КАВИТАЦИОННЫЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГАЗОВОГО ГИДРАТА
CAVITATION METHOD FOR PRODUCING GAS HYDRATE

Изобретение относится к области газовой промышленности и предназначено для получения гидратов различных газов (метан, углекислый газ, этан, пропан и т.д.).
Известен способ транспортирования или хранения гидратов газов (патент РФ № 2200727, 1997 г., С07С 5/02), в котором сжатый газ подают в реакционный сосуд и вместе с водой, находящейся под давлением, расширяют с уменьшением давления, пропуская через сопла или аналогичные отверстия. При этом образуются мелкие капельки воды, диспергированные в расширившемся газе. Вода и газ реагируют с образованием гидрата газа. Давление и температуру в реакторе устанавливают так, чтобы способствовать образованию гидрата. Однако  этот способ обладает существенным недостатком, а именно низкой скоростью роста газогидратов.
Известен способ получения гидрата газа (Патент GB № 2347938, 1999 г., F17C 11/00), где газ реагирует с водой в реакционном сосуде с образованием гидрата при давлении и температуре, необходимых для образования гидрата. Верхняя часть сосуда заполнена газовой фазой, нижняя - жидкой фазой. Вода распыляется через сопла, находящиеся в верхней части реакционного сосуда. Для образования капель жидкости используется ультразвуковая вибрирующая пластина в газовой фазе, содержащей гидратопроизводящую субстанцию. Ультразвуковая вибрирующая пластина используется для разрушения гидратных оболочек на поверхности больших капель воды, что приводит к реакции всей капли жидкости с образованием гидрата. Использование ультразвукового излучателя в газовой фазе интенсифицирует процесс образования газогидратов, однако недостатки ранее рассмотренного аналога (патент РФ № 2200727, 1997 г., С07С 5/02) присутствуют и здесь. По мнению авторов, использование ультразвукового излучателя в жидкой фазе является менее предпочтительным, чем в газовой фазе. К недостаткам использования ультразвукового излучателя в жидкой фазе с газовыми пузырьками относятся невозможность получения высоких амплитуд давления вследствие высокой сжимаемости газожидкостной среды, а также малая зона воздействия излучателя на среду из-за сильного затухания ультразвука в газожидкостных средах.
Известен способ получения газогидратов методом взрывного вскипания (заявка на патент РФ  № 2016137058, 2016 г., B01F 3/04, C02F 1/00, F17C 5/02, B01J 3/00), при котором реакционный сосуд, заполненный водой, подают сжатый газ, отличающийся тем, что в реакционном сосуде газ сжижается, а сжиженный газ переводят в состояние взрывного вскипания путем декомпрессии реакционного сосуда (резкого сброса давления до атмосферного). Недостаток данного способа в том, что метод взрывного вскипания является методом разового действия, то есть после разгерметизации камеры необходимо снова подготавливать реакционный сосуд (заливать воду, закрывать реакционный сосуд, заправлять гидратообразователь и охлаждать содержимое реакционного сосуда).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ получения газовых гидратов (патент РФ № 2270053, 2003 г., B01F 3/04], при котором газ подвергают сжатию, охлаждению и смешивают с водой в сосуде, находящемся под давлением и температуре ниже равновесной температуры образования газового гидрата. На газожидкостную смесь импульсно воздействуют ударными волнами, что приводит к повышению давления в среде, к дроблению газовой фазы и значительной интенсификации процесса гидратообразования.
Указанный способ решает задачу повышения скорости образования газовых гидратов. Однако достичь более высоких скоростей образования газовых гидратов этим способом нельзя, поскольку технически невозможно осуществить ввод в реактор равномерно распределенного в воде большого количества газа, сравнимого по массе с количеством вводимой в сосуд воды, за небольшие отрезки времени (десятки миллисекунд) между последовательно воздействующими на среду ударными волнами. При близких массовых расходах воды и газа вода уже не будет несущей фазой, что резко уменьшит (на порядок и более) отвод тепла, выделяющегося вследствие реакции гидратизации, и соответственно резко упадет (на порядок и более) скорость гидратообразования.
Задачей изобретения является ускорение процесса образования газового гидрата, упрощение и удешевление процесса за счёт отсутствия компрессора, с помощью которого сжимают и охлаждают газ, а также обеспечение непрерывности процесса образования газового гидрата.
согласно изобретению
Поставленная задача решается тем, что в кавитационном способе получения газового гидрата, при котором в реакционный сосуд подают воду и сжиженный газ-гидратообразователь, , в реакционный сосуд устанавливают импеллер, состоящий из корпуса, вала и крыльчаток, при этом в нижней части корпуса, находящейся в воде, выполнены отверстия, с помощью вращающихся крыльчаток создают напор и, через отверстия,  начинает всасываться вода и сжиженный газ-гидратообразователь, что приводит к вскипанию сжиженного газа-гидратообразователя и активному перемешиванию, что в свою очередь, приводит к интенсивному гидратообразованию.
Для повышения скорости гидратообразования в реакционном сосуде вместе с водой и сжиженным газом-гидратообразователем (далее по тексту «газ») находится импеллер. Применение сжиженного газа позволяет значительно уменьшить объём реакционного сосуда, что в свою очередь улучшает технико-экономические показатели. Вращаясь, крыльчатки импеллера создают напор и, через отверстия в корпусе,  начинает всасываться вода и газ. Так как пропускная способность отверстий меньше чем производительность импеллера, создается разница давлений внутри и снаружи корпуса.  Понижение давления внутри корпуса импеллера приводит к вскипанию газа на всасывающих сторонах крыльчаток импеллера и активному перемешиванию. Вскипание газа на всасывающих  сторонах крыльчаток импеллера является эффектом кавитации.  Кипение газа сопровождается понижением температуры, что в свою очередь приводит к интенсивному гидратообразованию.
На фиг. 1 показана схема устройства для осуществления заявленного способа, где:
1 – корпус импеллера;
2 – вал, вращающий крыльчатки импеллера;
3 –  крыльчатки;
4 – отверстия для всасывания воды и газа;
5 – решётка для сбора гидратной массы;
6 – сжиженный газ;
7 – вода;
8 – вода, сжиженный газ,  гидратная масса;
9 – гидратная масса;
10 – корпус реакционного сосуда.
Способ осуществляется следующим образом.
В реакционном сосуде, вместе с водой и сжиженным газом, находится импеллер, состоящий из корпуса 1 наглухо закрытого с одного конца, вала 2 и крыльчаток 3. Крыльчатки жестко закреплены на валу. Газ находится под статическим давлением в метастабильном состоянии. Термобарические условия в реакционном сосуде соответствуют условиям, при которых возможно гидратообразование.  В корпусе импеллера имеются отверстия 4 для всасывания воды и газа.  К верхней части корпуса импеллера 1, находящейся в газовой среде, по окружности прикреплена решетка 5. Вращаясь, крыльчатки импеллера 3 создают напор и, через отверстия в корпусе 4, начинает всасываться вода и газ. Так как пропускная способность отверстий меньше, чем производительность импеллера, создается разница давлений внутри и снаружи корпуса импеллера.  Понижение давления внутри корпуса импеллера приводит к вскипанию газа на всасывающих сторонах крыльчаток импеллера и активному перемешиванию. Вскипание газа на всасывающих  сторонах крыльчаток импеллера является эффектом кавитации.  Кипение газа сопровождается понижением температуры, что в свою очередь приводит к интенсивному гидратообразованию. Образовавшаяся гидратная  масса выталкивается импеллером на решетку. Вскипевший на крыльчатках газ, не перешедший в гидратное состояние,  по выходу из корпуса импеллера конденсируется и вместе с водой  возвращается на дно реакционного сосуда  и снова всасываются в импеллер, а получившийся газовый гидрат остаётся на решетке. По мере необходимости в реакционный сосуд добавляют воду и газ, а получившийся газовый гидрат удаляется.
Использование заявляемого способа получения газогидратов позволяет ускорить процесс гидратообразования.