天然气水合物小球的连续制备装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种天然气水合物小球的连续制备装置，包括结晶仓1，研磨仓2，小球制备仓3，小球存储仓4，温度控制系统，压力控制系统，气体和溶液伺服系统以及机械传动伺服系统。本发明专利技术将水合物小球的制备过程全部置于高压环境下完成，同时，在水合物形成和小球压制两道制备工序中加入了研磨工序，明确了天然气水合物小球制备所需经历的结晶、研磨、压制和存储四道工序。另外，将水合物形成、研磨、小球压制分别在三个相互连接的高压气体仓内完成，使得设备的结构清晰且具有较高的安全性以及运行流畅性。本发明专利技术能够模拟室温到零下20℃和0‑10MPa的低温高压环境，有利于丰富气体水合物动力学研究方法和推进水合物法气体储运技术的应用。

CONTINUOUS PREPARATION DEVICE FOR NATURAL GAS HYDRATE PELLETS

【技术实现步骤摘要】
天然气水合物小球的连续制备装置
本专利技术涉及天然气水合物的储运
，特别是涉及一种天然气水合物小球的连续制备装置。
技术介绍
天然气水合物，即“可燃冰”，是一种以甲烷为主要成分的天然气和水分子组成的具有笼状结构的似冰状结晶化合物。在低温和高压条件下，天然气水合物能够稳定存在。在常温常压下，天然气水合物会快速分解形成游离的天然气和水。自然形成的气体水合物广泛分布于深海沉积物或者大陆永久冻土层中。近年来随着天然气水合物在全球范围内的大量发现，使其成为一种极具开发潜力的可替代能源。目前，在全球范围内已经探明的天然气水合物储量高达2.1×1016m3，是传统化石能源总量的两倍以上。与此同时，气体水合物的储气密度大。1标准体积的气体水合物可以存储高达160标准体积的气体。相比于液化天然气，天然气水合物存储所需的温度和压力条件比较温和，可以应用于天然气储运。我国拥有丰富的天然气水合物资源。因此，研发天然气水合物快速制备装置对于研究天然气水合物的动力学特性和机理，开发以水合物为储能材料的天然气储运技术具有十分重要的意义。由于天然气水合物稳定赋存所需的压力会随着温度的上升而显著上升，因此，在自然界和实验研究中形成和存储天然气水合物的温度一般不超过10℃。例如在1℃下，保持甲烷气体水合物晶体稳定所需要的最低压力约为2.9MPa。因此，制备天然气水合物需要在高压容器和制冷设备的辅助来完成。另外，天然气水合物的形成过程是液态水向天然气水合物晶体转变的相变过程且天然气水合物晶体表面的多孔结构使其难以形成尺寸较大的完整晶体，对实现天然气水合物与水溶液的快速分离造成了较大的困难。目前，国内开发出的以水合物为储能材料的天然气储运技术通常以水合物浆作为载体来完成，极大的削弱了水合物的储气能力。同时，大量实验研究表明天然气水合物的反应动力学过程与水合物形貌有着密切的联系。但是，由于天然气水合物只能在高压环境下稳定存在，使得对水合物宏观和微观形貌的控制极为困难，并逐渐成为天然气水合物反应动力学研究的瓶颈之一。另外，天然气水合物快速制备所需的苛刻条件限制了其作为新型清洁能源在公众中的普及，对天然气水合物相关技术的开发和推广带来的一定困难。目前，具有规则形状的天然气水合物小球仅能通过将制备好的水合物粉末在液氮环境下压入球星模具的方法来完成，制作过程复杂且无法连续制备。实现天然气水合物小球的连续快速制备，主要需要克服以下几种困难：(1)高压环境中气体和水溶液的连续补给和水合物晶体的连续转移；(2)高压环境中水合物与水溶液的快速分离；(3)压制出形状规则的水合物晶体且不易破碎；(4)能够从高压环境下快速取出制备好的水合物。(5)设备能够快速回收未参与水合物形成的甲烷等温室气体。综上所述，研发一套可以连续快速制备具有规则形状的天然气水合物的装置，对于定量研究天然气水合物的反应动力学过程，确定水合物反应动力学相关参数，同时，丰富和拓展水合物法气体储运方法，推广和普及天然气水合物开采和储运技术，都具有十分重要的价值。
技术实现思路
为了克服天然气水合物小球连续制备技术中存在的困难，实现天然气水合物快速连续制备，本专利技术结合传统天然气水合物小球制备方法以及磁力驱动装置在高压设备中的应用技术，提供了一种天然气水合物小球的连续制备装置。为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下。一种天然气水合物小球的连续制备装置，包括结晶仓1，研磨仓2，小球制备仓3，小球存储仓4，温度控制系统，压力控制系统，气体和溶液伺服系统以及机械传动伺服系统。其中，装置主体均为耐高压腔体，包括结晶仓1，研磨仓2，小球制备仓3和小球存储仓4。结晶仓1为一个圆柱形耐高压容器，如图2所示，主要用于水溶液向固态水合物的转变，即天然气水合物的结晶。结晶仓1中底部盛装水溶液，侧壁上设有注气孔和注水孔，用于向结晶仓1补充天然气水合物形成所需的水溶液和气体。侧壁上嵌有液面检测器和热电阻温度计，用于测量结晶仓1内温度和液面高度。结晶仓1底部中央固定有一根中空的中柱，中柱内部插有一根永磁体棒，并与外部电机相连，中柱外部嵌套一根磁力驱动搅拌轴，磁力驱动搅拌轴镶嵌的永磁体可以与中柱内部的永磁体的磁场相互耦合。因此，外部电机通过带动中柱内部的永磁体棒转动进而带动结晶仓1内磁力驱动搅拌轴转动。磁力驱动搅拌轴上附有螺旋叶片半径略小于结晶仓1的半径，对结晶仓1中的溶液起到搅拌作用，同时，当溶液中形成天然气水合物后可以将水合物持续向上输送并在输送过程中初步过滤掉水合物中的自由水。结晶仓1顶部端盖呈倒扣的漏斗形，出口与连接研磨仓2高压管路相连。输送至结晶仓1顶部端盖处的水合物晶体在螺旋叶片的推力下受到挤压，进一步释放晶体中夹带的自由水并通过高压管路进入研磨仓2。结晶仓1顶部端盖设有压力传感器和背压阀，用于测量和调节结晶仓1中的气体压力。研磨仓2为一个圆柱形耐高压容器，如图2所示，主要用于对结晶仓1中输送的水合物晶体进行充分研磨，同时为小球制备存储足量的水合物粉体。同时，由于研磨仓2中的温度和压力与结晶仓中相同，水合物中携带的少量自由水可以在研磨仓2继续形成水合物，进而达到对水合物粉体的干燥。研磨仓2通过电机驱动三个研磨滚轮沿研磨仓2内壁旋转来完成对水合物晶体的研磨。与结晶仓1中磁力驱动搅拌轴原理相同，电机通过相连接的永磁体旋转，进而带动研磨仓2内的磁力驱动旋转轴旋转。磁力驱动旋转轴通过连杆与研磨滚轮连接。每一个研磨滚轮具有各自的旋转轴，在沿研磨仓3的中心公转的同时在研磨过程中也围绕各自的旋转轴进行自转。为了防止大块水合物阻碍研磨滚轮沿研磨仓2的壁面滚动，本装置在连杆上设置了弹簧并与研磨滚轮的轮轴相连接。因此，当研磨滚轮无法一次性研碎较大的水合物块体时，可以通过弹簧收缩使研磨滚轮沿水合物上表面滚过而不被卡住，然后通过多次滚压将大块水合物晶体压碎，达到研磨的效果。研磨仓2顶部设有背压阀和温度、压力传感器，用于调节研磨仓2内的压力以及测量研磨仓2的温度和压力。研磨仓2底部设有连接小球制备仓3的管路，研磨好的水合物粉末可以通过自重进入管路并进一步进入小球制备仓3。小球制备仓3为一个圆柱形耐高压容器，如图2所示，是天然气水合物小球制备的核心装置。小球制备仓3通过设在腔体两端的可移动的半球形模具实现对水合物粉末的压制和水合物小球的移动。与结晶仓1中磁力驱动搅拌轴原理相同，半球形模具上嵌入的永磁体与小球制备仓3外部与电机相连接的永磁体相互吸引，使得外部电机能够完成对半球形模具的控制。半球形模具可以沿小球制备仓3的轴线方向移动并缓慢的旋转，以减少水合物粉末在半球形模具表面的粘附。沿小球制备仓3的轴线方向设有两个球形换向阀，球形换向阀的通孔直径与小球制备仓3内部腔体直径相同，半球形模具可以顺利通过。其中一个球形换向阀与研磨仓2相连。当球形换向阀旋转90°后，球形换向阀的通孔与研磨仓相连通并接受水合物粉末；当球形换向阀再次旋转90°，球形换向阀的通孔将小球制备仓3两端连通，小球制备仓3两端半球形模具在外部电机的驱动下移动至通孔内完成天然气水合物小球的压制。压制好的水合物小球连同半球形模具移动至另一侧的球形换向阀通孔中，随后，半球形模具移动至小球制备仓3两端。另一侧的球形换向阀与连接小球存储仓4的管路相连。当制备好的天然气水合物小本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种天然气水合物小球的连续制备装置，其特征在于：包括结晶仓(1)、研磨仓(2)、小球制备仓(3)、小球存储仓(4)、温度控制系统、压力控制系统、气体和溶液伺服系统，以及机械传动伺服系统，其中，结晶仓(1)、研磨仓(2)、小球制备仓(3)和小球存储仓(4)构成了本装置的主体；结晶仓(1)为一个圆柱形耐高压容器，中轴线与竖直方向呈15‑30°倾角，底部盛装水溶液，侧壁上设有注气孔和注水孔，用于补充天然气水合物结晶所需的水溶液和气体，底部中央固定有一根中空的中柱，中柱与外界大气相连通，中柱内部插有一根永磁体棒，并与外部电机相连，中柱外部嵌套一根磁力驱动搅拌轴，磁力驱动搅拌轴镶嵌的永磁体与中柱内部的永磁体棒的磁场相互耦合，外部电机带动中柱内部的永磁体棒转动进而带动磁力驱动搅拌轴转动，磁力驱动搅拌轴上附有螺旋叶片，半径略小于结晶仓(1)的半径，对结晶仓(1)中的溶液起到搅拌作用，结晶仓(1)顶部端盖呈倒扣的漏斗形，输送至结晶仓(1)顶部端盖处的天然气水合物晶体在螺旋叶片的推力下受到挤压，释放天然气水合物晶体中夹带的自由水并通过高压管路进入研磨仓(2)；研磨仓(2)为一个圆柱形耐高压容器，中轴线与水平方向平行，侧壁上方设有与结晶仓(1)相连的进料口，侧壁下方设有与小球制备仓(3)相连的出料口，中轴线处设有中空的中柱，中柱与外界大气相连通，中柱内部插有一根永磁体棒，并与外部电机相连，中柱外部嵌套磁力驱动旋转轴，磁力驱动旋转轴镶嵌的永磁体与中柱内部的永磁体棒的磁场相互耦合，外部电机带动中柱内部的永磁体棒转动进而带动磁力驱动旋转轴转动，三个研磨滚轮通过连杆与磁力驱动旋转轴垂直连接，磁力驱动旋转轴在外部电机的驱动下带动研磨滚轮在研磨仓侧壁自转和公转，将天然气水合物晶体研磨成粉末，天然气水合物晶体的粉末在重力作用下落入小球制备仓(3)；小球制备仓(3)为一个圆柱形耐高压容器，中轴线与水平方向平行，腔体内部两端各有一个可移动的半球形模具，沿中轴线方向设有2个球形换向阀，两个球形换向阀的通孔直径与小球制备仓腔体的直径相同，半球形模具可以顺利通过，其中一个球形换向阀可以与研磨仓(2)相连通，另一个球形换向阀可以与小球存储仓(4)相连通，与研磨仓(2)相连通的球形换向阀可以接收来自研磨仓(2)的天然气水合物晶体粉末，并能够通过90°转向封闭研磨仓(2)与小球制备仓(3)的通路；与小球存储仓(4)相连通的球形换向阀可将制备好的天然气水合物小球转移至小球存储仓(4)，并能够90°转向封闭小球存储仓(4)与小球制备仓(3)的通路；半球形模具在外部电机的驱动下完成天然气水合物小球的压制，并借助球形换向阀将天然气水合物小球推送至小球存储仓(4)；小球存储仓(4)为一个胶囊形耐高压容器，顶部设有排气阀和可快速拆卸的端盖，与小球制备仓(3)相连接的管路上设有球形换向阀，球形换向阀的通孔直径与小球制备仓(3)的腔体直径相同，同时该球形换向阀具有较好的密封作用，当小球存储仓(3)减压后，球形换向阀能够阻止小球制备仓(3)中的气体向小球存储仓(4)内泄漏；温度控制系统用于调节本装置主体的温度，使其保持低温恒温；压力控制系统，用于控制本装置主体的压力并回收本装置主体排出的气体；气体和溶液伺服系统用于向结晶仓(1)持续补充因天然气水合物晶体生成所消耗的气体和水溶液；机械传动伺服系统用于控制结晶仓(1)和研磨仓(2)中的磁力驱动搅拌轴和磁力驱动旋转轴的转动，小球制备仓(3)中半球形模具的平移和球形换向阀的旋转，以及小球存储仓(4)中球形换向阀的旋转。...

【技术特征摘要】
1.一种天然气水合物小球的连续制备装置，其特征在于：包括结晶仓(1)、研磨仓(2)、小球制备仓(3)、小球存储仓(4)、温度控制系统、压力控制系统、气体和溶液伺服系统，以及机械传动伺服系统，其中，结晶仓(1)、研磨仓(2)、小球制备仓(3)和小球存储仓(4)构成了本装置的主体；结晶仓(1)为一个圆柱形耐高压容器，中轴线与竖直方向呈15-30°倾角，底部盛装水溶液，侧壁上设有注气孔和注水孔，用于补充天然气水合物结晶所需的水溶液和气体，底部中央固定有一根中空的中柱，中柱与外界大气相连通，中柱内部插有一根永磁体棒，并与外部电机相连，中柱外部嵌套一根磁力驱动搅拌轴，磁力驱动搅拌轴镶嵌的永磁体与中柱内部的永磁体棒的磁场相互耦合，外部电机带动中柱内部的永磁体棒转动进而带动磁力驱动搅拌轴转动，磁力驱动搅拌轴上附有螺旋叶片，半径略小于结晶仓(1)的半径，对结晶仓(1)中的溶液起到搅拌作用，结晶仓(1)顶部端盖呈倒扣的漏斗形，输送至结晶仓(1)顶部端盖处的天然气水合物晶体在螺旋叶片的推力下受到挤压，释放天然气水合物晶体中夹带的自由水并通过高压管路进入研磨仓(2)；研磨仓(2)为一个圆柱形耐高压容器，中轴线与水平方向平行，侧壁上方设有与结晶仓(1)相连的进料口，侧壁下方设有与小球制备仓(3)相连的出料口，中轴线处设有中空的中柱，中柱与外界大气相连通，中柱内部插有一根永磁体棒，并与外部电机相连，中柱外部嵌套磁力驱动旋转轴，磁力驱动旋转轴镶嵌的永磁体与中柱内部的永磁体棒的磁场相互耦合，外部电机带动中柱内部的永磁体棒转动进而带动磁力驱动旋转轴转动，三个研磨滚轮通过连杆与磁力驱动旋转轴垂直连接，磁力驱动旋转轴在外部电机的驱动下带动研磨滚轮在研磨仓侧壁自转和公转，将天然气水合物晶体研磨成粉末，天然气水合物晶体的粉末在重力作用下落入小球制备仓(3)；小球制备仓(3)为一个圆柱形耐高压容器，中轴线与水平方向平行，腔体内部两端各有一个可移动的半球形模具，沿中轴线方向设有2个球形换向阀，两个球形换向阀的通孔直径与小球制备仓腔体的直径相同，半球形模具可以顺利通过，其中一个球形换向阀可以与研磨仓(2)相连通，另一个球形换向阀可以与小球存储仓(4)相连通，与研磨仓(2)相连通的球形换向阀可以接收来自研磨仓(2)的天然气水合物晶体粉末，并能够通过90°转向封闭研磨仓(2)与小球制备仓(3)的通路；与小球存储仓(4)相连通的球形换向阀可将制备好的天然气水合物小球转移至小球存储仓(4)，并能够90°转向封闭小球存储仓(4)与小球制备仓(3)的通路；半球形模具在外部电机的驱动下完成天然气水合物小球的压制，并借助球形换向阀将天然气水合物小球推送至小球存储仓(4)；小球存储仓(4)为一个胶囊形耐高压容器，顶部设有排气阀和可快速拆卸的端盖，与小球制备仓(3)相连接的管路上设有球形换向阀，球形换向阀的通孔直径与小球制备仓(3)的腔体直径相同，同时该球形换向阀具有较好的密封作用，当小球存储仓(3)减压后，球形换向阀能够阻止小球制备仓(3)中的气体向小球存储仓(4)内泄漏；温度控制系统用于调节本装置主体的温度，使其保持低温恒温；压力控制系统，用于控制本装置主体的压力并回收本装置主体排出的气体；气体和溶液伺服系统用于向结晶仓(1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：周雪冰，梁德青，龙臻，罗金琼，
申请(专利权)人：中国科学院广州能源研究所，
类型：发明
国别省市：广东,44