基于压缩气体制冷循环的天然气水合物制备系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种基于压缩气体制冷循环的天然气水合物制备系统，其特征在于，包括：供气装置，为水合反应提供所需的天然气；制冷循环装置，与供气装置相连通，对天然气进行冷却并驱动天然气的流动；以及天然气水合物制备装置，与制冷循环装置相连，用于制备、储存天然气水合物。其中，制冷循环装置包括：入口端与供气装置的出口端相连通，对天然气进行干燥的干燥器；入口端与干燥器的出口端相连通，用于抽吸天然气，并对天然气进行压缩的压缩机；入口端与压缩机的出口端相连通，使天然气降温的冷却器；以及入口端与冷却器的出口端相连通，出口端与天然气水合物制备装置相连通，通过使天然气膨胀得到低温天然气，并将该低温天然气送入天然气水合物制备装置的膨胀机。压缩机与膨胀机通过联轴器相连，可以回收膨胀功，提高系统做功效率。
【专利说明】基于压缩气体制冷循环的天然气水合物制备系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及天然气水合物的制备系统，具体涉及一种采用压缩气体制冷循环的天然气水合物制备系统。
【背景技术】
[0002]近年来，国内外对天然气水合物的研究表明，用水合物进行天然气的固态运输具有良好的开发前景。这主要体现在:1.蓄能密度大，据报道，Im3的天然气水合物(NGH)可携带标准状态下150~180m3的天然气；2.制备技术简单，NGH可以在6MPa以下、-10~10°C条件下进行制备，与液化天然气(LNG)相比避免了超低温制备的环节；3.水合物的热物理性质比较稳定，储存安全，实验发现，NGH在常压，-1~_18°C时，可以稳定地储存而不会发生分解；4.可有效地进行NGH的再气化，有两种方法可使水合物分解:①在某个温度下降压使其压力低于相平衡压力，②在某个压力下升温使其温度高于相平衡温度；5.NGH易于输送，使得NGH尤其适用于尚无输气管道的油气田和海上油气田，以及在经济上不适合建设输气管道的小型气田；6.NGH的投资成本低于LNG，1995年，挪威的Gudmundsson等人对NGH和LNG形式运输天然气的成本进行了对比研究，发现采用NGH技术比采用LNG技术总投资减少26%。因此，国内外学者普遍认为，NGH储运技术有可能替代LNG技术成为未来天然气大规模储运手段之一。
[0003]压缩气体制冷机以气体为工质，其工作过程包括等熵压缩、等压冷却、等熵膨胀和等压吸热四个过程，它的特点是气体工质在循环过程中不发生集态变化。压缩气体制冷循环技术已经成熟并在飞机空调、低温制冷领域得到广泛应用。在天然气水合物储运【技术领域】，天然气水合物的制备技术日益成熟，鼓泡式水合物强化生长技术具有很强的实用可行性。在这种情况下，开发采用压缩气体制冷循环和鼓泡式水合物强化生长技术的天然气水合物连续制备装置具有很强的技术经济可行性和必要性。
[0004]中国专利CN101358685先将设置有制冷循环系统的管式层状结构储罐充满水，然后通入气体至0.1MPa左右，排出多余的水，通入气体加压至压力5~6MPa，通过冷却系统控制温度在O~4°C，使气体和储罐内管道中的水接触，在静态条件下生成NGH，然后降温，降压，冷冻到-15~-20°C，密闭储存。将NGH储罐放在安装有保温装置的NGH储运汽车(火车)槽车上，NGH经汽车(火车)运输到目的地后，从外部的制冷循环系统中直接通入温度高于15°C的水，NGH很快气化；NGH气化后，剩余的水回收或重复利用。该方法在静态体系下生成水合物的速度慢，储罐上装有制冷循环系统，势必増加运输成本。
[0005]日本专利JP2005263825A公开了一种射流式水合物生产工艺和设备，液体经高压泵由射流器喷射，同时吸入天然气，混合后喷射进入反应器中，在反应器内搅拌装置的扰动下合成NGH。该方法増加了机械搅拌，不可避免的产生热效应，影响NGH实际生成条件的维持，而且机械搅拌増 加制备过程的能耗，提高制备成本。
[0006]中国发明专利97190182.1揭示了一种气泡扰动法和机械搅拌法结合来制备NGH的方法，气体从容器底部经喷嘴喷出冲击水形成气泡扰动，通过电机带动安装在容器中的搅拌器，增大气体与水的接触面积，加速NGH的生成。上述方法仍然需要使用机械搅拌，增加了生产过程中的能耗；而且该方法使用冷却水制冷，需要额外配备冷却水装置。
[0007]上述NGH合成技术上的不足极大地阻碍了其在天然气储运技术上的应用。国内NGH合成技术还很不成熟，还有许多技术问题需要研究解决，使其无法商业化应用。
【发明内容】
[0008]本发明是针对上述课题进行的，目的在于提供一种结构简单，无需配备专用机械搅拌装置和专用制冷装置的天然气水合物制备系统。
[0009]本发明为实现上述目的，采用了以下的技术方案:
[0010]本发明提供一种基于压缩气体制冷循环的天然气水合物制备系统，其特征在于，包括:供气装置，为水合反应提供所需的天然气；制冷循环装置，与供气装置相连通，对天然气进行冷却并驱动天然气的流动；以及天然气水合物制备装置，与制冷循环装置相连，用于制备、储存天然气水合物。
[0011]其中，制冷循环装置包括:入口端与供气装置的出口端相连通，对天然气进行干燥的干燥器；入口端与干 燥器的出口端相连通，用于抽吸天然气，并对天然气进行压缩的压缩机；入口端与压缩机的出口端相连通，使天然气降温的冷却器；以及入口端与冷却器的出口端相连通，出口端与天然气水合物制备装置相连通，通过使天然气膨胀得到低温天然气，并将该低温天然气送入天然气水合物制备装置的膨胀机。
[0012]天然气水合物制备装置包括:为水合反应提供所需水的供水部；与该供水部的出口端和膨胀机的出口端相连通，用于使天然气和水进行水合反应生成天然气水合物的鼓泡式水合物反应釜；入口端与该鼓泡式水合物反应釜相连的循环泵；以及与循环泵的出口端相连的水合物储存器，鼓泡式水合物反应釜具有本体；位于本体底部，与膨胀机的出口端相连通的气流入口 ；位于本体顶部，与干燥器的入口端相连通，用于排出水合反应剩余的天然气的气流出口 ；位于本体的侧面下方，与水泵的出口端相连通的第一入水口 ；位于本体的侧面下方，与水合物储存器相连通的第二入水口 ；位于本体的侧面上方，与循环泵的入口端相连通的水合物出口 ；以及安装在本体的底部，并位于气流入口的上方，用于平均气流的孔板。水合物储存器将天然气水合物与夹带的天然气和水进行分离，并用于存储分离后的天然气水合物，具有多层的多孔筛板主体；位于主体顶端，与干燥器的入口端相连通，用于排出分离出的天然气的出气口 ；位于主体的侧面上方，与循环泵的出口端相连通的水合物入口 ；以及位于主体的侧面下方，与鼓泡式水合物反应釜的第二入水口相连通，将分离出的水导入水合物反应釜的出水口。
[0013]进一步，本发明所涉及的基于压缩气体制冷循环的天然气水合物制备系统，还具有这样的特征:联轴器，将压缩机和膨胀机相连，用于回收膨胀机中天然气膨胀产生的功，并将功传递给压缩机。
[0014]发明的作用与效果
[0015]本发明所涉及的基于压缩气体制冷循环的天然气水合物制备系统，因为采用压缩机来驱动天然气反复穿越鼓泡式水合物反应釜，采用鼓泡式水合物反应釜制备天然气水合物，并设置孔板来平均天然气的气流，使天然气和水充分接触，因此可以有效增大天然气水合物的生成速度，使水合反应更彻底，无需另外配备专用的机械扰动装置。[0016]另外，因为采用冷却器和膨胀机使天然气降温降压后进入鼓泡式水合物反应釜，低温的天然气可以对鼓泡式水合物反应釜进行降温并吸收水合反应热，因此该制备系统无需另外配备专用的制冷装置，多余的天然气被压缩机吸走并与补充的新鲜天然气混和，再升温升压，然后经冷却器和膨胀机降温降压后再次进入鼓泡式水合物反应釜进行水合反应，实现天然气水合物的连续制备。
[0017]该天然气水合物制备系统可以用于快速、连续、大量地制备天然气水合物，并且无需另外配备专用的制冷装置和专用的机械扰动装置，结构简单，成本低，具有良好的工程应用性。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是天然气水合物制备系统的结构框图；和
[0019]图2是天然气水合物制备系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0020]以下结合附图，对本发明所涉及的基于压缩气体制冷循环的天然气水合物制备系统作详细阐述。
[0021]实施例
[0022]图1是天然气水合物制备系统的结构框图。
[0023]如图1所示，天然气水合物制备系统10包括供气装置11、制冷循环装置12以及天然气水合物制备装置13。
[0024]图2是天然气水合物制备系统的结构示意图。
[0025]供气装置11用于为水合反应提供所需的天然气。如图2所示，供气装置11包括天然气钢瓶14和阀门15。阀门15与天然气钢瓶14的出气口相连。
[0026]制冷循环装置12用于对天然气进行冷却，并驱动天然气的流动。如图1、2所示，制冷循环装置12包括干燥器16、压缩机17、冷却器18、以及膨胀机19。
[0027]干燥器16的入口端与阀门15相连通，出口端与压缩机17的入口端相连通。压缩机17的出口端与冷却器18的入口端相连通。冷却器18的出口端与膨胀机19的入口端相连通。膨胀机19的出口端与天然气水合物制备装置13相连通。
[0028]压缩机17和膨胀机19之间安装有联轴器20，用于回收膨胀机19中天然气膨胀产生的功，并传递给压缩机17，为压缩机17提供能量。
[0029]天然气水合物制备装置13用于使天然气和水发生水合反应来制备天然气水合物。如图1、2所示，天然气水合物制备装置13包括供水部21、鼓泡式水合物反应釜22、循环泵23以及水合物储存器24。
[0030]供水部21用于提供水合反应所需的水,包括水槽25和水泵26，水泵26分别与水槽25和鼓泡式水合物反应釜22相连，将水槽25中的水抽入鼓泡式水合物反应釜22。
[0031]鼓泡式水合物反应釜22用于制备天然气水合物，包括本体27、气流入口 28、气流出口 29、第一入水口 30、第二入水口 31、水合物出口 32以及孔板33。气流入口 28位于本体27的底部，与膨胀机19的出口端相连通。气流出口 29位于本体27的顶部，与干燥器16的入口端相连通。第一入水口 30位于本体27的侧面下方，与水泵26相连。第二入水口 31也位于本体27的侧面下方，与水合物储存器24相连通。水合物出口 32位于本体27的侧面上方，与循环泵23的入口端相连通。孔板33安装在本体27的底部，位于气流入口 28的上方。
[0032]循环泵23用于将鼓泡式水合物反应釜22中生成的天然气水合物浆抽吸进入水合物储存器24。循环泵23的入口端与鼓泡式水合物反应釜出口 32相连通，出口端与水合物储存器24相连通。
[0033]水合物储存器24用于将鼓泡式水合物反应釜22中生成的天然气水合物浆进行脱水(经出水口 37)和脱气(经出气口 36)，使其变为干燥的水合物并储存在多层的多孔筛板上。水合物储存器24具有主体34、水合物入口 35、出气口 36、以及出水口 37。水合物入口 35位于主体34的侧面上方，与循环泵23的出口端相连通。出气口 36位于主体34的顶部，与干燥器16的入口端相连通。出水口 37位于主体34的侧面下方，与鼓泡式水合物反应釜22的第二入水口 31相连通。
[0034]在天然气水合物制备系统10的工作过程中，操作者首先打开水泵26，抽吸水槽25中的水,水槽25中的水通过第一入水口 30进入鼓泡式水合物反应釜22。打开压缩机17和膨胀机19，打开阀门15，使天然气钢瓶14中的天然气进入干燥器16，天然气经干燥后进入压缩机17，在压缩机17内压缩成高温高压气体，高温高压的天然气进入冷却器18，被冷却成低温高压的天然气，然后进入膨胀机19，低温高压的天然气在膨胀机19中膨胀变为低温低压气体，然后进入鼓泡式水合物反应釜22，使鼓泡式水合物反应釜22中的水温保持在O~3°C，压力保持在3~5MPa。联轴器20将膨胀机19中天然气膨胀产生的功回收，并传递给压缩机17，带动压缩机17做功，因此可以提高天然气水合物制备系统10的做功效率。
[0035]低温低压的天然气经气流入口 28进入鼓泡式水合物反应釜22，其中一部分低温天然气吸热升温，使鼓泡式水合物反应釜22中的水温度降低，另一部分低温的天然气与降温后的水相互混合就可以生成天然气水合物浆，水合反应热被低温天然气吸收并使低温天然气升温，孔板33使从气流入口 28流入的天然气气流更平均稳定，从而使天然气与鼓泡式水合物反应釜22中的水充分接触，提高水合物的生成速率。未参与水合反应的天然气从鼓泡式水合物反应釜22顶部的气流出口 29流出，与从天然气钢瓶14中补充的天然气和水合物储存器24分离出的天然气进行混和，进入干燥器16，然后依次进入压缩机17、冷却器18和膨胀机19，再次变为低温低压气体后通过气流入口 28和孔板33进入鼓泡式水合物反应釜22，从而实现天然气水合物的连续制备。
[0036]鼓泡式水合物反应釜22中生成的天然气水合物浆浮在工作溶液的上层，采用循环泵23将天然气水合物浆从水合物出口 32抽出，通过水合物入口 35进入水合物储存器24。水合物储存器24的主体34是多层的多孔筛板结构，天然气水合物浆进入水合物储存器24后，其中夹带的天然气在压缩机17的抽吸作用下，从出气口 36流出进入干燥器16，进行循环再利用；天然气水合物浆中的水被筛板滤除，从出水口 37流出，并通过第二入水口31流入鼓泡式水合物反应釜22，进行循环再利用；固态的天然气水合物则储存在多层的筛板上。 [0037]实施例的作用与效果
[0038]本实施例所涉及的基于压缩气体制冷循环的天然气水合物制备系统，采用压缩机17驱动天然气反复穿越鼓泡式水合物反应釜22中的液态水，并在鼓泡式水合物反应釜22底部安装用于平均气流的孔板33，使天然气与水充分接触，用循环泵23将生成的天然气水合物浆抽出，因此，鼓泡式天然气水合物反应釜22中可以连续、快速地生成天然气水合物，无需配备机械扰动设备。
[0039]另外，因为采用压缩机17、冷却器18和膨胀机19使天然气降温降压，低温的天然气进入鼓泡式水合物反应釜22后，可以吸收水合反应热，并对鼓泡式水合物反应釜22中的水进行降温，因此。鼓泡式水合物反应釜22中可以连续地生成天然气水合物，无需配备制冷装置。
[0040]另外，鼓泡式水合物反应釜22中未参与水合反应的天然气，和水合物储存器24中从天然气水合物浆中分离的天然气均被压缩机17抽吸至制冷循环装置12，形成低温低压的天然气后再次进入鼓泡式水合物反应釜22中参与水合反应，因此，制冷循环装置12实现了未水合天然气的循环再利用。
[0041]联轴器20可以回收膨胀机19中天然气膨胀产生的功，并将功传递给压缩机17，带动压缩机17做功，因此可以提高该天然气水合物制备系统的做工效率。
[0042]当然，本发明所涉及的基于压缩气体制冷循环的天然气水合物制备系统并不仅仅限定于以上实施例中所 述的结构，以上仅为本发明构思下的基本说明，而根据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种基于压缩气体制冷循环的天然气水合物制备系统，其特征在于，包括: 供气装置，为水合反应提供所需的天然气； 制冷循环装置，与所述供气装置相连通，对所述天然气进行冷却并驱动所述天然气的流动；以及 天然气水合物制备装置，与所述制冷装置相连，用于制备、储存天然气水合物， 其中，所述制冷循环装置包括:入口端与所述供气装置的出口端相连通，对所述天然气进行干燥的干燥器；入口端与所述干燥器的出口端相连通，用于抽吸所述天然气，并对所述天然气进行压缩的压缩机；入口端与所述压缩机的出口端相连通，使所述天然气降温的冷却器；以及入口端与所述冷却器的出口端相连通，出口端与所述天然气水合物制备装置相连通，通过使所述天然气膨胀得到低温天然气，并将该低温天然气送入所述天然气水合物制备装置的膨胀机， 所述天然气水合物制备装置包括:为所述水合反应提供所需水的供水部；与该供水部的出口端和所述膨胀机的出口端相连通，用于使所述天然气和所述水进行所述水合反应生成所述天然气水合物的鼓泡式水合物反应釜；入口端与该鼓泡式水合物反应釜相连的循环泵；以及与所述循环泵的出口端相连的水合物储存器， 所述鼓泡式水合物反应釜具有不锈钢的本体；位于所述本体底部，与所述膨胀机的所述出口端相连通的气流入口 ；位于所述本体顶部，与所述干燥器的所述入口端相连通，用于排出所述水合反应剩余的天然气的气流出口 ；位于所述本体的侧面下方，与所述水泵的所述出口端相连通的第 一入水口 ；位于所述本体的侧面下方，与所述水合物储存器相连通的第二入水口 ；位于所述本体的侧面上方，与所述循环泵的所述入口端相连通的水合物出口 ；以及安装在所述本体的底部，并位于所述气流入口的上方，用于平均气流的孔板， 所述水合物储存器将所述天然气水合物与夹带的天然气和水进行分离，并用于存储分离后的天然气水合物，具有多层的筛板主体；位于所述主体顶端，与所述干燥器的所述入口端相连通，用于排出分离出的所述天然气的出气口 ；位于所述主体的侧面上方，与所述循环泵的所述出口端相连通的水合物入口 ；以及位于所述主体的侧面下方，与所述鼓泡式水合物反应釜的所述第二入水口相连通，将分离出的所述水导入所述水合物反应釜的出水口。
2.根据权利要求1所述的基于压缩气体制冷循环的天然气水合物制备系统，其特征在于，还包括: 联轴器，将所述压缩机和所述膨胀机相连，用于回收所述膨胀机中所述天然气膨胀产生的功，并将所述功传递给所述压缩机。
【文档编号】B01F13/02GK103992829SQ201410206114
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月16日 优先权日:2014年5月16日
【发明者】谢应明, 高红丽, 周兴法, 方亚军, 闫琳, 张明威 申请人:上海理工大学