CN113304498A - 一种用于硼氢化钠溶液水解制氢的气液分离装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于硼氢化钠溶液水解制氢的气液分离装置，其包括冷凝机构、分离机构和废液收集器，冷凝机构与反应器连通，其用于冷凝经反应器流出的气流中的液体，冷凝机构与反应器连通；分离机构与冷凝机构连通，其用于对经过冷凝机构冷凝后的气流中的液体进行分离；废液收集器均与冷凝机构、分离机构连通，其用于收集经冷凝机构、分离机构排出的液体。本发明设计的用于硼氢化钠溶液水解制氢的气液分离装置，先采用高效冷凝机构冷凝了氢气流中的液滴杂质，增大了液滴粒径，随后通过分离机构，进一步除去了氢气流中的液滴，排出的氢气已净化无液体，解决了大流量的氢气携带杂质问题。

Description

一种用于硼氢化钠溶液水解制氢的气液分离装置
技术领域
本发明涉及制氢领域，尤其涉及一种用于硼氢化钠溶液水解制氢的气液分离装置。
背景技术
氢气(H2)作为质子交换膜燃料电池的理想燃料，通常是由天然气重整、天然气部分氧化重整、甲醇重整、生物油热解、硼氢化钠水解等工艺制得。其中硼氢化钠水解制氢工艺过程可控，更易于扩大或者缩小制氢规模来满足用户的需求。再者，硼氢化钠(NaBH4)自身储氢密度大，理论储氢质量分数高达10.6wt％，当与特定催化剂接触时，硼氢化钠溶液将迅速发生水解反应释放出全部氢气，通过改变NaBH4溶液进料速度就可以满足不同的氢气用量需要，而且产生的氢气纯度相对较高、反应条件温和、全过程对环境友好的特点。其水解反应方程式为：
NaBH4+2H2O→4H2+NaBO2 ΔH＝-217kJ/mol (1)
在给单个燃料电池供应氢气时，所需氢气量小，氢气流速慢，气流中携带杂质少，对燃料电池造成不利影响小；但是当给电池组供应氢气时，气量多倍于单个燃料池，产生的氢气气泡可能夹带大量的碱性液体及副产物NaBO2杂质，仅仅通过水洗工艺不能将氢气中携带的碱性液体及副产物NaBO2除去，直接进入电池会造成电池毒化，不可恢复。
鉴于已有水解制氢装置的不完善性，为更好地利用硼氢化钠溶液制氢，亟需一套适用于硼氢化钠溶液水解制氢高效冷凝旋流净化装置，克服原有制氢系统的不足。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种用于硼氢化钠溶液水解制氢的气液分离装置，所述技术方案如下：
本发明提供一种用于硼氢化钠溶液水解制氢的气液分离装置，其包括：
冷凝机构，所述冷凝机构与反应器连通，所述冷凝机构用于冷凝经所述反应器流出的气流中的液体；
分离机构，所述分离机构与所述冷凝机构连通，其用于对经过所述冷凝机构冷凝后的气流中的液体进行分离；
废液收集器，所述废液收集器与所述冷凝机构、分离机构连通，其用于收集经所述冷凝机构、分离机构排出的液体。
进一步地，所述冷凝机构包括冷凝组件和冷凝液供送部件，所述冷凝液供送部件与冷凝组件连通并用于向所述冷凝组件提供冷凝液；所述冷凝组件与反应器、分离机构、废液收集器连通。
进一步地，所述冷凝组件包括进液组件、冷凝管和出液组件，所述进液组件、出液组件分别与冷凝液供送部件连通，并形成冷凝液在所述进液组件、冷凝管、出液组件和冷凝液供送部件之间的循环。
进一步地，所述进液组件包括冷凝液进液管和冷凝液储液部件，所述冷凝液进液管的一端用于与所述冷凝液供送部件连通，另一端与所述冷凝液储液部件的一端连通，所述冷凝液储液部件的另一端与冷凝管连通；
所述出液组件包括冷凝液出液部件与冷凝液排液管，所述冷凝液出液部件一端与所述冷凝管连通，另一端与冷凝液排液管一端连通，所述冷凝液排液管的另一端与冷凝液供送部件连通。
进一步地，所述冷凝机构还包括第一壳体和第二壳体，所述第二壳体位于第一壳体下方，所述第一壳体具有进气端与出气端，所述第一壳体内部形成供气流水平流通的空间，所述冷凝管位于第一壳体内；所述第二壳体具有出液端；所述第一壳体的进气端用于与所述反应器的出气端连通，所述第一壳体的出气端用于与分离机构连通，所述第二壳体的出液端用于与废液收集器连通，所述第一壳体和第二壳体之间具有供冷凝后的液体流出的通道。
进一步地，所述分离机构包括容器以及设置在所述容器内的分离部件，所述分离部件用于对经过所述冷凝机构冷凝后的气流中的液体进行分离；所述容器具有进气端、出气端和出液端，所述容器的进气端用于与所述冷凝机构连接，所述容器的出液端用于与废液收集器连通，所述容器的出气端用于排出分离后的气体。
进一步地，所述容器的进气端处设置有导流部件，所述导流部件用于引导从所述冷凝机构流出的气流输出至所述分离机构。
进一步地，所述装置还包括设置在所述反应器与冷凝机构之间的除雾器，所述除雾器与所述反应器、冷凝机构均连通，所述除雾器用于去除通过所述反应器流出的气流中的液体。
进一步地，所述的装置还包括液位检测组件、和/或排液组件，所述液位检测组件设置在所述冷凝机构内并用于检测所述冷凝机构内液体的液位高度。
进一步地，所述排液组件包括第一排液管、第二排液管和第三排液管，所述第一排液管用于与所述冷凝机构、废液收集器连通，所述第一排液管上设置有第一排液泵；所述第二排液管用于与所述冷凝机构、废液收集器连通，所述第二排液管上设置有阀门；所述第三排液管用于与所述分离机构、废液收集器连通，所述第三排液管上设置有第二排液泵。
本发明提供的技术方案带来的有益效果如下：
a.本发明提供的用于硼氢化钠溶液水解制氢的气液分离装置，先采用高效冷凝机构冷凝氢气流中的液滴杂质，增大液滴粒径，随后通过分离机构，进一步除去氢气流中的液滴，排出的氢气无液体已净化，适宜为燃料电池或其它用氢装置提供氢源，解决了大流量的氢气携带杂质问题；
b.本发明提供的用于硼氢化钠溶液水解制氢的气液分离装置，对已有水解制氢装置进行完善，可更好地利用硼氢化钠溶液制氢，该装置具有自动化程度高、使用安全可靠的优点，净化了氢气流，克服了原有制氢系统的不足。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的用于硼氢化钠溶液水解制氢的气液分离装置的一种结构示意图；
图2是本发明实施例提供的用于硼氢化钠溶液水解制氢的气液分离装置的另一种结构示意图。
其中，附图标记包括：1-冷凝机构，11-冷凝管，12-冷凝液进液管，13-冷凝液储液部件，14-冷凝液出液部件，15-冷凝液排液管，16-第一壳体，161-第一壳体的进气端，162-第一壳体的出气端，17-第二壳体，18-冷凝液存液部件，2-反应器，20-制氢催化剂，21-原料进液管，22-布液器，23-副产物排液泵，24-恒温装置槽，3-分离机构，31-分离机构的出气端，4-废液收集器，5-除雾器，6-液位检测组件，7-第一排液管，8-第二排液管，9-第三排液管，10-第一排液泵，19-第二排液泵，25-阀门，26-导流部件。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
在本发明的一个实施例中，提供了一种用于硼氢化钠溶液水解制氢的气液分离装置，具体结构参见图1，其包括冷凝机构1、分离机构3、废液收集器4，冷凝机构1与反应器2连通，冷凝机构1用于冷凝经反应器2流出的气流中的液体；分离机构3与冷凝机构1连通，其用于对经过冷凝机构1冷凝后的气流中的液体进行分离；废液收集器4与冷凝机构1、分离机构3连通，其用于收集经冷凝机构1、分离机构3排出的液体。
反应器2包括原料进液管21以及与原料进液管21相连通的布液器22，原料进液管21的一端用于伸入反应器2，布液器22位于反应器2内。反应器2与废液收集器4之间设置有排液管，排液管上设置有副产物排液泵23，反应器2外设恒温装置槽24，反应器2内置负载型制氢催化剂20。碱性硼氢化钠溶液由原料进液管21进入反应器3、通过与原料进液管21相连的布液器22(布液器22包括一个或多个喷头)将硼氢化钠溶液均匀分布喷出，溶液与置于下方的负载型制氢催化剂接触发生水解反应，制得氢气。反应副产物溶液由副产物排液泵抽出，排入废液收集器4。
冷凝机构1的具体结构如下：其包括冷凝组件和冷凝液供送部件，冷凝液供送部件与冷凝组件连通并用于向冷凝组件提供冷凝液；冷凝组件与反应器2、分离机构3、废液收集器4连通。
冷凝组件的具体结构如下：其包括进液组件、冷凝管11和出液组件，进液组件、出液组件分别与冷凝液供送部件连通，并形成冷凝液在进液组件、冷凝管11、出液组件和冷凝液供送部件之间的循环。
冷凝管11设置为一个或多个，冷凝管11为长条形或蛇形。
进液组件的具体结构如下：其包括冷凝液进液管12和冷凝液储液部件13，冷凝液进液管12的一端用于与冷凝液供送部件连通，另一端与冷凝液储液部件13的一端连通，冷凝液储液部件13的另一端与冷凝管11连通。冷凝液储液部件13有一个或多个储液管组成，其用于暂存从冷凝液进液管12进入的冷凝液。
出液组件的具体结构如下：其包括冷凝液出液部件14与冷凝液排液管15，冷凝液出液部件14一端与冷凝管11连通，另一端与冷凝液排液管15一端连通，冷凝液排液管15的另一端与冷凝液供送部件连通。冷凝液出液部件14有一个或多个液管组成，当设置多个时，多个液管之间具有供冷凝后的液体流出的通道。
冷凝液供送部件输送的冷凝液通过冷凝液进液管12进入冷凝液储液部件13，冷凝水进入各个冷凝管11，升温后的冷凝水进入下部冷凝液出液部件14，再通过冷凝液排液管15排出到冷凝液供送部件(冷却塔)，冷却后可循环使用。冷凝机构的冷凝管11内的冷凝水换热后，排去冷凝液供送部件，冷却后回用，不发生外排。
冷凝机构1还包括第一壳体16和第二壳体17，第二壳体17位于第一壳体16下方，第一壳体16具有进气端与出气端，第一壳体16内部形成供气流水平流通的空间，冷凝管11位于第一壳体16内；第二壳体17具有出液端；第一壳体16的进气端用于与反应器2的出气端连通，第一壳体16的出气端用于与分离机构3连通，第二壳体17的出液端用于与废液收集器4连通，第一壳体16和第二壳体17之间具有供冷凝后的液体流出的通道，经过冷凝组件冷凝下来的氢气流中的副产物水溶液流至第二壳体内。通过高效冷凝机构冷凝氢气流后，有助于氢气流中液滴的长大，为后续的分离机构较好的分离氢气流中的液滴奠定了基础。冷凝组件结构简单，易加工制作，无运动部件，使用简单。
在本发明提供的另一个实施例中，冷凝液出液部件14与冷凝管11之间设置有冷凝液存液部件18，参见图2，冷凝液存液部件18设置在第二壳体17内，一个冷凝液存液部件可连接一个或多个冷凝管11，当冷凝管11数量较多时，可设置冷凝液存液部件18，便于增大换热面积，提高冷凝效率。
分离机构3的具体结构如下：其包括容器以及设置在容器内的分离部件，分离部件用于对经过冷凝机构1冷凝后的气流中的液体进行分离，分离部件优选采用旋风分离器，旋风分离器属于本领域的常识，在此不对其进行详细阐述。容器具有进气端、出气端和出液端，容器的进气端用于与冷凝机构1连接，容器的出液端用于与废液收集器4连通，容器的出气端用于排出分离后的气体(已净化的气体)，容器的出液端与废液收集器4通过第三排液管9连通，第三排液管9上设置有阀门25和第二排液泵19。
容器的进气端、冷凝机构的出气端设置有导流部件26，导流部件26用于引导从冷凝机构1流出的气流输出至分离机构3，导流部件26优选为导流板，导流板可倾斜设置，可设置为一个或多个。设置导流部件26，为分离机构3分离液位杂质创造条件。
产生的氢气流通过冷凝机构1冷凝后，通过导流部件26导流后进入分离机构3的容器内，经过分流下来的副产物溶液从下部通过阀门与排液泵的配合排出，进入废液收集器4。净化后的氢气则从位于容器上部的进气端排出，供给燃料电池等用氢设备。此外，系统配套有不锈钢管道及相应的关断阀门等。
装置还包括液位检测组件、和/或排液组件，液位检测组件6设置在冷凝机构1内并用于检测冷凝机构1内液体的液位高度。冷凝机构1的第一壳体16下部的第二壳体17设置有液位检测组件6，配置控制系统，设置一定的液位高度范围内。
排液组件的具体结构如下：其包括第一排液管7、第二排液管8和第三排液管9，第一排液管7用于与冷凝机构1、废液收集器4连通，第一排液管7上设置有第一排液泵10；第二排液管8用于与冷凝机构1、废液收集器4连通，第二排液管8上设置有阀门25；第三排液管9用于与分离机构3、废液收集器4连通，第三排液管9上设置有第二排液泵19。
第二壳体17用于存储经过冷凝组件冷凝下来的氢气流中的副产物水溶液，当第二壳体17内液位高于设定值时，通过控制系统自动启动第一排液泵10，将第二壳体17内冷凝的副产物水溶液排入废液收集器4；当第二壳体17内液位低于设定值后，自动停止排液泵。
当反应器检修时，切断原料溶液的供给，可以切换到冲洗水供应管路，启动高压水冲洗，通过原料进液管21及其相连的布液器22布水冲洗。当发生事故或检修时需要大量冲洗冷凝组件时，打开检修阀门25，用于第二壳体17(冷凝液收集空间)内液体的排出。
装置还包括设置在反应器2与冷凝机构1之间的除雾器5，除雾器5与反应器2、冷凝机构1均连通，除雾器5用于去除通过反应器2流出的气流中的液体，除雾器5位于反应器2上部，初步除去氢气流中携带的碱液及副产物杂质。制得的氢气通过反应器2上部的除雾器5除去氢气流夹带的液滴后，再从除雾器5上方出气口排出反应器2，进入冷凝机构1。
除雾器5为本领域技术人员熟知的技术手段，对其具体结构不进行限定。该除雾器5不但能滤除悬浮于气流中的较大液沫，而且能滤除较小和微小液沫。
本发明设计的用于硼氢化钠溶液水解制氢的气液分离装置，先采用高效冷凝机构冷凝了氢气流中的液滴杂质，增大了液滴粒径，随后通过分离机构，进一步除去了氢气流中的液滴，排出的氢气已净化无液体，适宜为燃料电池或其它用氢装置提供氢源，解决了大流量的氢气携带杂质问题；本发明提供的用于硼氢化钠溶液水解制氢的气液分离装置，对已有水解制氢装置进行完善，可更好地利用硼氢化钠溶液制氢，该装置具有自动化程度高、使用安全可靠的优点，净化了氢气流，克服了原有制氢系统的不足。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于硼氢化钠溶液水解制氢的气液分离装置，其特征在于，包括：
冷凝机构(1)，所述冷凝机构(1)与反应器(2)连通，所述冷凝机构(1)用于冷凝经所述反应器(2)流出的气流中的液体；
分离机构(3)，所述分离机构(3)与所述冷凝机构(1)连通，其用于对经过所述冷凝机构(1)冷凝后的气流中的液体进行分离；
废液收集器(4)，所述废液收集器(4)与所述冷凝机构(1)、分离机构(3)连通，其用于收集经所述冷凝机构(1)、分离机构(3)排出的液体。
2.根据权利要求1所述的用于硼氢化钠溶液水解制氢的气液分离装置，其特征在于，所述冷凝机构(1)包括冷凝组件和冷凝液供送部件，所述冷凝液供送部件与冷凝组件连通并用于向所述冷凝组件提供冷凝液；所述冷凝组件与反应器(2)、分离机构(3)、废液收集器(4)连通。
3.根据权利要求2所述的用于硼氢化钠溶液水解制氢的气液分离装置，其特征在于，所述冷凝组件包括进液组件、冷凝管(11)和出液组件，所述进液组件、出液组件分别与冷凝液供送部件连通，并形成所述冷凝液在所述进液组件、冷凝管(11)、出液组件和冷凝液供送部件之间的循环。
4.根据权利要求3所述的用于硼氢化钠溶液水解制氢的气液分离装置，其特征在于，所述进液组件包括冷凝液进液管(12)和冷凝液储液部件(13)，所述冷凝液进液管(12)的一端用于与所述冷凝液供送部件连通，另一端与所述冷凝液储液部件(13)的一端连通，所述冷凝液储液部件(13)的另一端与所述冷凝管(11)连通；
所述出液组件包括冷凝液出液部件(14)与冷凝液排液管(15)，所述冷凝液出液部件(14)一端与所述冷凝管(11)连通，另一端与所述冷凝液排液管(15)一端连通，所述冷凝液排液管(15)的另一端与所述冷凝液供送部件连通。
5.根据权利要求4所述的用于硼氢化钠溶液水解制氢的气液分离装置，其特征在于，所述冷凝机构(1)还包括第一壳体(16)和第二壳体(17)，所述第二壳体(17)位于第一壳体(16)下方，所述第一壳体(16)具有进气端(161)与出气端(162)，所述第一壳体(16)内部形成供气流水平流通的空间，所述冷凝管(11)位于所述第一壳体(16)内；所述第二壳体(17)具有出液端；所述第一壳体(16)的进气端用于与所述反应器(2)的出气端连通，所述第一壳体(16)的出气端用于与所述分离机构(3)连通，所述第二壳体(17)的出液端用于与所述废液收集器(4)连通，所述第一壳体(16)和第二壳体(17)之间具有供冷凝后的液体流出的通道。
6.根据权利要求1所述的用于硼氢化钠溶液水解制氢的气液分离装置，其特征在于，所述分离机构(3)包括容器以及设置在所述容器内的分离部件，所述分离部件用于对经过所述冷凝机构(1)冷凝后的气流中的液体进行分离；所述容器具有进气端、出气端(31)和出液端，所述容器的进气端用于与所述冷凝机构(1)连接，所述容器的出液端用于与所述废液收集器(4)连通，所述容器的出气端用于排出分离后的气体。
7.根据权利要求6所述的用于硼氢化钠溶液水解制氢的气液分离装置，其特征在于，所述容器的进气端处设置有导流部件(26)，所述导流部件(26)用于引导从所述冷凝机构(1)流出的气流输出至所述分离机构(3)。
8.根据权利要求1所述的用于硼氢化钠溶液水解制氢的气液分离装置，其特征在于，所述装置还包括设置在所述反应器(2)与所述冷凝机构(1)之间的除雾器(5)，所述除雾器(5)与所述反应器(2)、冷凝机构(1)均连通，所述除雾器(5)用于去除通过所述反应器(2)流出的气流中的液体。
9.根据权利要求1所述的用于硼氢化钠溶液水解制氢的气液分离装置，其特征在于，所述的装置还包括液位检测组件、和/或排液组件，所述液位检测组件(6)设置在所述冷凝机构(1)内并用于检测所述冷凝机构(1)内液体的液位高度。
10.根据权利要求9所述的用于硼氢化钠溶液水解制氢的气液分离装置，其特征在于，所述排液组件包括第一排液管(7)、第二排液管(8)和第三排液管(9)，所述第一排液管(7)用于与所述冷凝机构(1)、废液收集器(4)连通，所述第一排液管(7)上设置有第一排液泵(10)；所述第二排液管(8)用于与所述冷凝机构(1)、废液收集器(4)连通，所述第二排液管(8)上设置有阀门(25)；所述第三排液管(9)用于与所述分离机构(3)、废液收集器(4)连通，所述第三排液管(9)上设置有第二排液泵(19)。
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