CN116726636A - 气体水洗塔和气体分离系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及碱水槽电解水制氢设备领域，公开了一种气体水洗塔和气体分离系统，该气体水洗塔包括塔体，塔体内设置有气体分布器，气体分布器用于将塔体分割形成设置在上层的水洗腔以及设置在下层的釜液腔，水洗腔与釜液腔之间通过气体分布器连通，水洗腔内自上而下依次设置有水洗气体出口和液体分布器，釜液腔内设置有气体鼓泡器，釜液腔的侧壁上位于气体鼓泡器与气体分布器之间设置有溢流口，气体鼓泡器与待水洗气源连接，液体分布器与水洗液源连接。该气体水洗塔通过增加气体和液体的均布效果，增加气液接触面积，进而来提高气体洗涤效果。
Description
技术领域
本发明涉及碱水槽电解水制氢设备领域，具体地涉及一种气体水洗塔和气体分离系统。
背景技术
电解制氢技术主要有碱性电解水、质子交换膜电解水和固体氧化物电解水技术。其中，碱水电解槽制氢是一种比较成熟的技术手段。碱水电解槽以30%KOH溶液为电解质，在直流电的作用下，将水电解为氢气和氧气。
随着电解槽的温度升高，阴极析出的氢气和阳极析出的氧气分别夹带着碱液进入氢气分离器和氧气分离器。
在氢气分离器中，氢气与夹带的碱水分离，分离后的氢气进入氢气洗涤器，用纯水对气体进行鼓泡式洗涤，去除夹带的少量碱液；水洗后的溶液则溢流至氢气分离器。鼓泡洗涤后的氢气进入氢气纯化系统进行提纯。
在氧气分离器中，氧气与夹带的碱水分离，分离后的氧气进入氧气洗涤器，用纯水对气体进行鼓泡式洗涤，去除夹带的少量碱液；水洗后的溶液则溢流至氧气分离器。鼓泡洗涤后的氧气进入氧气纯化系统进行提纯。
目前的氢气或氧气洗涤器是将气体管道插入水中，氢气或氧气从水中鼓泡通过时，气体中夹带的少量碱液被洗涤到水中。
这种鼓泡式洗涤，由于气体分布不均匀，且洗涤时气液接触面积小，因此洗涤效果差，气体仍会夹带少量碱液进入后续的纯化系统。这会导致纯化系统出现碱腐蚀及催化剂、吸附剂堵塞等问题，影响纯化系统运行的纯化性能与系统稳定性。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的气体水洗效果差的问题，提供一种气体水洗塔和气体分离系统，该气体水洗塔通过增加气体和液体的均布效果，增加气液接触面积，进而来提高气体洗涤效果。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种气体水洗塔，该气体水洗塔包括塔体，所述塔体内设置有气体分布器，所述气体分布器用于将所述塔体分割形成设置在上层的水洗腔以及设置在下层的釜液腔，所述水洗腔与所述釜液腔之间通过所述气体分布器连通，所述水洗腔内自上而下依次设置有水洗气体出口和液体分布器，所述釜液腔内设置有气体鼓泡器，所述釜液腔的侧壁上位于所述气体鼓泡器与所述气体分布器之间设置有溢流口，所述气体鼓泡器与待水洗气源连接，所述液体分布器与水洗液源连接。
优选地，所述水洗腔内设置有填料，所述填料中设置有空隙，所述空隙设置为能够将水洗腔中的水洗液体向下导流，以及将釜液腔中排出的气体向上导流。
优选地，所述填料支撑设置于所述气体分布器上。
优选地，所述釜液腔的侧壁上位于所述溢流口的下方位置设置有液位计。
优选地，所述塔体的上端设置有与所述水洗气体出口连通的冷却器；所述冷却器用于对进入其中的气体进行降温。
优选地，所述冷却器为列管式换热器，所述列管式换热器的腔体内设置有多个换热管；所述列管式换热器的侧壁上设置有冷媒入口和冷媒出口。
优选地，所述列管式换热器的侧壁上还设置有排气口和放净口。
优选地，所述列管式换热器的上端设置有上封头，所述上封头的内腔与所述换热管连通，所述上封头上设置有产品气体出口。
优选地，所述上封头内设置有除沫器，所述除沫器的下端设置为盖合于多个所述换热管的上端口。
本发明第二方面提供一种气体分离系统，该气体分离系统包括气体分离器和所述气体水洗塔；
所述气体分离器的气体出口与所述气体鼓泡器的气体入口之间通过气相管路连通，所述溢流口与所述气体分离器的内腔之间通过溢流线连通。
通过上述技术方案，使得本发明具有如下有益效果：
1）通过在塔体内设置气体分布器和液体分布器，使得鼓泡后的气体上升的过程中能够被均布，同时，使得进入液体分布器内的水洗液能够均布下落，均布下落的水洗液与均布上升的气体接触，可以提高气液传质的接触面积，增加洗涤效果，可有效降低气体中的碱液夹带；
2）通过气体分布器的设置，当水洗液经过气体分布器进入釜液腔的时候可以与同时经过气体分布器进入水洗腔的气体接触，进而可以进一步提高气液传质的接触面积，增加洗涤效果，可有效降低气体中的碱液夹带；
3）在塔体内设置气体分布器和液体分布器，可改善塔体内的气体分布与液体分布，避免气、液短路或偏流；
4）通过溢流口的设置使得进入釜液腔内的水洗液保持在一定液位，气体以鼓泡的方式透过釜液腔内的水洗液进入水洗腔，气体可以通过鼓泡洗涤的方式去除绝大部分夹带的碱液。
附图说明
图1是气体水洗塔的一种优选实施方式的结构示意图；
图2是气体分离系统的一种优选实施方式的结构示意图。
附图标记说明
1-气体入口；2-气体鼓泡器；3-水洗液排净口；4-液位计；5-溢流口；6-气体分布器；7-填料；8-塔体；9-水洗液进口；10-液体分布器；11-第一法兰；12-冷媒入口；13-放净口；14-换热管；15-排气口；16-冷媒出口；17-第二法兰；18-除沫器；19-上封头；20-产品气体出口；101-气相管路；102-溢流线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，“上下左右、前后内外”等包含在术语中的方位词仅代表该术语在常规使用状态下的方位，或为本领域技术人员理解的俗称，而不应视为对该术语的限制。
参见图1所示的气体水洗塔，该气体水洗塔包括塔体8，所述塔体8内设置有气体分布器6，所述气体分布器6用于将所述塔体8分割形成设置在上层的水洗腔以及设置在下层的釜液腔，所述水洗腔与所述釜液腔之间通过所述气体分布器6连通，所述水洗腔内自上而下依次设置有水洗气体出口和液体分布器10，所述釜液腔内设置有气体鼓泡器2，所述釜液腔的侧壁上位于所述气体鼓泡器2与所述气体分布器6之间设置有溢流口5，所述气体鼓泡器2与待水洗气源连接，所述液体分布器10与水洗液源连接。
通过上述技术方案的实施，通过在塔体8内设置气体分布器6和液体分布器10，使得鼓泡后的气体上升的过程中能够被均布，同时，使得进入液体分布器10内的水洗液能够均布下落，均布下落的水洗液与均布上升的气体接触，可以提高气液传质的接触面积，增加洗涤效果，可有效降低气体中的碱液夹带；通过气体分布器6的设置，当水洗液经过气体分布器6进入釜液腔的时候可以与同时经过气体分布器6进入水洗腔的气体接触，进而可以进一步提高气液传质的接触面积，增加洗涤效果，可有效降低气体中的碱液夹带；在塔体8内设置气体分布器6和液体分布器10，可改善塔体8内的气体分布与液体分布，避免气、液短路或偏流；通过溢流口5的设置使得进入釜液腔内的水洗液保持在一定液位，气体以鼓泡的方式透过釜液腔内的水洗液进入水洗腔，气体可以通过鼓泡洗涤的方式去除绝大部分夹带的碱液。
液体分布器10与水洗液源通过设置在液体分布器10上的水洗液进口9连接，水洗液源设置有能够控制水洗液流速或启停的控制系统，控制系统能够控制补水量，利用系统补水对氢气或氧气进行洗涤，补水量通过控制系统控制。另外，还可以在釜液腔的底部设置水洗液排净口3，用于对内部的水洗液进行排净。
在该实施方式中，为了进一步增加气液传质接触面积，所述水洗腔内设置有填料7，所述填料7中设置有空隙，所述空隙设置为能够将水洗腔中的水洗液体向下导流，以及将釜液腔中排出的气体向上导流。水洗液以及气体在填料7内的空隙中进行接触传质，其中填料7中的间隙由多股纵横以及斜向的缝隙组成，可以增加水洗液以及气体在填料7内的流动行程，可显著增加气液传质的接触面积，洗涤效果更好，可有效降低气体中的碱液夹带。
填料7可以以任何形式固定在水洗腔内，在一种实施方式中，所述填料7支撑设置于所述气体分布器6上。通过这样的设置，使得气体分布器6不仅可以用于均布气体，还可以兼顾对填料7的支撑作用，简化气体水洗塔的内部结构。
在该实施方式中，所述釜液腔的侧壁上位于所述溢流口5的下方位置设置有液位计4。通过液位计4的设置使得釜液腔内的水洗液维持一定的液位，从分离器来的氢气或氧气通过气体鼓泡器2插到液面以下，氢气或氧气以鼓泡的方式进入水洗腔；控制系统控制水洗液经液体分布器10进入釜液腔，液位计4与控制系统联动，控制釜液腔内的液位。此外，当系统补水故障的时候，气体仍可以通过鼓泡洗涤的方式去除绝大部分夹带的碱液。
在该实施方式中，所述塔体8的上端设置有与所述水洗气体出口连通的冷却器；所述冷却器用于对进入其中的气体进行降温。通过这样的设置，在塔体8的上方集成氢气或氧气冷却器，利用冷却器对气体进行降温，使气体中的水汽冷却、冷凝，降低出口气体中的水汽含量。
进一步的，为了进一步提供一种冷却器，所述冷却器为列管式换热器，所述列管式换热器的腔体内设置有多个换热管14；所述列管式换热器的侧壁上设置有冷媒入口12和冷媒出口16。冷媒入口12设置在列管式换热器的侧壁底部，冷媒出口16设置在列管式换热器的侧壁顶部，冷媒从底部上下流动，可以提高冷却效果，换热管14呈竖向延伸，通过冷媒的流动对经过换热管14内的气体进行冷却，使气体中的水汽冷却、冷凝，降低出口气体中的水汽含量。为了降低成本，冷媒通常使用冷却水。此外，冷却器与塔体8顶部之间通过第一法兰11连接。
在该实施方式中，所述列管式换热器的侧壁上还设置有排气口15和放净口13。所设置的排气口15、放净口13用于冷却器在开停车时的高点排气与低点放净。
在该实施方式中，所述列管式换热器的上端设置有上封头19，所述上封头19的内腔与所述换热管14连通，所述上封头19上设置有产品气体出口20。通过上封头19的设置将多个换热管14排出的气体进行集中，最后从产品气体出口20集中排出。上封头19与列管式换热器的顶部之间通过第二法兰17连接。
在该实施方式中，所述上封头19内设置有除沫器18，所述除沫器18的下端设置为盖合于多个所述换热管14的上端口。通过除沫器18的设置，可以减少从换热管14排出的气体中的水雾夹带。
本发明中的气体水洗塔集水洗、冷却、除雾多功能为一体，可以降低投资和占地面积。
参见图2，本发明第二方面提供一种气体分离系统，该气体分离系统包括气体分离器和所述气体水洗塔；所述气体分离器的气体出口与所述气体鼓泡器2的气体入口1之间通过气相管路101连通，所述溢流口5与所述气体分离器的内腔之间通过溢流线102连通。
通过上述技术方案的实施，气体入口1通过气相管路101与氢气或氧气分离器相连，从气体分离器出来的氢气或氧气通过气体入口1进入釜液腔。氢气或氧气通过气体鼓泡器2，在水洗液中进行初步鼓泡分离，液位计4口设置液位计4测量釜液腔液位，液位超过溢流口5时，通过溢流线102返回到氢气或氧气分离器内部液面以下。鼓泡分离出来的氢气或氧气往上通过气体分布器6进入水洗腔，气体分布器6兼做填料7的支撑板。气体通过气体分布器6均匀分布，然后自下而上通过填料层。系统补水从水洗液进口9进入水洗腔，经液体分布器10后均匀的喷洒落下。系统补充的纯水自上而下进入填料层 ，在填料层内，气液两相在填料7表面经过充分的接触与传质，气体中夹带的碱液进入水相，气体被洗涤干净。洗涤后的液相进入釜液腔；洗涤后的气相则进入冷却器。冷却器为列管式换热器。通过冷却水对洗涤后的气体进行冷却。冷却水走壳程，从冷媒入口12进入，冷媒出口16排出。气体走管程，在冷却过程中，气体内的水汽会部分冷凝为液态水，在重力的作用下自流至水洗腔。冷却后的气体进入除沫器18，去除气体中可能夹带的水雾。除沫器18高度在150mm-200mm，除沫器18设置在上封头19内。最终气体从产品气体出口20排出。
在本发明中，气体水洗塔的塔径可以根据按贝恩－霍根公式计算：
在上式中，ug-泛点气速，m/s;g-重力加速度，9.81m/s2;a-填料比表面积，m2/m3；ε-填料层空隙率，m3/m3；ρG、ρL-气相、液相密度，kg/m3；μL-液体年度，mPa·s;L、G-液相、气相的质量流量，kg/h；A-关联常数，与所选填料7相关。
通过贝恩-霍根公式计算出泛点气速ug。操作气速u一般选取泛点气速的0.4-0.8倍。
根据操作气速u进而计算水洗塔的塔径D。
在上式中，D-水洗塔塔径，m;VG-气体的体积流量，m3/h；u-空塔气速，m/s;水洗塔的空塔气速一般控制在0.2-2 m/s范围内。
在本发明中，水洗腔内部装填的填料7可以有多种类型，包括但不限于拉西环、鲍尔环或θ环；液体分布器10下方可以设置零至多块各种类型的塔板；塔体8顶部可以集成冷却器，也可不设冷却器；塔体8上方可以设置除沫器18，也可不设除沫器18；除沫器18的类型可以有多种形式，包括但不限于丝网除沫器18或波纹板除沫器18。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (10)
1.一种气体水洗塔，其特征在于，所述气体水洗塔包括塔体（8），所述塔体（8）内设置有气体分布器（6），所述气体分布器（6）用于将所述塔体（8）分割形成设置在上层的水洗腔以及设置在下层的釜液腔，所述水洗腔与所述釜液腔之间通过所述气体分布器（6）连通，所述水洗腔内自上而下依次设置有水洗气体出口和液体分布器（10），所述釜液腔内设置有气体鼓泡器（2），所述釜液腔的侧壁上位于所述气体鼓泡器（2）与所述气体分布器（6）之间设置有溢流口（5），所述气体鼓泡器（2）与待水洗气源连接，所述液体分布器（10）与水洗液源连接。
2.根据权利要求1所述的气体水洗塔，其特征在于，所述水洗腔内设置有填料（7），所述填料（7）中设置有空隙，所述空隙设置为能够将水洗腔中的水洗液体向下导流，以及将釜液腔中排出的气体向上导流。
3.根据权利要求2所述的气体水洗塔，其特征在于，所述填料（7）支撑设置于所述气体分布器（6）上。
4.根据权利要求1所述的气体水洗塔，其特征在于，所述釜液腔的侧壁上位于所述溢流口（5）的下方位置设置有液位计（4）。
5.根据权利要求1-4中的任意一项所述的气体水洗塔，其特征在于，所述塔体（8）的上端设置有与所述水洗气体出口连通的冷却器；
所述冷却器用于对进入其中的气体进行降温。
6.根据权利要求5所述的气体水洗塔，其特征在于，所述冷却器为列管式换热器，所述列管式换热器的腔体内设置有多个换热管（14）；
所述列管式换热器的侧壁上设置有冷媒入口（12）和冷媒出口（16）。
7.根据权利要求6所述的气体水洗塔，其特征在于，所述列管式换热器的侧壁上还设置有排气口（15）和放净口（13）。
8.根据权利要求6所述的气体水洗塔，其特征在于，所述列管式换热器的上端设置有上封头（19），所述上封头（19）的内腔与所述换热管（14）连通，所述上封头（19）上设置有产品气体出口（20）。
9.根据权利要求8所述的气体水洗塔，其特征在于，所述上封头（19）内设置有除沫器（18），所述除沫器（18）的下端设置为盖合于多个所述换热管（14）的上端口。
10.一种气体分离系统，其特征在于，所述气体分离系统包括气体分离器和权利要求1-9中的任意一项所述的气体水洗塔；
所述气体分离器的气体出口与所述气体鼓泡器（2）的气体入口（1）之间通过气相管路（101）连通；
所述溢流口（5）与所述气体分离器的内腔之间通过溢流线（102）连通。
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2023
- 2023-08-14 CN CN202311016542.3A patent/CN116726636A/zh active Pending
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