[实用新型]一种超声空化法制备天然气水合物的球形釜

说明书

一种超声空化法制备天然气水合物的球形釜，涉及天然气储运领域，本实用新型装置包括球形釜体、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，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。

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。