的分解反应得以持续地进行下去。如果CO₂置换CH₄水合物的方案实现，可谓是解决了世界的两大难题。
发明内容
本发明是针对利用置换法开采天然气水合物的问题，提出了一种低温高压气体水合物置换反应釜及系统，用于气体水合物置换主反应器，解决了高压旋转密封性能差的问题，还可以通过可视窗口实时观察反应釜内所发生的现象，以及通过拉曼光谱仪实时测量水合物固相中的气体组分变化。
本发明的技术方案为：一种低温高压气体水合物置换反应釜，包括反应釜本体、上端盖、法兰、搅拌装置、底盘、一对可视窗口和数个连接口，搅拌装置包括电机、搅拌器、搅拌叶片、搅拌轴，上端盖与釜体采用法兰连接，之间用聚四氟乙烯垫片密封，在上端盖的中心凸起部上安装有搅拌电机，搅拌电机采用永磁体；在上端盖的中心凸起部下面对接安装有搅拌器，其与搅拌电机处于同一中心线上，搅拌电机和搅拌器通过磁力耦合联结，搅拌器的搅拌轴的下端部有搅拌叶片，用以充分搅拌釜内液体，在釜体的底部有底盘，用以固定釜体，反应釜本体的下部侧壁上有一对可视窗口，两个窗口的中心线一致，呈对视状态，数个连接口位于反应釜的外侧。
所述可视窗的窗口材料为石英玻璃，窗口的密封圈采用氟橡胶密封圈，玻璃窗口通过旋转螺母产生压力与釜体密封。
所述搅拌叶片可为2个，顺序安装在搅拌轴上，相距一定距离。
所述数个连接口包括一组进排液口、一组进排气口、一组测温口、一个测压口和一个气体采样口。所述进液口布置在反应釜本体的法兰的侧面位置上，并径向穿过法兰进入反应釜腔内；排液口布置在反应釜本体靠近底部的侧面位置上，并径向穿过釜底部、再向上垂直进入反应釜腔内的中心最凹处。所述进气口有两个，分别布置在反应釜本体的法兰的侧面位置上，两个进气口相毗邻。所述气体采样口布置在上端盖的侧面，并径向穿过上端盖再垂直进入反应釜腔内，采样口兼作排气口。所述测温口有两个，对称布置在反应釜上端盖的中心凸起部的两侧，并垂直穿过反应釜端盖进入腔内，测温口上有温度传感器安装螺纹口。所述测压口兼做安全阀，布置在反应釜本体的法兰的侧面位置上，并径向穿过法兰进入反应釜腔内。
一种低温高压气体水合物置换系统，包括低温高压气体水合物置换反应釜，还包括供气系统、气相组分检测系统、真空系统、低温恒温水浴、压力控制系统、数据采集系统，反应釜浸入低温恒温水浴内，保持反应釜内液体温度稳定；真空系统通过进气口对低温高压反应釜腔内抽真空；气相组分检测系统通过气体采样口进行气体采集并分析；压力控制系统与低温高压反应釜进气口连接，保证低温高压反应釜需要的压力；数据采集系统与低温高压反应釜测温口及测压口连接，采集系统数据。
所述低温恒温水浴相对的两个侧壁上有一对视可视窗口，与反应釜本体的下部侧壁上的一对可视窗口相对。
所述压力控制系统包括活塞式恒压器，活塞式恒压器由电机控制活塞的行程以调节压力。所述供气系统包括双路进气系统，双路进气系统包括置换气体、被置换气体、两个进气阀、两个压力调节阀、气体流量计和三通阀，通过三通阀切换两路进气系统与活塞式恒压器之间的连通。
本发明的有益效果在于：本发明一种低温高压气体水合物置换反应釜及系统，解决了高压旋转密封性能差的问题，具有运行可靠、无噪音的优点。还可以通过可视窗口实时观察反应釜内所发生的现象，以及通过拉曼光谱仪实时测量水合物固相中的气体组分变化。
附图说明
图1为本发明低温高压气体水合物置换反应釜结构示意图；
图2为本发明低温高压反应釜的CO₂气体置换甲烷水合物的反应系统图。
具体实施方式
如图1所示低温高压气体水合物置换反应釜结构示意图，低温高压气体水合物置换反应釜包括反应釜本体14、上端盖7、法兰5、搅拌装置15、底盘1、一对可视窗4和数个连接口，搅拌装置15包括电机13、搅拌器16、搅拌叶片3、搅拌轴18，上端盖7与釜体14采用法兰5连接，之间用聚四氟乙烯(氟塑料)垫片6密封，在上端盖7的中心凸起部17上安装有搅拌电机13，其为永磁体；在上端盖7的中心凸起部17下面对接安装有搅拌器16，其与搅拌电机13处于同一中心线上，搅拌电机13和搅拌器16通过磁力耦合联结，以静密封代替了动密封，解决了高压旋转密封性能差的问题。搅拌器16的搅拌轴18的下端部有搅拌叶片3，也可以有第2个搅拌叶片，其位于第一搅拌叶片3的上方，间隔适当距离，用以充分搅拌釜内液体，在釜体14的底部有底盘1，用以固定釜体14。高压反应釜材料可为316L不锈钢。反应釜14通过搅拌电机13底部可悬吊在机架上。反应釜本体14的下部侧壁上有一对可视窗口4，两个窗口的中心线一致，呈对视状态，用以观测釜内现象。可视窗的窗口材料4a为石英玻璃，可耐压到30MPa。窗口的密封圈4b采用氟橡胶密封圈，可耐低温到-20～-30℃。玻璃窗口4a通过旋转螺母4c产生压力而与釜体密封。
数个连接口的位置：在釜体14上均匀布置在法兰5的侧周面上有一个进液口8、一个测压口9和2个进气口10a、10b，测压口9兼做安全阀，防爆口，其布置在反应釜本体14的法兰5的侧面位置上，并径向穿过法兰进入反应釜腔内；进液口8布置在反应釜本体14的法兰5的侧面位置上，并径向穿过法兰进入反应釜腔内；2个进气口相毗邻，布置在反应釜本体14的法兰5的侧面位置上，并径向穿过法兰进入反应釜腔内。在上端盖7的侧面开有气体采样口11，并径向穿过上端盖再垂直进入反应釜腔内，该采样口兼作排气口，用以采集气体样品或者排放釜内气体。测温口12有两个，分别测量反应釜内下部的液体温度和上部的气体温度，对称布置在反应釜上端盖7的中心凸起部17的两侧，并垂直穿过反应釜端盖进入腔内，测温口12上有温度传感器安装螺纹口用以连接温度传感器。在釜体14的下部有排液口2，排液口2布置在反应釜本体靠近底部的侧面位置上，并径向穿过釜底部、再向上垂直进入反应釜腔内的中心最凹处用以排出釜内液体。
如图2所示为低温高压反应釜的CO₂气体置换甲烷水合物的反应系统图，低温高压气体水合物置换系统包括低温高压反应釜、供气系统、气相组分检测系统、真空系统、低温恒温水浴33、压力控制系统、数据采集系统。反应釜浸入低温恒温水浴33内，保持反应釜内液体温度稳定；真空系统通过进气口10对低温高压反应釜腔内抽真空；气相组分检测系统通过气体采样口11进行气体采集并分析；压力控制系统与低温高压反应釜进气口10连接，保证低温高压反应釜需要的压力；数据采集系统与低温高压反应釜测温口12、测压口9连接，采集系统数据。
所述的气相组分检测系统包括气体采样口11、采样阀22、气体采集袋、气相色谱仪。
所述数据采集系统36包括测温口12、测压口9、温度传感器32、压力传感器31、数据采集模块和数据采集软件以及监控计算机。
所述压力控制系统包括活塞式恒压器27，所述活塞式恒压器由电机控制活塞的行程以调节压力。
所述供气系统包括双路进气系统，双路进气系统包括置换气体29、被置换气体28、两个进气阀24、25、两个压力调节阀35、气体流量计37和三通阀26，通过三通阀26切换两路进气系统与活塞式恒压器27之间的连通。
所述真空系统包括真空泵30和真空阀23，真空系统与活塞式恒压器27连接。
所述低温恒温水浴33相对的两个侧壁上有一对对视可视窗口，与反应釜本体14的下部侧壁上的一对可视窗口4相对。
进行气体水合物置换的操作步骤如下：
1)、在进行水合物生成与置换反应之前，先打开反应釜上端盖7，使用二次蒸馏水反复清洗反应釜14内腔并烘干，然后将一定量的蒸馏水或加有添加剂的溶液注入到反应釜14中，盖上上端盖7并密封好，再连接好进排气管路等系统。
2)、打开真空阀23，通过进气口10a、10b对反应釜腔内抽真空，直至反应釜内真空度达到规定要求。然后关闭真空阀23。之后将反应釜浸入低温恒温水浴33内，直至反应釜14内液体温度达到规定的温度，并保持稳定。
3)、打开进气阀24，并将三通阀26转向与进气阀24连通，向反应釜及活塞式恒压器27气缸内充入被置换气体28，通过压力调节阀35调节至所需压力。然后关闭进气阀24，之后通过活塞式恒压器27将反应釜内压力保持在规定的压力。开启搅拌电机13，调整至所需的搅拌速度，水合物开始生成。通过活塞式恒压器保持釜内压力恒定，直至釜内水全部变成水合物为止；当连接在进气管路上的气体流量计显示气体供气量不再发生变化时，表明水合物生成过程结束。此时停止搅拌，保持反应釜内温度、压力稳定一定时间。之后，打开排气阀21，迅速将反应釜内的气体放空至常压，然后关闭排气阀21。
5)、打开真空阀23，快速将釜内及活塞式恒压器27内的气体抽出，关闭真空阀23。
6)、打开另一个进气阀25，并将三通阀26转向与进气阀25连通，向反应釜及活塞式恒压器27气缸内充入置换气体29，通过压力调节阀35调节至所需压力。然后关闭进气阀25，之后通过活塞式恒压器27将反应釜14内压力保持在规定的压力。开启搅拌电机13，调整至所需的搅拌速度，水合物置换过程开始。通过可视窗口4可以观察反应釜内水合物置换现象。打开采样阀22，通过气体采样口11进行气体初次取样，关闭采样阀22。之后，每隔一定时间间隔进行气体取样，用作以后在气相色谱仪上分析其气体组分。当气体组分不再发生变化时，置换过程结束。
7)、最后一次取样。打开真空阀23，将反应釜14内气体迅速抽至真空，关闭真空阀23。令反应釜14内剩余水合物在略高温度下分解，通过压力信号观测压力升高情况。当反应釜内压力不变后，分解结束，通过气体采样口11取气体样品分析其气相组分。
8)、改变反应釜内的压力和温度，可在不同温度压力下进行置换反应。