專利名稱：氣體水合物蓄冷/儲氣的可視化裝置系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣體水合物的制備技術(shù)，特別涉及到二氧化碳?xì)怏w水合 物快速生成的裝置及方法。
背景技術(shù)：
能源和環(huán)境問題是當(dāng)今國際關(guān)注的焦點(diǎn)之一。2005年2月16日《京都議 定書》正式生效，標(biāo)志著全球應(yīng)對溫室氣體排放開始走向具體實(shí)施的新階段。 我國C02排放的形勢極為嚴(yán)峻，1990年 2001年間，二氧化碳排放量凈增8. 23 億噸，位居世界第二。據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)預(yù)測中國在2009年可能會超過美國， 成為世界上C02溫室氣體第一排放大國，達(dá)到52億噸二氧化碳當(dāng)量。因此， 采取有效措施控制火電廠C02的排放對于應(yīng)對全球變暖、減緩"溫室效應(yīng)"的 加劇有著十分重要的意義，并已成為目前無法回避的重大課題。
近年來，利用氣體水合物方法來回收和儲存C02技術(shù)受到國際學(xué)者的關(guān) 注。美國能源部國家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室在《Carbon Sequestion-Technology Roadmap and Program Plan 2006》中明確提出以水合物的形式分離回收C02 技術(shù)的可行性，日本、英國、挪威等國家也投入大量資金開展C02水合物技術(shù) 及其海底儲存的研究，而國內(nèi)這方面的研究基本空白。另外氣體水合物作為 新一代蓄冷介質(zhì)，應(yīng)用化學(xué)方式蓄冷，克服了冰的蓄冷效率低，水的蓄冷密 度小，共晶鹽的換熱效率低,易老化失效等弱點(diǎn)。目前對制冷劑氣體水合物的 研究較多，但在制冷劑水合物蓄冷工質(zhì)的選擇上多集中于常規(guī)制冷劑，以及 隨后的一些替代制冷劑上如R134a， R141b上，卻忽略了卦然工質(zhì)<:02。 二氧 化碳水合物作為蓄冷介質(zhì)時具有高達(dá)500KJ/kg的分解焓，而Rll, R141b分別是334KJ/kg和344KJ/kg，因此二氧化碳水合物作為蓄冷介質(zhì)具有一定的優(yōu) 勢。
二氧化碳?xì)怏w水合物是水和C02氣體在一定的溫度和壓力條件下形成的 一種籠形結(jié)晶化合物。相對于甲烷來說，C02氣體更容易生成水合物。用水合 物法進(jìn)行C02氣體的固定和儲存具有良好的開發(fā)前景，主要表現(xiàn)在(1)儲 氣密度大。研究表明，lm3水合物在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下可攜帶多達(dá)150 160m3的氣體； (2)制備技術(shù)條件容易。與二氧化碳水合物可以在l-4Mpa、 0 1(TC條件下進(jìn) 行制備，避免了干冰制備中的低溫要求。(3)水合物的熱物理性質(zhì)比較穩(wěn)定， 儲存安全；(4)可有效地進(jìn)行水合物的再氣化，將固體狀水合物直接轉(zhuǎn)化成 可利用的氣態(tài)CO" (5)應(yīng)用領(lǐng)域廣。二氧化碳?xì)怏w水合物可作致冷劑用于食 品保鮮和貯存，進(jìn)行海水淡化，也可以用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，簡單可行，達(dá)到了 廢物利用的目的。
氣體水合物的生成是一個緩慢的結(jié)晶過程，伴隨著復(fù)雜的氣液固多相傳 熱傳質(zhì)過程，存在誘導(dǎo)時間長，過冷度大，生長速度緩慢等特點(diǎn)。成功的利 用二氧化碳?xì)怏w水合物進(jìn)行蓄冷/儲氣技術(shù)，必須解決水合物快速均勻的生成 問題，提高水合物的儲氣密度和蓄冷密度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對現(xiàn)有氣體水合物制備技術(shù)中存在誘導(dǎo)時間長，過冷度大， 生長速度緩慢的不足，提出了一種氣體水合物蓄冷/儲氣的可視化裝置系統(tǒng)及 方法，解決水合物快速均勻的生成問題，提高水合物的儲氣密度和蓄冷密度， 此裝置及方法簡單適用、操作方便、測試精確、造價低。
本發(fā)明的技術(shù)方案為 一種氣體水合物蓄冷/儲氣的可視化裝置系統(tǒng)，包括高壓反應(yīng)釜、低溫恒溫水槽、穩(wěn)壓進(jìn)氣系統(tǒng)、視頻監(jiān)測系統(tǒng)，所述高壓反 應(yīng)釜端蓋上設(shè)計(jì)有5個開孔，分別是溫度傳感器安裝螺紋口和壓力傳感器安裝 螺紋口； 一個進(jìn)液口； 一個進(jìn)氣口和一個電子內(nèi)視鏡管安裝螺紋口；永磁體 攪拌電機(jī)固定安裝在反應(yīng)釜的端蓋上，位于反應(yīng)釜的中部，下端接攪拌葉片， 電子內(nèi)視鏡通過電子內(nèi)視鏡管安裝螺紋口和高壓反應(yīng)釜連接，溫度傳感器安 裝螺紋口和壓力傳感器安裝螺紋口分別接溫度和壓力傳感器，進(jìn)氣口外接穩(wěn) 壓進(jìn)氣系統(tǒng)，溫度傳感器、壓力傳感器、電子內(nèi)視鏡的信號數(shù)據(jù)傳輸入視頻 監(jiān)測系統(tǒng)，整個高壓反應(yīng)釜為達(dá)到工作溫度置于低溫恒溫水槽中。所述高壓 反應(yīng)釜材料選用316L不銹鋼。所述傳感器安裝采用可方便調(diào)節(jié)插入深度的動 卡套螺紋連接，聚四氟乙烯墊圈密封。所述攪拌葉片由永磁體攪拌電機(jī)驅(qū)動， 轉(zhuǎn)速可調(diào)。所述電子內(nèi)視鏡和釜蓋螺紋連接，兩個不銹鋼墊圈和一個丁晴O型 墊圈密封。
一種氣體水合物蓄冷/儲氣的方法，所述方法的工作步驟如下
1) 、在水合物制備前，首先將定量的蒸餾水或定濃度的表面活性劑溶液通過
進(jìn)液口注入高壓反應(yīng)釜中并密封好；
2) 、用真空泵對高壓反應(yīng)釜內(nèi)抽真空；
3) 、然后打開進(jìn)氣閥門，向反應(yīng)釜內(nèi)充入二氧化碳?xì)怏w至所需的壓力后關(guān)閉 進(jìn)氣閥；
4) 、設(shè)置恒溫水槽溫度至所需的數(shù)值，穩(wěn)定后將反應(yīng)釜置于其中，通過視頻 采集系統(tǒng)在線觀測水合物的生長過程；
5) 、攪拌時，打開攪拌電機(jī)，調(diào)整到所需的攪拌速度；
6) 、反應(yīng)完成后，將高壓反應(yīng)釜取出，開啟排氣閥泄壓，打開端蓋，取出固態(tài)水合物。
本發(fā)明的有益效果在于可視化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以清晰的實(shí)時觀察和采集 反應(yīng)過程圖像；采用磁力耦合攪拌系統(tǒng)，解決高壓旋轉(zhuǎn)密封問題，并且運(yùn)行 可靠，無噪音；添加表面活性劑結(jié)合機(jī)械攪拌方式，可大大提高水合物的生 成速率及儲氣/蓄冷密度。


圖1是本發(fā)明氣體水合物蓄冷/儲氣的可視化裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明裝置主體為高壓反應(yīng)釜9，反應(yīng)釜9端蓋10上設(shè)計(jì)有5
個開孔，分別是溫度傳感器安裝螺紋口2和壓力傳感器安裝螺紋口3; —個進(jìn) 液口4; 一個進(jìn)氣口7和一個電子內(nèi)視鏡管安裝螺紋口6;永磁體攪拌電機(jī)5固
定安裝在反應(yīng)釜9的端蓋10上，位于反應(yīng)釜9的中部，下端接攪拌葉片5A，采 用磁力耦合攪拌技術(shù)，以靜密封代替了動密封，解決了高壓泄漏問題。電子 攝像系統(tǒng)1可通過電子內(nèi)視鏡管安裝螺紋口6和高壓反應(yīng)釜9連接，可觀察到高 壓反應(yīng)釜9內(nèi)部反應(yīng)情況。溫度傳感器安裝螺紋口 2和壓力傳感器安裝螺紋口3 分別接溫度和壓力傳感器，定量測試反應(yīng)釜9內(nèi)部的情況。進(jìn)氣口7外接穩(wěn)壓 進(jìn)氣系統(tǒng)，穩(wěn)壓進(jìn)氣系統(tǒng)包括截止閥1K IIA、 IIB、 IIC、 IID，，真空泵12， 單向閥13，質(zhì)量流量計(jì)14，減壓閥15，儲氣罐16，起到順利將二氧化碳通過 進(jìn)氣口7送入高壓反應(yīng)釜9，平衡壓力作用。溫度傳感器、壓力傳感器、電子 內(nèi)視鏡l、質(zhì)量流量計(jì)14的信號數(shù)據(jù)可傳輸入外接的計(jì)算機(jī)100中，構(gòu)成數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)。
本發(fā)明的氣體水合物快速生成的可視化裝置系統(tǒng)主要由高壓反應(yīng)釜、低溫恒溫水槽、穩(wěn)壓進(jìn)氣系統(tǒng)、視頻監(jiān)測系統(tǒng)等組成。
反應(yīng)釜主體高壓反應(yīng)釜材料為316L不銹鋼，最大承受壓力20MPa,采用 丁晴橡膠墊圈密封，工作溫度-2(TC-3(TC。在反應(yīng)釜端蓋上分別設(shè)有鑰電阻 傳感器、壓力傳感器、CCD視鏡管、進(jìn)氣管路的安裝螺紋連接口。鉑電阻傳感 器的安裝采用可動卡套螺紋連接，方便調(diào)節(jié)鉑電阻的插入深度，聚四氟乙烯 墊圈密封。CCD視鏡管和釜蓋螺紋連接，兩個不銹鋼墊圈和一個丁晴O型墊圈 密封。反應(yīng)釜內(nèi)設(shè)有攪拌葉片，采用磁力耦合攪拌技術(shù)，攪拌葉片由永磁體 攪拌電機(jī)驅(qū)動，轉(zhuǎn)速可調(diào)。它以靜密封代替了動密封，解決了機(jī)械密封和填 料密封難以解決的密封失效和高壓泄漏問題，可以實(shí)現(xiàn)高壓下水合物的化學(xué) 反應(yīng)。
恒溫系統(tǒng)禾'j用恒溫槽8調(diào)節(jié)反應(yīng)釜中溫度。恒溫水槽與制冷系統(tǒng)聯(lián)接并 根據(jù)設(shè)定值精確控制槽內(nèi)溫度，維持反應(yīng)所需的低溫條件，釜中氣體和液體 的顯熱和反應(yīng)過程中水合物生成熱經(jīng)反應(yīng)釜壁面導(dǎo)出。恒溫槽溫度調(diào)節(jié)范圍
為-20。C-100。C，波動土O. 05°C。
穩(wěn)壓進(jìn)氣系統(tǒng)有儲氣罐、減壓閥、氣體質(zhì)量流量計(jì)和單向閥等組成， 出口壓力0—6MPa可調(diào)。
視頻系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)上通過電子內(nèi)視鏡和CCD圖像采集系統(tǒng)，可以在線清
晰的觀察和采集反應(yīng)過程圖像，通過數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)實(shí)時測量記錄水合物 制備反應(yīng)過程溫度、壓力、氣體流量等參數(shù)。
利用該發(fā)明裝置系統(tǒng)進(jìn)行可視化氣體水合物蓄冷/儲氣時，可以在恒容條 件下，或者在恒壓條件下進(jìn)行水合物的制備，可以選擇在靜態(tài)系統(tǒng)中或者機(jī)
械攪拌系統(tǒng)中進(jìn)行。通過添加表面活性劑，如SDS、 THF、 Silwet系列表面活性劑或者混合表面活性劑，可以有效地促進(jìn)水合物的快速生成，提高水合物 的蓄冷/儲氣密度。
在恒容條件下制備水合物時，通過可視化電子內(nèi)視鏡1以及測定水合物形 成期間壓力隨時間的變化可以判定水合物制備反應(yīng)程度。工作步驟包括1、 在水合物制備前，首先將一定量的蒸餾水(或含一定濃度的表面活性劑溶液) 通過進(jìn)液口 4注入反應(yīng)釜9中并密封好；2、用真空泵12對反應(yīng)釜9內(nèi)抽真 空；3、然后打開進(jìn)氣閥門，向反應(yīng)釜內(nèi)充入二氧化碳?xì)怏w至所需的壓力后關(guān) 閉進(jìn)氣閥；4、設(shè)置恒溫水槽8溫度至所需的數(shù)值，穩(wěn)定后將反應(yīng)釜置于其中， 通過視頻采集系統(tǒng)在線觀測水合物的生長過程；5、需要攪拌時，打開攪拌電 機(jī)5，調(diào)整到所需的攪拌速度；6、反應(yīng)完成后，將反應(yīng)釜9取出，開啟排氣 閥泄壓，打開端蓋，可取出固態(tài)水合物。
權(quán)利要求
1、一種氣體水合物蓄冷/儲氣的可視化裝置系統(tǒng)，包括高壓反應(yīng)釜、低溫恒溫水槽、穩(wěn)壓進(jìn)氣系統(tǒng)、視頻監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述高壓反應(yīng)釜端蓋上設(shè)計(jì)有5個開孔，分別是溫度傳感器安裝螺紋口和壓力傳感器安裝螺紋口；一個進(jìn)液口；一個進(jìn)氣口和一個電子內(nèi)視鏡管安裝螺紋口；永磁體攪拌電機(jī)固定安裝在反應(yīng)釜的端蓋上，位于反應(yīng)釜的中部，下端接攪拌葉片，電子內(nèi)視鏡通過電子內(nèi)視鏡管安裝螺紋口和高壓反應(yīng)釜連接，溫度傳感器安裝螺紋口和壓力傳感器安裝螺紋口分別接溫度和壓力傳感器，進(jìn)氣口外接穩(wěn)壓進(jìn)氣系統(tǒng)，溫度傳感器、壓力傳感器、電子內(nèi)視鏡的信號數(shù)據(jù)傳輸入視頻監(jiān)測系統(tǒng)，整個高壓反應(yīng)釜為達(dá)到工作溫度置于低溫恒溫水槽中。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述氣體水合物蓄冷/儲氣的可視化裝置系統(tǒng)，其特征在于 所述高壓反應(yīng)釜材料選用316L不銹鋼。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述氣體水合物蓄冷/儲氣的可視化裝置系統(tǒng)，其特征在于 所述傳感器安裝采用可方便調(diào)節(jié)插入深度的動卡套螺紋連接，聚四氟乙烯墊 圈密封。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述氣體水合物蓄冷/儲氣的可視化裝置系統(tǒng)，其特征在于 所述攪拌葉片由永磁體攪拌電機(jī)驅(qū)動，轉(zhuǎn)速可調(diào)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述氣體水合物蓄冷/儲氣的可視化裝置系統(tǒng)，其特征在于所述電子內(nèi)視鏡和釜蓋螺紋連接，兩個不銹鋼墊圈和一個丁晴o型墊圈密封。
6、 一種氣體水合物蓄冷/儲氣的方法，其特征在于所述方法的工作步驟如下-1)、在水合物制備前，首先將定量的蒸餾水或定濃度的表審活性劑溶液通過 進(jìn)液口注入高壓反應(yīng)釜中并密封好；2) 、用真空泵對高壓反應(yīng)釜內(nèi)抽真空；3) 、然后打開進(jìn)氣閥門，向反應(yīng)釜內(nèi)充入二氧化碳?xì)怏w至所需的壓力后關(guān)閉 進(jìn)氣閥；4) 、設(shè)置恒溫水槽溫度至所需的數(shù)值，穩(wěn)定后將反應(yīng)釜置于其中，通過視頻 采集系統(tǒng)在線觀測水合物的生長過程；5) 、攪拌時，打開攪拌電機(jī)，調(diào)整到所需的攪拌速度；6) 、反應(yīng)完成后，將高壓反應(yīng)釜取出，開啟排氣閥泄壓，打開端蓋，取出固 態(tài)水合物。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氣體水合物蓄冷/儲氣的可視化裝置系統(tǒng)，包括高壓反應(yīng)釜、低溫恒溫水槽、穩(wěn)壓進(jìn)氣系統(tǒng)、視頻監(jiān)測系統(tǒng)，所述高壓反應(yīng)釜端蓋上裝有溫度傳感器和壓力傳感器；進(jìn)液口；進(jìn)氣口和一個電子內(nèi)視鏡；永磁體攪拌電機(jī)固定安裝在反應(yīng)釜的端蓋上，位于反應(yīng)釜的中部，下端接攪拌葉片，進(jìn)氣口外接穩(wěn)壓進(jìn)氣系統(tǒng)，信號數(shù)據(jù)傳輸入視頻監(jiān)測系統(tǒng)，整個高壓反應(yīng)釜為達(dá)到工作溫度置于低溫恒溫水槽中。此系統(tǒng)可視化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以清晰的實(shí)時觀察和采集反應(yīng)過程圖像；采用磁力耦合攪拌系統(tǒng)，解決高壓旋轉(zhuǎn)密封問題，并且運(yùn)行可靠，無噪音；添加表面活性劑結(jié)合機(jī)械攪拌方式，可大大提高水合物的生成速率及儲氣/蓄冷密度。
文檔編號C01B31/20GK101279733SQ20081003282
公開日2008年10月8日 申請日期2008年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月18日
發(fā)明者妮 劉, 劉道平, 謝應(yīng)明, 龔果清 申請人:上海理工大學(xué)