一种超声空化法制备天然气水合物的球形釜
技术领域
本实用新型涉及天然气储运领域，尤其涉及一种超声空化法制备天然气水合物的球形釜，具体是一种通过超声波空化法人工制备天然气水合物的装置。
背景技术
能源是人类活动的物质基础，是全球经济发展的生命线。煤炭、石油、天然气构成目前世界一次能源的三大支柱。随着工业的飞速发展和人们生活水平的不断提高，石油危机频现，同时煤炭与石油所带来的环境污染问题日益加重，促使能源结构在逐渐发生变化。天然气是一种高效清洁能源，有利于环境保护和国民经济的可持续发展，未来的需求量呈增长趋势。天然气水合物是自然界中天然气存在的一种特殊形式，具有分布范围广、成藏规模大、储能密度高的特点，被公认为21世纪重要的替代能源。
用水合物储运天然气是一种全新的天然气存储与运输技术，可以看成是自然界中天然气水合物开采、分解的逆过程，该技术是把采出的天然气与水在一定温度和压力下直接转变成固态的天然气水合物(NGH)，然后再将水合物运送到储气站，在储气站汽化成天然气，供用户使用。现已证实每立方米水合物可储存150-180立方米标准状态下的天然气。天然气水合物不仅有储存空间小的优点，而且可以在较温和的条件下制备与储存。当其分解时需要吸收较大的热量，加之水合物的导热系数低，分解比较缓慢，可以有效地防止气体爆炸，与液化天然气(LNG)、压缩天然气(CNG)以及液体燃料相比，具有安全性较高的优势。
水合物成核类似于盐类或者水的结晶过程，处于过冷状态或过饱和状态下的含有表面活性剂的溶液在反应器内流动时，出现亚稳态结晶现象，根据成簇成核模型，管道内气液两相流动时，水分子首先要将液相中的甲烷分子包围起来，并在两相的接触面上形成一些不稳定簇(在水合物的生成过程中起着基块的作用)，并且不稳定簇之间存在着一个快速转变的过程，并逐渐演变为可以继续生长的分子簇，也就是原始晶核，分子簇可以生长，直至达到临界尺寸，随后进入晶核的快速生长期。
根据实验观察发现，反应器内水合物的生成过程是乳状物、粒状物和云状物。当到达一定的反应时间时，反应器内出现乳状物，溶液的粘滞力明显增强，随着反应继续进行液面处出现白色粒状物，此时晶核形成诱导结束；之后晶核聚结，反应器内出现白色团状物，团状物聚集成云状，液面渐渐模糊、白色云状物逐渐蔓延至全反应器。
超声波是指频率范围在20kHz～10MHz的声波，与普通声波相比，超声波波长短、能量大、穿透能力强、传播方向性好，在传质传热以及化学反应等各方面均有极为广阔的应用前景；超声波在液体内会产生3个效果。即热作用、机械作用和空化作用；其中空化作用是指存在于液体中的微气核在超声波作用下振动、生长和崩溃闭合的动力学过程；空化作用一般包括3个阶段，即空化泡形成、长大和崩溃；当液体放入超声波环境后，由于液体振动而产生微小气泡，即空化泡；这些气泡在超声波纵向传播形成的负压区生长，在正压区闭合，从而在交替正负压强下受到压缩和拉伸；在气泡被压缩至崩溃的瞬间，会产生巨大瞬时压力，高达几十兆帕；这种压力可使悬浮在液体中的固体表面受到急剧破坏，导致分子间相互碰撞和聚集更加剧烈，强化了传质过程；故超声波体系的作用主要在于增加接触面积，从而加速化学反应的进行。
天然气水合物在超声波环境下形成有明显的促进作用，在过冷温度为0.5K情况下，使用超声波技术后，功率为150W时的耗气量是0W时的4倍，而当其他条件相同、过冷温度变为5.7K时，耗气量也随之增大。
然而目前超声波技术的缺点是：受衰减因素制约，超声波有效作用为环形，若反应器直径太大，就会形成超声空白区；并且大容积的反应器需要大功率的超声波，增大了超声波设备的制造难度和成本；超声波长期作用下，容器的稳定性、安全性等方面会存在问题。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述不足，提供一种超声空化法制备天然气水合物的球形釜，天然气水合物合成过程分为两段：一、原始晶核形成期/诱导期(反应器内出现乳状物，溶液的粘滞力明显增强)，二、晶核的快速生长期/稳定生长期(反应器内出现白色团状物，团状物聚集成云状)，本实用新型主要功能为通过超声波空化法完成人工制备天然气水合物的第二阶段，具体为将天然气水合物浆体与天然气在晶核的快速生长期/稳定生长期快速制备成天然气水合物，通过使用球形釜及内置圆环形超声波发射器，可有效解决反应器超声空白区、容器的稳定性、安全性等的问题，并且所使用的反应容器为多个并联、可移动式，减少了运营成本、提高了人工制备天然气水合物的效率。
本实用新型实施例提供一种超声空化法制备天然气水合物的球形釜，包括球形釜体、水合物浆体注入口、注气口、超声波连接接口、冷却液注入口、冷却液排出口、压力传感器、温度传感器、密封卡扣、吊环。
所述球形釜体为两个中空半球形反应釜，所述水合物浆体注入口布置于球形釜体顶部，所述注气口布置于球形釜体表面，所述超声波连接接口布置于球形釜体表面，所述冷却液注入口、冷却液排出口布置于球形釜体表面，所述压力传感器、温度传感器布置于球形釜体表面，所述密封卡扣布置于球形釜体底部，用于将两个中空半球形反应釜密封，所述吊环布置于球形釜体顶部，起便携移动作用。
优选的，所述球形釜体包括反应腔体、疏水内涂层、制冷层、支撑层、保温层，由外至内依次布置为保温层、支撑层、制冷层、疏水内涂层、反应腔体。
更优选的，所述制冷层包括导温介质、制冷管，所述制冷管布置于导温介质内部，所述冷却液注入口、冷却液排出口与制冷管相连接。
更优选的，反应腔体内部设置有环形超声波发射器，所述环形超声波发射器布置于疏水内涂层内表面，所述环形超声波发射器与超声波连接接口相连接。
更优选的，所述疏水内涂层材料包括有机硅材料、有机氟材料、有机-无机杂化材料及其他常规性工业用疏水材料。
更优选的，所述保温层材料包括AEPS改性聚苯板、聚氨酯、EPS聚苯乙烯板及其他常规性工业用保温材料。
优选的，本实用新型装置所配套使用的输气管线、水合物浆体管线、制冷管线均为软管线，工作过程中可根据实际生产场地的大小进行灵活布置。
所述一种超声空化法制备天然气水合物的球形釜的使用方法，包括以下步骤：
步骤1、闭合密封卡扣使两个中空半球形反应釜密封，在反应腔体内注入天然气并充满反应腔体，通过制冷层将反应腔体内温度调节至2℃。
步骤2、将天然气水合物浆体通过水合物浆体注入口注入球形釜体，调节天然气水合物浆体注入量为反应腔体容积的0.85倍。
步骤3、启动环形超声波发射器，超声波功率可根据实际生产要求进行调整。
步骤4、通过注气口注入天然气，注入量、注入速率、注入压力根据实际生产要求进行调整。
步骤5、通过压力传感器、温度传感器实时监测反应腔体内压力、温度的变化。
步骤6、待反应腔体内反应完成，压力降低至0.1MPa以下，停止反应，制备天然气水合物完毕。
步骤7、通过吊环调节球形釜体位置，打开密封卡扣，将两个中空半球形反应釜打开，将步骤6中制备完毕的天然气水合物取出储存。
本实用新型实施例的一种超声空化法制备天然气水合物的球形釜有益效果是：本实用新型主要功能为通过超声波空化法完成人工制备天然气水合物的第二阶段，具体为将天然气水合物浆体与天然气在晶核的快速生长期/稳定生长期快速制备成天然气水合物，通过使用球形釜及内置圆环形超声波发射器，可有效解决反应器超声空白区、容器的稳定性、安全性等的问题，并且所使用的反应容器为多个并联、可移动式，减少了运营成本、提高了人工制备天然气水合物的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型的结构示意图。
图2为球形釜体结构示意图。
图3为制冷层详细结构示意图。
图4为环形超声波发射器布置示意图。
图5为天然气水合物运输示意图。
附图标号：1、球形釜体2、水合物浆体注入口3、注气口4、超声波连接接口5、冷却液注入口6、冷却液排出口7、压力传感器8、温度传感器9、密封卡扣10、吊环11、保温层12、支撑层13、制冷层14、疏水内涂层15、反应腔体16、制冷管17、导温介质18、环形超声波发射器19、天然气水合物20、凹槽传送带。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如图1所示，为本实用新型的结构示意图。
包括球形釜体1、水合物浆体注入口2、注气口3、超声波连接接口4、冷却液注入口5、冷却液排出口6、压力传感器7、温度传感器8、密封卡扣9、吊环10。
所述球形釜体1为两个中空半球形反应釜，所述水合物浆体注入口2布置于球形釜体1顶部，所述注气口3布置于球形釜体1表面，所述超声波连接接口4布置于球形釜体1表面，所述冷却液注入口5、冷却液排出口6布置于球形釜体1表面，所述压力传感器7、温度传感器8布置于球形釜体1表面，所述密封卡扣9布置于球形釜体1底部，用于将两个中空半球形反应釜密封，所述吊环10布置于球形釜体1顶部，起便携移动作用。
如图2所示，为球形釜体结构示意图。
所述球形釜体1包括反应腔体15、疏水内涂层14、制冷层13、支撑层12、保温层11，由外至内依次布置为保温层11、支撑层12、制冷层13、疏水内涂层14、反应腔体15。
如图3所示，为制冷层详细结构示意图。
所述制冷层13包括导温介质17、制冷管16，所述制冷管16布置于导温介质17内部，所述冷却液注入口5、冷却液排出口6与制冷管相16连接。
如图4所示，为环形超声波发射器布置示意图。
反应腔体15内部设置有环形超声波发射器18，所述环形超声波发射器18布置于疏水内涂层14内表面，所述环形超声波发射器18与超声波连接接口4相连接。
如图5所示，为天然气水合物运输示意图。
天然气水合物制备完毕后，通过吊环10调节球形釜体1位置，打开密封卡扣9，将两个中空半球形反应釜打开，将制备完毕的天然气水合物19放入凹槽传送带20进行运输。
所述一种超声空化法制备天然气水合物的球形釜的使用方法，包括以下步骤：
步骤1、闭合密封卡扣9使两个中空半球形反应釜密封，在反应腔体15内注入天然气并充满反应腔体15，通过制冷层13将反应腔体15内温度调节至2℃。
步骤2、将天然气水合物浆体通过水合物浆体注入口2注入球形釜体1，调节天然气水合物浆体注入量为反应腔体15容积的0.85倍。
步骤3、启动环形超声波发射器18，超声波功率可根据实际生产要求进行调整。
步骤4、通过注气口3注入天然气，注入量、注入速率、注入压力根据实际生产要求进行调整。
步骤5、通过压力传感器7、温度传感器8实时监测反应腔体15内压力、温度的变化。
步骤6、待反应腔体15内反应完成，压力降低至0.1MPa以下，停止反应，制备天然气水合物19完毕。
步骤7、通过吊环10调节球形釜体1位置，打开密封卡扣9，将两个中空半球形反应釜打开，将制备完毕的天然气水合物19放入凹槽传送带20进行运输。
以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
