EP4637967A1 - Anordnung für die gas-flüssigkeits-trennung und deren verwendung - Google Patents

Anordnung für die gas-flüssigkeits-trennung und deren verwendung

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Publication number
EP4637967A1
EP4637967A1 EP24700017.7A EP24700017A EP4637967A1 EP 4637967 A1 EP4637967 A1 EP 4637967A1 EP 24700017 A EP24700017 A EP 24700017A EP 4637967 A1 EP4637967 A1 EP 4637967A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
liquid
volume
containers
arrangement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24700017.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Erik Wolf
Christian Reller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Publication of EP4637967A1 publication Critical patent/EP4637967A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/24—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by centrifugal force
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/26—Drying gases or vapours
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/10—Single element gases other than halogens
    • B01D2257/104—Oxygen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/10—Single element gases other than halogens
    • B01D2257/108—Hydrogen

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for gas-liquid separation with a first gas separator, each having a container, for a first gas and a second gas separator for a second gas.
  • the invention further relates to the use of such an arrangement, in particular for the safe operation of an electrolysis plant.
  • the electrochemical production of hydrogen from water represents such a storage technology, because in this way, unusable electrical energy, e.g. from temporary overproduction, can be chemically bound in hydrogen, stored, transported and released for use elsewhere. For this reason, research activities on electrolyzers for water electrolysis have been intensified for this purpose.
  • One possible technology path for water electrolysis is, for example, the PEM Electrolysis (PEM: "polymer electrolyte membrane", also “proton exchange membrane”) of water.
  • PEM Electrolysis PEM Electrolysis
  • the hydrogen produced is usually produced in a two-phase stream with circulating water, from which it must first be separated before it can be used further.
  • Another type of electrolysis of water is alkaline electrolysis, in which, for example, potassium hydroxide KOH is fed to the electrolyzer as a reactant in a concentrated aqueous solution. High-temperature and high-pressure electrolysis are also known.
  • gas separators In connection with electrolysis, mechanical processes for gas-liquid separation are particularly widespread. These are carried out using so-called gas separators or gas separators.
  • the separation of gas-liquid mixtures is a sorting process, as it is carried out according to the physical properties of the phases.
  • the separation mechanisms for particles in the separation processes can be roughly divided into two groups, namely separation in force fields and separation on filters. Since the densities of gases and liquids differ by orders of magnitude of up to 10 4 (in the case of hydrogen), density is the most important separation characteristic for this process step.
  • the invention is therefore based on the object of specifying an arrangement for gas-liquid separation with two gas-carrying containers.
  • the arrangement is to be improved in terms of safety and emergency shutdown properties, whereby breakthrough protection in the event of gas leakage and an explosive gas mixture of two gases involved is avoided.
  • an arrangement for gas-liquid separation with a first gas separator, each having a container, for a first gas and with a second gas separator for a second gas wherein the containers have a container volume and the containers are hydraulically connected for a liquid via a connecting line and are arranged at the same height, wherein an operational design is provided in such a way that, at the same pressure in the containers, a predetermined standard fill level of the liquid is established, so that at the standard fill level a liquid volume is provided, wherein the container volume is made up of the liquid volume and the corresponding gas volume, and wherein the liquid volume in the containers is greater than the corresponding gas volume.
  • the invention is based on the knowledge that existing safety concepts for gas-carrying containers in a process plant, such as gas separators in electrolysis plants, are only inadequately protected against high- dangerous safety-relevant situations are protected. This particularly applies to uncontrolled gas leaks from a container and the risk of explosion when reactive gases are mixed.
  • the arrangement of the invention proposes an intrinsic safety system which provides effective protection against the breakthrough of the gases and thus effectively counteracts mixing and the risk of explosion.
  • the arrangement comprises at least two containers, in each of which a gas-liquid mixture can be gravimetrically separated and which are connected to one another via the liquid phase during operation of the arrangement.
  • These are gas separators, each having a container with a container volume.
  • these are connected downstream of an upstream process, in particular water electrolysis, in which two different gases can react with one another.
  • the gases are embedded in a liquid phase (working fluid) when they leave the process and pass through the said gas separators (gas-liquid separators).
  • the process requires a connection between the two liquid phases in order to function efficiently and permanently. For this reason, the connecting line is provided which connects the containers hydraulically for the liquid to communicate.
  • the connecting line serves to compensate for slightly different volume flows as a result of the upstream process and/or to compensate for a concentration gradient.
  • the containers advantageously have a respective container volume, whereby the container volumes can be identical or different depending on the application in a plant. With identical container volumes, a standard component is available for a container that can be used for both the first gas separator and the second gas separator. This is advantageous in terms of manufacturing.
  • One of the containers or optionally both containers can also contain a device if required that gas dissolved in the liquid can be partially or completely expelled.
  • Both subsystems of the arrangement formed by the two containers are designed and operable for the same or almost the same pressure conditions during operation, i.e. a nominal pressure or working pressure.
  • the differential pressure that occurs in the connected containers via the gas separators must not lead to the gaseous phase breaking through the connecting line via the liquid phase, otherwise a serious and highly dangerous safety-relevant situation could arise. The development of this situation must be avoided under all circumstances.
  • the design is characterized in that when the pressure in the containers is the same, a predetermined standard fill level of the liquid is established, so that at the standard fill level a liquid volume is provided, the container volume being made up of the liquid volume and the corresponding gas volume, and wherein in the containers under standard conditions the liquid volume is greater than the corresponding gas volume. This ensures in particular that the liquid volume of one container is always greater than the gas volume of the other container in a normal operating situation.
  • the arrangement preferably has a filling level control device which is set to the specified standard filling level in the containers. regulates so that the volume requirement for the minimum required liquid volume is met, particularly under standard conditions under constant pressure conditions. In this normal operating situation, the differential pressure between the containers is zero or very low or within a permissible range.
  • this intrinsic safety concept of the invention is superior and very advantageous.
  • These include active control systems and safety shutdowns of the upstream process, e.g. an electrochemical decomposition of water into oxygen and hydrogen in an electrolyzer.
  • this is currently actively regulated via complex regulation and control of the fill levels (Ah ⁇ Ap) shifted via the differential pressure between the communicating containers. If the level difference exceeds a certain permissible value, the upstream process in the system - such as an electrolysis process - must be shut down for safety reasons.
  • the measure of "switching off the upstream process" is not able to improve the operating situation. ation in a controlled manner, especially a sudden gas breakthrough with an acute risk of explosion.
  • the standard filling level of the two containers is the liquid volume by at least 10%, in particular by 15% to 30%, greater than the gas volume.
  • this design offers a sufficient safety reserve for a difference between the liquid volume and the gas volume at the standard fill level.
  • a sufficiently large gas volume of approximately is available in the communicating containers for the gas-liquid separation process during normal operation of the arrangement.
  • the liquid volume - and thus the standard fill level in the containers - is larger than the gas volume in the other container.
  • liquid volumes of between approximately 53% and 56% of the container volume have proven to be advantageous under nominal conditions. This means that, depending on the design, a sufficient gas volume of 47% to 44% is available in the containers during normal operation.
  • the arrangement is designed for normal operation at a nominal pressure with a differential pressure of less than or equal to 100 mbar between the gas phases in the containers.
  • a gas separator has a valve that can be activated by a float device, which is arranged on the top of the container at its gas outlet, so that in the event of a high pressure difference above a maximum permissible differential pressure, liquid is prevented from escaping from a gas separator or the volume flow is throttled to a set value.
  • the float device can preferably also be designed as an electrical or electromechanical device, so that an electrical level measurement with a level signal and activation of the valve is then implemented.
  • the float device is therefore equipped with an electrical level measuring device with which an electrical activation of the valve can be brought about.
  • the float device can also be designed as a purely electrical level measuring device or as an electromechanical level measuring device.
  • a valve designed as a throttle valve with which the volume flow of the liquid can be reduced to less than 50%, in particular less than 20%, when the throttle valve is activated.
  • an electrical level measurement is implemented in the float device and a combination with an activatable valve or with an activatable throttle valve is provided.
  • the throttling effect of the throttle valve can be adjusted to the operating situation and the expected volume flows to the requirements.
  • a complete closure and shut-off effect can therefore also be provided.
  • further process engineering units and components at the outlet of the arrangement with additional dead volumes or residual volumes can also be detected and are taken into account when determining the volume condition for the liquid.
  • the arrangement has at least one cyclone separator or cyclone separator with recombiner connected downstream of one of the gas separators at the gas outlet, so that when the gas breaks through from a container, a phase separation of liquid and gas can be brought about outside the gas separator.
  • an escaping phase mixture of liquid lye with hydrogen can be separated in the downstream cyclone separator so that the remaining hydrogen from the container can be saved as product gas and the lye can be stored and reused.
  • a special storage container can advantageously be provided, into which the liquid can be introduced and collected as a precaution in an emergency situation.
  • the cyclone separator is a fluid dynamic component which in particular does not require any electrical or other supply or operating materials.
  • the cyclone separator imparts a tangential motion component to the product gas stream flowing in an axial direction in the phase mixture or the mixture of product gas and liquid, thereby setting the product gas stream on a circular path.
  • the arrangement includes a collecting container which is connected downstream of a cyclone separator, so that liquid separated in the cyclone separator can be introduced into the collecting container.
  • a respective collecting container can be connected downstream of a container.
  • a cyclone separator On the gas outlet side, there is preferably a cyclone separator to separate the gas-liquid phase, which would re-establish itself if the gas broke through, but can no longer be separated within the gas separator. This is due to the excessive volume flow and the insufficient residence time after the outlet.
  • the phase separation is advantageously carried out outside by the precautions taken with the cyclone separator.
  • the liquid phase separated in this way can be collected and secured in the collecting container(s) as an emergency container, so that provision is also made for an accident and uncontrolled leakage and loss is avoided.
  • a further aspect of the invention is the advantageous use of the arrangement in process engineering for gas-conducting systems with phase separation devices for gas-liquid separation (gas separators), which are achieved by implementing mentation of the arrangement into the plant concept has significantly improved plant safety and explosion protection.
  • the filling level in a container is set to a standard filling level, wherein in the case of a high pressure difference above a maximum permissible differential pressure, a gas transfer between the containers is prevented, so that mixing of the first gas with the second gas is prevented.
  • the arrangement is advantageously preceded by a process plant with a conversion process from which a first gas and a second gas are generated in a respective phase mixture of a liquid and the first gas or the second gas, for example an electrolysis process for the electrochemical decomposition of an electrolyte solution as a reactant.
  • a liquid is preferably fed to an electrolyzer as a reactant and hydrogen as the first gas and oxygen as the second gas are produced as product gases by electrochemical decomposition in a respective phase mixture, wherein a gas-liquid separation of the product gases is carried out in the gas separators.
  • an alkaline aqueous solution is fed to the electrolyzer as a reactant, in particular potassium hydroxide (KOH) in aqueous solution with a concentration of 20%-40%.
  • KOH potassium hydroxide
  • a further aspect of the invention consists in the preferred technical integration of the arrangement into an electrolysis plant.
  • an electrolysis plant with an electrolyzer for producing hydrogen and oxygen as product gases which comprises an arrangement, wherein the electrolyzer is connected to the connecting line of the arrangement, and wherein the electrolyzer is connected to the first gas separator via a first product flow line for hydrogen and to the second gas separator via a second product flow line for oxygen.
  • the electrolyzer On the reactant side, the electrolyzer is connected to the connection line of the arrangement, so that a reactant liquid, for example an alkaline aqueous solution, is present in the anode chamber and cathode chamber of the electrolysis cell during operation or flows through these reaction chambers.
  • a reactant liquid for example an alkaline aqueous solution
  • fresh reactant liquid can be continuously fed to the electrolyzer via a feed line in order to compensate for the consumption of water or electrolyte solution during operation.
  • the electrolyzer is designed as an alkaline electrolyzer and has a diaphragm which (relative to the diaphragm) selectively allows a transfer of hydroxide ions, so that an alkaline electrolysis can be carried out.
  • FIG 1 an arrangement for gas-liquid separation with two containers
  • FIG 2 shows an electrolysis plant with an electrolyzer and with an arrangement according to FIG 1 .
  • FIG 1 an arrangement 10 for gas-liquid separation is shown with a first gas separator 1 for a first gas and with a second gas separator 2 for a second gas.
  • the first gas separator 1 has a container 3a with a container volume V 2 and the second gas separator 2 correspondingly has a container 3b with a container volume V 2 .
  • the container volumes V 2 , V 2 of the two containers 3a, 3b are in the embodiment of FIG 1.
  • the containers 3a, 3b can also have different container volumes V 2 , V 2 .
  • the container 3a is in flow connection with the container 3b via a connecting line 5 .
  • a container design is provided and set to a standard fill level N, at which, with the same nominal pressure p N in both containers 3a, 3b, the same fill level is established in both containers 3a, 3b at the predetermined nominal fill level N.
  • This is achieved by arranging the containers 3a, 3b at the same height.
  • a first product flow line 17 opens into the container 3a and a second product flow line 19 opens into the container 3b.
  • the inlets are arranged above the nominal fill level N.
  • a float device 7 with a float element is located in both containers 3a, 3b, so that during normal operation a current measurement of the respective fill level in the containers 3a, 3b is possible.
  • the arrangement 10 is designed in such a way that, at the same working pressure at a nominal pressure p N in the containers 3a, 3b, the predetermined standard filling level N of the liquid is established, so that at the standard filling level N, a liquid volume V F1 is provided in the first container 3a and a liquid volume V F2 is provided in the second container 3b.
  • the container volume V 2 of the container 3a is made up of the liquid volume V F1 and the corresponding gas volume V Gi . Accordingly, the container volume V 2 is made up of of the container 3b consists of the liquid volume V F2 and the corresponding gas volume V G2 .
  • Practical design situations have shown that at the standard fill level N of the two containers 3a, 3b the liquid volume V F1 , V F2 is typically set to be at least 10%, in particular 15% to 30%, larger than the gas volume V G1 , V G2 .
  • larger safety reserves i.e.
  • volume differences between the liquid volume V F1 , V F2 and the gas volume V G1 , V G2 of the containers 3a, 3b are used.
  • Corresponding level sensors - not shown in detail in FIG 1 - for the standard level and for the permissible differences can be attached to the containers 3a, 3b at the corresponding height.
  • the respective gas-liquid mixture is fed via the first product flow line 17 to the first gas separator 1 or via the product flow line 19 to the second gas separator 2 for the respective phase separation.
  • the first gas can be hydrogen H 2 and the second gas oxygen O 2 , which are obtained from an upstream electrolysis process in a gas-water mixture H 2 /H 2 O or O 2 /H 2 O and are each separated from the water by means of the arrangement 10. Accordingly, the first and second gas separated from the liquid are removed from the containers 3a, 3b via a respective gas outlet line 23 and passed on for further treatment and processing, such as gas purification.
  • an activatable valve 9 is installed in the arrangement 10 directly above the containers 3a, 3b on their top in the gas outlet line 23.
  • the corresponding valve 9 is activated and closed by the float device 9 depending on the pressure gradient.
  • the valve 9 it is also possible for the valve 9 to be designed as a throttle valve so that a predetermined reduced volume flow of the liquid or the gas-liquid mixture can pass through the gas outlet line 23.
  • a cyclone separator 11 is also installed in the gas outlet line 23 after the valve 9 so that in an emergency situation if the gas or the gas-liquid mixture breaks through one of the containers 3a, 3b, phase separation of the liquid and gaseous phases is still possible and ensured outside the container 3a, 3b itself.
  • the liquid for example water H 2 0 or an alkaline aqueous solution, can be introduced into a collecting container 13 which is connected downstream of the cyclone separator 11. It is also possible that, in an advantageous modification of the container arrangement shown in FIG. 1, a respective collecting container 13 is connected downstream of the container 3a and the container 3b, so that separate collection of the respective liquid is then provided in a respective collecting container 13.
  • the two respective collecting volumes are structurally implemented by a partition wall in one and the same collecting container 13.
  • the first gas for example hydrogen H 2
  • the second gas for example oxygen O 2
  • the float device 9 can also serve as an element of a level measurement and monitoring within the framework of the predetermined permissible pressure difference Ap or the corresponding height difference Ah.
  • the measurement signal can be processed in a level control device - not shown in detail in FIG. 1 - and the level control device can initiate a control intervention in the operation of the arrangement 10 if required.
  • the fill level in a container 3a, 3b is set to a standard fill level N at nominal pressure p N, whereby at a high pressure difference Ap above a maximum permissible differential pressure Ap max , gas transfer between the containers 3a, 3b is reliably prevented, so that mixing of the first gas with the second gas is prevented. This prevents the formation of explosive gas mixtures.
  • ignition or the risk of explosion is effectively counteracted, since the formation of gas mixtures is avoided with the arrangement 10.
  • FIG 2 shows a simplified representation of an electrolysis system 20 in which an electrolyzer 15 is connected to an arrangement 10 according to FIG 1 and is fully integrated into the electrolysis system 20.
  • the containers 3a, 3b have the same container volume V 2 , V 2 and the containers 3a, 3b are hydraulically connected for a liquid via the connecting line 5 and are arranged at the same height.
  • the process upstream of the arrangement 10 in this example is an alkaline electrolysis in which an alkaline aqueous solution is fed to the electrolyzer 15 as a reactant, in particular potassium hydroxide KOH in an aqueous solution with a concentration of approximately 20%-40%.
  • the product gases produced are hydrogen H 2 as the first gas and oxygen O 2 as the second gas from the electrochemical decomposition of the concentrated potassium hydroxide solution.
  • the electrolyzer 15 generally has a large number of electrolysis cells (not shown in detail in FIG. 2) which are arranged adjacent to one another or are stacked to form a so-called electrolysis stack.
  • concentrated potassium hydroxide solution KOH is introduced as a reactant in an alkaline electrolysis in a corresponding aqueous solution in H 2 O, whereby After passing through the electrolysis cells, two fluid streams emerge consisting of water H 2 0 and gas bubbles of oxygen 0 2 or hydrogen H 2 in a respective phase mixture.
  • the electrolysis system 20 has the electrolyzer 15 .
  • the electrolysis system 20 also has a hydrogen-soap first gas separator 1 and an oxygen-soap second gas separator 2 .
  • the electrolyzer 15 is connected to the first gas separation device 1 via a first product flow line 17 and to the second gas separation device 2 via a second product flow line 17 .
  • Both gas separators 1, 2 have a respective container 3a, 3b, which are characterized by identical container volumes V 2 , V 2 .
  • a phase mixture of water H 2 O and hydrogen H 2 is transported via the first product flow line 17.
  • a phase mixture of water H 2 O and oxygen O 2 is led out of the electrolyzer 15 via the second product flow line 19.
  • the liquid - in this case potassium hydroxide solution - is then separated from the respective product gas in the respective gas separator 1, 2.
  • the potassium hydroxide solution H 2 O/KOH from the second gas separator 2 is returned to the electrolyzer 15 via a connecting line 5.
  • the potassium hydroxide solution H 2 O/KOH from the first gas separator 1 is fed into a supply line 27 of the electrolyzer 15 via the connecting line 5.
  • the connecting line 5 from the first gas separator 1 and the second gas separator 2 each opens into a mixing device 29 so that the liquids are brought together and mixed.
  • the mixing brings about a concentration balance of the potassium hydroxide solution and a heat balance.
  • the mixing device 29 to additionally implement the function of a heat exchanger. mented, which is not shown in detail in FIG 2. This allows the temperature of the lye to be set to a predetermined value by heat transfer to a heat exchanger medium. In particular, this allows the excess process heat to be removed from the electrolysis system 20 by the electrolysis and used in other process steps if required.
  • Fresh reactant liquid in particular water H 2 O or, if required, concentrated potassium hydroxide H 2 O/KOH in the case of alkaline electrolysis, is added via the supply line 21.
  • the fill level in a container 3a, 3b is set and regulated to a standard fill level N in accordance with the explanations for FIG 1, with gas transfer between the containers 3a, 3b being prevented at a high pressure difference Ap above a maximum permissible differential pressure Ap max , so that mixing of the first gas - in this case hydrogen H 2 - with the second gas - in this case oxygen O 2 - is prevented.
  • a float device 7 which is arranged on the top of the containers 3a, 3b at their gas outlet so that when the pressure difference Ap is high above a maximum permissible pressure difference Ap max , liquid escapes from a gas separator 1, 2 or the volume flow is throttled to a set value.
  • the container is designed in such a way that when the pressure - the nominal pressure p N - is the same in the containers 3a, 3b, the specified standard fill level N of the liquid is established.
  • a liquid volume V F1 , V F2 is provided, the container volume V 2 , V 2 being made up of the liquid volume V F1 , V F2 and the corresponding gas volume V G2 , V G2 .
  • the liquid volume V F1 , V F2 is selected to be larger than the corresponding gas volume V G1 , V G2 , typically the liquid volume V F1 , V F2 in the containers 3a, 3b is at least 10% to 15% larger than the gas volume. Men V Gi , V G2 , thereby providing a sufficient safety reserve.
  • a cyclone separator 11 is also connected to the gas outlet line 23 of the containers 3a, 3b. Even if the gas breaks through one of the containers 3a, 3b, a phase separation of liquid and gas can be carried out outside the gas separator 1, 2.
  • the gas portion separated from the phase mixture is led out of the cyclone separator 11 via a respective line 25 and can be used for further purposes.
  • the liquid portion H 2 O/KOH separated from the phase mixture can be fed into a collecting container 13 and collected and safely stored there.
  • a respective collecting container 13 is connected downstream of the container 3a and the container 3b, so that separate collection of the respective liquid is then provided in a respective collecting container 13. It is also possible that the two respective collecting volumes are structurally implemented by a partition in one and the same collecting container 13.
  • an operational safety concept is implemented in an electrolysis system 20, so that a gas breakthrough and a dangerous gas transfer are already intrinsically excluded by the system concept. This also avoids the risk of explosion due to the mixture of reactive gases such as oxygen O 2 and hydrogen H 2 .
  • the electrolyzer 15 is connected to the connecting line 5 of the arrangement 10, so that a reactant liquid, for example an alkaline aqueous concentrated KOH solution, is present in the anode chamber and the cathode chamber of the electrolysis cell during operation or flows through these reaction chambers.
  • a reactant liquid for example an alkaline aqueous concentrated KOH solution
  • fresh reactant liquid can be continuously fed to the electrolyzer 15 via a feed line 21 in order to maintain the Consumption of water or electrolyte solution and adjust to the standard level N or the driving style at

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (10) für die Gas-Flüssigkeits-Trennung mit einem jeweils einen Behälter (3a, 3b) aufweisenden ersten Gas-Separator (1) für ein erstes Gas und mit einem zweiten Gas-Separator (2) für ein zweites Gas, wobei die Behälter (3a, 3b) wahlweise dasselbe oder ein unterschiedliches jeweiliges Behältervolumen (V1, V2) aufweisen und die Behälter (3a, 3b) über eine Verbindungsleitung (5) hydraulisch für eine Flüssigkeit kommunizierend verbunden und auf derselben Höhe angeordnet sind. Die betriebliche Auslegung ist derart, dass bei gleichem Druck in den Behältern (3a, 3b) sich ein vorgegebener Normfüllstand (N) der Flüssigkeit einstellt, so dass bei dem Normfüllstand (N) ein Flüssigkeitsvolumen (VF1 VF2) bereitgestellt ist, wobei das Behältervolumen (V1, V2) sich aus dem Flüssigkeitsvolumen (VF1, VF2) und dem entsprechenden Gasvolumen (VG1, VG2) zusammensetzt, und wobei in den Behältern (3a, 3b) das Flüssigkeitsvolumen (VF1, VF2) größer ist als das entsprechende Gasvolumen (VG1, VG2). Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung der Anordnung (10), insbesondere beim sicheren Betrieb einer Elektrolyseanlage (20) mit einem Elektrolyseur (15) für die alkalische Elektrolyse.

Description

Beschreibung
Anordnung für die Gas-Flüssigkeits-Trennung und deren Verwendung
Die Erfindung betri f ft eine Anordnung für die Gas- Flüssigkeits-Trennung mit einem j eweils einen Behälter aufweisenden ersten Gas-Separator für ein erstes Gas und mit einem zweiten Gas-Separator für ein zweites Gas . Die Erfindung betri f ft weiterhin die Verwendung einer solchen Anordnung, insbesondere zum sicheren Betrieb einer Elektrolyseanlage .
Zurzeit gibt es - getrieben durch den Klimawandel - erhebliche Bestrebungen einen möglichst hohen Anteil des Gesamtenergiebedarfs der Gesellschaft aus regenerativen Energiequellen zu decken . So hat sich die Bundesregierung der Bundesrepublik Deutschland 2010 auf ein Energiekonzept geeinigt , das bis 2050 u . a . einen Anteil der regenerativen Energien von 80 % am Bruttostromverbrauch vorsieht . 2017 betrug dieser Anteil 36 % . Mit 24 , 2 % wurde ein Großteil davon von Windkraftanlagen an Land und See sowie Photovoltaikanlagen erzeugt . Allerdings unterliegen gerade Windkraft- und Photovoltaikanlagen stark den Witterungsbedingungen, bzw . tages- und j ahres zeitabhängigen Schwankungen der Sonneneinstrahlung . So richtet sich die Stromerzeugung dieser Anlagen nicht nach aktuellem Bedarf , sondern nach den aktuellen Umgebungsbedingungen . Daraus ergibt sich die Notwendigkeit von Energiespeichertechnologien, um diese Unterschiede zu kompensieren .
Die elektrochemische Erzeugung von Wasserstof f aus Wasser stellt eine solche Speichertechnologie dar, denn auf diesem Wege kann nicht verwertbare elektrische Energie , z . B . aus temporärer Überproduktion, in Wasserstof f chemisch gebunden, gelagert , transportiert und andernorts wieder nutzbar freigesetzt werden . Daher wurden die Forschungsaktivitäten unter anderem an Elektrolyseuren für die Wasserelektrolyse zu diesem Zweck intensiviert . Ein möglicher Technologiepfad der Wasserelektrolyse besteht beispielsweise in der PEM- Elektrolyse ( PEM : „polymer electrolyte membrane" , auch „proton exchange membrane" ) von Wasser . In solchen PEM-Elektroly- seuren fällt der erzeugte Wasserstof f üblicherweise in einem Zwei-Phasen-Strom mit umgewäl ztem Wasser an, von welchem er zunächst abgetrennt werden muss , bevor er weiterer Verwendung zugeführt wird . Eine weitere Art der Elektrolyse von Wasser ist die alkalische Elektrolyse , bei der beispielsweise Kaliumhydroxid KOH in konzentrierter wässriger Lösung als Edukt dem Elektrolyseur zugeführt wird . Daneben sind Hochtemperatur- und Hochdruckelektrolysen bekannt .
Dabei sind im Zusammenhang mit der Elektrolyse insbesondere mechanische Verfahren zur Gas-Flüssigkeits-Trennung verbreitet , die mittels so genannter Gas-Separatoren oder Gasabscheidern durchgeführt werden . Die Trennung von Gas-Flüssig- keits-Gemischen stellt einen Sortier-Prozess dar, da sie nach den physikalischen Eigenschaften der Phasen erfolgt . Die Abscheidemechanismen für Partikel bei den Trennverfahren lassen sich grob in zwei Gruppen einteilen, nämlich die Abscheidung in Kraftfeldern und die Abscheidung an Filtern . Da sich die Dichten von Gasen und Flüssigkeiten um Größenordnungen bis zu 104 (bei Wasserstof f ) unterscheiden, stellt die Dichte das wichtigste Trennmerkmal für diesen Verfahrensschritt dar .
Daher werden häufig Massenkräfte im Schwere- und Zentri fugalfeld betrachtet und für die Phasenseparation im Gas-Separator gezielt als Wirkprinzip ausgenutzt . Filternde Abscheider hingegen beruhen auf der Ausnutzung von Trägheitskräften, die bei ein- oder mehrfacher Strömungsumlenkung wirksam werden .
Bei dem anlagentechnischen Zusammenschalten von Gas-Separatoren zu einer Anordnung von gas führenden Behältern mit reaktiven Gasen ist insbesondere ein so genannter Durchbruch der Gase zu vermeiden . Eine Durchmischung von miteinander zur Reaktion neigenden Gasen in einem der Behälter einer Anordnung kann zu akuter Explosionsgefahr führen . Besonders problematisch ist dies beispielsweise bei Wasserelektrolysen, wo ein unkontrollierter Übertritt von Wasserstof f zu Sauerstof f oder umgekehrt zu vermeiden ist . Daher wird bereits im Normalbetrieb eines Elektrolyseurs die Fremdgaskonzentration in den Behältern der Gas-Separatoren kontinuierlich überwacht , d . h . die Konzentration von Sauerstof f im Wasserstof f bzw . die Konzentration von Wasserstof f in Sauerstof f . Problematisch ist , wenn aufgrund eines Stromaus falls oder einer externen Störung ein plötzlicher und unkontrollierter Gasübertritt zu befürchten ist .
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde , eine Anordnung für die Gas-Flüssigkeits-Trennung mit zwei gas führenden Behältern anzugeben . Die Anordnung soll hinsichtlich Sicherheit und Notabschalteigenschaften verbessert sein, wobei ein Durchbruchschutz bei einem Gasdurchtritt und eine explosive Gasmischung zweier beteiligter Gase vermieden wird .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung für die Gas-Flüssigkeits-Trennung mit einem j eweils einen Behälter aufweisenden ersten Gas-Separator für ein erstes Gas und mit einem zweiten Gas-Separator für ein zweites Gas , wobei die Behälter ein Behältervolumen aufweisen und die Behälter über eine Verbindungsleitung hydraulisch für eine Flüssigkeit kommuni zierend verbunden und auf derselben Höhe angeordnet sind, wobei eine betriebliche Auslegung dergestalt vorgesehen ist , dass bei gleichem Druck in den Behältern sich ein vorgegebener Normfüllstand der Flüssigkeit einstellt , so dass bei dem Normfüllstand ein Flüssigkeitsvolumen bereitgestellt ist , wobei das Behältervolumen sich aus dem Flüssigkeitsvolumen und dem entsprechenden Gasvolumen zusammensetzt , und wobei in den Behältern das Flüssigkeitsvolumen größer ist als das entsprechende Gasvolumen .
Die Erfindung geht bereits von der Erkenntnis aus , dass bestehende Sicherheitskonzepte für gas führende Behälter in einer verfahrenstechnischen Anlage , wie etwa Gas-Separatoren von Elektrolyseanlagen, bei einem Aus fall des Versorgungssystems , etwa der Stromversorgung, oder durch unvorhergesehene externe schädigende Einwirkungen nur unzureichend gegen hoch- gefährliche sicherheitsrelevante Situationen geschützt sind . Dies betri f ft besonders einen unkontrollierten Gasaustritt aus einem Behälter sowie die Explosionsgefahr bei der Mischung reaktiver Gase .
Mit der Anordnung der Erfindung wird ein intrinsisches Sicherheitssystem vorgeschlagen, das einen ef fektiven Durchbruchschutz für die Gase und damit einer Vermischung und der Explosionsgefahr wirkungsvoll begegnet .
Die Anordnung umfasst mindestens zwei Behälter, in denen j eweils ein Gas-Flüssigkeitsgemisch gravimetrisch separiert werden kann, die im Betrieb der Anordnung miteinander über die flüssige Phase in Verbindung stehen . Dies sind Gas- Separatoren, die j eweils einen Behälter mit einem Behältervolumen aufweisen . Diese sind einem vorgelagerten Prozess verfahrenstechnisch nachgeschaltet , insbesondere einer Wasserelektrolyse , bei der zwei unterschiedliche Gase , die miteinander reagieren können . Die Gase sind als Folge des Prozesses in einer Flüssigphase (Arbeitsmittel ) beim Austritt aus dem Prozess eingebettet und durchlaufen die besagten Gas- Separatoren ( Gas-Flüssigkeits-Abscheider ) . Der Prozess benötigt eine Verbindung zwischen beiden flüssigen Phasen, um effi zient und dauerhaft zu funktionieren . Daher ist die Verbindungsleitung vorgesehen, die die Behälter hydraulisch für die Flüssigkeit kommuni zierend verbindet . Die Verbindungsleitung dient dem Ausgleich leicht unterschiedlicher Volumenströme infolge des vorgelagerten Prozesses und/oder dem Ausgleich eines Konzentrationsgefälles . Die Behälter weisen vorteilhafterweise ein j eweiliges Behältervolumen auf , wobei die Behältervolumina sowohl identisch sein können als auch unterschiedlich j e nach Anwendungs fall in einer Anlage . Bei identischen Behältervolumina hat man für einen Behälter ein Standardbauteil zur Verfügung, das sowohl für den ersten Gas- Separator als auch für den zweiten Gas-Separator verwendet werden kann . Dies ist fertigungstechnisch von Vorteil . Einer der Behälter oder wahlweise auch beide Behälter können darüber hinaus bedarfsweise eine Vorrichtung enthalten, die das in der Flüssigkeit gelöste Gas teilweise oder vollständig austreiben kann .
Beide durch die beiden Behälter gebildeten Teilsysteme der Anordnung sind auf die gleichen oder annähernd gleichen Druckbedingungen im Betrieb, also ein Nenndruck oder Arbeitsdruck, ausgelegt und betreibbar . Der sich in den verbundenen Behältern über die Gasabscheider einstellende Di f ferenzdruck darf nicht zum Durchbruch der gas förmigen Phase durch die Verbindungsleitung über die flüssige Phase führen, sonst kann es zu einer ernsten und hochgefährlichen sicherheitsrelevanten Situation kommen . Die Ausbildung dieser Situation muss unter allen Umständen vermieden werden .
Hier setzt das intrinsische Sicherheitskonzept der Erfindung an, indem dieses bereits a priori bei der konstruktiven Auslegung und Anordnung berücksichtigt ist und durch die beiden die Gas-Separatoren bildenden und vorzugsweise volumengleichen kommuni zierenden Behälter in der Anordnung implementiert ist . Die Auslegung zeichnet sich dadurch aus , dass bei gleichem Druck in den Behältern sich ein vorgegebener Normfüllstand der Flüssigkeit einstellt , so dass bei dem Normfüllstand ein Flüssigkeitsvolumen bereitgestellt ist , wobei das Behältervolumen sich aus dem Flüssigkeitsvolumen und dem entsprechenden Gasvolumen zusammensetzt , und wobei in den Behältern bei den Normbedingungen das Flüssigkeitsvolumen größer ist als das entsprechende Gasvolumen . Hierdurch ist insbesondere erreicht , dass das Flüssigkeitsvolumen des einen Behälters in einer normalen Betriebssituation immer größer ist als das Gasvolumen des anderen Behälters .
Durch dieses Auslegungskonzept der Erfindung wird in der Behälteranordnung vorteilhafterweise erreicht , dass der Nennfüllstand in den Behältern unter Sicherheitsaspekten so einstellbar und regelbar ist , dass das Gasvolumen im Gas-Separator stets kleiner ist als das Flüssigkeitsvolumen . Hierzu weist die Anordnung bevorzugt eine Füllstand-Regeleinrichtung auf , die auf den vorgegebenen Normfüllstand in den Behältern regelt , so dass die Volumenbedingung für das minimal erforderliche Flüssigkeitsvolumen erfüllt ist , insbesondere bei den Normbedingungen unter Gleichdruckbedingungen . In dieser normalen Betriebssituation ist der Di f ferenzdruck zwischen den Behältern Null oder sehr gering bzw . bewegt in einem zulässigen Rahmen .
Kommt es nun zu einer massiven Di f ferenzdrucksituation zwischen den über die Verbindungsleitung kommuni zierenden Behältern, so ist gewährleistet , dass Flüssigkeit des einen ( ersten) Behälters in den anderen ( zweiten) Behälter überströmen kann . Diese Flüssigkeit verdrängt dabei die anfänglich oberhalb der Flüssigkeit bei dem Normfüllstand liegende Gasphase dieses Behälters vollständig, bevor das Gas des einen Behälters in den anderen Behälter über die Verbindungsleitung übertreten kann . Eine Vermischung des ersten Gases mit dem zweiten Gas infolge eines Gasübertritts oder Gasdurchbruchs ist unterbunden und damit die Ausbildung einer reaktions fähigen und ggf . sogar explosiven Gasmischung ausgeschlossen .
Gegenüber bekannten druckgas führenden und verbundenen Behältern bei Gas-Separatoren ist dieses intrinsische Sicherheitskonzept der Erfindung überlegen und sehr vorteilhaft . Diese beinhalten aktive Regelungssysteme und Sicherheitsabschaltungen des vorgelagerten Prozesses , z . B . einer elektrochemischen Zerlegung von Wasser in Sauerstof f und Wasserstof f in einem Elektrolyseur . In ausgeführten Anlagen beispielsweise wird dies aktuell über eine aufwändige Regelung und Kontrolle der über den Di f ferenzdruck verschobenen Füllstandpegel (Ah ~ Ap) zwischen den kommuni zierenden Behältern aktiv geregelt . Übersteigt der Pegelunterschied einen bestimmten zulässigen Wert , muss der zuvor liegende Prozess der Anlage - etwa ein Elektrolyseprozess - sicherheitsgerichtet abgeschaltet werden .
Wird hingegen die Störung sogar extern aufgeprägt , etwa durch einen Bruch einer ein Gas abführenden Leitung oder Aus fall eines Druck- bzw . Di f ferenzdruckreglers auf Seiten eines der beiden Behälter einer, so ist die Maßnahme „Abschalten des vorgelagerten Prozesses" nicht in der Lage , die Betriebssitu- ation kontrolliert zu beherrschen, insbesondere einen plötzlichen Gasdurchbruch mit akuter Explosionsgefahr .
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Anordnung ist der Normfüllstand der beiden Behälter das Flüssigkeitsvolumen um mindestens 10% , insbesondere um 15% bis 30% , größer als das Gasvolumen .
Es hat sich gezeigt , dass diese Auslegung auf einen Unterschied zwischen dem Flüssigkeitsvolumen und dem Gasvolumen bei dem Normfüllstand eine ausreichende Sicherheitsreserve bietet . Somit steht für den Gas-Flüssigkeits-Trennprozess im Normalbetrieb der Anordnung ein ausreichend großes Gasvolumen von etwa in den kommuni zierenden Behältern zur Verfügung . Jedenfalls ist es zu beachten, dass in beiden Behältern unter Nennbedingungen das Flüssigkeitsvolumen - und damit der Normfüllstand in den Behältern - j eweils größer ist als das Gasvolumen des anderen Behälters . Beispielsweise haben sich Flüssigkeitsvolumina unter Nennbedingungen zwischen etwa 53% bis 56 % des Behältervolumens als vorteilhaft erwiesen . Somit stehen j e nach Auslegung entsprechend im Normalbetrieb ein ausreichendes Gasvolumen in den Behältern von 47 % bis 44 % zur Verfügung .
In bevorzugter Ausgestaltung der Anordnung ist diese auf einen Normalbetrieb bei einem Nenndruck mit einem Di f ferenzdruck kleiner oder gleich 100 mbar zwischen den Gasphasen in den Behältern ausgelegt .
Hierdurch wird eine Fahrweise im Normalbetrieb mit einem geringen Di f ferenzdruck zwischen den kommuni zierenden Behältern als Regelabweichung um den Nenndruck vorgesehen . Möglichst ist aber ein Gleichdruckbetrieb bevorzugt , d . h . die Behälter werden mit gleichem oder annähend gleichem Druck betrieben und die Anordnung ist entsprechend ausgelegt . Der zulässige Di f ferenzdruck von bis zu etwa 100 mbar ermöglicht vorteilhafterweise eine gewisse Betriebs flexibilität in einem kleinen zulässigen Di f ferenzdruckintervall und j eweils eine nahe- zu stationäre und stabile Betriebsweise der Anordnung in diesem Bereich .
In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Anordnung weist ein Gas-Separator ein durch eine Schwimmereinrichtung aktivierbares Ventil auf , welches an der Oberseite des Behälters an dessen Gasaustritt angeordnet ist , so dass bei einer hohen Druckdi f ferenz oberhalb eines maximal zulässigen Di f ferenzdrucks ein Austritt von Flüssigkeit aus einem Gas-Separator verhindert oder der Volumenstrom auf einen eingestellten Wert gedrosselt ist . Die Schwimmereinrichtung kann neben einer mechanischen Aus führung bevorzugt auch als elektrische oder elektromechanische Einrichtung ausgeführt sein, so dass dann eine elektrische Füllstandmessung mit einem Füllstandsignal und Aktivierung des Ventils implementiert ist .
Vorzugsweise ist daher die Schwimmereinrichtung mit einer elektrische Füllstandmesseinrichtung ausgestattet , mit der eine elektrische Aktivierung des Ventils herbei führbar ist . Die Schwimmereinrichtung kann auch als rein elektrische Füllstandmesseinrichtung ausgeführt sein oder als elektromechanische Füllstandmesseinrichtung .
Hierdurch wird eine vorteilhafte und zusätzliche Sicherheitsmaßnahme für den Durchbruchschutz vorgeschlagen, indem die oben liegenden Austrittsbereiche der Behälter über ein Schwimmerventil bzw . eine aus dem Anlagenbau bekannten automatischen Entlüftung in der Art aus zustatten, das nach dem vollständigen Abfluss oder Verdrängen der Gasphase der Austritt blockiert bzw . wahlweise gedrosselt wird, um das Ausströmen der flüssigen Phase aus dem Behälter zu verhindern bzw . deutlich zu verlangsamen .
Es hat sich aus ersten Abschätzungen für eine Auslegung gezeigt , dass vorzugsweise ein als ein Drosselventil ausgestaltetes Ventil vorzusehen ist , mit dem bei einer Aktivierung des Drosselventils der Volumenstrom der Flüssigkeit auf kleiner 50% , insbesondere kleiner als 20% , reduzierbar ist . Besonders bevorzugt ist bei der Schwimmereinrichtung dabei eine elektrische Füllstandsmessung implementiert und eine Kombination mit einem aktivierbaren Ventil oder mit einem aktivierbaren Drosselventil vorgesehen .
Vorzugsweise ist die Drosselwirkung des Drosselventils auf die Betriebssituation und die zu erwartenden Volumenströme auf den Bedarf einstellbar . Ein völliger Verschluss und Absperrwirkung können daher auch vorgesehen sein . Dabei sind bevorzugt weitere verfahrenstechnische Einheiten und Komponenten am Ausgang der Anordnung mit zusätzlichem Totvolumina oder Restvolumina ebenfalls erfassbar und werden bei der Bestimmung der Volumenbedingung für die Flüssigkeit berücksichtigt .
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Anordnung weist diese zumindest einen einem der Gas-Separatoren am Gasaustritt nachgeschalteten Zyklonabscheider bzw . Zyklonabscheider mit Rekombinator auf , so dass bei einem Durchbruch des Gases aus einem Behälter eine Phasentrennung von Flüssigkeit und Gas außerhalb des Gas-Separators herbei führbar ist .
Mit dieser zusätzlichen Sicherheitsmaßnahme kann ein über das Drosselventil austretendes Gas-Flüssigkeitsgemisch in die flüssige und die gas förmige Phase aufgetrennt und separater Behandlung zugeführt werden . Ein unkontrollierter Austritt von ggf . schädigenden oder explosiven Gasen wird vermieden .
So kann beispielsweise bei einer alkalischen Wasserelektrolyse ein austretendes Phasengemisch aus flüssiger Lauge mit Wasserstof f in dem nachgeschalteten Zyklonabscheider aufgetrennt werden, so dass der restliche Wasserstof f aus dem Behälter als Produktgas und die Lauge gesichert , gespeichert und wiederverwendet werden können . Hierzu kann eigens ein j eweiliger Speicherbehälter vorteilhaft vorgesehen sein, in den die Flüssigkeit in einer Notfallsituation vorsorglich einleitbar und auf fangbar ist . Bei dem Zyklonabscheider handelt es sich um eine strömungstechnische Komponente , die insbesondere keinerlei elektrischer oder anderweitiger Versorgung oder Betriebsmittel bedarf . Durch den Zyklonabscheider wird dem in einer axialen Richtung strömenden Produktgasstrom in dem Phasengemisch bzw . dem Gemisch aus Produktgas und Flüssigkeit eine tangentiale Bewegungskomponente aufgeprägt und der Produktgasstrom damit auf eine kreis förmige Bahn gebracht . Durch Radialkräfte radial einwärts zur z-Achse hin und durch Verringerung der Radialkomponente nimmt die Drehgeschwindigkeit dermaßen zu, dass die schwereren Wasserteilchen durch die Fliehkraft nach außen geschleudert und abgebremst werden . Das leichtere Produktgas hingegen wird in den inneren Bereich in die axial zentrale Zone gefördert und dort transportiert und abgeschieden .
Vorzugsweise ist in der Anordnung ein Auf f angbehälter vorgesehen ist , der einem Zyklonabscheider nachgeschaltet ist , so dass in dem Zyklonabscheider abgetrennte Flüssigkeit in den Auf f angbehälter einleitbar ist . Dabei kann bevorzugt ein j eweiliger Auf f angbehälter einem Behälter nachgeschaltet sein .
Gasaustrittseitig befindet sich bevorzugt ein Zyklonabscheider zur Trennung der Gas-Flüssig-Phase , die beim Durchbruch des Gases sich wieder einstellen würde , nun aber nicht mehr innerhalb der Gasabscheider separiert werden kann . Dies ist dem zu hohem Volumenstrom und der zu geringen Verweil zeit nach dem Austritt geschuldet . Die Phasentrennung erfolgt vorteilhafterweise außerhalb durch die getrof fene Vorkehrung mit dem Zyklonabscheider . Die dadurch abgetrennte Flüssigphase kann durch den oder die Auf f angbehälter als Notbehälter aufgefangen und gesichert werden, so dass auch für einen Havariefall vorgesorgt und ein unkontrollierter Austritt und Verlust vermieden .
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in der vorteilhaften Verwendung der Anordnung in der Verfahrenstechnik für gas führende Systeme mit Phasentrennvorrichtungen für die Gas- Flüssigkeits-Trennung ( Gas-Separatoren) , die durch die Imple- mentierung der Anordnung in das Anlagenkonzept hinsichtlich Anlagensicherheit und Explosionsschutz deutlich verbessert ist .
Bei der erfindungsgemäßen Verwendung der Anordnung ist es dabei vorgesehen, dass der Füllstand in einem Behälter auf einen Normfüllstand eingestellt wird, wobei bei einer hohen Druckdi f ferenz oberhalb eines maximal zulässigen Di f ferenzdrucks ein Gasübertritt zwischen den Behältern verhindert wird, so dass eine Vermischung von dem ersten Gas mit dem zweiten Gas unterbunden wird .
Bei dieser Verwendung wird der Anordnung vorteilhafterweise eine verfahrenstechnische Anlage mit einem Umwandlungsprozess vorgeschaltet , aus dem ein erstes Gas und ein zweites Gas in einem j eweiligen Phasengemisch aus einer Flüssigkeit und dem ersten Gas bzw . dem zweiten Gas hervorgehen erzeugt wird, etwa ein Elektrolyseprozess zur elektrochemischen Zerlegung einer Elektrolytlösung als Edukt .
Bei der Verwendung wird vorzugsweise einem Elektrolyseur eine Flüssigkeit als Edukt zugeführt und als Produktgase werden Wasserstof f als erstes Gas und Sauerstof f als zweites Gas durch elektrochemische Zerlegung in einem j eweiligen Phasengemisch erzeugt , wobei in den Gas-Separatoren eine Gas- Flüssigkeits-Trennung der Produktgase durchgeführt wird .
Dabei wird gemäß einer bevorzugten Verwendung dem Elektrolyseur eine alkalische wässrige Lösung als Edukt zugeführt , insbesondere Kaliumhydroxid (KOH) in wässriger Lösung mit einer Konzentration von 20%-40% .
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in der bevorzugten anlagentechnischen Integration der Anordnung in eine Elektrolyseanlage .
Demgemäß wird eine Elektrolyseanlage mit einem Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstof f und Sauerstof f als Produktgase vorgeschlagen, der eine Anordnung umfasst , wobei der Elektrolyseur in die Verbindungsleitung der Anordnung geschaltet ist , und wobei der Elektrolyseur über eine erste Produktstrom-Leitung für Wasserstof f an den ersten Gas-Separator und über eine zweite Produktstrom-Leitung für Sauerstof f an den zweiten Gas-Separator angeschlossen ist .
Hierdurch ist in einer Elektrolyseanlage ein betriebliches Sicherheitskonzept realisiert , so dass ein Gasdurchbruch sowie Gasübertritt bereits intrinsisch durch das Anlagenkonzept ausgeschlossen sind . Somit ist auch eine Explosionsgefahr Mischung reaktiver Gase vermieden . Eduktseitig ist der Elektrolyseur in die Verbindungsleitung der Anordnung geschaltet , so dass eine Edukt-Flüssigkeit , beispielsweise eine alkalische wässrige Lösung, im Betrieb im Anodenraum und im Kathodenraum der Elektrolysezelle ansteht bzw . diese Reaktionsräume durchströmt . Überdies ist frische Edukt-Flüssigkeit über eine Zufuhrleitung dem Elektrolyseur kontinuierlich zuführbar, um im Betrieb den Verbrauch an Wasser oder Elektrolytlösung aus zugleichen .
In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage ist der Elektrolyseur als alkalischer Elektrolyseur ausgestaltet und weist ein Diaphragma auf , welches ( auf das Diaphragma bezogen) selektiv einen Übertritt von Hydroxidionen erlaubt , so dass eine alkalische Elektrolyse durchführbar ist .
Beim alkalischen Elektrolyseur wird bei einer Gleichspannung von mindestens 1 , 5 Volt an der Kathode Wasserstof f und an der Anode Sauerstof f gebildet . Als Elektrolyt dient Kalilauge (Kaliumhydroxid-Lösung, KOH) mit einer Konzentration von typischerweise 20 % - 40 % . Als ionenpermeable Membran kommt eine weitgehend gasdichte Membran, das sogenannte Diaphragma zum Einsatz . Dieses lässt zwar den Transport von OH~-Ionen zu, verhindert aber gleichzeitig die Vermischung der entstehenden Produktgase . Als Elektroden werden sogenannte „DSA- Elektroden" ( Dimensionsstabile Anoden) meist Titanelektroden mit einer Rutheniumoxid-Beschichtung eingesetzt . Dies sind Streckmetalle , die mit einem Edelmetall-Katalysatoroxid - z . B . Ruthenium- oder Iridiumoxid - beschichtet werden . Es gibt aber auch Systeme mit Raney-Nickel-Katalysatoren in einer Gasdi f fusionselektrode . Alkalische Elektrolyseure sind in großem Maßstab weltweit im Einsatz .
Weitere Vorteile , Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Aus führungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung . Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den einzelnen Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der j eweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen .
Aus führungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand einer Zeichnung näher erläutert . Hierin zeigen schematisch und stark vereinfacht :
FIG 1 eine Anordnung für die Gas-Flüssigkeits-Trennung mit zwei Behältern,
FIG 2 eine Elektrolyseanlage mit einem Elektrolyseur und mit einer Anordnung nach FIG 1 .
Gleiche Bezugs zeichen haben in den Figuren die gleiche Bedeutung .
In FIG 1 ist eine Anordnung 10 für die Gas-Flüssigkeits- Trennung mit einem ersten Gas-Separator 1 für ein erstes Gas und mit einem zweiten Gas-Separator 2 für ein zweites Gas gezeigt . Der erste Gas-Separator 1 weist einen Behälter 3a mit einem Behältervolumen V2 auf und der zweite Gas-Separator 2 entsprechend einen Behälter 3b mit einem Behältervolumen V2 . Die Behältervolumina V2 , V2 der beiden Behälter 3a, 3b sind in dem Aus führungsbeispiel der FIG 1 gleich . Die Behälter 3a, 3b können aber auch unterschiedliche Behältervolumina V2 , V2 aufweisen . Der Behälter 3a steht mit dem Behälter 3b über eine Verbindungsleitung 5 in Strömungsverbindung . Hierdurch ist in der Anordnung 10 bei Beladung mit einer Flüssigkeit ein System aus zwei für eine Flüssigkeit kommuni zierenden Behältern 3a, 3b realisiert . Dabei ist eine Behälterauslegung auf einen Normfüllstand N vorgesehen und eingestellt , bei dem bei gleichem Nenndruck pN in beiden Behältern 3a, 3b sich auch derselbe Füllstand in beiden Behältern 3a, 3b bei dem vorgegebenen Nennfüllstand N einstellt . Dies wird dadurch erreicht , dass die Behälter 3a, 3b auf derselben Höhe angeordnet sind . Des Weiteren mündet eine erste Produktstrom-Leitung 17 in den Behälter 3a und eine zweite Produkt-Strom Leitung 19 in den Behälter 3b . Die Einmündungen sind oberhalb des Nennfüllstands N angeordnet . Eine Schwimmereinrichtung 7 mit einem Schwimmerelement befindet sich in beiden Behältern 3a, 3b, so dass im Normalbetrieb eine aktuelle Messung des j eweiligen Füllstands in den Behältern 3a, 3b möglich ist . Bei einem Di f ferenzdruck Ap zwischen den Behältern 3a, 3b ergibt sich eine proportionale Höhendi f ferenz Ah der Flüssigkeit . Bei dem Nenndruck pN und dem Nennfüllstand N in dem ersten Gas-Separator 1 und in dem zweiten Gas-Separator 2 beträgt der Di f ferenzdruck Ap = 0 mbar . Für einen Normalbetrieb ist ein Di f ferenzdruck Ap von maximal etwa 100 mbar vorgesehen und zulässig, so dass sich aufgrund des Di f ferenzdrucks Ap ein entsprechender zulässiger Unterschied Ah im Füllstand der Behälter 3a, 3b einstellt .
Die Anordnung 10 ist derart ausgelegt , dass bei gleichem Arbeitsdruck bei einem Nenndruck pN in den Behältern 3a, 3b sich der vorgegebene Normfüllstand N der Flüssigkeit einstellt , so dass bei dem Normfüllstand N ein Flüssigkeitsvolumen VF1 in dem ersten Behälter 3a und in dem zweiten Behälter 3b ein Flüssigkeitsvolumen VF2 bereitgestellt ist . Das Behältervolumen V2 des Behälters 3a setzt sich aus dem Flüssig- keitsvolumina VF1 und dem entsprechenden Gasvolumen VGi additiv zusammen . Entsprechend setzt sich das Behältervolumen V2 des Behälters 3b aus dem Flüssigkeitsvolumina VF2 und dem entsprechenden Gasvolumen VG2 zusammen . Die Behälter 3a, 3b sind so konzipiert und für den Betrieb ausgelegt , dass unter normalen Betriebsbedingungen bei einem Nenndruck pN und bei einem Di f ferenzdruck Ap = 0 mbar bei dem Normfüllstand N in beiden Behältern 3a, 3b das Flüssigkeitsvolumen VF1 , VF2 größer ist als das entsprechende Gasvolumen VG2 , VG2 . Es hat sich bei praxisnahen Auslegungssituationen gezeigt , dass bei dem Normfüllstand N der beiden Behälter 3a, 3b das Flüssigkeitsvolumen VF1 , VF2 typischerweise um mindestens 10% , insbesondere um 15% bis 30% , größer einzustellen ist als das Gasvolumen VG1 , VG2 . Je nach Anwendung und Sicherheitsanforderungen können aber auch größere Sicherheitsreserven, d . h . Volumenunterschiede zwischen Flüssigkeitsvolumen VF1 , VF2 und Gasvolumen VG1 , VG2 der Behälter 3a, 3b zur Anwendung kommen . Entsprechende - in der FIG 1 nicht näher dargestellte - Füllstandsensoren für den Normfüllstand und für die zulässigen Di f ferenzen können an den Behältern 3a, 3b auf der entsprechenden Höhe j eweils angebracht sein .
Das j eweilige Gas-Flüssigkeits-Gemisch wird im Betrieb über die erste Produktstrom-Leitung 17 dem ersten Gas-Separator 1 bzw . über die Produktstrom-Leitung 19 dem zweiten Gas- Separator 2 zur j eweiligen Phasentrennung zugeführt . Beispielsweise kann das erste Gas Wasserstof f H2 und das zweite Gas Sauerstof f O2 sein, die aus einem vorgeschalteten Elektrolyseprozess in einem Gas-Wasser-Gemisch H2/H2O bzw . O2/H2O gewonnen werden und mittels der Anordnung 10 j eweils von dem Wasser getrennt . Entsprechend wird das von der Flüssigkeit j eweils abgetrennte erste und zweite Gas über eine j eweilige Gasauslass-Leitung 23 den Behältern 3a, 3b entnommen und zur weiteren Behandlung und Aufbereitung, wie etwa eine Gasreinigung, weitergeleitet . Zur Gewährleistung einer hohen intrinsischen Sicherheit der Anordnung 10 vor allem hinsichtlich Explosionsschutz und unzulässiger Mischung der reaktiven Gase ist in der Anordnung 10 unmittelbar oberhalb der Behälter 3a, 3b an deren Oberseite in der Gasauslass-Leitung 23 j eweils ein aktivierbares Ventil 9 eingebaut . Bei einer unzulässig hohen Druckdi f ferenz Ap zwischen den Behältern 3a, 3b oberhalb eines zulässigen maximalen Di f f erendrucks Apmax wird - j e nach Druckgradient - das entsprechende Ventil 9 durch die Schwimmereinrichtung 9 aktiviert und geschlossen . Dabei ist es auch möglich, dass das Ventil 9 als Drosselventil ausgestaltet ist , so dass ein vorgegebener reduzierter Volumenstrom der Flüssigkeit bzw . des Gas-Flüssigkeits-Gemischs die Gasauslass-Leitung 23 passieren kann . In die Gasauslassleitung 23 ist nach dem Ventil 9 zusätzlich ein Zyklonabscheider 11 eingebracht , so dass bei einer Notfallsituation bei einem Durchbruch des Gases bzw . des Gas-Flüssigkeits- Gemisches aus einem der Behälter 3a, 3b weiterhin eine Phasentrennung von flüssiger und gas förmiger Phase auch außerhalb des Behälters 3a, 3b selbst möglich und sichergestellt ist . Die Flüssigkeit , beispielsweise Wasser H20 oder eine alkalische wässrige Lösung, kann dabei in einen Auf f angbehälter 13 eingeleitet werden, der dem Zyklonabscheider 11 nachgeschaltet ist . Es ist auch möglich, dass in vorteilhafter Abwandlung der in FIG 1 dargestellten Behälteranordnung ein j eweiliger Auf f angbehälter 13 dem Behälter 3a sowie dem Behälter 3b j eweils nachgeschaltet ist , so dass dann ein getrenntes Auf fangen der j eweiligen Flüssigkeit in eine j eweiligen Auf f angbehälter 13 vorgesehen ist . Dabei ist es auch möglich, dass konstruktiv die beiden j eweiligen Auf f angvolumina durch eine Trennwand in ein und demselben Auf f angbehälter 13 realisiert ist . Das erste Gas , beispielsweise Wasserstof f H2 , sowie das zweite Gas , beispielsweise Sauerstof f 02 , sind dadurch getrennt über eine j eweilige Leitung 25 abführbar, ohne dass eine gefährliche explosive Gasmischung zu befürchten ist . Die Schwimmereinrichtung 9 kann neben der Funktion einer Notaktivierung für das Ventil 9 in einem Normalbetrieb auch als Element einer Füllstandsmessung und - Überwachung dienen im Rahmen der vorgegebenen zulässigen Druckdi f ferenz Ap bzw . entsprechende Höhendi f ferenz Ah . Das Messignal kann in einer - in der FIG 1 nicht näher dargestellten - Füllstands-Regeleinrichtung verarbeitet werden und von der Füllstands-Regeleinrichtung bedarfsweise ein Regeleingri f f in die Betriebs führung der Anordnung 10 initiiert . Im Betrieb bei Anwendung der Anordnung 10 und Zusammenwirken mit einem vorgelagerten Prozess ist intrinsisch sichergestellt und erreicht , dass der Füllstand in einem Behälter 3a, 3b bei Nenndruck pN auf einen Normfüllstand N eingestellt wird, wobei bei einer hohen Druckdi f ferenz Ap oberhalb eines maximal zulässigen Di f ferenzdrucks Apmax ein Gasübertritt zwischen den Behältern 3a, 3b sicher verhindert wird, so dass eine Vermischung von erstem Gas mit dem zweiten Gas unterbunden wird . Dadurch wird das Entstehen explosiver Gasgemische unterbunden . Somit wird bei der verfahrenstechnischen Trennung, Aufbereitung und Verarbeitung von reaktiven Prozessgasen mit der Anordnung 10 einer Entzündung oder einer Explosionsgefahr wirksam begegnet , da eine Bildung von Gasgemischen mit der Anordnung 10 vermieden ist .
In FIG 2 ist in vereinfachter Darstellung eine Elektrolyseanlage 20 gezeigt , bei der ein Elektrolyseur 15 mit einer Anordnung 10 nach FIG 1 verschaltet und in die Elektrolyseanlage 20 vollständig integriert ist . Die Behälter 3a, 3b weisen dasselbe Behältervolumen V2 , V2 auf und die Behälter 3a, 3b sind über die Verbindungsleitung 5 hydraulisch für eine Flüssigkeit kommuni zierend verbunden und auf derselben Höhe angeordnet . Der der Anordnung 10 vorgeschaltete verfahrenstechnische Prozess ist in diesem Beispiel eine alkalische Elektrolyse , bei der dem Elektrolyseur 15 eine alkalische wässrige Lösung als Edukt zugeführt wird, insbesondere Kaliumhydroxid KOH in einer wässrigen Lösung mit einer Konzentration von etwa 20%-40% . Als Produktgase werden Wasserstof f H2 als erstes Gas und Sauerstof f O2 als zweites Gas aus der elektrochemischen Zersetzung der konzentrierten Kalilauge erzeugt . Der Elektrolyseur 15 weist dabei in der Regel eine Viel zahl von in der FIG 2 nicht näher dargestellten Elektrolysezellen auf , welche benachbart zueinander angeordnet bzw . zu einem so genannten Elektrolyse-Stack gestapelt sind . In dem unter einer Gleichspannung stehenden Elektrolyse-Stack wird bei einer alkalischen Elektrolyse als Edukt konzentrierte Kalilauge KOH in entsprechender wässriger Lösung in H2O eingebracht , wobei nach dem Durchlauf durch die Elektrolysezellen zwei Fluidströme , bestehend aus Wasser H20 und Gasblasen aus Sauerstof f 02 bzw . Wasserstof f H2 in einem j eweiligen Phasengemisch austreten .
Bei der alkalischen Wasser-Elektrolyse wird in der Kalilauge Wasser H20 als Edukt elektrochemisch in ein Sauerstof f- Produktgas 02 und ein Wasserstof f-Produktgas H2 zerlegt . Für die elektrochemische Zerlegung weist die Elektrolyseanlage 20 den Elektrolyseur 15 auf . Die Elektrolyseanlage 20 verfügt außerdem über eine Wasserstof f seif igen ersten Gas-Separator 1 sowie über einen Sauerstof f stof f seif igen zweiten Gas- Separator 2 . Der Elektrolyseur 15 ist über eine erste Produktstrom-Leitung 17 mit der ersten Gasabscheidevorrichtung 1 und über eine zweite Produktstrom-Leitung 17 mit der zweiten Gasabscheidevorrichtung 2 verbunden . Beide Gas-Separatoren 1 , 2 weisen einen j eweiligen Behälter 3a, 3b auf , die sich durch gleiche Behältervolumina V2 , V2 aus zeichnen . Über die erste Produktstrom-Leitung 17 wird demnach ein Phasengemisch aus Wasser H2O und Wasserstof f H2 transportiert . Durch die zweite Produktstrom-Leitung 19 wird ein Phasengemisch aus Wasser H2O und Sauerstof f O2 aus dem Elektrolyseur 15 hinausgeführt . Anschließend findet in dem j eweiligen Gas-Separator 1 , 2 eine Trennung der Flüssigkeit - vorliegend Kalilauge - von dem j eweiligen Produktgas statt .
Weiterhin wird über eine Verbindungsleitung 5 die Kalilauge H2O/KOH aus dem zweiten Gas-Separator 2 in den Elektrolyseur 15 zurückgeführt . Die Kalilauge H2O/KOH aus dem ersten Gas- Separator 1 wird über die Verbindungsleitung 5 in eine Versorgungsleitung 27 des Elektrolyseurs 15 hineingeleitet . In einer Mischvorrichtung 29 mündet j eweils die Verbindungsleitung 5 aus dem ersten Gas-Separator 1 und dem zweiten Gas- Separator 2 ein, so dass die Flüssigkeiten zusammengeführt und gemischt werden . Durch die Mischung wird gezielt ein Konzentrationsausgleich der Kalilauge sowie ein Wärmeausgleich herbeigeführt . Es ist auch möglich, dass in der Mischvorrichtung 29 zusätzlich die Funktion eines Wärmetauschers imple- mentiert ist , was in der FIG 2 nicht näher gezeigt ist . Dadurch ist die Temperatur der Lauge durch Wärmeübergang auf ein Wärmetauscher-Medium auf einen vorgegebenen Wert einstellbar . Insbesondere ist dadurch die überschüssige Prozesswärme durch die Elektrolyse aus der Elektrolyseanlage 20 abführbar und bei Bedarf in anderen Prozessschritten nutzbar .
Ein Nachführen von frischer Edukt-Flüssigkeit , insbesondere Wasser H2O oder bedarfsweise konzentrierte Kalilauge H2O/KOH bei einer alkalischen Elektrolyse , erfolgt über die Zufuhrleitung 21 . Hierdurch wird der Verbrauch von Edukt- Flüssigkeit kontinuierlich kompensiert und im normalen Betrieb auf einen Normfüllstand N in den Behältern 3a, 3b mittels einer Füllstand-Regeleinrichtung geregelt . Der Füllstand in einem Behälter 3a, 3b wird dabei entsprechend den Erläuterungen zu FIG 1 auf einen Normfüllstand N eingestellt und geregelt , wobei bei einer hohen Druckdi f ferenz Ap oberhalb eines maximal zulässigen Di f ferenzdrucks Apmax ein Gasübertritt zwischen den Behältern 3a, 3b verhindert wird, so dass eine Vermischung von erstem Gas - vorliegend Wasserstof f H2 - mit dem zweiten Gas - vorliegend Sauerstof f O2 - unterbunden wird . Hierzu dient eine Schwimmereinrichtung 7 , die j eweils an der Oberseite der Behälters 3a, 3b an deren Gasaustritt angeordnet ist , so dass bei einer hohen Druckdi f ferenz Ap oberhalb eines maximal zulässigen Di f ferenzdrucks Apmax ein Austritt von Flüssigkeit aus einem Gas-Separator 1 , 2 verhindert oder der Volumenstrom auf einen eingestellten Wert gedrosselt ist . Dabei ist die Behälterauslegung dergestalt konzipiert , dass bei gleichem Druck - dem Nenndruck pN - in den Behältern 3a, 3b sich der vorgegebene Normfüllstand N der Flüssigkeit einstellt . Bei dem Normfüllstand N ist ein Flüs- sigkeitsvolumen VF1 , VF2 bereitgestellt , wobei das Behältervolumen V2 , V2 sich aus dem Flüssigkeitsvolumen VF1 , VF2 und dem entsprechenden Gasvolumen VG2 , VG2 zusammensetzt . Dabei ist in den Behältern 3a, 3b das Flüssigkeitsvolumen VF1 , VF2 größer ist als das entsprechende Gasvolumen VG1 , VG2 gewählt , typischerweise ist das Flüssigkeitsvolumen VF1 , VF2 in den Behältern 3a, 3b um mindestens 10% bis 15% größer als das Gasvolu- men VGi , VG2 , wodurch eine ausreichende Sicherheitsreserve bereitgestellt ist .
In dem weiteren Sicherheitskonzept ist in die Gasauslass- Leitung 23 der Behälter 3a, 3b zudem j eweils ein Zyklonabscheider 11 geschaltet . Selbst bei einem Durchbruch des Gases aus einem der Behälter 3a, 3b ist somit eine Phasentrennung von Flüssigkeit und Gas außerhalb des Gas-Separators 1 , 2 durchführbar . Der aus dem Phasengemisch abgetrennte Gasanteil wird über eine j eweilige Leitung 25 aus dem Zyklonabscheider 11 herausgeleitet und kann einer weiteren Verwendung zugeführt werden . Der aus dem Phasengemisch abgetrennte Flüssigkeitsanteil H2O/KOH kann in einen Auf f angbehälter 13 eingeleitet und dort aufgefangen und sicher gespeichert werden .
Es kann dabei auch vorgesehen sein, dass in vorteilhafter Abwandlung der in FIG 2 dargestellten Behälteranordnung ein j eweiliger Auf f angbehälter 13 dem Behälter 3a sowie dem Behälter 3b j eweils nachgeschaltet ist , so dass dann ein getrenntes Auf fangen der j eweiligen Flüssigkeit in eine j eweiligen Auf f angbehälter 13 vorgesehen ist . Dabei ist es auch möglich, dass konstruktiv die beiden j eweiligen Auf f angvolumina durch eine Trennwand in ein und demselben Auf f angbehälter 13 realisiert ist .
Hierdurch ist in einer Elektrolyseanlage 20 ein betriebliches Sicherheitskonzept realisiert , so dass ein Gasdurchbruch sowie ein gefährlicher Gasübertritt bereits intrinsisch durch das Anlagenkonzept ausgeschlossen sind . Somit ist auch eine Explosionsgefahr durch Mischung reaktiver Gase wie Sauerstof f O2 und Wasserstof f H2 vermieden . Eduktseitig ist der Elektrolyseur 15 in die Verbindungsleitung 5 der Anordnung 10 geschaltet , so dass eine Edukt-Flüssigkeit , beispielsweise eine alkalische wässrige konzentrierte KOH-Lösung, im Betrieb im Anodenraum und im Kathodenraum der Elektrolysezelle ansteht bzw . diese Reaktionsräume durchströmt . Überdies ist frische Edukt-Flüssigkeit über eine Zufuhrleitung 21 dem Elektrolyseur 15 kontinuierlich zuführbar, um im normalen Betrieb den Verbrauch an Wasser oder Elektrolytlösung aus zugleichen und auf den Normfüllstand N einzustellen bzw . die Fahrweise beim
Normfüllstand N zu halten .

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung (10) für die Gas-Flüssigkeits-Trennung mit einem jeweils einen Behälter (3a, 3b) aufweisenden ersten Gas- Separator (1) für ein erstes Gas und mit einem zweiten Gas-Separator (2) für ein zweites Gas, wobei die Behälter (3a, 3b) ein Behältervolumen (V2, V2) aufweisen und die Behälter (3a, 3b) über eine Verbindungsleitung (5) hydraulisch für eine Flüssigkeit kommunizierend verbunden und auf derselben Höhe angeordnet sind, gekennzeichnet durch eine betriebliche Auslegung derart, dass bei gleichem Druck in den Behältern (3a, 3b) sich ein vorgegebener Normfüllstand (N) der Flüssigkeit einstellt, so dass bei dem Normfüllstand (N) ein Flüssigkeitsvolumen (VF1 VF2) bereitgestellt ist, wobei das Behältervolumen (V2, V2) sich aus dem Flüssigkeitsvolumen (VF1, VF2) und dem entsprechenden Gasvolumen (VGi, VG2) zusammensetzt, und wobei in den Behältern (3a, 3b) das Flüssigkeitsvolumen (VF1, VF2) größer ist als das entsprechende Gasvolumen (VG1, VG2) .
2. Anordnung (10) nach Anspruch 1, bei der bei dem Normfüllstand (N) der beiden Behälter (3a, 3b) das Flüssigkeitsvolumen (VF1, VF2) um mindestens 10%, insbesondere um 15% bis 30%, größer ist als das Gasvolumen (VG1, VG2) .
3. Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Auslegung auf einen Normalbetrieb bei einem Nenndruck (pN) mit einem Differenzdruck (Ap) kleiner oder gleich 100 mbar zwischen den Gasphasen in den Behältern (3a, 3b) .
4. Anordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Gas-Separator (1, 2) ein durch eine Schwimmereinrichtung (7) aktivierbares Ventil (9) aufweist, welches an der Oberseite des Behälters (3a, 3b) an dessen Gasaustritt angeordnet ist, so dass bei einer hohen Druckdifferenz (Ap) oberhalb eines maximal zulässigen Differenzdrucks (Apmax) ein Austritt von Flüssigkeit aus einem Gas- Separator (1, 2) verhindert oder der Volumenstrom auf einen eingestellten Wert gedrosselt ist.
5. Anordnung (10) nach Anspruch 4, bei der die Schwimmereinrichtung (7) mit einer elektrische Füllstandmesseinrichtung ausgestattet ist, mit der eine elektrische Aktivierung des Ventils (9) herbeiführbar ist.
6. Anordnung (10) nach Anspruch 4 oder 5, mit einem als ein Drosselventil ausgestalteten Ventil (9) , so dass bei einer Aktivierung des Drosselventils der Volumenstrom der Flüssigkeit auf kleiner 50%, insbesondere kleiner als 20%, reduzierbar ist.
7. Anordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem zumindest einem der Gas-Separatoren (1, 2) am Gasaustritt nachgeschalteten Zyklonabscheider (11) , so dass bei einem Durchbruch des Gases aus einem Behälter (3a, 3b) eine Phasentrennung von Flüssigkeit und Gas außerhalb des Gas-Separators (1, 2) herbeiführbar ist.
8. Anordnung (10) nach Anspruch 7, bei der ein Auf f angbehäl- ter (13) vorgesehen ist, der einem Zyklonabscheider (11) nachgeschaltet ist, so dass in dem Zyklonabscheider (11) abgetrennte Flüssigkeit in den Auf f angbehälter (13) einleitbar ist.
9. Verwendung einer Anordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Füllstand in einem Behälter (3a, 3b) auf einen Normfüllstand (N) eingestellt wird, wobei einer hohen Druckdifferenz (Ap) oberhalb eines maximal zulässigen Differenzdrucks (Apmax) ein Gasübertritt zwischen den Behältern (3a, 3b) verhindert wird, so dass eine Vermischung von erstem Gas mit dem zweiten Gas unterbunden wird .
10. Verwendung nach Anspruch 9, bei der einem Elektrolyseur
(15) eine Flüssigkeit als Edukt zugeführt wird und als Produktgase Wasserstoff (H2) als erstes Gas und Sauerstoff (O2) als zweites Gas durch elektrochemische Zerlegung in einem jeweiligen Phasengemisch erzeugt werden, und wobei in den Gas-Separatoren (1, 2) eine Gas-Flüssigkeits- Trennung der Produktgase durchgeführt wird.
11. Verwendung nach Anspruch 10, bei der dem Elektrolyseur (15) eine alkalische wässrige Lösung als Edukt zugeführt wird, insbesondere Kaliumhydroxid (KOH) in wässriger Lösung mit einer Konzentration von 20%-40%.
12. Elektrolyseanlage (20) mit einem Elektrolyseur (1) zur Erzeugung von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) als Produktgase umfassend eine Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Elektrolyseur (1) in die Verbindungsleitung (5) geschaltet ist, und wobei der Elektrolyseur (5) über eine erste Produktstrom-Leitung (17) für Wasserstoff (H2) an den ersten Gas-Separator (1) und über eine zweite Produktstrom-Leitung (19) für Sauerstoff (O2) an den zweiten Gas-Separator (2) angeschlossen ist.
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