磁场作用下基于相变型微纳米流体的水合物快速生成装置的制作方法

本发明涉及瓦斯分离与储运技术领域，尤其涉及一种磁场作用下基于相变型微纳米流体的水合物快速生成装置。

背景技术：

目前加快煤矿瓦斯开发利用，对于保障煤矿安全生产、增加清洁能源供应、减少温室气体排放具有重要意义。瓦斯水合反应分离过程存在以下两个主要：

1、传热的制约：由于气体水合物的生成是放热过程，在成核过程中产生的热量会破坏晶核，从而导致晶体结构的生长减慢，在这一过程中传热是一个非常重要的现象。水合物导热能力低，水合物生成的热量不能及时被有效移除，造成瓦斯水合反应体系温度回升，进而极大削弱了瓦斯水合分离过程；

2、传质的制约：瓦斯气体与水无法充分地接触，多元多相体形成多个相界面，严重阻碍了体系中气相-液相间的传质，导致诱导时间长、水合物生成速率慢。上述问题造成瓦斯水合反应的诱导时间长、生成速度慢、驱动力大。

目前最多的机械强化方法是在反应釜内通过搅拌强化水合物生成，搅拌主要是强化了传质传热，液体随着叶片的旋转不仅增大了气液接触面积，加速了气体的溶解效率，还能够把水合物生成产生的热量及时的转移。进而缩短水合物的诱导时间，提高生成速率，增加储气量等。增加搅拌虽然可以增加气液接触面积，提高气体水合速率，保证流体的分散性。但水合反应仍停留在气液界面处,诱导时间缩短得不是很明显，且随着实验时间增长，釜内会略呈现轻微沉降与分层现象，虽能满足颗粒悬浮性，但均质性降低。另外加入叶片搅拌将增大体系的能耗，不适合工业生产，而且搅拌转轴的加入会增加高压气体泄漏的危险。

因此，针对以上不足，需要提供一种磁场作用下基于相变型微纳米流体的水合物快速生成装置。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现有的设备进行瓦斯水合反应效率低的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种磁场作用下基于相变型微纳米流体的水合物快速生成装置，包括电动旋转台、一字滑台、夹持器、磁钢、高压反应釜、恒温箱和空气压缩机，一字滑台转动连接在电动旋转台上，若干个夹持器间隔滑动连接在一字滑台上，磁钢固连在夹持器上，高压反应釜放置在夹持器之间，高压反应釜内注有含相变型微纳米流体的目标溶液；电动旋转台、一字滑台、夹持器、磁钢和高压反应釜均放置在恒温箱内，空气压缩机放置在恒温箱外，空气压缩机与高压反应釜通过管道相连。

作为对本发明的进一步说明，优选地，高压反应釜为长筒形，材料为不影响磁场的钛合金，高压反应釜内插接有1～3根温度传感器和压力传感器。

作为对本发明的进一步说明，优选地，高压反应釜外壁上固连有可视透明窗口，可视透明窗口为透明玻璃板或树脂板。

作为对本发明的进一步说明，优选地，一字滑台上转动连接有螺纹杆，所述螺纹杆穿过一字滑台旋转轴线，两个夹持器分别螺纹连接在所述螺纹杆的两端，所述螺纹杆一端伸出一字滑台外并固连有手轮,手轮通过电导线与工控机连接，通过工控机输入数值来控制两个夹持器之间的间距。

作为对本发明的进一步说明，优选地，磁钢之间的运动间距范围为0～23cm，磁钢产生磁场强度范围为0～0.33t。

作为对本发明的进一步说明，优选地，空气压缩机输入端通过管道连接有气瓶，空气压缩机输出端通过管道连接有储气罐，储气罐通过管道与高压反应釜相连。

作为对本发明的进一步说明，优选地，储气罐与高压反应釜之间的管道上还连接有气体增压泵。

作为对本发明的进一步说明，优选地，气瓶与空气压缩机之间的管道、空气压缩机与储气罐之间的管道、气体增压泵与高压反应釜之间的管道上均安装有阀门，阀门为电磁阀。

作为对本发明的进一步说明，优选地，控温箱外设有工控机、数据采集器和控制电机，数据采集器通过电导线与温度传感器和压力传感器电性连接，数据采集器通过电导线与工控机电性连接，工控机通过电导线与控制电机电性连接，控制电机通过电导线与电动旋转台电性连接，通过控制电机输入数值来控制磁场旋转转速。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明由相变型微纳米流体代替单一液相，充分利用相变型微纳米颗粒的高热传导性及其相变吸热的特性，从而显著改善多元气体水合反应进程，强化瓦斯水合分离进程。由于相变型微纳米颗粒具有比表面积高、布朗运动活跃、尺寸小及浓度可控等特点，可以为水合物的成核过程提供更活跃的位点。因此，采用相变型微纳米流体可以很好地促进瓦斯水合分离传热、传质过程，强化瓦斯水合分离进程。

附图说明

图1是本发明的反应装置系统图；

图2是本发明的反应釜剖面图。

图中：1、电动旋转台；2、一字滑台；21、手轮；3、夹持器；4、磁钢；5、高压反应釜；51、温度传感器；52、压力传感器；53、可视透明窗口；6、恒温箱；7、空气压缩机；71、气瓶；72、储气罐；73、气体增压泵；74、阀门；8、工控机；81、数据采集器；82、控制电机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

磁场作用下基于相变型微纳米流体的水合物快速生成装置，如图1所示，包括电动旋转台1、一字滑台2、夹持器3、磁钢4、高压反应釜5、恒温箱6、空气压缩机7和工控机8，一字滑台2转动连接在电动旋转台1上，两个夹持器3间隔滑动连接在一字滑台2上，磁钢4固连在夹持器3上，高压反应釜5放置在夹持器3之间，电动旋转台1、一字滑台2、夹持器3、磁钢4和高压反应釜5均放置在恒温箱6内，空气压缩机7放置在恒温箱6外，空气压缩机7与高压反应釜5通过管道相连，工控机8也放置在恒温箱6外，工控机8与电动旋转台1和高压反应釜5电性连接。

如图1所示，电动旋转台1为旋转方向位于水平方向的转台，一字滑台2为圆形转盘，一字滑台2底部与电动旋转台1转动连接，一字滑台2顶部转动连接有螺纹杆，所述螺纹杆穿过一字滑台2旋转轴线，所述螺纹杆长度方向水平，两个夹持器3分别螺纹连接在所述螺纹杆的两端，所述螺纹杆一端伸出一字滑台2外并固连有手轮21；通过旋动手轮21，可使两个夹持器3向靠近高压反应釜5或远离高压反应釜5的方向运动，进而使磁钢4之间的运动间距范围为0～23cm，则磁钢4产生磁场强度范围为0～0.33t。

结合图1、图2，磁钢4为方形永磁体，高压反应釜5为不影响磁场的钛合金材料制成的长筒形结构，设计压力范围为0～10mpa，设计温度为-10℃～50℃。高压反应釜5内注有含ni-mn基相变型微纳米流体的目标溶液。ni-mn基相变型微纳米颗粒是一种具有热弹性马氏体相变的形状记忆材料，在加热时，发生马氏体向奥氏体的结构转变即马氏体逆相变，由于晶体结构的转变需外界提供驱动力，所以需要吸收热量，通过在目标溶液中添加含有ni-mn基相变型微纳米流体，在进行马氏体逆相变的过程中吸收外界热量从而降低环境温度，及时带走水合物生成过程中所产生的热量，强化瓦斯水合分离进程中的传热，可以非常有效地加速水合物的形成过程。高压反应釜5内插接有1～3根温度传感器51和压力传感器52，采用的温度传感器51为四基点温度传感器，可以精确定量化水合物在生成过程中不同位置的热量，其中所取四个基点分别为气相点、液面点、液中点和液底点；所用1～3根温度传感器可以定量化反应釜壁、溶液中心、溶液部分的热量；高压反应釜5外壁上固连有可视透明窗口53，可视透明窗口53为耐高压的透明玻璃板或树脂板，可以随时观察高压反应釜5内水合物的生成情况和状态。

结合图1、图2，恒温箱6由制冷系统、制热系统、控制系统、空气循环系统和传感器系统等组成。恒温箱6的门体装有温度控制面板，可以根据实验需求调节恒定的温度。恒温箱6箱体内部设置有温感探头，可以精确掌握恒温箱6内部温度变化且及时掌握恒温箱6内部温度是否与自己设定的温度产生异差，可给实验提供稳定的温度环境。

通过在目标溶液中添加含有ni-mn基相变型微纳米流体和分散剂，由相变型微纳米流体代替单一液相，充分利用相变型微纳米颗粒的高热传导性及其相变吸热的特性，从而显著改善多元气体水合反应进程，强化瓦斯水合分离进程，可以为水合物的成核过程提供更活跃的位点，不仅能够吸收水合反应中的热量，以避免成核过程中产生的热量会破坏晶核，导致晶体结构生长减慢的问题，同时基于所用材料具有磁性的特点，结合外接旋转磁场，引起了颗粒随机布朗运动并促进了流体内部的微扰动，从而增强了颗粒与基液之间的能量传递速率，通过磁场使液体中的磁性颗粒在高压反应釜5内悬浮并随磁场旋转，起到分散与搅拌的作用，因此，采用相变型微纳米流体可以很好地促进瓦斯水合分离传热、传质过程，强化瓦斯水合分离进程。

以使用nimnga相变型微纳米流体为例，在7.2mpa、8.2mpa下生成水合物的诱导时间仅为11.3min、3.17min，相比sds体系诱导时间(195.5min)缩短了94.21％、98.37％；所消耗的资源更少，仅需要0.1g的相变型微纳米颗粒就可以很好的促进水合反应的进行，并且相变型微纳米流体可以进行重复使用以及可以进行回收利用，避免了对环境的污染。

如图1所示，空气压缩机7输入端通过管道连接有气瓶71，空气压缩机7输出端通过管道连接有储气罐72，储气罐72通过管道与高压反应釜5相连。其中气瓶71与空气压缩机7之间的管道、空气压缩机7与储气罐72之间的管道、气体增压泵73与高压反应釜5之间的管道上均安装有阀门74，阀门74为电磁阀。空气压缩机7主要功能是给高压反应釜5内提供驱动气体，其原理是：空气压缩机7内的空压机组接通380v电源后，启动运转，将气瓶71内的空气由滤清器吸入，通过气缸内活塞的往复运转变成压缩空气，经过气口管路和单向阀进入储气罐72内储存。用户打开储气罐72的阀门74即可向高压反应釜5内注入压缩空气，并可通过压力表了解输出压缩空气的气压值，空压机通过压力开关实现自动启停。如果空气压缩机7的输出压力达不到所需压力值时，可在储气罐72与高压反应釜5之间的管道上加装气体增压泵73。

气体增压泵73是一种往复式、单作用的气驱泵。气体增压泵73内部利用活塞两端大小面积差，低气压作用于气压活塞大面积端，在活塞小面积端输出高压低流量气体，从而达到增压的效果。气体增压泵73的输出压力取决于活塞面积比及驱动气压和预增气压。本设备配置的活塞面积比为30：1。气体增压泵73的控制是通过一个电磁阀控制驱动气体通断来实现。本设备配备了两个精密高压减压器，通过调节减压器的旋钮来实现精准控制高压反应釜5压力的目的。为了防止高压气体的回流现象，本设备还在管道上配备了单向阀。

如图1所示，控温箱6外设有工控机8、数据采集器81和控制电机82，工控机8为市面上常见的计算机，数据采集器81通过电导线与温度传感器51和压力传感器52电性连接，数据采集器81通过电导线与工控机8电性连接，工控机8通过电导线与控制电机82电性连接，控制电机82通过电导线与电动旋转台1电性连接。温度传感器51和压力传感器52分别将测得的瓦斯水合反应过程中的温度值和压力值等数据传输到计算机进行采集，并实时的显示、记录和存储相关数据。计算机采用性能稳定的工控机8，并且经过整体的检验检测，保证实验测试安全的进行。

如图1所示，当需要进行瓦斯的水合反应时，先在高压反应釜5中倒入指定量的目标溶液，连接好各个系统和管线，调节一字滑台2使磁钢4的间距到达指定距离，然后利用恒温箱6对系统进行调温到预设温度，开启阀门74，利用空气压缩机7以及气体增压泵73将气瓶71中的气体充入到高压反应釜5内并到达预设压力，而后关闭阀门74，通过旋转控制电机82来控制电动旋转台1的开关和转速大小，通过温度传感器51和压力传感器52将测得的温度和压力传输到数据采集器81，然后由工控机8进行数据的存储和处理，在瓦斯水合分离过程中，可通过可视透明视窗53来观察水合物生成的状态和情况。

综上所述，本发明充分利用相变型微纳米流体的高热传导性及其相变吸热的特性，采用具有马氏体相变的ni-mn基相变型微纳米颗粒，能够在发生相变时吸收外界热量从而降低环境温度，及时带走水合物生成过程中所产生的热量，强化瓦斯水合分离进程中的传热。并且基于ni-mn基相变型微纳米流体具有磁性的特性，外设旋转磁场额外实现对目标的悬浮搅拌，由于微纳米流体具有比表面积高(颗粒与流体间换热面积增大，加速热量传递，并提供更多反应界面，提高成核率)、布朗运动活跃(颗粒由于布朗运动在气液边界层发生相互碰撞，减小传质边界层厚度，并能改变周围液相流体力学性质)、尺寸小(悬浮颗粒尺度比气液传质边界层厚度小时，可在渗透作用下穿过气液边界层到气液界面吸附气相分子后返回液相主体，达到气体运输目的)、及浓度可控等特点，可快速强化瓦斯水合分离传质过程。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。