CN115069028A - 离心式气液分离器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气液分离可靠的离心式气液分离器，包括：内管体(2)及螺旋组件(3)，内管体(2)为上下延伸且内部具有分离腔体(22)的筒状体，其侧壁上设置有第一进气孔(21)；螺旋组件(3)包括顶端挡板(31)、升气管(32)及螺旋板(33)，顶端挡板(31)与内管体(2)的上端开口固定连接，其设置有第一出气孔(35)；升气管(32)为沿分离腔体(22)延伸的细长管状结构，其与顶端挡板(31)固定连接并贯通第一出气孔(35)；螺旋板(33)围绕着升气管(32)螺旋向下环绕，并与内管体(2)的内壁拼合连接，以围成供待分离的混合流体流通的导流通道(34)。

Description

离心式气液分离器

技术领域

本发明涉及气液分离技术领域，更具体地说，涉及一种离心式气液分离器。

背景技术

为了迎合当今社会节能减排的绿色环保理念，广泛应用于电力、化工、动力等国民经济领域的气液分离技术也在日益完善。例如，气液分离器在PEM(质子交换膜，英文：Proton Exchange Membrane)制氢系统中是较为常用的氢气纯化部件。

目前，一种传统的气液分离器通过利用毛细作用或风冷对输入的携带有水汽的氢气进行冷却，温度较高的氢气遇冷时，混合在氢气中的水蒸气凝结成水滴，以实现氢气和水的气液分离。然而，现有的气液分离器的多孔毛细结构较为复杂，制造成本较高。此外，由于气液分离器的壁厚较厚，采用风冷对气液分离器的冷却(降温)效果不够理想，导致氢气纯化效果较差(即输出的氢气中还携带部分水分)，不能满足工业需求，且对气体干燥度要求较高的后级组件(如背压阀或流量计)的使用寿命也会受到影响。

因此，如何提高析出氢气的纯度以保证后级组件运行的可靠性成为本领域术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述高耗能的缺陷，构造一种在保证气体和液体高效分离的同时，降低能耗的离心式气液分离器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种离心式气液分离器，包括：

内管体，其形成为上下延伸且内部具有分离腔体的筒状体，所述内管体在靠近上端开口的侧壁上设置有与所述分离腔体连通的第一进气孔；

螺旋组件，其设置在所述分离腔体内，包括顶端挡板、升气管及螺旋板，

其中，所述顶端挡板与所述内管体的上端开口处固定连接，所述顶端挡板的中心形成有第一出气孔，

所述升气管形成为沿所述分离腔体延伸的细长管状结构，其与所述顶端挡板固定连接并贯通所述第一出气孔，

所述螺旋板围绕着所述升气管螺旋向下环绕，并与所述内管体的内壁拼合连接，以围成供待分离的混合流体流通的导流通道，

所述混合流体从所述第一进气孔进入所述导流通道并做旋转离心运动，

所述混合流体中的液体附着在所述内管体的内壁上，沿着所述螺旋板向下流动并流出所述导流通道，集于所述内管体的下端，

所述混合流体中分离的氢气从所述升气管下端的第二进气孔经由所述升气管及所述第一出气孔排出。

在一些实施方式中，所述螺旋板的上端设置在所述第一进气孔的水平处，下端延伸至所述第二进气孔处。

在一些实施方式中，所述螺旋板与所述内管体的轴线之间的夹角为70°至85°的范围。

在一些实施方式中，所述升气管的上端固定连接到所述顶端挡板上并贯通所述第一出气孔。

在一些实施方式中，还包括盖体，其封闭所述内管体的上端开口，所述盖体的中心处形成有第二出气孔，以供由所述升气管及所述第一出气孔排出的气体排出所述离心式气液分离器外。

在一些实施方式中，还包括冷却装置，其设置在所述内管体的外侧，以对所述内管体及其内部的所述混合流体进行冷却。

在一些实施方式中，所述冷却装置包括外管体及两个管箍，其中，所述外管体设置为内径比所述内管体的外径大的筒状体，

所述管箍设置为环状结构，所述外管体的上下端分别通过所述管箍固定连接在所述内管体上，以围合成一个冷却腔体。

在一些实施方式中，在所述外管体靠近其上下端开口的侧壁上分别设置有冷却剂出口和冷却剂入口，

冷却剂从所述冷却剂入口进入后流经所述冷却腔体，再由所述冷却剂出口流出，以实现所述冷却剂与所述混合流体之间的热交换。

在一些实施方式中，所述冷却装置的上端设置在所述第一进气孔的下方并靠近所述第一进气孔，下端设置在所述第二进气孔的下方并靠近所述第二进气孔。

在一些实施方式中，还包括设置在所述内管体下端的储液装置，其用于存储从所述内管体下端流出的液体，所述储液装置的侧壁上设置有供液体排出所述离心式气液分离器外的排液口。

实施本发明的离心式气液分离器，具有以下有益效果：

在本发明的离心式气液分离器中，螺旋组件结构有效降低混合流体在分离器中的湍流作用，减小了流动方向的压力损失，使得混合流体在较小的输入压力下，也能沿流动方向达到足够高的流速，在保证混合流体中的氢气和水气高效分离，进而提高输出氢气的纯度，以保证后级组件运行的可靠性。另外，可以通过合理设计螺旋板的螺旋圈数以及结构参数等，对该离心式气液分离器的性能进行进一步的优化。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明所提供的离心式气液分离器的结构示意图；

图2是本发明所提供的离心式气液分离器的拆分示意图；

图3是本发明所提供的离心式气液分离器的正视图；

图4是本发明所提供的离心式气液分离器的侧视图；

图5是本发明所提供的离心式气液分离器的局部示意图；

图6是图5的A-A线剖视图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1至图6所示，本发明所提供的离心式气液分离器主要包括内管体2、螺旋组件3、冷却装置4及储液装置5。

其中，如图5和图6所示，内管体2竖直设置，其形成为上下延伸且内部具有分离腔体22的圆筒形、类圆筒形或多边筒形的筒状体，在本实施例中以圆筒形为例。

分离腔体22用于容纳螺旋组件3，混合流体中的氢气与液体在分离腔体22内分离，并分别从内管体2的上端开口及下端开口排出。

内管体2的靠近上端开口的侧壁上平行贯通设置有第一进气孔21，其与分离腔体22连通，第一进气孔21可设置为规则或不规则形状，用于将具有一定流速的待分离的混合流体通入分离腔体22内。

如图2和图6所示，螺旋组件3垂直设置在分离腔体22内，包括顶端挡板31、升气管32及螺旋板33。

其中，顶端挡板31设置为对应于内管体2横截面形状的圆形、类圆形或多边形板状，并通过螺纹固定、嵌入或卡入的方式固定设置在内管体2的上端开口处，用于封闭内管体2的上端开口，防止分离腔体22中未进行分离的混合流体直接从内管体2的上端开口排出，影响气液分离效果。进一步地，顶端挡板31的中心形成有第一出气孔35，如图所示，其用于将分离腔体22中已分离的氢气排出分离腔体22外部。

进一步地，升气管32形成为沿分离腔体22上下延伸的细长管状结构，其与顶端挡板31固定连接并贯通第一出气孔35。具体地，升气管32与内管体2同轴设置，其上端开口固定连接到顶端挡板31上并贯通第一出气孔35，下端开口置于分离腔体22内。或者，升气管32的上端开口也可突出设置在顶端挡板31上侧。在本实施例中，以升气管32与顶端挡板31单独设置为例，然而，可以理解的是，升气管32可与顶端挡板31直接一体成型。

螺旋板33围绕着升气管32螺旋向下环绕，并与内管体2的内壁拼合连接，以围成供待分离的混合流体流通的导流通道34。在本实施例中，离心式气液分离器工作时，待分离的混合流体以一定的速度从第一进气孔21进入导流通道34并做旋转离心运动，通过离心力和重力的综合作用实现混合流体的气液分离，密度较大的液体附着在内管体2的内壁上，沿着螺旋板33向下流动并流出导流通道34，并集于内管体2的下端或流出，密度较小的氢气从升气管32下端的第二进气孔36进入升气管32内，再经由升气管32的管道从第一出气孔35排出。

在一个实施例中，螺旋板33的内侧边和外侧边分别固定连接于升气管32的外壁和内管体2的内壁上，螺旋板33上端设置在第一进气孔21的水平位置，下端延伸至第二进气孔36处。螺旋板33可设置为左旋或右旋的螺旋结构，上下相邻两圈螺旋板33之间形成等距的螺旋状的导流通道34。另外，螺旋板33可以通过合理设计螺旋圈数以及结构参数等，改变导流通道34的倾斜度、形状及间距，提高气液分离效率。

在本实施例中，如图6所示，螺旋板33的倾斜度可设置为相对缓和，以提高导流通道34在内管体2轴线方向上的单位长度内的流程，提高气液分离效率。即，螺旋板33与内管体2轴线之间的夹角θ可为接近85°的角度，例如优选为70°至85°的范围。也即，导流通道34的倾斜度设置为相对缓和，其与内管体2轴线之间的夹角θ可为接近85°的角度，例如优选为70°至85°的范围。并且，在本实施例中，整个螺旋板33的倾斜度设置为保持一致，即螺旋板33与内管体2轴线之间的夹角θ由上到下保持一致，然而，可以理解的是，螺旋板33的倾斜度可设置为不一致，例如，可根据实际需要设置为由上到下逐渐变得更缓和或更陡峭，或者设置为不规则的倾斜度。

本发明提供的离心式气液分离器的螺旋组件3有效降低混合流体在离心式气液分离器中的湍流作用，即通过控制混合流体的流动方向，减小了因混合流体的不定向运动导致的压力损失，在较小的输入压力下，使得混合流体也能沿流动方向达到足够高的流速，在保证混合流体中的氢气和水气高效分离，以提高输出氢气的纯度，且可保证后级组件运行的可靠性。

进一步地，内管体2的上端开口外设置有盖体1，盖体1呈一端开口且另一端封闭的圆筒状结构，盖体1通过盖体1上的开口端与内管体2的上端开口固定连接，盖体1的封闭端中心处形成有第二出气孔11，以供经升气管32及第一出气孔35排出分离腔体22外的气体进一步排出离心式气液分离器外。

如图5和图6所示，冷却装置4设置在内管体2的外侧，以对内管体2及其内部的混合流体进行冷却。冷却装置4包括外管体42及两个环形结构的管箍41，其中，外管体42设置为内径比内管体2的外径略大的筒状体，并通过管箍41固定连接在内管体2的外壁上。其中，外管体42与内管体2同轴设置并在两者之间围合成一个环形的冷却腔体43。

进一步地，在外管体42靠近其上下端开口的侧壁上分别设置有冷却剂出口44和冷却剂入口45，冷却剂从冷却剂入口45进入后，自下而上流经冷却腔体43，再由冷却剂出口44流出，实现了冷却剂与混合流体之间的热交换，促进混合流体中可凝气体组分(如水蒸汽)的冷凝，从而优化了气液分离效果。其中，以冷水作为冷却剂，可节约成本且达到较好的冷却效果。为了进一步提高冷却效率，还可在外管体42内壁设置螺旋状的、提高冷却剂流程的导流板或导流槽(未图示)。

进一步地，冷却装置4的上端设置在第一进气孔21的下方并靠近第一进气孔21，下端设置在第二进气孔36的下方并靠近第二进气孔36，并且冷却剂入口45设置在第二进气孔36的下方。冷却装置4包围着导流通道34内流动的混合流体，促进冷却剂与流动的混合流体之间的热交换，以达到较好的冷却效果，进而促进混合流体的气液分离。

如图1至图4所示，储液装置5通过一个环形的连接部件52固定设置在内管体2的下端，且储液装置5的侧壁上设置有供分离后的液体排出离心式气液分离器外的排液口51。储液装置5用于存储从内管体2下端流出的液体，避免液体直接流入外界环境中，造成环境污染和资源浪费问题。

进一步地，在储液装置5上通过至少一个固定部件6固定设置液位传感装置7，具体地，固定部件6可为螺栓。液位传感装置7包括传感探针71和液位开关控制器72，传感探针71可实现对储液装置5中液位的监控，当储液装置5中存储的液体到达一定位置时，可通过液位开关控制器72的控制打开排液口51的开关，使液体从储液装置5排出，这可以自动或手动完成。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种离心式气液分离器，其特征在于，包括：

内管体，其形成为上下延伸且内部具有分离腔体的筒状体，所述内管体在靠近上端开口的侧壁上设置有与所述分离腔体连通的第一进气孔；

螺旋组件，其设置在所述分离腔体内，包括顶端挡板、升气管及螺旋板，

其中，所述顶端挡板与所述内管体的上端开口处固定连接，所述顶端挡板的中心形成有第一出气孔，

所述升气管形成为沿所述分离腔体延伸的细长管状结构，其与所述顶端挡板固定连接并贯通所述第一出气孔，

所述螺旋板围绕着所述升气管螺旋向下环绕，并与所述内管体的内壁拼合连接，以围成供待分离的混合流体流通的导流通道，

所述混合流体从所述第一进气孔进入所述导流通道并做旋转离心运动，

所述混合流体中的液体附着在所述内管体的内壁上，沿着所述螺旋板向下流动并流出所述导流通道，集于所述内管体的下端，

所述混合流体中分离的氢气从所述升气管下端的第二进气孔经由所述升气管及所述第一出气孔排出。

2.根据权利要求1所述的离心式气液分离器，其特征在于，

所述螺旋板的上端设置在所述第一进气孔的水平处，下端延伸至所述第二进气孔处。

3.根据权利要求1所述的离心式气液分离器，其特征在于，

所述螺旋板与所述内管体的轴线之间的夹角(θ)为70°至85°的范围。

4.根据权利要求1所述的离心式气液分离器，其特征在于，

所述升气管的上端固定连接到所述顶端挡板上并贯通所述第一出气孔。

5.根据权利要求1所述的离心式气液分离器，其特征在于，

还包括盖体，其封闭所述内管体的上端开口，

所述盖体的中心处形成有第二出气孔，以供由所述升气管及所述第一出气孔排出的气体排出所述离心式气液分离器外。

6.根据权利要求1至5任一项所述的离心式气液分离器，其特征在于，

还包括冷却装置，其设置在所述内管体的外侧，以对所述内管体及其内部的所述混合流体进行冷却。

7.根据权利要求5所述的离心式气液分离器，其特征在于，

所述冷却装置包括外管体及两个管箍，其中，

所述外管体设置为内径比所述内管体的外径大的筒状体，所述管箍设置为环状结构，

所述外管体的上下端分别通过所述管箍固定连接在所述内管体上，以围合成一个冷却腔体。

8.根据权利要求6所述的离心式气液分离器，其特征在于，

在所述外管体靠近其上下端开口的侧壁上分别设置有冷却剂出口和冷却剂入口，

冷却剂从所述冷却剂入口进入后流经所述冷却腔体，再由所述冷却剂出口流出，以实现所述冷却剂与所述混合流体之间的热交换。

9.根据权利要求6所述的离心式气液分离器，其特征在于，

所述冷却装置的上端设置在所述第一进气孔的下方并靠近所述第一进气孔，下端设置在所述第二进气孔的下方并靠近所述第二进气孔。

10.根据权利要求1至5任一项所述的离心式气液分离器，其特征在于，

还包括设置在所述内管体下端的储液装置，

其用于存储从所述内管体下端流出的液体，所述储液装置的侧壁上设置有供液体排出所述离心式气液分离器外的排液口。

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