CN115040900A - 一种利用旋流离心力场强化微细气泡分离的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用旋流离心力场强化微细气泡分离的装置，包括碱性电解槽、离心泵、旋流分离器、气液分离罐、以及气体处理装置，其中，所述旋流分离器为一立式柱腔，该立式柱腔中部所开设的电解液进口为切向入口，以使含气电解液沿切线方向进入旋流分离器从而形成旋流，且所述立式柱腔底部所开设的液相出口同样为切向出口。本发明还公开了使用所述装置的碱性电解水制氢方法。本发明利用旋流分离器弥补传统气液分离器使用重力场沉降进行气液分离的不足，使得混合液中的微细气泡或溶解的气体(氢气或氧气)在离心力场、压力场以及湍动作用下，快速向旋流分离器的中央聚集，加快了微细气泡的聚并分离，从而提高气液分离能力。
Description
技术领域
本发明属于碱性电解水制氢技术领域，具体地说，是关于一种利用旋流离心力场强化微细气泡分离的装置及方法。
背景技术
氢气具有无污染、可再生、热值高等特点，是一种理想的清洁能源，在工业上应用广泛，包括石油精制、金属冶炼、汽车能源。未来氢能产量需求将快速增长。电解碱水制氢是当前唯一一种技术成熟、实现大规模、长周期生成的绿色制氢方法。
电解碱水制氢的电解产物氢气和氧气是和电解质一起流出电解槽，气体与电解液的高效、快速分离对电解系统意义重大。氢气和氧气在电解液中的溶解度非常小，都几乎以气泡的形式存在。然而，混合在电解液中的氢气和氧气泡尺寸非常小，直径大约只有30～120微米，加上质量分数为20～30％的氢氧化钠或者氢氧化钾的电解质溶液粘度较大，导致气体的上升速度非常慢，所以气液分离效率并不高，因此整个分离周期也较长。
传统的气液分离器采用重力沉降分离，这种方法分离速度慢、分离效率低，造成气液分离器设备体积大、造价高，占地面积大。此外，利用沉降分离还会造成微细气泡分离不干净，使回流到电解槽的电解液中含有部分气体，会造成电解质中含气量过高，电阻增大，电解效率降低。更重要的是，氢气分离器和氧气分离器分离的电解液在电解槽中混合，少量氢气、氧气混合，对电解槽造成安全隐患。因此，开发一种强化微细气泡分离的手段对电解制氢系统的高效安全运行十分重要。
CN112981437A公开了一种水电解制氢系统及其气体纯度控制方法，该方法通过降低水电解制氢系统的电解液流量，提高气体纯度，扩大其运行功率范围；并在电解液流量降低到预设流量下限时，通过降低系统压力来继续改善气体纯度，进一步继续扩大其运行功率范围。但是，该方法并没有提高微细气泡的气液分离效率，没有实现电解液气含率的有效控制，对于制氢系统的气液分离效率的提高意义很小。
CN114082248A公开了一种氢气纯化装置和水电解制氢系统，该装置通过多个平行且间隔布置的叶片形成可供气体流过的流道，通过叶片上的多个支段的止挡作用，混合物可以实现快速的流向转变。在离心力的作用下，混合物中的水蒸气和液体与支段发生多次动能碰撞而形成小液滴，在自身重力、液体表面张力和气体动能的联合作用下在叶片上汇流成股，顺着叶片流动，最终能够从液体出口流出，分离后的气体继续向着流道的下游流动，最终能够从气体出口排出。该装置可有效地增加混合液与叶片之间的碰撞，提高了氢气的分离效率，但是该方法湍动能低，结构复杂，氢气容易发生滞留，因而降低了氢气的分离效率。
发明内容
本发明的目的在于针对传统水电解制氢系统中气液分离器对于微细气泡的分离效率差的问题，提供一种能够强化微细气泡的分离、提高气液分离效率的装置。
为实现上述目的，本发明的第一个方面，提供了一种利用旋流离心力场强化微细气泡分离的装置，包括碱性电解槽、离心泵、旋流分离器、气液分离器、以及气体处理装置，其中：
所述碱性电解槽的出口通过管路经由所述离心泵与所述旋流分离器连接，以用于将经电解的气液混合物输送至旋流分离器进行气液分离；
所述旋流分离器的中部设有混合液进口，用于接收来自碱性电解槽的气液混合物，旋流分离器的顶部和底部分别设有气相出口和液相出口，用于将旋流分离后的气相和液相输送至气液分离器；
所述气液分离器的中部和上部分别设有液相进口和气相进口，分别用于接收经旋流分离器分离的液相和气相以进行进一步的重力沉降，气体分离罐的顶部和底部分别设有气相出口和电解液出口，所述气相出口通过管路与所述气体分离装置连接，电解液出口则通过管路与所述碱性电解槽连接，用于将电解液输送回碱性电解槽；
所述气体处理装置用于接收来自气液分离器的气体以进行干燥加压处理；
进一步的，所述碱性电解槽具有两个出口，分别用于输出含氢电解液和含氧电解液；与之相对应，所述旋流分离器、气液分离器、以及气体处理装置均为两组，分别用于处理含氢电解液和含氧电解液以分别收集氢气和氧气；
所述旋流分离器为一立式柱腔，该立式柱腔中部所开设的电解液进口为切向入口，以使含气电解液沿切线方向进入旋流分离器从而形成旋流，且所述立式柱腔底部所开设的液相出口为切向出口。
根据本发明，所述切向入口有两个，在所述立式柱腔的外壁上呈180°设置；所述切向出口同样有两个，在立式柱腔的外壁上呈180°设置。
根据本发明，所述旋流分离器的顶部所设的气相出口在立式柱腔的内部设有一渐缩溢流管，该渐缩溢流管在立式柱腔内部的气相出口周壁形成一倒锥型厚壁，用于在低压力损耗下提供气泡的分离作用力。
根据本发明，所述旋流分离器的底部设有一内锥体，该内锥体的底面面积大于所述渐缩溢流管的倒锥型厚壁末端的底面面积，且切向液相出口与所述内锥体的底部平齐。
根据本发明的优选实施例，所述旋流分离器所设的切向入口及出口的内径均为15mm，渐缩溢流管底端和顶端的内径分别为15mm和10mm。
根据本发明，对于直径为0.5～1m、高度为2～4m的气液分离器，所述旋流分离器的立式柱腔的长径比为5～8，柱腔直径为50～100mm，柱腔高度为250～800mm。
根据本发明，所述气液分离器为立式罐的形式。
本发明的第二个方面，提供了一种碱性电解水制氢方法，使用上述的利用旋流离心力场强化微细气泡分离的装置，所述方法包括：
经过碱性电解槽电解后的电解液变为含有大量微细气泡的气液混合液，在离心泵的作用下，气液混合液由旋流分离器的切向入口进入旋流分离器，在旋流离心力场的作用下，气液混合液中的微细气泡或溶解的气体不断向旋流分离器的中央聚集，最终形成的气泡在离心力场的作用下得到分离，气相由旋流分离器顶部的气相出口排出进入气液分离器的顶部，液相由旋流分离器底部的切向出口排出进入气液分离器的中部，在经过气液分离器的进一步沉降分离后，电解液从气液分离器的底部排出，重新回到碱性电解槽循环使用，气体则由气液分离器的顶部排出，进入气体处理装置进行干燥加压处理，处理好的气体即可进行储存使用。
根据本发明，所述气液分离器中电解液的体积控制在气液分离器的容积的1/2～3/4。
根据本发明，所述旋流分离器入口的混合液压力为0.8～1.6Mpa，入口速度为3～6m/s。
根据本发明，所述离心泵的出口压力为0.8～1.6Mpa。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明利用旋流分离器弥补传统气液分离器使用重力场沉降进行气液分离的不足，使得混合液中的微细气泡或溶解的气体(氢气或氧气)在离心力场、压力场以及湍动作用下，快速向旋流分离器的中央聚集，加快了微细气泡的聚并分离，从而提高气液分离能力。
2、克服了微细气泡直径小和电解液粘度大带来的分离困难，解决了电解制氢系统中传统气液分离器分离速度慢、效率低的问题，减小了分离器体积，保证流回电解槽的电解液含气量小于0.5％，同时，使用旋流分离器并不会引入其他副产物，保证了气液分离器的安全、高效运行。
附图说明
图1为利用旋流离心力场强化微细气泡分离的工艺装置流程示意图。
图2为旋流分离器的结构示意图。
图3为图2沿纵向中心的截面示意图。
图4为气液分离器的结构示意图。
图5为旋流分离器的原理示意图。
图6为图5沿A-A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。
如图1所示，本发明的利用旋流离心力场强化微细气泡分离的装置包括碱性电解槽1、离心泵2、旋流分离器3、气液分离器4、以及气体处理装置5，其中：
所述碱性电解槽1的出口11通过管路经由所述离心泵2与所述旋流分离器3连接，以用于将经电解的含气电解液(气液混合物)输送至旋流分离器3进行气液分离；
所述旋流分离器3的中部设有混合液进口31，用于接收来自碱性电解槽1的气液混合物，旋流分离器3的顶部和底部分别设有气相出口32和液相出口33，用于将旋流分离后的气相和液相输送至气液分离器4；
所述气液分离器4的中部和上部分别设有液相进口41和气相进口42，分别用于接收经旋流分离器3分离的液相和气相以进行进一步的重力沉降，气体分离罐4的顶部和底部分别设有气相出口43和电解液出口44，所述气相出口43通过管路与所述气体分离装置5连接，电解液出口44则通过管路与所述碱性电解槽1连接，用于将电解液输送回碱性电解槽1；
所述气体处理装置5用于接收来自气液分离器4的气体以进行干燥储存；
进一步的，所述碱性电解槽1具有两个出口11，分别用于输出含氢电解液和含氧电解液；与之相对应，所述旋流分离器3、气液分离器4、以及气体处理装置5均为两组，分别用于处理含氢电解液和含氧电解液以分别收集氢气和氧气。
进一步的，如图2和图3所示，所述旋流分离器3为一立式柱腔，该立式柱腔中部所开设的电解液进口31为切向入口，以使含气电解液沿切线方向进入旋流分离器3从而形成旋流；优选的，所述切向入口有两个，在立式柱腔的外壁上呈180°设置；并且，所述立式柱腔底部所开设的液相出口33同样为切向出口，优选的，所述切向出口同样有两个，在立式柱腔的外壁上呈180°设置。
进一步的，所述旋流分离器3顶部所设的气相出口32在立式柱腔的内部设有一渐缩溢流管34，该渐缩溢流管34在立式柱腔内部的气相出口32的周壁形成一倒锥型厚壁，用于在低压力损耗下提供气泡的分离作用力。
进一步的，所述旋流分离器3底部设有一内锥体35，该内锥体35的底面面积大于所述渐缩溢流管34的倒锥型厚壁末端的底面面积，且切向液相出口33与所述内锥体35的底部平齐。
优选的，所述旋流分离器3所设的切向入口及出口(电解液进口31和液相出口33)的内径均为15mm，渐缩溢流管34底端和顶端的内径分别为15mm和10mm；对于直径为0.5～1m、高度为2～4m的气液分离器4，旋流分离器3的立式柱腔的长径比为5～8，柱腔直径为50～100mm，柱腔高度为250～800mm。
优选的，如图4所示，所述气液分离器4为立式罐的形式。
使用上述利用旋流离心力场强化微细气泡分离的装置的电解水制氢工艺如下：
经过碱性电解槽1电解后的电解液变为含有大量微细气泡的气液混合液，在离心泵2的作用下，气液混合液由旋流分离器3的切向入口进入旋流分离器3，结合图5和图6所示，在旋流离心力场的作用下，气液混合液中的微细气泡或溶解的气体不断向旋流分离器3的中央聚集，最终形成的气泡在离心力场的作用下得到分离，气相由旋流分离器3顶部的气相出口排出进入气液分离器4的顶部，液相由旋流分离器3底部的切向出口排出进入气液分离器4的中部，在经过气液分离器4的进一步沉降分离后，电解液从气液分离器4的底部排出，重新回到碱性电解槽1循环使用，气体则由气液分离器4的顶部排出，进入气体处理装置5进行干燥加压处理，处理好的气体即可进行储存使用。
根据本发明，进入旋流分离器3前，电解液中所含微细气泡的直径为40～120微米，电解液含气率为5～20％，从旋流分离器3排出的液相产物电解液的含气率小于0.5％。
进一步的，所述气液分离器4为立式罐的形式，液相从气液分离器4的中部进入，液体产物从气液分离器4的底端排出，气相由气液分离器4的上部进入，气相产物从气液分离器4的顶部排出，气液分离器中电解液的体积控制在气液分离器4的容积的1/2～3/4，从气液分离器4排出的液相产物电解液含气率小于0.5％。
进一步的，所述旋流分离器3入口的混合液压力为0.8～1.6Mpa，入口速度为3～6m/s，混合液中的微细气泡或溶解的气体在旋流湍流的作用下，不断向旋流分离器3的中央聚集，在旋流分离器的轴心处形成低压区，以实现气液分离。
进一步的，所述旋流分离器3的气相出口连接于气液分离器4的上端，液相出口连接于气液分离器4的中部，旋流分离器3的入口端连接离心泵2，该离心泵2的出口压力优选为0.8～1.6Mpa。
实施例1
采用本发明的利用旋流离心力场强化微细气泡分离的装置进行碱性电解水制氢，具体工艺条件如下：
从碱性电解槽1出来的气液混合液，通过离心泵2加压后进入旋流分离器3内，微细气泡和溶解性气体在旋流离心力场和压力场的协同作用下快速聚并分离，分离的气相从旋流分离器3的顶部排出，并进入气液分离器4的上部，液相从旋流分离器3的底部排出，进入气液分离器4的中部，经过进一步沉降、稳定，气体(氢气或氧气)由气液分离器4的顶部排出，电解液由气液分离器4的底部排出，并重新流回碱性电解槽1循环使用，气体则进入气体处理装置5进行干燥加压处理，即可储存使用。
从碱性电解槽1出来的含气电解液进入旋流分离器3前，电解液中所含微细气泡直径为60～100微米，电解液的含气率为15％。
所述气液分离器4为立式罐，直径为0.8m，高度为3m，气液分离器4中电解液的体积控制在气液分离器4的容积的3/4。
所述旋流分离器3入口的气液混合液的压力为0.8Mpa，入口速度为3m/s，混合液中的微细气泡或溶解的气体在旋流湍流的作用下，不断向旋流分离器3的中央聚集，在旋流分离器3的轴心处形成低压区，以实现气液分离。
所述旋流分离器3的气相出口连接于气液分离器4的上部，液相出口连接于气液分离器4的中部，旋流分离器3的入口端所设离心泵2的出口压力为0.8Mpa。
所述旋流分离器3所设的切向入口及出口得内径均为15mm，溢流管34底端与顶端的内径分别为15mm和10mm，旋流分离器3的柱腔的长径比为8，柱腔的直径为50mm，柱腔的高度为400mm。
经检测，最终从气液分离器4排出的液相产物电解液的含气率为0.35％。
对比例1
与实施例1相比，对比例1的差别在于装置不采用旋流分离器，只采用传统的气液分离器，电解混合液直接进入气液分离器，电解液的进液条件与实施例1相同，电解液在气液分离器中的体积控制在气液分离器容积的3/4，流动电解液的雷诺数为1500～3500，微细气泡的上升速度为0.005m/s。
经检测，部分气体无法从电解液中分离出来，从气液分离器排出的液相产物电解液的含气率为5％。
实施例1和对比例1经过气液分离器分离的电解液中的含气结果如以下表1所示。
表1
从表1的结果可以看出，采用旋流分离器可以强化电解液中微细气泡的分离，降低电解液的含气率，提高装置的气液分离效率。
实施例2
与实施例1相比，实施例2的旋流分离器的入口混合液压力为1.3Mpa，入口速度为6m/s。
实施例1和实施例2经过气液分离器分离的电解液中的含气结果如以下表2所示。
表2
| 实施例1 | 实施例2 | |
| 微气泡含量(个/ml) | 20 | 30 |
| 大气泡含量(个/ml) | 2 | 5 |
| 含气率(体积百分比％) | 0.35 | 1.0 |
从表2的结果可知，采用旋流分离器的方式对微细气泡分离效果的影响，较大的混合液入口速度有着较好的湍动作用，可以高效的分离微细气泡，但入口速度过高会导致旋流分离器出口含气量过大，气泡来不及分离便被排出旋流分离器，使得进入气液分离器的电解液含气率较高，导致电解液总含气率有所升高。
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，对上述实施例做出的修改或者采用等同的替代方案，均属于本发明的范围。
Claims (11)
1.一种利用旋流离心力场强化微细气泡分离的装置，其特征在于，所述装置包括碱性电解槽、离心泵、旋流分离器、气液分离器、以及气体处理装置，其中：
所述碱性电解槽的出口通过管路经由所述离心泵与所述旋流分离器连接，以用于将经电解的气液混合物输送至旋流分离器进行气液分离；
所述旋流分离器的中部设有混合液进口，用于接收来自碱性电解槽的气液混合物，旋流分离器的顶部和底部分别设有气相出口和液相出口，用于将旋流分离后的气相和液相输送至气液分离器；
所述气液分离器的中部和上部分别设有液相进口和气相进口，分别用于接收经旋流分离器分离的液相和气相以进行进一步的重力沉降，气体分离罐的顶部和底部分别设有气相出口和电解液出口，所述气相出口通过管路与所述气体分离装置连接，电解液出口则通过管路与所述碱性电解槽连接，用于将电解液输送回碱性电解槽；
所述气体处理装置用于接收来自气液分离器的气体以进行干燥加压处理；
进一步的，所述碱性电解槽具有两个出口，分别用于输出含氢电解液和含氧电解液；与之相对应，所述旋流分离器、气液分离器、以及气体处理装置均为两组，分别用于处理含氢电解液和含氧电解液以分别收集氢气和氧气；
所述旋流分离器为一立式柱腔，该立式柱腔中部所开设的电解液进口为切向入口，以使含气电解液沿切线方向进入旋流分离器从而形成旋流，且所述立式柱腔底部所开设的液相出口为切向出口。
2.根据权利要求1所述的装置，所述切向入口有两个，在所述立式柱腔的外壁上呈180°设置；所述切向出口同样有两个，在立式柱腔的外壁上呈180°设置。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述旋流分离器的顶部所设的气相出口在立式柱腔的内部设有一渐缩溢流管，该渐缩溢流管在立式柱腔内部的气相出口周壁形成一倒锥型厚壁，用于在低压力损耗下提供气泡的分离作用力。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述旋流分离器的底部设有一内锥体，该内锥体的底面面积大于所述渐缩溢流管的倒锥型厚壁末端的底面面积，且切向液相出口与所述内锥体的底部平齐。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述旋流分离器所设的切向入口及出口的内径均为15mm，渐缩溢流管底端和顶端的内径分别为15mm和10mm。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，对于直径为0.5～1m、高度为2～4m的气液分离器，所述旋流分离器的立式柱腔的长径比为5～8，柱腔直径为50～100mm，柱腔高度为250～800mm。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气液分离器为立式罐的形式。
8.一种碱性电解水制氢方法，使用权利要求1-7中任一项所述的利用旋流离心力场强化微细气泡分离的装置，其特征在于，所述方法包括：
经过碱性电解槽电解后的电解液变为含有大量微细气泡的气液混合液，在离心泵的作用下，气液混合液由旋流分离器的切向入口进入旋流分离器，在旋流离心力场的作用下，气液混合液中的微细气泡或溶解的气体不断向旋流分离器的中央聚集，最终形成的气泡在离心力场的作用下得到分离，气相由旋流分离器顶部的气相出口排出进入气液分离器的顶部，液相由旋流分离器底部的切向出口排出进入气液分离器的中部，在经过气液分离器的进一步沉降分离后，电解液从气液分离器的底部排出，重新回到碱性电解槽循环使用，气体则由气液分离器的顶部排出，进入气体处理装置进行干燥加压处理，处理好的气体即可进行储存使用。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述气液分离器中电解液的体积控制在气液分离器4的容积的1/2～3/4。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述旋流分离器入口的混合液压力为0.8～1.6Mpa，入口速度为3～6m/s。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述离心泵的出口压力为0.8～1.6Mpa。
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