快速制備天然氣水合物的撞擊流反應器及配套系統和方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于天然氣水合物制備領域，具體涉及一種快速制備天然氣水合物的撞擊流反應器及配套系統和方法。
【背景技術】
[0002]天然氣水合物(NGH)是一種類冰狀的籠型絡合物，具有高儲氣特性和自保護效應。I立方米的水合物可以儲存標況下160-200立方米的天然氣；水合物本身的導熱系數很低，僅有0.6W/ (m_.K)，這使得低溫下天然氣水合物不易分解。上世紀90年代挪威科技大學Gudmundsson教授首次提出利用天然氣水合物的自保護效應和高儲氣特性，在常壓和-15°C?_5°C溫度下大規模儲運天然氣的固態儲運技術(Gts)—一天然氣水合物儲運技術。采用該技術常壓大規模儲運天然氣時，不必把水合物冷卻至相平衡溫度以下，而是利用水合物的自保護效應，將水合物冷凍至水的冰點以下，保持完全絕熱就可以保持穩定而不分解。
[0003]現今天然氣的儲運方法主要有管道儲運技術(PNG)、壓縮天然氣儲運技術(CNG)、液化天然氣儲運技術(LNG)和多孔介質吸附天然氣儲運技術(ANG)。其中絕大部分的天然氣采用管道輸送，初期投資大且越洋運輸不易實現。對于小城鎮的小規模用戶、孤立海島和小型分散天然氣田、海上氣田、叢林或者崎嶇的山地等，鋪設輸氣管線非常不經濟或者較為困難，制約了天然氣的進一步推廣應用。天然氣水合物(NGH)儲運技術是近年來研宄發展的一項新技術° Gudmundsson、Najibi，H、Rezaei, R、Javanmardi, J 和 Nasrifar, K 等先后考察了各種天然氣儲運技術的經濟性，結果發現天然氣水合物儲運天然氣(NGH)的成本遠低于壓縮天然氣、液化天然氣和多孔介質吸附天然氣的儲運成本；并且當運輸距離超過2000公里后，水合物法固態輸運天然氣比高壓管道輸運天然氣更為經濟。因此，天然氣水合物具有存儲空間小存儲量大、儲氣條件相對溫和、安全高效和經濟等優點，這些優點使氣體水合物技術在天然氣儲運領域具有廣闊的發展前景。
[0004]但就當前的研宄現狀來看，天然氣水合物生產和儲運技術仍未成熟。如何經濟快速大規模生成水合物是天然氣固態儲運的第一個關鍵步驟。該步驟中有兩大技術難題，其一是天然氣水合物的生成是高放熱過程，水合熱高達540KJ/Kg，這部分熱量如不及時消除，水合反應的溫度條件即會打破，生成反應就會因而停止。另外，天然氣水合物是在氣和水相界面膜處生成，相界面處往往形成水合物薄膜鎧甲，其會阻礙傳質過程的高速進行。Gudmundsson教授申請了世界上第一個水合物快速生成領域內的專利，其采用傳統攪拌式反應器來強化天然氣水合物的快速生成。隨后，天然氣水合物快速生成技術得到了前所未有的關注，大量的氣體水合物強化生成技術問世。例如，2001年日本三井株式會社提出的管式水合物反應器以及強化水合物生成工藝(JP 323751 A) ;2009年江蘇工業學院王樹立等提出折疊管式水合物強化工藝與裝置(CN 101818088 A);2001年Moil Oil有限公司(US6180843)和2002年Marathon Oil有限公司(US 6350928)在美國分別提出了采用流化床技術強化水合物生成過程中傳質傳熱效率的新型水合物生成工藝和裝置；2008年中國科學院廣州能源所白凈、梁德青等提出了采用靜態超重力技術強化水合物快速生成的工藝和裝置(CN 101225338 A)。雖然現有較多的生產水合物的方法及裝置問世，但目前仍無法有效地解決水合物生成中氣-液-固三相界面的快速更新和水合生成熱的快速移除兩大問題，仍未實現大規模工業化生產天然氣水合物，所以仍需進一步研宄開發新型高效的天然氣水合物快速生成工藝和成套裝備。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是為了提供一種快速制備天然氣水合物的撞擊流反應器，提供相應的包含該反應器的配套系統和方法則是本發明的另一個目的。
[0006]基于上述目的，本發明采用以下技術方案:一種快速制備天然氣水合物的撞擊流反應器，包括外層反應器和內層反應器，外層反應器與內層反應器之間設有篩板，所述外層反應器底部設有排料口和排水口，排料口設于篩板上方，排水口設于篩板下方；所述內層反應器內設有盤管冷卻器、攪拌器、上下兩個導流筒和氣體分布器，攪拌器上設有兩層槳葉旋向相反的攪拌槳，兩層攪拌槳分別位于內層反應器上部導流筒的頂部和內層反應器下部導流筒的底部；內層反應器頂部設有進液口和排氣口，底部設有進氣口，進氣口與氣體分布器相連通，內層反應器側壁上設有溢液口。
[0007]所述進液口靠近內層反應器內壁，使反應器內的物料分布均勻。
[0008]所述導流筒內壁均布有四個軸向設置的擋板，可以增加撞擊流的劇烈撞擊程度，加快氣-液-固的三相表面更新速率和水合生成速率。
[0009]包含所述撞擊流反應器的配套系統，撞擊流反應器的進液口上連接有儲罐，儲罐上部連接有粉碎機，儲罐與進液口之間設有冰水高壓泵，內層反應器的進氣口上連接有氣體增壓機，排氣口上連接有緩沖罐；外層反應器的排料口上連接有分離器，粉碎機減小冰粒的粒徑，降低輸送能耗，增大反應接觸面積。
[0010]所述儲罐內設有冷卻器，內層反應器的進氣口與氣體增壓機之間設有冷卻器，可進一步降低冰水混合物和天然氣的溫度，避免天然氣因壓縮加壓而產生升溫現象。
[0011]所述外層反應器的排水口、分離器的出水口分別與儲罐相連通，實現水的循環利用。
[0012]所述緩沖罐與氣體增壓機相連，實現天然氣的循環利用。
[0013]所述氣體增壓機為壓縮機。
[0014]利用所述的配套系統快速制備天然氣水合物的方法，其步驟為:
(I)通過進液口向內層反應器注入冰水混合物至冰水混合物淹沒上層的攪拌槳；
(2 )開始攪拌至冰水混合物流動穩定后，通過進氣口向內層反應器內通入天然氣，待內外層反應器內壓力達到4MPa以上時，繼續注入冰水混合物，從而形成氣-固-液三相混合體系，其中，攪拌器的轉速超過350轉/min ；
(3)在高速旋轉的不同旋向攪拌槳推動作用下，同時耦合導流筒和擋板的整流效應，使得內層反應器內上下部的流體高速相對流動，形成高速撞擊流；氣體經分布器后形成小氣泡，其在撞擊流作用下直徑不斷減小，并且在撞擊區往返多次運動，極大提高了氣泡在內層反應器內的停留時間，極大增加了其與水和冰粒的相接觸面積；冰水混合物從進液口進入內層反應器的中部，冰粒在撞擊流作用下直徑不斷減小，也在撞擊區多次往返運動，其停留時間也大大延長，極大增加了其與氣泡的相接觸面積，冰粒表面形成的天然氣水合物顆粒在撞擊流作用下，不斷破碎，天然氣水合物顆粒直徑逐漸減小；內層反應器內形成的天然氣水合物顆粒在撞擊區多次往返運動，停留時間大為延長，提供了大量天然氣水合物晶核，從而促進了更多的天然氣與水或者冰生成天然氣水合物；液體夾帶冰粒、氣泡及天然氣水合物顆粒在撞擊流作用下，在上下兩層攪拌漿之間的中心高速碰撞破碎混合，生成大量微小天然氣水合物晶體；天然氣水合物的生成熱由冰粒的融化和盤管換熱器內的冷流體移除，同時高速撞擊流能強化該過程的熱量傳遞；
(4)逃逸出撞擊區的天然氣水合物細小顆粒在上層攪拌槳上的流體區域中逐漸聚結、長大，并漂浮于內層反應器內溶液表面，形成天然氣水合物漿，當液面高度達到溢液口時，天然氣水合物漿溢流進入外層反應器，經篩板初步分離后，大部分水經排水口循環利用，含部分水的天然氣水合物漿經外層反應器的排料口進入分離器分離后得到的目標產物天然氣水合物進入天然氣水合物儲罐。
[0015]所述冰水混合物中冰粒的體積分數為10%至20%，所述冰粒粒徑為830到1000微米。
[0016]該撞擊流反應器所有與水接觸的壁面，包括內層反應器的內外兩表面、外層反應器內表面、導流筒的內外表面、擋板的表面、盤管冷卻器的外表面、氣體分布器的內外表面、進液管內外表面、天然氣水合物出料管內表面、排水管內表面等均經過改性處理為非極性面。
[0017]由于反應物料是冰水混合物，并且冰的液化熱高達335KJ/Kg，所以大部分的水合反應熱促使冰粒融化成水，而水又構造成天然氣水合物的籠形骨架；內置于反應器的冷卻器能夠移走部分的水合反應熱。
[0018]與現有技術相比，推進式攪拌槳形成的撞擊流相對速度能達到30m/s以上，高速的撞擊破壞了天然氣水合物的薄膜鎧甲效應，并充分擴大了氣-液接觸面積，實現氣-液-固三相界面快速更新，加快了水合反應速率，反應器內的氣體轉化率能達到80%以上，液體水或者冰粒轉化率可達8%以上；由于冰粒直徑僅有830到1000微米，加上氣-液-固顆粒的碰撞和破碎，導致其表面積相當大，使水合反應熱的移走速度快；另外，以推進式攪拌槳形成的撞擊流制備天然氣水合物，可以減少天然氣和冰水混合物的循環量，從而降低能耗。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發明提供的撞擊流反應器的結構示意圖；
圖2是本發明提供的配套系統的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖對本發明進行詳細說明。
[0021]如圖1、圖2所示，一種快速制備天然氣水合物的撞擊流反應器，包括外層反應器I和內層反應器2，外層反應器I與內層反應器2之間設有篩板8，所述外層反應器I底部設有排料口 12和排水口 11，排料口 12設于篩板8上方，排水口 11設于篩板8下方