一種可燃冰自組織生產裝置製造方法
2023-05-17 21:01:31
一種可燃冰自組織生產裝置製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種可燃冰自組織生產裝置，包括帶有底座的透明圓柱型腔、透明高壓反應釜、多孔陶瓷棒、儲存器、溫控裝置、壓力控制閥、振動裝置、溫壓數顯表及功能選擇按鍵。在設定溫度、壓力條件下，向反應釜的注料口通入天然氣和水的高壓飽和液，釜內多孔陶瓷棒上自組織生成可燃冰晶體，通過重力及振動裝置的作用將合成的可燃冰晶體導入儲存器中並封裝，然後自動彈出，完成可燃冰的生產。本發明的特點在於通過設定反應環境，該裝置能充分模擬海底多孔介質促進水分子形成籠狀結構將甲烷分子緊密包裹起來，自動組織形成具有籠型結構的結晶化合物，並自動提取封裝成可直接投入使用的成品，結構簡單，方便可靠，對可燃冰的物理化學形態研究及實現工業生產具有重要意義。
【專利說明】一種可燃冰自組織生產裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種天然氣水合物生產裝置，尤其涉及一種可燃冰自組織生產裝置，應用於新能源【技術領域】。
【背景技術】
[0002]可燃冰又稱天然氣水合物(Natural Gas Hydrate,簡稱Gas Hydrate),是分布於深海沉積物或陸域的永久凍土中，由天然氣與水在高壓低溫條件下形成的類冰狀的結晶物質。在自然界廣泛分布於大陸永久凍土、島嶼的斜坡地帶、活動和被動大陸邊緣的隆起處、極地大陸架以及海洋和一些內陸湖的深水環境。可燃冰燃燒後幾乎沒有汙染，是一種綠色的新型能源，在20世紀科學考察中首次發現。從其儲量之大、分布範圍之廣和應用前景之好來看，它是石油、天然氣、煤等傳統能源之後最佳的接替能源，被譽為21世紀具有商業開發前景的戰略資源，點燃了人類21世紀能源利用的希望之光。
[0003]目前可燃冰是公認的21世紀重要後續能源，它對人類生存環境及海底工程設施的災害影響，正日益引起科學家們和世界各國政府的關注。因此，如何安全有效開採是天然氣水合物資源利用所面臨的關鍵問題。在對天然氣水合物進行大規模勘探開發之前，其物理化學等性質的實驗研究是必不可少的基礎性研究工作，其目的是為天然氣資源的勘探開發利用、環境保護及化學工程奠定理論與技術基礎。在開採過程中，用水合物態儲存天然氣比氣態、液態天然氣更加安全:水合物不易燃燒，可防止燃燒和爆炸事故發生，儲存於水合物中的天然氣釋放過程緩慢，發生儲罐破裂等方面事故時天然氣洩漏速度緩慢。
[0004]由於實驗室模擬天然氣水合物的生成環境，探索水合物的生成機制和開採技術不僅花費資金少、風險低，而且極具理論價值。因此，目前世界上的天然氣水合物開採研究主要處於實驗室模擬和數值模擬的階段，已有不少科研人員展開了一系列研究。例如發明專利CN101818088B公開了一種天然氣水合物的高效連續製備方法與裝置，它利用帶有促進劑的氣液水合物進入摺疊管式反應器進行螺旋流動，來增大氣液接觸面從而促進水合物的高效連續製備。雖然該方法在一定程度上能加快天然氣水合物的合成，但摺疊管式反應器與海洋多孔介質沉積物中天然氣水合物的合成原理有本質區別:前者僅僅提供氣液混合接觸面，然後利用水合物促進劑來完成誘導水合物的合成過程；後者完全靠分子擴散作用進入沉積物孔隙中，進而成核和生長。另外，摺疊管式的反應面遠遠不及同等尺寸下多孔介質的比表面積大，因而不如多孔介質沉積物反應高效。發明專利CN101936833B公開了一種模擬天然氣水合物生成並測量其物性參數的裝置及方法，通過控制配氣系統的進氣量、高壓反應釜內加入的沉積物以及冷浴槽溫度，來進行不同組分氣體、不同粒徑沉積物、不同反應條件下沉積物中水合物聲學性質的測量及溶液中水合物的測定。該方法實施例中，沉積物石英砂與鹽水溶液混合均勻後裝入反應釜，並將沉積物壓平，沒有充分利用沉積物的特性，不能最大限度藉助多孔介質提供的多孔環境高效合成水合物。
[0005]天然氣水合物的模擬實驗研究都局限於在純淨水或者海水中進行，不能實際模擬天然氣水合物的賦存環境，即海底沉積物，因此不能很好地再現天然氣水合物的真實生成和儲積過程。目前採用的多孔介質一般是砂土礦物的簡單鋪放，沒有進行鋪放結構或造型的設計。而對於實驗室模擬來說，模擬海底沉積物提供大面積的反應面對合成與自然界條件相同、物性相似的水合物樣品非常關鍵。
[0006]鑑於上述水合物合成技術上的不足極大地阻礙了其在天然氣儲運技術上的應用，本發明提供一種可燃冰自組織生產裝置，採用多孔陶瓷棒為氣體和水提供充分的氣液接觸面，真實高效的模擬了海底沉積物特性，促進高儲能密度的氣水合物的生成。該裝置不僅可提供充足的可燃冰成品供實驗室開展各項物性參數的研究，而且其生產的成品有利於促進開採過程中天然氣以水合物形式儲存及運輸。另外，本發明提供的可燃冰成品由於包裝完整，可直接對餐飲、娛樂等服務行業實現能源產業鏈供給，對海洋資源直接用於商業用途實現工業生產具有重大意義。
【發明內容】
[0007]為解決上述現有技術存在的缺陷，本發明提供了一種可燃冰自組織生產裝置。設定環境下，水和甲烷兩種分子自動組織形成具有籠型結構的結晶化合物，並實現產物自動封裝，可直接使用。
[0008]本發明的目的可以通過如下技術方案實現:
[0009]一種可燃冰自組織生產裝置，其特徵在於，該裝置包括帶有底座的透明圓柱型腔、透明高壓反應釜、多孔介質陶瓷棒、儲存器、溫控裝置、壓力控制閥、振動裝置、溫壓數顯表及功能選擇按鍵。所述透明圓柱型腔外表面設置有溫壓數顯表及功能選擇按鍵。所述反應釜底部設有注料閥，並與注料閥對稱設置洩壓閥，反應釜圓柱內壁面和頂面均勻布設多孔介質。所述多孔介質由陶瓷棒經過表面處理技術加工而成。所述溫控裝置和振動裝置裝配在所述底座內。所述功能選擇按鍵包括注料、儲存、洩壓、彈出按鍵。
[0010]所述透明圓柱型腔底座頂部與儲存器底部通過帶有彈簧開關的滑槽相連。
[0011 ] 所述反應釜圓柱內壁面及頂面加工均勻對稱分布的陶瓷棒，所述圓柱內壁面的陶瓷棒長度加工成由下至上梯度增大，與豎直方向夾角控制在15°?60°範圍內，所述頂面的陶瓷棒均勻布設成環形點陣結構，方向豎直向下，長度由中間向周邊梯度減小。
[0012]所述陶瓷棒的表面處理技術採用噴射石英砂。
[0013]所述反應釜出口與儲存器入口之間設置兩塊相互嵌套可滑移的旋轉高壓密封板，分別用於封裝反應釜和儲存器。
[0014]與現有技術相比，本發明的有益效果在於:
[0015]1、本發明提供的多孔陶瓷棒經過表面噴砂技術處理，真實高效的模擬了海底沉積物特性，為氣體和水提供充分的氣液接觸面，有利於高儲能密度的氣水合物短時間內大量生成。
[0016]2、本發明集反應裝置、儲存裝置及提取裝置與一體，自動化程度高，結構簡單，設計合理，可在實驗室研究中實現可燃冰原料的智能產用，隨用隨產、按需生產。
[0017]3、本發明對反應生產過程及環境實施智能控制，產品罐能自動封裝並彈出。
[0018]4、本發明可由反應容器參數直接為原料組分量化提供依據，按裝置設計規格匹配相應原料組分參數。
[0019]5、本發明提供的裝置可在設定環境下，促進甲烷分子和水分子由混亂無序的混合狀態自發的走向具有籠型結構的結晶化合物狀態。
[0020]6、本發明提供的裝置在海底可燃冰開採轉化為甲烷之後，能實現以水合物形式收集進而封裝成罐裝成品。由於包裝完整，生產的可燃冰成品可直接運輸到消費渠道，實現對餐飲、娛樂等服務行業的能源產業鏈供給，對商業開採及工業生產具有重要意義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明裝置結構示意圖。
[0022]圖2為本發明多孔陶瓷棒分布示意圖。
[0023]圖3為本發明儲存器與底座連接及工作原理圖。
[0024]圖4為本發明旋轉高壓密封板工作原理及結構示意。
[0025]附圖標記:
[0026]I圓柱型腔，2底座，3反應釜、4多孔陶瓷棒、5儲存器、6壓力控制閥(注料孔)、7溫壓數顯表，8功能選擇按鍵，9電磁鐵，10卡塊，11彈簧片，12彈簧，13弧形推板，14滑軌，15滑槽，16高壓密封板，17導軌，18洩壓閥。
【具體實施方式】
[0027]為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚、明確，下面結合附圖對本發明詳細說明，以下僅為本發明的較佳實施例，不能以此限定本發明的範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所作的均等變化與修飾，皆應屬於本發明所涵蓋的範圍。
[0028]如圖1所示，一種可燃冰自組織生產裝置包括帶有底座2的圓柱型腔1、反應釜3、多孔陶瓷棒4、儲存器5、溫控裝置、壓力控制閥6、振動裝置、溫壓數顯表7及功能選擇按鍵
8。其中，所述溫控裝置及振動裝置裝配在底座2內；所述壓力控制閥控制反應原料進料密度，由釜內壓力傳感器探測信號輸出控制；所述溫壓數顯表顯示釜內實時壓力和溫度；所述功能選擇按鍵8包括注料、儲存、洩壓、彈出四個子按鍵。本發明裝置在生產時設計多種不同規格型號，以適應市場需求，根據裝置特定型號匹配相應參數，為量化原料組分比例提供依據。本發明集反應裝置、儲存裝置及提取裝置與一體，智能控制生產過程，結構簡單，使用方便。
[0029]所述多孔陶瓷棒4在所述反應爸3內的分布圖如圖2所示,反應爸3圓柱內壁面上的陶瓷棒4均勻對稱分布，長度加工成由下至上梯度增大，與豎直方向夾角控制在15°?60°範圍內；反應釜3頂面陶瓷棒4均勻布設成環形點陣結構，方向豎直向下，長度由中間向周邊梯度減小。所述多孔陶瓷棒4參照海底沉積物物性參數進行表面噴砂技術處理，形成多孔，陶瓷棒的表面處理技術採用噴射石英砂。海底沉積物中天然氣水合物的生成和分解過程實際上是一個水合物-海水-天然氣三相平衡變化的過程，研究表明多孔介質中流體與孔隙壁面間的界面效應對海底沉積物中天然氣水合物的形成條件會產生明顯影響，多孔介質具有較大的比表面積，不但可縮短水合物形成的誘導時間，而且在成長階段也比自由液面生長的速度快。因而本發明多孔陶瓷棒克服了當前僅在純淨水或者海水中進行的模擬實驗研究的不足，充分的氣液接觸面真實高效的模擬了海底沉積物特性，促進高儲能密度的氣水合物的生成，分子完全靠擴散作用進入孔隙中，進而成核和生長，不需要用攪拌來誘導水合物成核。[0030]如圖3所示，儲存器5與底座2通過帶有彈簧開關的滑軌14和滑槽15相連，滑軌14加工在底座2上表面，與儲存器5底部的滑槽15尺寸相匹配。所述彈簧開關包括電磁鐵
9、卡塊10、彈簧片11、彈簧12和弧形推板13，其中彈簧片11、彈簧12、弧形推板13三者焊接成一體，彈簧12加工在滑軌14內。按下彈出功能鍵8，電磁鐵9通電產生電磁，將帶同種磁性的彈簧片11彈開，彈簧片11脫離卡塊10，在彈簧12的作用下，弧形推板13沿著滑軌14將帶有滑槽15的儲存器5推送至設定位置。在儲存器5推送回圓柱型腔I過程中，彈簧片11沿前部翹起導片刮過卡塊10被卡住，儲存器回位。
[0031]如圖4所示，反應釜3出口與儲存器5入口之間設置兩塊相互嵌套可滑移的旋轉高壓密封板16，分別用於封裝反應釜3和儲存器5。按下儲存功能鍵8，待振動裝置充分完成出料後，高壓密封板16 (如圖4 (a))繞儲存器壁一支點水平旋轉180°到達封口處進行密封(如圖4 (b))，在按下彈出功能鍵8後，封裝儲存器5的下密封板隨同儲存器5沿加工在下密封板上的導軌17滑出，密閉反應釜3與密閉儲存器5分離(如圖4 (C))。
[0032]本裝置的工作過程:注料前，根據本發明裝置產品型號將天然氣和水按相應組分參數配置成飽和溶液，反應釜3及儲存器5構成的密閉通腔溫度通過裝配在底座2內的溫控裝置控制在0°C?4°C內。待溫壓數顯表7上的實時溫度在規定範圍內穩定90s?180s後，按下注料功能鍵8，將天然氣與水的飽和液通過高壓泵由注料孔6的單向閥成霧狀噴入反應釜3。壓力控制閥6通過控制反應原料進料密度控制反應釜3內壓力在3 ±0.5MPa內，進入反應釜3內的原料氣液在多孔陶瓷棒4上結晶成核，形成天然氣水合物晶體，隨著晶體不斷長大，部分晶體在反應過程中由於自身重力作用直接從陶瓷棒4上落入儲存器5。待溫壓數顯表7上的實時壓力穩定在某一數值不變後，水合物反應完全，按下儲存功能鍵8，裝配在底座2內的振動裝置將剩餘水合物晶體振落導入儲存器5中。待振動裝置充分完成出料後，高壓密封板16繞儲存器壁一支點水平旋轉180°到達封口處進行密封，按下彈出功能鍵8，電磁鐵9將彈簧片11彈開，彈簧片11脫離卡塊10，在彈簧12的作用下，弧形推板13沿著滑軌14將儲存器5推送出腔體I (儲存器5底部帶有滑槽15、頂部帶有下高壓密封板16，下高壓密封板16上表面鑄有導軌17)，密閉反應釜3與密閉儲存器5分離，儲存器5出腔處有艙門，設置在圓柱型腔I上。將封裝好的儲存器5取出，即可投入使用。密封后的反應釜3通過洩壓閥18將釜內壓力釋放至常壓，釋放的氣體通過儲氣罐收集起來。使用完儲存器5內的燃料後，將其推送回圓柱型腔1，彈簧片11沿前部翹起導片刮過卡塊10被卡住，儲存器回位，如此循環工作。
【權利要求】
1.一種可燃冰自組織生產裝置，其特徵在於，該裝置包括帶有底座的透明圓柱型腔、透明高壓反應釜、多孔陶瓷棒、儲存器、溫控裝置、壓力控制閥、振動裝置、溫壓數顯表及功能選擇按鍵。所述透明圓柱型腔外表面設置有溫壓數顯表及功能選擇按鍵。所述反應釜底部設有注料閥，並與注料閥對稱設置洩壓閥，反應釜圓柱內壁面及頂面均勻布設多孔介質。所述多孔介質由陶瓷棒經過表面處理技術加工而成。所述溫控裝置及振動裝置裝配在所述底座內。所述功能選擇按鍵包括注料、儲存、洩壓、彈出按鍵。
2.根據權利要求1所述的一種可燃冰自組織生產裝置，其特徵在於，所述透明圓柱型腔底座頂部與儲存器底部通過帶有彈簧開關的滑槽相連。
3.根據權利要求1所述的一種可燃冰自組織生產裝置，其特徵在於，所述反應釜圓柱內壁面及頂面加工均勻對稱分布的陶瓷棒，所述圓柱內壁面的陶瓷棒長度加工成由下至上梯度增大，與豎直方向夾角控制在15°?60°範圍內，所述頂面的陶瓷棒均勻布設成環形點陣結構，方向豎直向下，長度由中間向周邊梯度減小。
4.根據權利要求1、3所述的一種可燃冰自組織生產裝置，其特徵在於，所述陶瓷棒的表面處理技術採用噴射石英砂。
5.根據權利要求1所述的一種可燃冰自組織生產裝置，其特徵在於，所述反應釜出口與儲存器入口之間設置兩塊相互嵌套可滑移的旋轉高壓密封板，分別用於封裝反應釜和儲存器。
【文檔編號】B01J3/04GK103861529SQ201410140795
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年4月9日 優先權日:2014年4月9日
【發明者】劉青林, 華明洲, 劉若霞, 田雪飛 申請人:中能天地（北京）節能科技股份有限公司