一种sf6混合气体的水合物气体分离装置及方法
阅读说明：本技术 一种sf6混合气体的水合物气体分离装置及方法 (Hydrate gas separation device and method for SF6 mixed gas ) 是由 卞超 甘强 程骏 陈轩 张正东 谭婷月 张晓星 张引 严进 朱正宜 胡隽宇 于 2020-11-27 设计创作，主要内容包括：一种SF6混合气体的水合物气体分离装置,包括：进气单元,结晶器单元,温度控制单元,压强控制单元和出气单元,进气单元与结晶器单元相连接,用于向结晶器单元充入SF6混合气体；结晶器单元用作SF6混合气体的水合物气体分离装置的反应器,形成水合物；温度控制单元用于控制结晶器单元的反应温度；压强控制单元用于控制结晶器单元的反应压强；出气单元包括：气体出口模块和水合物出口模块,分别与结晶器单元相连接,气体出口模块用于测量和收集未形成水合物的气体,水合物出口模块用于测量和收集形成水合物的气体和液体。相较于现有技术中,本发明便于控制,不需要太大的压强,也不需要考虑吸附剂的回收再利用问题,经济成本低廉,极具发展潜力。(A hydrate gas separation device of SF6 mixed gas, comprising: the gas inlet unit is connected with the crystallizer unit and is used for filling SF6 mixed gas into the crystallizer unit; the crystallizer unit is used as a reactor of a hydrate gas separation device of SF6 mixed gas to form hydrate; the temperature control unit is used for controlling the reaction temperature of the crystallizer unit; the pressure control unit is used for controlling the reaction pressure of the crystallizer unit; the air outlet unit comprises: and the gas outlet module and the hydrate outlet module are respectively connected with the crystallizer unit, the gas outlet module is used for measuring and collecting gas which does not form hydrate, and the hydrate outlet module is used for measuring and collecting gas and liquid which form hydrate. Compared with the prior art, the invention is convenient to control, does not need too large pressure intensity, does not need to consider the problem of recycling of the adsorbent, has low economic cost and has great development potential.)
技术领域
本发明属于电气设备回收技术领域，更具体地，涉及一种SF6混合气体的水合物气体分离装置。
背景技术
SF6因其较强的绝缘性能和灭弧能力广泛应用于气体绝缘设备中，如气体绝缘封闭组合电器、充气柜、气体绝缘断路器和气体绝缘管道母线等，其中高压开关设备的用气量约占SF6用气量的80％以上，中压开关设备的用气量约占10％。
随着电力行业的发展的使用量飞速上涨，SF6气体绝缘设备的调试、检修以及气体的泄露和回收都会使SF6进入大气环境中。然而，六氟化硫(SF6)是《京都议定书》指定的六种减排目标气体，即二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)、全氟化碳化合物(HFCs)、全氟化碳化合物(PFCs)和六氟化硫(SF6)，之一。
SF6气体被公认为一种对大气环境有较大危害的温室气体，其温室效应潜在值是CO2的23900倍，在大气中的存活寿命为3400年。所以，防止向大气中释放SF6，对SF6气体进行回收再利用是一件刻不容缓的事情。
现有技术中，由于SF6+N2气体混合物用于各种工业用途，而SF6通常在电气设备回收过程中与空气混合，因SF6应与气体混合物分离，以便回收和再用。几种方法如液化、吸附和膜分离已被用于SF6的分离。
目前使用的几种方法都或多或少的存在着一些局限性，液化法：SF6气体的沸点为-50℃，因此SF6气体比较容易液化，通常纯SF6液体在室温(20℃)，气压为2.0MPa时就会液化，但是如果混合气体中SF6气体含量少，那么SF6的分压就会低，所以要使它在室温下液化，需要的压力就会大，这对压力容器的要求太高，而且也不经济，所以很难用液化法分离低含量SF6混合气体；吸附剂法：电力系统每年产生并掩埋的SF6退役吸附剂数量惊人，被掩埋的SF6退役吸附剂不仅会造成巨大的浪费，其携带的毒害物质还会对环境造成极大的危害；聚合物薄膜法：在不同温度下，不同种类气体通过高分子膜的渗透R不同，渗透率高的气体穿透高分子膜要快一些。但是膜分离技术的缺点就在于膜本身，需要定期的对膜进行检查清洁，后期成本很高。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种SF6混合气体的水合物气体分离装置及方法，便于控制，不需要太大的压强，经济性成本低廉。
本发明采用如下的技术方案。一种SF6混合气体的水合物气体分离装置，包括：进气单元，结晶器单元，温度控制单元，压强控制单元和出气单元，进气单元与结晶器单元相连接，用于向结晶器单元充入SF6混合气体；
结晶器单元用作SF6混合气体的水合物气体分离装置的反应器，形成水合物；
温度控制单元用于控制结晶器单元的反应温度；
压强控制单元用于控制结晶器单元的反应压强；
出气单元包括：气体出口模块和水合物出口模块，分别与结晶器单元相连接，气体出口模块用于测量和收集未形成水合物的气体，水合物出口模块用于测量和收集形成水合物的气体和液体。
优选地，进气单元包括：真空泵、混合气体气瓶和质量流量计；真空泵用于实验前使整个水合物气体分离装置为真空状态，混合气体气瓶用于向水合物气体分离装置中充入混合气体；第一质量流量计通过阀门和管路与结晶器单元相连接，用于直接测量进料气的供给量。
优选地，所述进气单元还包括：缓冲瓶；真空泵通过阀门和管路与缓冲瓶相连接，混合气体气瓶通过管路与缓冲瓶相连接，缓冲瓶通过阀门和管路与第一质量流量计相连接，用于起到缓冲作用。
优选地，结晶器单元包括：活塞、搅拌器和结晶器罐；活塞设置在结晶器罐罐口处，用于密封结晶器罐；搅拌器设置在结晶器罐内部，用于以设定的速度运行，搅动反应器内部的气体和液体；结晶器罐用作该水合物气体分离装置的反应器。
优选地，温度控制单元包括：温度控制冷却剂循环外壳和铂丝电阻温度计；温度控制冷却剂循环外壳内部设置有冷却剂，结晶器罐设置在冷却剂中；铂丝电阻温度计通过结晶器罐罐体和温度控制冷却剂循环外壳插入结晶器罐内部，测量结晶器罐内部反应时的温度。
优选地，压强控制单元包括：压力计和手动压强器；压力计与手动压强器相连接，手动压强器通过活塞与结晶器罐相连接。
优选地，气体出口模块包括：第三流量计和未液化气体气罐；第三流量计通过阀门和管路与结晶器单元相连接，未液化气体气罐通过管路与第三流量计相连接；结晶器单元中未形成水合物的气体经过第三流量计进入未液化气体气罐，第三流量计获得未形成水合物的气体的流量。
优选地，水合物出口模块包括：通过管路依次相连接的液化气体气罐、第二流量计、分解器和液体出口/进口阀门；结晶器单元中气体和液体形成的水合物液体经过液体出口/进口阀门进入分解器，通过改变分解器的温度和压力使SF6水合物分解，分解后的SF6气体经过第二流量计进入液化气体气罐，第二流量计获得形成水合物的气体的流量。
本发明还提供了一种使用所述的水合物气体分离装置的SF6混合气体的水合物气体分离方法，包括以下步骤：
步骤1，设置实验条件，包括：将水合物气体分离装置抽真空、设置设定的反应温度；
步骤2，向水合物气体分离装置内通入原料气体，即SF6混合气体，原料气通过第一质量流量计连续地供给结晶器单元；
步骤3，调节压强控制单元，使结晶器单元达到设定的反应压强；
步骤4，当气体压强达到实验值时，打开水合物出口模块，释放结晶器单元中水化后未反应的气体，同时记录反应时间，测量未反应气体的总体积；
步骤5，打开水合物出口模块，使SF6水合物分解，在连续分离过程中，对未反应气体和解离气体样品进行同步采集。
优选地，步骤1具体包括：
步骤1.1，在结晶器罐内加入合适的表面活性剂；
步骤1.2，打开温度控制单元，使冷却剂液体保持在恒定的实验温度；
步骤1.3，打开真空泵，对水合物气体分离装置进行抽真空；
步骤1.4，打开结晶器罐的搅拌器，使其以设定的速度运行。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明提供了一种SF6混合气体的水合物气体分离装置，相较于现有技术中的方法，水合物法气体分离技术便于控制，不需要太大的压强，也不需要考虑吸附剂的回收再利用问题，经济成本也不高，极具发展潜力。
附图说明
图1为本发明提供的一种SF6混合气体的水合物气体分离装置的示意图；
图2为本发明提供的一种SF6混合气体的水合物气体分离方法的流程图。
图中：
1-真空泵；
2-混合气体气瓶；
3-缓冲罐；
4-质量流量计；
5-液化气体气罐；
6-第二流量计；
7-分解器；
8-液体出口/进口；
9-温度控制冷却剂循环外壳；
10-可视窗口；
11-活塞；
12-搅拌器；
13-结晶器罐；
14-压力计；
15-手动压强器；
16-第三流量计；
17-铂丝电阻温度计；
18-未液化气体气罐。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1所示，本发明提供了一种SF6混合气体的水合物气体分离装置，包括：进气单元，结晶器单元，温度控制单元，压强控制单元和出气单元。
进气单元包括：真空泵1、混合气体气瓶2、缓冲瓶3和质量流量计4。
真空泵1通过阀门和管路与缓冲瓶3相连接，用于实验前使整个水合物气体分离装置为真空状态，防止装置内残余气体对实验的干扰。
混合气体气瓶2通过管路与缓冲瓶3相连接，用于向水合物气体分离装置中充入混合气体，起到进气的作用。
缓冲瓶3通过阀门和管路与第一质量流量计4相连接，用于起到缓冲作用，防止出气太快，便于控制。
第一质量流量计4通过阀门和管路与结晶器单元相连接，用于直接测量通过流量计的介质的质量流量，通过质量流量计来测量进料气的供给量。
结晶器单元包括：活塞11、搅拌器12和结晶器罐13。
活塞11设置在结晶器罐13罐口处，用于密封结晶器罐13。
搅拌器12设置在结晶器罐13内部，用于以设定的速度运行，搅动反应器内部的气体和液体，使它们更加充分的接触，以增加水合物形成的驱动力，同时避免结冰。
结晶器罐13是该水合物气体分离装置的反应器，一个优选但非限制性的实施方式为，材质采用不锈钢。这个反应器被一个温度控制冷却剂循环外壳9包围，通过温度控制冷却剂循环外壳9是温度控制冷却剂循环，一个优选但非限制性的实施方式为，材质采用一种含水的乙二醇溶液，即通过温度控制冷却剂循环外壳9来控制反应时所需要的温度。
结晶器罐13和温度控制冷却剂循环外壳9都有两个可视窗口10，通过这两个观察窗口可以观察反应器内部情况。
水合物法分离混合气体的原理是利用不同气体分子形成水合物的温度和压力的差异，使先进入笼状物中的，也就是说比较容易发生水合反应的气体分子在低压的条件下聚集在水合物相，暂时还未形成水合物相的气体分子聚集在气相中，随之排出，这样多种气体即可分离。
温度控制单元包括：温度控制冷却剂循环外壳9和铂丝电阻温度计17。
温度控制冷却剂循环外壳9内部设置有冷却剂，结晶器罐13设置在冷却剂中。
铂丝电阻温度计17通过结晶器罐13罐体和温度控制冷却剂循环外壳9插入结晶器罐13内部，测量结晶器罐13内部反应时的温度。
压强控制单元包括：压力计14和手动压强器15。
压力计与手动压强器15相连接，手动压强器15通过活塞11与结晶器罐13相连接。手动压强器15用于供给实验操作者来控制结晶器罐13内部的压强，实验操作者可以通过压力计14的读数来进行压强的调节，使反应时的压强达到要求。
出气单元包括：气体出口模块和水合物出口模块。其中气体出口模块包括：第三流量计16和未液化气体气罐18。第三流量计16通过阀门和管路与结晶器单元16相连接，未液化气体气罐18通过管路与第三流量计16相连接。结晶器单元中未形成水合物的气体经过第三流量计16进入未液化气体气罐18，第三流量计16获得未形成水合物的气体的流量。
水合物出口模块包括：通过管路依次相连接的液化气体气罐5、第二流量计6、分解器7和液体出口/进口阀门8。结晶器单元中气体和液体形成的水合物液体经过液体出口/进口阀门8进入分解器7，通过改变分解器7的温度和压力使SF6水合物分解，分解后的SF6气体经过第二流量计6进入液化气体气罐5，第二流量计6获得形成水合物的气体的流量。
如图2所示，本发明提供了一种利用所述气体分离装置的SF6混合气体的水合物气体分离方法，包括以下步骤：
步骤1，设置各项实验条件，包括：将水合物气体分离装置抽真空、设置设定的反应温度；具体包括：
步骤1.1，在结晶罐内加入合适的表面活性剂，表面活性剂是水合物形成的动力促进剂，用于克服SF6水合物形成速度慢的问题。可以理解的是，所属领域技术人员可以任意选择适合实验的表面活性剂，一个优选但非限制性的实施方式为，采用SDS(十二烷基硫酸钠)作为表面活性剂。
步骤1.2，打开温度控制单元，使冷却剂液体保持在恒定的实验温度，用于来进一步保证反应容器也就是结晶器罐13的温度。可以理解的是，所属领域技术人员可以根据实验目的任意设置实验温度，一个优选但非限制性的实施方式为，将实验温度设置在6℃至7℃。
步骤1.3，打开真空泵1，对实验装置进行抽真空实验，防止装置内残余气体对实验造成干扰。
步骤1.4，打开搅拌器12，使其以设定的速度运行，以增加水合物形成的驱动力，同时避免结冰。可以理解的是，所属领域技术人员可以根据实验目的任意设置搅拌器12的转速，一个优选但非限制性的实施方式为，3-6m/s。
步骤2，向水合物气体分离装置内通入原料气体，即SF6混合气体，原料气通过第一质量流量计4连续地供给结晶器罐13。
步骤3，调节手动压强器15，观察压强计读数，使反应器内气体的压强达到实验值。可以理解的是，所属领域技术人员可以根据实验目的任意设置反应器内气体的压强，一个优选但非限制性的实施方式为，1MPa。
步骤4，当气体压强达到实验值时，打开结晶器罐13上方的气体释放阀门，释放水化后未反应的气体，同时记录反应时间。用第三流量计16测量未反应气体的总体积。
步骤5，在整个反应过程中，结晶器罐13内的温度、气体压力和保持恒定。打开液体出口释放阀8，结晶器中形成的水合物被液体带到分解器7中，通过控制分解器7的压强和温度，使SF6水合物分解，同时用第二流量计6测量了裂解气体的体积。在连续分离过程中，对未反应气体和解离气体样品进行同步采集。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明提供了一种SF6混合气体的水合物气体分离装置，相较于现有技术中的方法，水合物法气体分离技术便于控制，不需要太大的压强，也不需要考虑吸附剂的回收再利用问题，经济成本也不高，极具发展潜力。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
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