CN114990632A - 设置倾斜板强化气液分离器微细气泡脱离的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种设置倾斜板强化气液分离器微细气泡脱离的装置，包括碱性电解槽、氢气气液分离器、氧气气液分离器、气体干燥纯化装置、以及循环增压泵，其中，所述氢气气液分离器和氧气气液分离器内均设置有平行阵列排布的多个倾斜板，以用于强化电解液中微细气泡的分离；对于所述氢气气液分离器和氧气气液分离器为卧式罐的形式，所述倾斜板相对于水平面的倾斜角度为45°～75°。本发明还公开了使用上述装置的碱性电解水制氢方法。本发明通过增设弯折倾斜板，实现了电解液中微细气泡在上升过程的聚并概率增大，使得聚并后气泡的尺寸增大，具有较大的上升速度，从而加快了气泡上升时间，缩短了气泡上升的路径长度。

Description

设置倾斜板强化气液分离器微细气泡脱离的装置和方法
技术领域
本发明属于碱性电解水制氢技术领域，具体涉及一种设置倾斜板强化气液分离器微细气泡脱离的装置和方法。
背景技术
氢能作为一种清洁无碳、灵活高效、应用场景丰富的二次能源和重要的工业原料，具有广阔的发展前景。国际范围内，多个国家和地区已开始布局氢能发展路线。欧盟、日本、美国、韩国都纷纷制定了氢能发展战略。在我国，氢能被纳入国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要。
在“碳中和”背景下，大力发展“绿氢”相关技术、降低“绿氢”成本，是目前一重大要求。水电解制氢具有200年历史，在制、储、运、用环节都有一定的技术积累。水电解制氢的典型技术包括碱水电解制氢、质子交换膜电解制氢、阴离子交换膜电解制氢、高温固体氧化物制氢等，其中碱水制氢是目前最成熟、使用最普遍的绿色制氢方法。其设备的主要结构是两块电极板构成一个电解小室，中间隔着石棉膜，小室可以串联增加产能。在电解过程中，阴阳极产生的气体受到膜的阻碍作用无法混合，从而随电解液流动从不同的出口流出，进入不同的气液分离装置。由于电解产生的氢气和氧气在电解液中的溶解度非常小，一般在气液分离器中都以微细气泡的形式存在，微细气泡的直径大约50-130微米，由于电解液粘度比较大，导致微气泡上升速度缓慢，分离效果差，效率低，因此传统气液分离设备体积大，造价高。同时，当微细气泡分离不干净时，回流到电解槽会导致电解质中含气量过高，电阻增大，电解效率降低，并且氢气分离器和氧气分离器分离的电解液在电解槽中混合，氢气、氧气混合，会对电解槽造成安全隐患。
因此，开发一种能够高效强化气液分离器中微细气泡分离的方法，对水电解制氢领域以及早日实现国家“碳中和”战略具有十分重要意义。
CN213708498U公开了一种碱性水电解制氢气液分离集成系统和集成式制氢设备，该实用新型通过将气体冷却器、气体洗涤器和气液分离器依次由上至下安装至底座上，气体向上依次通过气液分离器、气体洗涤器和气体冷却器，依次完成分离、洗涤、冷却工序，碱性水电解制氢气液分离集成系统的上述结构设置合理利用空间布局，方便车间直接进行生产和安装，为生产制造和后期安装提供了便利，适用于小型工业电解制氢设备。但是该设备只是将多个气体处理单元集成，并没有采取措施解决气液分离效率不高的问题，并不能满足大型制氢设备的需求。
CN114016051A公开了一种适用于电解水制氢系统的气液分离装置，该装置包括中空腔体结构的罐体，罐体上对应设有气液混合物进口和电解液出口，罐体内对应设有微孔过滤分离组件，罐体上还对应设有氢气出口，其微孔过滤分离组件设置在电解液出口和氢气出口之间，所述罐体上对应还设有液位计上接口和液位计下接口、压力信号上接口和压力信号下接口，在气液分离器分离出来的氢气通过过滤网进一步分析提纯。该设备只是将氢气出口部分增设过滤分离组件进行分析提纯，只能提高氢气出口的纯度，但是对气液分离器的气体分离速度和处理量没有提高，不能满足工业生产高效的要求。
发明内容
针对现有电解水制氢系统的气液分离装置所存在的缺点和不足，本发明通过在气液分离装置中设置倾斜角度板以强化气液分离器中微细气泡的分离。
为此，本发明的第一个方面，提供了一种设置倾斜板强化气液分离器微细气泡脱离的装置，包括碱性电解槽、氢气气液分离器、氧气气液分离器、气体干燥纯化装置、以及循环增压泵，其中：
所述碱性电解槽具有两个出口，分别为含氢电解液出口和含氧电解液出口，分别通过管路与所述氢气气液分离器和氧气气液分离器连接；
所述氢气气液分离器和氧气气液分离器分别用于接收来自碱性电解槽的含氢电解液和含氧电解液，并对电解液进行气液分离；
所述气体干燥纯化装置通过管路与所述氢气气液分离器的出口连接，用于接收所述氢气气液分离器分离的氢气，加以干燥纯化后储存；
所述循环增压泵通过管路分别与所述氢气气液分离器和氧气气液分离器的出口、以及碱性电解槽连接，用于将经过气液分离后的电解液输送回碱性电解槽；
并且，所述氢气气液分离器和氧气气液分离器内均设置有平行阵列排布的多个倾斜板，以用于强化电解液中微细气泡的分离；对于所述氢气气液分离器和氧气气液分离器为卧式罐的形式，所述倾斜板相对于水平面的倾斜角度为45°～75°。
根据本发明的优选实施例，所述倾斜板相对于水平面的倾斜角度为60°。
根据本发明，对于长度3m～5m、直径为0.5m～1m的气液分离器，多个倾斜板相互之间的间距为0.2m～0.4m，倾斜板的数量为3～8个。
根据本发明，所述倾斜板为截面呈锯齿形的弯折板，相邻弯折面之间的夹角优选为120°。
根据本发明，所述倾斜板的材料为不锈钢，厚度优选为0.5cm。
本发明的第二个方面，提供了一种碱性电解水制氢方法，利用上述的设置倾斜板强化气液分离器微细气泡脱离的装置，所述方法包括：
从碱性电解槽反应完流出的碱性电解液携带着大量微细气泡，其中含氢电解液进入氢气气液分离器，含氧电解液进入氧气气液分离器；在两个气液分离器中，含微细气泡的电解液流经倾斜板阵列，此时，微细气泡在倾斜板上聚结为大气泡，同时在电解液的湍动作用下加快聚并和上升的速度，从而快速从电解液中分离，其中的氢气从氢气气液分离器的顶部排出，进入干燥纯化装置处理后收集储存；电解液分别从两个气液分离器的出口排出，经过必要的净化处理后，通过循环增压泵再次输送回碱性电解槽循环使用。
根据本发明，所述增压泵的工作压力为0.3～0.7Mpa。
根据本发明的优选实施例，所述氢气气液分离器和氧气气液分离器均为卧式罐的形式，其工作压力为0.5～0.6MPa。
根据本发明的优选实施例，电解液在所述氢气气液分离器和氧气气液分离器中的流动速度为0.2m/s～0.5m/s。
根据本发明的优选实施例，在所述氢气气液分离器和氧气气液分离器中，电解液的体积占气液分离器容积的1/2～3/4。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、所述倾斜板阵列可通过固定装置整体焊接在气液分离器的内部，通过改造分离器内部结构即可实现，能够保持设备体积不变，单位时间内处理量却能增大，从而提高气液分离器的工作效率。
2、通过增设弯折倾斜板阵列，实现了电解液中微细气泡(氢气或氧气)在上升过程中与倾斜板的接触，使得气泡的聚并概率增大，使得聚并后气泡的尺寸增大，具有较大的上升速度，从而加快了气泡的上升时间，缩短了气泡上升的路径长度。
3、克服了现有碱性电解水制氢系统中微细气泡直径小和电解液粘度大造成的上升速度缓慢、效率低的问题，同时倾斜板能够对流过的电解液造成湍动，增大了气泡相互接触的概率，从而使得气液分离器的分离效率更高。
附图说明
图1为本发明的设置倾斜板强化气液分离器微细气泡脱离的工艺流程示意图。
图2为本发明的气液分离器的结构示意图。
图3A为倾斜板的正视图。
图3B为倾斜板的侧视图。
图4为本发明的倾斜板强化气泡聚并原理图。
图5为本发明的气液分离器的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图，以具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。应理解，所描述的实施例仅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，都属于本发明的范围。
实施例1
如图1所示，本发明的设置倾斜板强化气液分离器微细气泡脱离的装置包括碱性电解槽1、氢气气液分离器2、氧气气液分离器3、气体干燥纯化装置4、以及循环增压泵5，其中：
所述碱性电解槽1具有两个出口，分别为含氢电解液出口11和含氧电解液出口12，分别通过管路与所述氢气气液分离器2和氧气气液分离器3连接；
所述氢气气液分离器2和氧气气液分离器3分别用于接收来自碱性电解槽1的含氢电解液和含氧电解液，并对电解液进行气液分离；
所述气体干燥纯化装置4通过管路与所述氢气气液分离器2的出口连接，用于接收所述氢气气液分离器2分离的氢气，加以干燥纯化后储存；
所述循环增压泵5通过管路分别与所述氢气气液分离器2和氧气气液分离器3的出口、以及碱性电解槽1连接，用于将经过气液分离后的电解液输送回碱性电解槽2；
进一步的，如图2所示，所述氢气气液分离器2内设置有平行阵列排布的多个倾斜板6，以用于强化电解液中微细气泡的分离，所述氢气气液分离器2优选为卧式罐的形式，罐体内所设的倾斜板6相对于水平面的倾斜角度为45°～75°，优选为60°；罐体的一端设有进液口21，另一端设有出液口23，最后一块倾斜板6上端的罐体顶部设有排气口22。
进一步的，所述倾斜板6的材料为不锈钢，厚度优选为0.5cm。对于长度3m～5m、直径为0.5m～1m的气液分离器，各倾斜板6之间的间距优选为0.2m～0.4m，倾斜板6的数量优选为3～8个，如图5所示，倾斜板6的底部和顶部分别与氢气气液分离器2的底部和顶部的内壁相抵，其长度由氢气气液分离器2的直径决定。
如图3A和3B所示，所述倾斜板6为截面呈锯齿形的弯折板，且相邻弯折面之间的夹角优选为120°。
进一步的，所述倾斜板6的阵列可以借助框架类的固定架通过焊接的方式固定于氢气气液分离器2的罐体内壁。
本实施例中，所述氧气气液分离器3和氢气气液分离器2的功能相同，都是用于进行气液分离，优选采用相同结构的容器，因此不再作详细说明。为方便起见，下文中所述的“气液分离器”通常是指氢气气液分离器2和氧气气液分离器3。
上述设置倾斜板强化气液分离器微细气泡脱离的装置用于碱性电解水制氢时，从碱性电解槽1反应完流出的碱性电解液携带着大量微细气泡，其中含氢电解液进入氢气气液分离器2，含氧电解液进入氧气气液分离器3；在气液分离器中，含微细气泡的电解液流经多个倾斜板6，此时，如图4的原理图所示，微细气泡在弯折倾斜板6上易聚结为大气泡，同时在电解液湍动作用下加快了其聚并和上升的速度，从而快速从电解液中分离，其中的氢气从氢气气液分离器2的顶部排出，进入干燥纯化装置4处理后收集储存；电解液从气液分离器的出口排出，经过必要的净化处理后，通过循环增压泵5再次输送回碱性电解槽1循环使用。
进一步的，为保证碱性电解槽1中的电解液顺利进入气液分离器，循环增压泵5需达到一定的泵送压力，本发明中，所述增压泵的工作压力为0.3～0.7MPa，在该压力下电解液能够顺利进入气液分离器。
进一步的，所述气液分离器优选为卧式罐的形式，其工作压力为0.5～0.6MPa；从碱性电解槽1出来的含氢电解液在循环增压泵5的作用下进入氢气气液分离器2中，分离出来的氢气从氢气气液分离器2的顶部排出到干燥纯化装置4中，排出的电解液经过净化处理后进入碱性电解槽1循环使用。电解液在气液分离器中的流动速度为0.2m/s～0.5m/s，气液分离器中电解液的体积占气液分离器容积的1/2～3/4。
进一步的，从碱性电解槽1刚进入气液分离器时，电解液中氢气微细气泡的直径通常为40～100微米，经过倾斜板6的聚结，在倾斜板6中部的氢气泡直径为80～150微米，中部氢气泡继续沿板上升聚结，倾斜板6的上部氢气泡直径为200～350微米。相对于不加倾斜板，气泡的上升分离时间可以缩短1/3左右。
进一步的，电解液中大量微细气泡上升到倾斜板6表面后聚并，增大了微细气泡聚并变大的概率，气泡的上升速度由最初的0.001m/s～0.003m/s迅速增大到聚并后的0.05m/s～0.25m/s，气泡的上升路径减小到最初的一半，单位时间气体处理量可增大约1/4。
实施例2
采用实施例1的“设置倾斜板强化气液分离器微细气泡脱离的装置”检测气液分离器对于含微细气泡的电解液的气液分离效果，同时以有倾斜板(无弯折)和采用传统布置方法的无倾斜板两种方式作为对照，三者的电解液进液出液条件相同，电解液在气液分离器中的流动速度为0.3m/s，气液分离器内电解液的体积为气液分离器容积的3/4，流动电解液雷诺数为1800～3700，气液分离器内微细气泡的上升速度为0.003m/s。
气液分离器中气泡数量及单位时间内生产能力的结果如以下表1所示。
表1
Figure BDA0003630010800000061
Figure BDA0003630010800000071
由表1的结果可知，相比不加装倾斜板或加装无弯折倾斜板的气液分离器，实施例1的采用有弯折的斜板阵列的气液分离器，处理后的电解液中微细气泡的含量更低，单位时间的制氢能力更大。可知加装弯折倾斜板阵列使微细气泡的接触聚并概率增大，聚并后气泡上升速度增大，缩短了气泡上升分离的时间，从而增大气液分离器的工作效率。
实施例3
本实施例考察了弯折倾斜板阵列的不同安装角度对于氢气泡数量及单位时间内生产能力的影响，在相同的电解液出液条件下，对比结果如以下表2所示。
表2
45°安装 60°安装 75°安装
微细气泡含量(个/ml) 32 35 51
中大气泡含量(个/ml) 5 5 4
制氢设备生产能力 849标方/小时 863标方/小时 835标方/小时
从表2的结果可以看出，气液分离器内倾斜板安装角度对分离效率影响较大，实验结果表明：当45°安装时，微细气泡含量最少；60°安装时，气泡聚并后的上升速度更大，分离时间更短，设备单位时间制氢能力更高；75°安装时，效果略差。所以本发明中倾斜板优选采用与水平面呈60°的角度安装。
尽管已经对本发明的技术方案做了较为详细的阐述和列举，应当理解，对上述实施例做出修改或者采用等同的替代方案，均属于本发明的范围。

Claims (10)

1.一种设置倾斜板强化气液分离器微细气泡脱离的装置，其特征在于，所述装置包括碱性电解槽、氢气气液分离器、氧气气液分离器、气体干燥纯化装置、以及循环增压泵，其中：
所述碱性电解槽具有两个出口，分别为含氢电解液出口和含氧电解液出口，分别通过管路与所述氢气气液分离器和氧气气液分离器连接；
所述氢气气液分离器和氧气气液分离器分别用于接收来自碱性电解槽的含氢电解液和含氧电解液，并对电解液进行气液分离；
所述气体干燥纯化装置通过管路与所述氢气气液分离器的出口连接，用于接收所述氢气气液分离器分离的氢气，加以干燥纯化后储存；
所述循环增压泵通过管路分别与所述氢气气液分离器和氧气气液分离器的出口、以及碱性电解槽连接，用于将经过气液分离后的电解液输送回碱性电解槽；
并且，所述氢气气液分离器和氧气气液分离器内均设置有平行阵列排布的多个倾斜板，以用于强化电解液中微细气泡的分离；对于所述氢气气液分离器和氧气气液分离器为卧式罐的形式，所述倾斜板相对于水平面的倾斜角度为45°～75°。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述倾斜板相对于水平面的倾斜角度为60°。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，对于长度3m～5m、直径为0.5m～1m的气液分离器，多个倾斜板相互之间的间距为0.2m～0.4m，倾斜板的数量为3～8个。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述倾斜板为截面呈锯齿形的弯折板，相邻弯折面之间的夹角为120°。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述倾斜板的材料为不锈钢，厚度为0.5cm。
6.一种碱性电解水制氢方法，利用权利要求1～5中任一项所述的设置倾斜板强化气液分离器微细气泡脱离的装置，其特征在于，所述方法包括：
从碱性电解槽反应完流出的碱性电解液携带着大量微细气泡，其中含氢电解液进入氢气气液分离器，含氧电解液进入氧气气液分离器；在两个气液分离器中，含微细气泡的电解液流经倾斜板阵列，此时，微细气泡在倾斜板上聚结为大气泡，同时在电解液的湍动作用下加快聚并和上升的速度，从而快速从电解液中分离，其中的氢气从氢气气液分离器的顶部排出，进入干燥纯化装置处理后收集储存；电解液分别从两个气液分离器的出口排出，经过必要的净化处理后，通过循环增压泵再次输送回碱性电解槽循环使用。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述循环增压泵的工作压力为0.3～0.7Mpa。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述氢气气液分离器和氧气气液分离器均为卧式罐的形式，其工作压力为0.5～0.6MPa。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，电解液在所述氢气气液分离器和氧气气液分离器中的流动速度为0.2m/s～0.5m/s。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述氢气气液分离器和氧气气液分离器中，电解液的体积占气液分离器容积的1/2～3/4。
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