CN116905044A - 一种碱性电解水气液分离装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种碱性电解水气液分离装置，包括罐体，在罐体的上部设置有碱液进口，在罐体的内部设置有螺旋滑道，碱液进口与螺旋滑道的顶部相连通，经碱液进口进入的碱液流入螺旋滑道的顶部，并顺着螺旋滑道流至其底部；在罐体的下部设置有碱液出口，在罐体的顶部设置有氢/氧气体出口。所述螺旋滑道包括若干个盘体，所有盘体呈上下叠放布置，且上下相邻盘体顺序贯通；螺旋滑道整体呈竖向布置。本发明采用螺旋滑道式结构进行碱性电解水气液分离，可增加气液混合体的流动距离，减小气液混合体的液位深度，增加了气液混合体的面积，气泡从液体中脱离的距离更短，脱离时间充分，脱离更彻底。本发明对碱性电解水具有优异的气液分离效果。
Description
技术领域
本发明涉及电解水制氢技术领域，具体涉及一种碱性电解水气液分离装置及方法。
背景技术
氢能源作为高效、洁净和理想的二次能源，受到了全世界的广泛重视。大规模、廉价制氢是开发和利用氢能的重要环节之一。目前氢的商业化生产有四个主要来源：天然气、石油、煤和电解，分别占世界氢气产量的48％、30％、18％和4％。化石燃料重整制氢是工业氢的主要来源，原料价格相对低廉，但产品氢气成分较为复杂，含有多种气态烃，并且化石能源重整制氢生产过程会排放大量CO2、以及CO等其他温室气体，污染环境。电解水制氢，生产过程没有温室气体排放，符合碳中和碳达峰的发展要求，而且电解水制氢与可再生能源相结合，能够提高可再生能源利用率，解决间歇性电源储能问题，促进氢能产业绿色应用。
目前，国内碱性电解水在水电解行业中占主导地位，技术相对成熟，设备造价低，是实现大规模生产氢的重要手段。
在碱性电解水制氢过程中，电解槽的阴阳极产生氢气、氧气和碱液的混合物，而想要制取纯净的绿色氢气，首先需要对气液进行分离。现有气液分离装置对气液分离不彻底，碱液循环泵会把氢/氧碱液循环到电解槽，导致电解槽氢/氧纯度降低，且增加了爆炸的风险。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提出一种碱性电解水气液分离装置及方法，以使电解槽碱液中的氢/氧气体脱离完全，提高电解槽氢/氧出口侧的气体纯度。
本发明所采用的技术解决方案是：
一种碱性电解水气液分离装置，包括罐体，在罐体的上部设置有碱液进口，在罐体的内部设置有螺旋滑道，碱液进口与螺旋滑道的顶部相连通，经碱液进口进入的碱液流入螺旋滑道的顶部，并顺着螺旋滑道流至其底部；在罐体的下部设置有碱液出口，在罐体的顶部设置有氢/氧气体出口。
优选的，所述螺旋滑道包括若干个盘体，所有盘体呈上下叠放布置，且上下相邻盘体顺序贯通；螺旋滑道整体呈竖向布置。
优选的，在盘体的周圈设置有竖向布置的侧沿。
优选的，所述螺旋滑道设置多个，在碱液进口处设置有气液进口总管，气液进口总管通过分流管与螺旋滑道的顶部连通，所述分流管的设置个数与螺旋滑道的设置个数相等。
优选的，在螺旋滑道的中心设置有中心管，螺旋滑道的盘体固定在中心管上。
优选的，中心管的上部侧壁设置有气液出口，所述分流管的一端与气液进口总管连接，分流管的另一端从中心管的顶部插入中心管中，并与气液出口相连通。
优选的，所述螺旋滑道的顶端和底端分别通过支撑架与罐体相连接。
优选的，所述支撑架包括外周圆环，在外周圆环的内部交叉布置有支撑条，支撑条与分流管相连接，外周圆环固定在罐体的内壁上。
优选的，在罐体的底部设置有排污口。
一种碱性电解水气液分离方法，采用如上所述的装置，步骤如下：
(1)在罐体的内部布置有若干个螺旋滑道，并根据以下公式确定出螺旋滑道的高度；
式中：h为螺旋滑道高度，m；v为液体流速，m/s；r为螺旋滑道半径，m；为螺旋滑道的螺旋角度，°；Re为雷诺系数；g为重力加速度，m/s2；μ为水的动力粘度系数，m2/s；d为螺旋滑道的厚度，m；
(2)将螺旋滑道通过支撑架与罐体相连接，并将螺旋滑道的中心管上部侧壁上的气液出口与其中一个分流管的一端连接，分流管的另一端连接气液进口总管；
(3)电解产生的氢气、氧气及电解剩余的碱液从气液进口总管进入，经分流管进入螺旋滑道，随着螺旋滑道从顶端向底端流动，在螺旋滑道上完成气液分离过程，分离出的碱液从碱液出口流出，氢气和氧气从氢/氧气体出口排出。
本发明的有益技术效果是：
1.本发明采用螺旋滑道式结构进行碱性电解水气液分离，可增加气液混合体的流动距离，减小气液混合体的液位深度，增加了气液混合体的面积，气泡从液体中脱离的距离更短，脱离时间充分，脱离更彻底。本发明对碱性电解水具有优异的气液分离效果。
2.本发明采用螺旋滑道式结构，在确保气液分离效果的前提下，还可节省整体占用体积；而且在罐体中可通过呈蜂窝状布置多个螺旋滑道，从气液进口总管进入的碱液经分流管分流至各个螺旋滑道，使得分离装置对气液分离的处理量成倍数增长，而且整体结构布置规整，占用空间小，集成化程度高，便于推广使用。
3.本发明分离方法中提供了螺旋滑道的最优高度设计，通过方法步骤中建立的公式计算得到，其可进一步提高气液分离装置的整体性能，即在确保气液分离装置的气液分离效果前提下，又尽可能节省空间与成本。
4.本发明气液分离装置设计简单、气液分离效果优异，提高了电解槽氢/氧出口侧的气体纯度。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1为本发明碱性电解水气液分离装置的结构原理示意图；
图2为本发明碱性电解水气液分离装置中罐体的外部结构示意图；
图3为本发明碱性电解水气液分离装置中多个螺旋滑道的布置示意图；
图4为本发明碱性电解水气液分离装置中单个螺旋滑道的侧视结构原理示意图。
图中：1-罐体，2-碱液进口，3-螺旋滑道，4-气液进口总管，5-分流管，6-支撑架，7-排污口，8-碱液出口，9-氢/氧气体出口；
301-盘体，302-侧沿，303-中心管，304-气液出口。
具体实施方式
结合附图，一种碱性电解水气液分离装置，包括罐体1，在罐体1的上部设置有碱液进口2，在罐体1的内部设置有螺旋滑道3，碱液进口2与螺旋滑道3的顶部相连通。经碱液进口2进入的碱液流入螺旋滑道3的顶部，并顺着螺旋滑道流至其底部。在罐体1的下部设置有碱液出口8，用于排出气液分离后的电解碱液。在罐体1的顶部设置有氢/氧气体出口9，用于排出氢气和氧气。
上述螺旋滑道3包括若干个盘体301，所有盘体301呈上下叠放布置，且上下相邻盘体顺序贯通，呈螺旋滑道状。螺旋滑道3整体呈竖向布置。在盘体301的周圈设置有竖向布置的侧沿302，以防止螺旋滑道上的碱液从侧边处溢出，脱离螺旋滑道。
本发明采用螺旋滑道式结构进行碱性电解水气液分离，可增加气液混合体的流动距离，减小气液混合体的液位深度，增加了气液混合体的面积，气泡从液体中脱离的距离更短，脱离时间充分，脱离更彻底。本发明对碱性电解水具有优异的气液分离效果。另外，本发明气液分离装置设计简单、气液分离效果优异，提高了电解槽氢/氧出口侧的气体纯度。
作为对本发明的进一步设计，如图3所示，所述螺旋滑道3设置多个，在碱液进口处设置有气液进口总管4，气液进口总管4通过分流管5与螺旋滑道3的顶部连通。所述分流管5的设置个数与螺旋滑道3的设置个数相等。
本发明采用螺旋滑道式结构，在确保气液分离效果的前提下，还可节省整体占用体积；而且在罐体中可通过呈蜂窝状布置多个螺旋滑道，从气液进口总管进入的碱液经分流管分流至各个螺旋滑道，使得分离装置对气液分离的处理量成倍数增长，而且整体结构布置规整，占用空间小，集成化程度高，便于推广使用。
更进一步的，在螺旋滑道3的中心设置有中心管303，螺旋滑道的盘体301固定在中心管303上。中心管303的上部侧壁设置有气液出口304，所述分流管5的一端与气液进口总管4连接，分流管5的另一端从中心管303的顶部插入中心管中，并与气液出口304相连通。中心管303一方面起到对螺旋滑道3的固定增强作用，另一方面可方便与分流管5连接，使得气液进口总管4中的碱液能够经分流管5快速均匀分配到各个螺旋滑道3的顶部。
进一步的，所述螺旋滑道3的顶端和底端分别通过支撑架6与罐体1相连接。所述支撑架6包括外周圆环，在外周圆环的内部交叉布置有支撑条，支撑条与分流管相连接，外周圆环固定在罐体的内壁上。本发明通过支撑架6可将若干个螺旋滑道3稳固在罐体1的内部，而且支撑架6可对各个分流管5起到固定效果。总体来说，支撑架6起到支撑、固定分流管5、中心管303的作用。
更进一步的，本发明还在罐体1的底部设置有排污口7，用于排出分离装置洗涤污水。
上述气液进口总管4为直角弯管设计，分流管5也为直角弯管设计，分流管5一端与气液进口总管4相通，另一端与中心管303相连。通过分流管5从气液进口总管4均匀分流。
上述螺旋滑道3的螺旋角度为1-45°，氢/氧碱液从螺旋滑道3螺旋流下，增加气液混合体到罐体的流动距离，减小了气液混合体的液位深度，增加了气液混合体的面积，气泡从液体中脱离的距离更短，脱离时间充分，脱离更彻底。
本发明还提供一种碱性电解水气液分离方法，采用如上所述的装置，包括以下步骤：
(1)在罐体1的内部布置有若干个螺旋滑道3，并根据以下公式确定出螺旋滑道3的高度；
式中：h为螺旋滑道高度，m；v为液体流速，m/s；r为螺旋滑道半径，m；为螺旋滑道的螺旋角度，°；Re为雷诺系数；g为重力加速度，m/s2；μ为水的动力粘度系数，m2/s；d为螺旋滑道的厚度，或者说是盘体301的厚度，m。
(2)将螺旋滑道3通过支撑架6与罐体1相连接，并将螺旋滑道3的中心管303上部侧壁上的气液出口304与其中一个分流管5的一端连接，分流管5的另一端连接气液进口总管4。
(3)电解产生的氢气、氧气及电解剩余的碱液从气液进口总管4进入，经分流管5进入螺旋滑道3，随着螺旋滑道3从顶端向底端流动，在螺旋滑道3上快速、彻底完成气液分离过程，分离出的碱液从碱液出口8流出，氢气和氧气从氢/氧气体出口9排出。
上述步骤中，雷诺系数Re取光滑圆轨道雷诺系数值：2500。
本发明分离方法中提供了螺旋滑道的最优高度设计，通过方法步骤中建立的公式计算得到，其可进一步提高气液分离装置的整体性能，即在确保气液分离装置的气液分离效果前提下，又尽可能节省空间与成本。
本发明碱性电解水气液分离装置中螺旋滑道的设计，减小了气液混合体的液位深度，增加了气液混合体的面积，气泡从液体中脱离的距离更短，脱离更彻底。本发明对碱性电解水具有优异的气液分离效果，可使碱液中的氢/氧气体脱离完全，提高电解槽氢/氧出口侧的气体纯度。
上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种碱性电解水气液分离装置，其特征在于：包括罐体，在罐体的上部设置有碱液进口，在罐体的内部设置有螺旋滑道，碱液进口与螺旋滑道的顶部相连通，经碱液进口进入的碱液流入螺旋滑道的顶部，并顺着螺旋滑道流至其底部；在罐体的下部设置有碱液出口，在罐体的顶部设置有氢/氧气体出口。
2.根据权利要求1所述的一种碱性电解水气液分离装置，其特征在于：所述螺旋滑道包括若干个盘体，所有盘体呈上下叠放布置，且上下相邻盘体顺序贯通；螺旋滑道整体呈竖向布置。
3.根据权利要求2所述的一种碱性电解水气液分离装置，其特征在于：在盘体的周圈设置有竖向布置的侧沿。
4.根据权利要求2所述的一种碱性电解水气液分离装置，其特征在于：所述螺旋滑道设置多个，在碱液进口处设置有气液进口总管，气液进口总管通过分流管与螺旋滑道的顶部连通，所述分流管的设置个数与螺旋滑道的设置个数相等。
5.根据权利要求4所述的一种碱性电解水气液分离装置，其特征在于：在螺旋滑道的中心设置有中心管，螺旋滑道的盘体固定在中心管上。
6.根据权利要求5所述的一种碱性电解水气液分离装置，其特征在于：中心管的上部侧壁设置有气液出口，所述分流管的一端与气液进口总管连接，分流管的另一端从中心管的顶部插入中心管中，并与气液出口相连通。
7.根据权利要求4所述的一种碱性电解水气液分离装置，其特征在于：所述螺旋滑道的顶端和底端分别通过支撑架与罐体相连接。
8.根据权利要求7所述的一种碱性电解水气液分离装置，其特征在于：所述支撑架包括外周圆环，在外周圆环的内部交叉布置有支撑条，支撑条与分流管相连接，外周圆环固定在罐体的内壁上。
9.根据权利要求1所述的一种碱性电解水气液分离装置，其特征在于：在罐体的底部设置有排污口。
10.一种碱性电解水气液分离方法，采用如权利要求1-9中任一权利要求所述的装置，其特征在于步骤如下：
(1)在罐体的内部布置有若干个螺旋滑道，并根据以下公式确定出螺旋滑道的高度；
式中：h为螺旋滑道高度，m；v为液体流速，m/s；r为螺旋滑道半径，m；为螺旋滑道的螺旋角度，°；Re为雷诺系数；g为重力加速度，m/s2；μ为水的动力粘度系数，m2/s；d为螺旋滑道的厚度，m；
(2)将螺旋滑道通过支撑架与罐体相连接，并将螺旋滑道的中心管上部侧壁上的气液出口与其中一个分流管的一端连接，分流管的另一端连接气液进口总管；
(3)电解产生的氢气、氧气及电解剩余的碱液从气液进口总管进入，经分流管进入螺旋滑道，随着螺旋滑道从顶端向底端流动，在螺旋滑道上完成气液分离过程，分离出的碱液从碱液出口流出，氢气和氧气从氢/氧气体出口排出。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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