[发明专利]一种利用旋流离心力场强化微细气泡分离的装置及方法

说明书

本发明公开了一种利用旋流离心力场强化微细气泡分离的装置，包括碱性电解槽、离心泵、旋流分离器、气液分离罐、以及气体处理装置，其中，所述旋流分离器为一立式柱腔，该立式柱腔中部所开设的电解液进口为切向入口，以使含气电解液沿切线方向进入旋流分离器从而形成旋流，且所述立式柱腔底部所开设的液相出口同样为切向出口。本发明还公开了使用所述装置的碱性电解水制氢方法。本发明利用旋流分离器弥补传统气液分离器使用重力场沉降进行气液分离的不足，使得混合液中的微细气泡或溶解的气体(氢气或氧气)在离心力场、压力场以及湍动作用下，快速向旋流分离器的中央聚集，加快了微细气泡的聚并分离，从而提高气液分离能力。

技术领域

本发明属于碱性电解水制氢技术领域，具体地说，是关于一种利用旋流离心力场强化微细气泡分离的装置及方法。

背景技术

氢气具有无污染、可再生、热值高等特点，是一种理想的清洁能源，在工业上应用广泛，包括石油精制、金属冶炼、汽车能源。未来氢能产量需求将快速增长。电解碱水制氢是当前唯一一种技术成熟、实现大规模、长周期生成的绿色制氢方法。

电解碱水制氢的电解产物氢气和氧气是和电解质一起流出电解槽，气体与电解液的高效、快速分离对电解系统意义重大。氢气和氧气在电解液中的溶解度非常小，都几乎以气泡的形式存在。然而，混合在电解液中的氢气和氧气泡尺寸非常小，直径大约只有30～120微米，加上质量分数为20～30％的氢氧化钠或者氢氧化钾的电解质溶液粘度较大，导致气体的上升速度非常慢，所以气液分离效率并不高，因此整个分离周期也较长。

传统的气液分离器采用重力沉降分离，这种方法分离速度慢、分离效率低，造成气液分离器设备体积大、造价高，占地面积大。此外，利用沉降分离还会造成微细气泡分离不干净，使回流到电解槽的电解液中含有部分气体，会造成电解质中含气量过高，电阻增大，电解效率降低。更重要的是，氢气分离器和氧气分离器分离的电解液在电解槽中混合，少量氢气、氧气混合，对电解槽造成安全隐患。因此，开发一种强化微细气泡分离的手段对电解制氢系统的高效安全运行十分重要。

CN112981437A公开了一种水电解制氢系统及其气体纯度控制方法，该方法通过降低水电解制氢系统的电解液流量，提高气体纯度，扩大其运行功率范围；并在电解液流量降低到预设流量下限时，通过降低系统压力来继续改善气体纯度，进一步继续扩大其运行功率范围。但是，该方法并没有提高微细气泡的气液分离效率，没有实现电解液气含率的有效控制，对于制氢系统的气液分离效率的提高意义很小。

CN114082248A公开了一种氢气纯化装置和水电解制氢系统，该装置通过多个平行且间隔布置的叶片形成可供气体流过的流道，通过叶片上的多个支段的止挡作用，混合物可以实现快速的流向转变。在离心力的作用下，混合物中的水蒸气和液体与支段发生多次动能碰撞而形成小液滴，在自身重力、液体表面张力和气体动能的联合作用下在叶片上汇流成股，顺着叶片流动，最终能够从液体出口流出，分离后的气体继续向着流道的下游流动，最终能够从气体出口排出。该装置可有效地增加混合液与叶片之间的碰撞，提高了氢气的分离效率，但是该方法湍动能低，结构复杂，氢气容易发生滞留，因而降低了氢气的分离效率。

发明内容

本发明的目的在于针对传统水电解制氢系统中气液分离器对于微细气泡的分离效率差的问题，提供一种能够强化微细气泡的分离、提高气液分离效率的装置。

为实现上述目的，本发明的第一个方面，提供了一种利用旋流离心力场强化微细气泡分离的装置，包括碱性电解槽、离心泵、旋流分离器、气液分离器、以及气体处理装置，其中：

所述碱性电解槽的出口通过管路经由所述离心泵与所述旋流分离器连接，以用于将经电解的气液混合物输送至旋流分离器进行气液分离；

所述旋流分离器的中部设有混合液进口，用于接收来自碱性电解槽的气液混合物，旋流分离器的顶部和底部分别设有气相出口和液相出口，用于将旋流分离后的气相和液相输送至气液分离器；