一种强化电解液气泡分离的气液梯级分离装置及方法

1.本发明涉及碱性电解水制氢技术领域，具体涉及一种利用旋流离心力场与微细纤维梯级深度分离高气含率电解液的装置与方法。


背景技术：

2.氢能是一种绿色能源，具有无污染、可再生、热值高等特点，在工业生产中应用广泛，包括石油精制、金属冶炼，新能源汽车等。目前，碱性电解水制氢是唯一一种技术成熟，能够实现大规模、长周期生产的绿色制氢方法，其设备结构主要是由两块电解板构成的电极小室串联而成，极板之间隔着石绵膜。在电解过程中，由于膜的阻碍作用使得阴极阳极产生的气体不会混合。
3.电解水制氢的电解产物氢气与氧气随电解液一起流出电解槽，如何高效、快速的将气体与电解液分离对电解系统的意义重大。传统的气液分离器采用重力沉降的分离手段，这种方法分离速度慢、分离效率低，且设备占地面积大，造价高。特别地，溶解在电解液中的微细气泡几乎不能分离。随着工业电解槽的功率不断提高，电解液的气含率也进一步加大，高气含率电解液如果不能实现高效的气液分离，会使得重新流回电解槽的电解液的含气量过高，容易造成气体返混，对电解槽产生安全隐患。因此，开发一种高效快速强化微细气泡分离的手段对于大功率碱性电解水制氢系统的安全稳定运行具有十分重要的意义。
4.中国专利cn202223424019.8公开了一种新型电解水装置气液分离器，通过悬浮转子件、刮水组件、捕滴网的配合使用，利用进气卡套管进入的气流推动汽轮叶片转动，使得轴杆转动，使得导向环与刷板转动，刮除在排水卡套管表面凝结的水膜。同时还通过密封塞、悬浮气囊、换热管的配合使用，利用低温的换热管与气体接触，加快气体中的水汽凝结，保证气液分离的效果。但是，该方法针对于高气含率电解液的气液分离，效果并不那么显著，低温管及制冷机组的搭配使用也相应增加了设备成本。
5.中国专利cn202121591904.8公开了一种电解液输送气液分离装置，进入分离器的液体首先通过u型管的重力沉降进行初步分离，余下的液体从u型管的另一端进入真空室中的中空纤维膜，在负压的作用下使溶解气体析出，从而达到气液分离的作用。这种方法分离效果较好，但是真空室的增加使得动力设备成本相应增加，另外高气含率电解液进入中空纤维膜容易使得纤维发生堵塞，降低分离效率，不易分离设备的长周期运行。
6.因此，目前亟需一种可显著提高高气含率电解液的气液分离效率，同时优化设备结构，降低设备使用和维护成本的微细气泡强化分离的装置与方法。


技术实现要素：

7.为解决上述问题，本发明提供一种强化电解液气泡分离的气液梯级分离装置和方法。所述分离装置和方法先利用旋流器进行初步快速气液分离，再利用微细纤维诱导气泡聚并，实现深度气液分离，从而降低电极液微气泡含量，使得高气含率电解液的气含率显著降低，降低电解液电阻率，显著提高电解效率。
8.因此，本发明的第一个目的在于，提供一种利用旋流离心力场与微细纤维强化电解液气泡分离的气液梯级分离装置，包括碱性电解槽，经由离心泵与碱性电解槽的出液口连接的气液分离装置，在气液分离装置的气相出口后依次连接的气体纯化装置以及气体收集装置，以及与气液分离装置的液相出口连接的过滤装置，所述气液分离装置内部按上下位置设置有旋流分离器和聚结纤维膜层；其中：
9.所述气相出口与液相出口分别设置于所述气液分离装置的顶部与底部；
10.所述旋流分离器的中部设有混合相入口，所述旋流分离器的顶部设置有凹型碗状顶盖，底部设置有双内锥形内芯；
11.所述聚结纤维膜层位于所述旋流分离器下方，所述纤维膜层的纤维编制样式为连环编制，编制纤维的直径为100～200μm，孔隙率为0.70～0.85；所述纤维膜层采用多层间隔设置，层数为5～10层；
12.所述过滤装置通过管路分别与气液分离装置的液相出口以及碱性电解槽的入口相连接。
13.根据本发明，所述旋流分离器为立式柱腔结构，该立式柱腔的中部和底部分别开设有混合相入口和液相出口，其中所述混合相入口和液相出口方向均为切向方向。
14.进一步的，所述旋流分离器的混合相入口为矩形喷嘴；所述液相出口的个数设置为2个，呈水平对称分布，并且其底面与旋流器底面在同一水平面上。
15.进一步的，所述旋流分离器的混合相入口与液相出口的内径均为15～20mm，所述旋流分离器的柱腔直径为60～80mm，柱腔高度为480～640mm；所述气液分离器罐体的直径为0.5～1.0m，高度为3～4m。
16.根据本发明，所述旋流分离器的顶部设置有气相出口，所述气相出口在立式柱腔内部设有渐缩溢流管，所述渐缩溢流管采用偏置布置，其中心轴线偏离气液分离器的中心轴线。
17.进一步的，所述渐缩溢流管与周围壁面采用梯形厚壁固定，所述渐缩溢流管的顶部内径与底部内径分别为10～15mm与15～20mm。
18.根据本发明，所述双内锥形内芯的底部设置为柱体，并且其底面与旋流分离器的液相出口的底面在同一水平面上。
19.进一步的，所述旋流分离器双内锥形内芯的上锥段锥角40
°
，下锥段锥度20
°
，上下锥段总高度为125～150mm，锥底直径大小为0.4～0.6倍分离器直径；所述双内锥形内芯底部的柱体高度为锥段高度的0.1～0.3倍。
20.根据本发明，所述聚结纤维膜层采取倾斜布置，其与水平面的倾斜角为25
°
～40
°
。
21.根据本发明，所述聚结纤维膜层采用的编制纤维材质为聚四氟乙烯。
22.本发明的第二个目的在于，基于本发明的强化电解液气泡分离的气液梯级分离装置，提供一种气液梯级分离方法，所述气液梯级分离方法包括如下步骤：
23.步骤一、利用旋流器进行一级分离：
24.经过大功率碱性电解槽电解后的电解液变为高气含率含有微细气泡的气液混合液，在离心泵的驱动作用下，气液混合液从管道内沿切向进入旋流分离器的混合相入口处，在旋流分离器内受到旋流离心力场的作用，达到一级分离的效果，其中较大的气泡得以去除；
25.步骤二、气相和液相的初步分离：
26.随后气液两相分别从旋流分离器的气相出口、液相出口排出，其中含有极微量电解液的气相在向上运动的过程中由于碗状顶盖挡板的作用，液相得以去除；液相则向下进入气液分离器的内腔中，实现液相和气相的初步分离；
27.步骤三、利用聚结纤维膜层进行二级分离：
28.向下进入气液分离器内腔的液相电解液中还含有一定量微细气泡，当所述电解液流经聚结纤维膜层时，借助聚结纤维对液体的湍动作用，气泡之间得以发生聚并；聚并到一定程度的气泡，在浮力的作用下从纤维表面不断上升，并在此过程中与纤维内的其他气泡发生聚并，最终形成较大气泡脱离电解液；从而达到二级深度分离效果，电解液中微细气泡得以去除；
29.步骤四、气相和液相的收集、回收
30.分离后的气相沿气液分离装置的气相出口流经至气体纯化装置进行干燥，最终进入收集装置收集起来；液相则沿气液分离装置的液相出口流经至管道，经过过滤装置后补充适量纯水后便可以重新进入电解槽循环利用。
31.根据本发明，所述步骤一中电解液含气率为30％～40％，气泡直径为50μm～1mm。
32.根据本发明，所述步骤一中电解槽1内的电解液为质量浓度为25～30％，ph为13.2～13.8的koh溶液。
33.根据本发明，所述步骤一所述旋流分离器入口的气液混合液的压力为0.6～0.8mpa，入口速度为2.8～3.2m/s。
34.根据本发明，所述步骤二中所述气液分离器中电解液的体积控制在气液分离器容积的70～80％。
35.本发明具有以下有益效果：
36.1、本发明利用旋流分离器和聚结纤维来实现分级梯度强化电解液气泡分离，高气含率电解液首先进入旋流分离器，在旋流离心力场的作用下使大气泡得到初步快速分离；随后电解液中的微细气泡在聚结纤维的诱导作用下得以聚并成大气泡，最终在浮力的作用下不断上升并脱离电解液，实现微细气泡深度分离，从而显著降低电解液中的气含率，增大电解槽的电解效率。
37.2、为目前工业大功率电解槽带来的高气含率电解液的气液分离提供了一种可行的解决方案，克服了传统气液分离装置气液分离效率低，分离不彻底等问题，保证重新流回电解槽的电解液含气量小于0.0001％，从而确保整个系统安全高效的运行。
附图说明
38.图1为本发明强化微细气泡分离的工艺装置流程示意图。
39.图2为本发明的气液梯级分离装置的结构示意图。
40.图3为本发明的旋流分离器4的结构示意图。
41.图4为本发明的双内锥型内芯34的结构示意图。
42.图5为本发明的旋流器顶盖36的三视图，其中图5a为正视图，图5b为侧视图，图5c为俯视图。
43.图6为本发明的聚结纤维膜层5的纤维编织样式示意图。
44.图号说明：
45.1-碱性电解槽；11-电解槽出口；11-电解槽入口；2-离心泵；3-气液分离装置；31-气液分离装置气相出口；32-气液分离装置液相出口；4-旋流分离器；41-旋流分离器混合相入口；42-旋流分离器气相出口；43-渐缩溢流管；44-双内锥型内芯；45-旋流分离器液相出口；46-碗状顶盖；5-聚结纤维膜层；6-气体纯化装置；7-气体收集装置；8-过滤装置。
具体实施方式
46.以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。应理解，以下实施例仅用于对本发明作进一步说明，不应理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
47.实施例1强化电解液气泡分离的气液梯级分离装置
48.如图1～图2所示，本发明的采用旋流分离器和聚结纤维分级梯度强化电解液气泡分离的工艺装置，包括碱性电解槽1，经由离心泵2与碱性电解槽1的出液口11连接的气液分离装置3，在气液分离装置3的气相出口31后依次连接的气体纯化装置6以及气体收集装置7，以及与气液分离装置3的液相出口32连接的过滤装置8，所述气液分离装置3内部按上下位置设置有旋流分离器4和聚结纤维膜层5。其中：
49.所述离心泵2用于将来自碱性电解槽1电解后的高气含率电解液输送到所述气液分离装置3的旋流分离器4内进行气液分离。
50.所述气相出口31与液相出口32分别设置于所述气液分离装置3的顶部与底部，分别用于输送经过旋流一级分离处理后的气相与液相。
51.所述旋流分离器4的中部设有混合相入口41，用于接收来自碱性电解槽1的高气含率电解液；所述聚结纤维膜层5位于所述旋流分离器4下方，用于诱导水中的微细气泡聚并从而实现气液分离。
52.所述气体纯化装置6用于接收来自旋流分离器4的气体，并将所述气体进行干燥纯化后，输送至气体收集装置7进行收集。
53.所述过滤装置8通过管路分别与气液分离装置3的液相出口32以及碱性电解槽1的入口12相连接，用于接收经过分离处理后的低气含率电解液并进行过滤，从而将过滤后的电解液重新输送回碱性电解槽1中。
54.进一步的，如图3所示，所述旋流分离器4为立式柱腔结构，该立式柱腔的中部和底部分别开设有混合相入口41和液相出口45，其中所述混合相入口41和液相出口45方向为切向方向，用于使含气电解液能够沿切向方向进入到旋流分离器4中形成旋流；优选的，所述混合相入口41选用矩形喷嘴作为最佳结构，用于进一步优化分离性能；所述液相出口45的个数设置为2个，呈水平对称分布，并且其底面与旋流器4底面在同一水平面上，用于进一步提高液体输送效率。
55.进一步的，所述旋流分离器4的顶部设置有气相出口42，所述气相出口42在立式柱腔内部设有渐缩溢流管43，所述渐缩溢流管43采用偏置布置，其中心轴线偏离气液分离器3的中心轴线，用于在低压损耗下提供气泡分离所需要的分离作用力；所述渐缩溢流管43与周围壁面采用梯形厚壁固定。
56.进一步的，旋流分离器4的底部设置有内芯44，所述内芯44采用双内锥形结构，用
于托举经过旋流分离后电解液中残余的气体。所述内芯44的底部设置为柱体，并且其底面与旋流分离器4的液相出口45的底面在同一水平面上。
57.优选的，所述旋流分离器4的混合相入口41与液相出口45的内径均为15～20mm，渐缩溢流管43的顶部内径与底部内径分别为10～15mm与15～20mm，旋流分离器4的管柱腔的长径比约为8，柱腔直径为60～80mm，柱腔高度为480～640mm。相对应的，气液分离器3罐体的直径为0.5～1.0m，高度为3m～4m。
58.优选的，如图4所示，旋流分离器双内锥内芯44的上锥段锥角40
°
，下锥段锥度20
°
，上下锥段高度为125～150mm，锥底直径大小为0.4～0.6倍分离器直径；所述内芯44底部的柱体高度为锥段高度的0.1～0.3倍。
59.进一步的，如图5所示，在旋流分离器顶部设置有凹型碗状顶盖46，用于将旋流分离器4顶部的气相出口42排出的微量含液气体进行气液分离，其中液相由于顶盖46的阻碍作用，运动方向发生偏移，而气相在顶部管腔内沿气液分离装置3顶部的气相出口31排出。所述顶盖46的平面四个顶点与旋流器顶部采用支架进行焊接。
60.进一步的，如图6所示，所述纤维膜层5的纤维编制样式为连环编制，有利于更好的捕捉到气泡，并使气泡快速聚并，用于诱导初步分离后电解液残余的微细气泡聚并，从而实现进一步的气液分离。所述纤维膜层5采用间隔设置，间距为0.05～0.1m，膜层厚度为0.1～0.15m。
61.优选的，编制纤维的直径优选为100～200μm，孔隙率优选为0.70～0.85，用于在提供大通量的同时增加气泡的碰撞概率。
62.优选的，所述纤维膜层5采取倾斜布置，其与水平面的倾斜角为25
°
～40
°
，有利于增强液体的湍动。
63.优选的，所述纤维膜层5采用的编制纤维材质为高分子有机物，例如聚四氟乙烯(ptfe)等，能耐强碱。
64.优选的，所述纤维膜层5的层数根据碱性电解槽的功率来决定。对于工业上大功率电解槽带来的高气含率电解液分离问题，所述聚结纤维膜层5的层数优选为5～10层，其中纤维所占体积不超过气液分离器总体积的30％。
65.本发明的装置采用旋流分离器和聚结纤维膜层相结合分级梯度强化气泡分离，能够大大提高气液分离效果，显著降低大功率工业电解槽高气含率电解液的气泡数量，提高电解效率。
66.本发明的气液梯级分离装置的工作原理如下：
67.从碱性电解槽1流出的高气含率气液混合液，首先通过离心泵2加压后通过管路输送至旋流分离器4内；随后电解液中较大的气泡在旋流离心力场和压力场的协同作用下快速聚并分离；分离后的气相沿旋流分离器4上部的气相出口42排出，在旋流分离器4的顶盖46处气相中所含有的少量未分离彻底的液相受到顶盖46的阻碍作用得以分离，得到较为纯净的气体；接着分离后的气体通过气液分离器3顶部的气相出口31输送至气体纯化装置6进行干燥加压，最后输送到气体收集装置7中储存起来。
68.分离后的液相沿旋流分离器4底部的液相出口45排出，进入气液分离器3的中部，此时液相内仍存在少量微细气泡，经过沉降稳定后，液相进入到聚结纤维膜层5；所述聚结纤维膜层5可进一步增强液相的湍动并捕捉到气泡，诱导气泡进行进一步的聚并，当气泡聚
并到一定体积后，气泡会在浮力的作用下得以上升，最终脱离电解液，实现气液的深度分离，较小的气泡得以脱离。经过分离的电解液从气液分离器3底部的液相出口32排出，通过管路输送至过滤装置8，过滤掉电极液中的少量固体颗粒，最后补充适量的纯水后便可以重新注入到电解槽1中，实现循环利用。整个过程实现了气液的梯级深度分离，分离效果比起其他分离方式更为彻底，显著减少了高气含率电解液中的气体含量。
69.实施例2强化电解液气泡分离的气液梯级分离方法
70.基于实施例1的利用旋流分离器和聚结纤维膜层梯度强化高气含率电解液气泡分离的气液梯级分离装置，本实施例用于提供一种气液梯级分离方法，所述分离方法可用于分离电解液含气率为30％～40％，气泡直径约为50μm～1mm的高气含率碱性电解液。所述分离方法包括如下步骤。
71.步骤一、利用旋流器进行一级分离
72.经过大功率碱性电解槽1电解后的电解液变为高气含率含有微细气泡的气液混合液，在离心泵2的驱动作用下，气液混合液从管道内沿切向进入旋流分离器4的混合相入口41处，在旋流分离器4内受到旋流离心力场的作用，达到一级分离的效果，其中较大的气泡得以去除。
73.其中，电解槽1内的电解液为质量浓度为25～30％，ph为13.2～13.8的koh溶液。所述旋流分离器4入口的气液混合液的压力为0.6～0.8mpa，入口速度为2.8～3.2m/s。
74.步骤二、气相和液相的初步分离
75.随后气液两相分别从旋流分离器4的气相出口42、液相出口45排出，其中含有极微量电解液的气相在向上运动的过程中由于碗状顶盖挡板的作用，液相得以去除；液相则向下进入气液分离器3的内腔中，实现液相和气相的初步分离。
76.其中，所述气液分离器3中电解液的体积控制在气液分离器3容积的70～80％。
77.步骤三、利用聚结纤维膜层进行二级分离
78.向下进入气液分离器3内腔的液相电解液中还含有一定量微细气泡，当所述电解液流经聚结纤维膜层5时，借助聚结纤维对液体的湍动作用，气泡之间得以发生聚并；聚并到一定程度的气泡，在浮力的作用下从纤维表面不断上升，并在此过程中与纤维内的其他气泡发生聚并，最终形成较大气泡脱离电解液；从而达到二级深度分离效果，电解液中微细气泡得以去除。
79.步骤四、气相和液相的收集、回收
80.分离后的气相沿气液分离装置3的气相出口31流经至气体纯化装置6进行干燥，最终进入收集装置7收集起来；液相则沿气液分离装置3的液相出口32流经至管道，经过过滤装置8后补充适量纯水后便可以重新进入电解槽1循环利用。
81.实施例3本发明气液梯级分离装置和对比例1的气液分离效果对比实验
82.在本实施例用于验证本发明气液梯级分离装置和方法在强化电解液气泡分离，从而提高气液分离效果方面的进步性。在本实施例的对比实验中，实施例采用本发明实施例1所述的气液梯级分离装置，其具体结构尺寸为：
83.所述气液分离器3的立式罐体直径为0.6m，高度为2.5m，气液分离器3中电解液的体积控制在气液分离器3的容积的3/4。所述旋流分离器4的混合相入口41与液相出口45内径均为15mm，渐缩溢流管的顶部内径与底部内径分别为10mm与15mm；旋流分离器4的管柱腔
的长径比约为8，柱腔直径为60mm，柱腔高度为480mm；气液分离器3罐体的直径为0.6m，高度为3m。
84.所述聚结纤维膜层5采取倾斜布置，与水平面的倾斜角为30
°
，编制纤维直径为100～200μm，孔隙率为0.8，由5个纤维膜层间隔排列组成，其中各膜层之间间隔0.1m，膜层厚度为0.12m。
85.采用本发明实施例2所述的气液梯级分离方法，其具体实验条件如下：所述电解槽1内的电解液为质量浓度为30％的koh溶液，ph为13.8，从碱性电解槽排出的电解液中的气含率为40％，气泡的直径为50μm～1mm；所述旋流分离器4入口的气液混合液的压力为0.8mpa，入口速度为3m/s。
86.对比例1不设置旋流分离器和聚结纤维膜层，只采用传统的气液分离器，电解混合液直接进入气液分离器，电解液的进液条件与实施例相同，流动电解液的雷诺数为2000。通过测量所述实施例和对比例回收的电解液中微气泡或大气泡的含量检测其气含率，结果如表1所示。
87.表1实施例和对比例1的气液分离效果
[0088] 实施例对比例1微气泡含量(个/ml)2260大气泡含量(个/ml)015气含率(体积百分比％)0.00015
[0089]
经检测，由表1的结果可知，最终从实施例的气液分离器排出的液相产物电解液的微气泡和大气泡含量都十分少，含气率仅为0.0001％，而对比例1的部分气体无法从电解液中分离出来，从气液分离器排出的液相产物电解液的含气率为5％。因此，利用旋流分离器和聚结纤维来实现分级梯度强化电解液气泡分离的效果十分显著，通过旋流分离器实现一级快速分离电解液中较大的气泡，通过聚结纤维膜层实现二级深度分离电解液中的微细气泡。由此可知，针对现阶段大功率碱性电解槽电解带来的高气含率气液分离问题，本发明气液梯级分离装置和方法具有分离效率高、分离彻底、易于安装等优点。
[0090]
实施例4本发明气液梯级分离装置和对比例2的气液分离效果对比实验
[0091]
在本实施例用于验证本发明气液梯级分离装置和方法在诱导微细气泡的聚并，从而提高气液分离效果方面的进步性。在本实施例的对比实验中，实施例采用实施例3所述的气液梯级分离装置和方法，对比例2不设置聚结纤维膜层，只采用旋流分离器进行脱气，电解混合液进入到旋流分离器后，在旋流离心力场的作用下部分气泡得以去除，电解液的进液条件与实施例相同，流动电解液的雷诺数为2000。通过测量所述实施例和对比例回收的电解液中微气泡或大气泡的含量检测其气含率，结果如表2所示。
[0092]
表2实施例和对比例2的气液分离效果
[0093] 实施例2对比例2微气泡含量(个/ml)260大气泡含量(个/ml)02气含率(体积百分比％)0.00010.6
[0094]
表2的结果显示，从实施例的气液分离器排出的液相产物电解液的微气泡和大气泡含量都十分少，含气率仅为0.0001％；而对比例2的大气泡含量较少，而微气泡含量较多，
含气率为0.6％。说明利用旋流分离器强化气泡分离的效果对于较大气泡脱除来说效果不错，然而，聚结纤维膜层的存在可以诱导微细气泡的聚并，显著提高微细气泡的去除效率。
[0095]
实施例5本发明气液梯级分离装置和对比例3的气液分离效果对比实验
[0096]
在本实施例用于验证本发明气液梯级分离装置和方法在诱导气泡高效快速脱离，从而提高气液分离效果方面的进步性。在本实施例的对比实验中，实施例采用实施例3所述的气液梯级分离装置和方法，对比例3不设置旋流分离器，只采用聚结纤维膜层进行脱气，电解混合液进入到气液分离器后接触到聚结纤维膜层时，微细气泡不断聚并成大气泡，最后在浮力的作用下不断上升并脱离电解液，电解液的进液条件与实施例1相同，流动电解液的雷诺数为2000。通过测量所述实施例和对比例回收的电解液中微气泡或大气泡的含量检测其气含率，结果如表3所示。
[0097]
表3实施例和对比例3的气液分离效果
[0098] 实施例对比例3微气泡含量(个/ml)240大气泡含量(个/ml)05气含率(体积百分比％)0.00010.9
[0099]
表3的结果显示，从实施例的气液分离器排出的液相产物电解液的微气泡和大气泡含量都十分少，含气率仅为0.0001％；而对比例2的大气泡含量相对较少，而微气泡含量明显增多，含气率为0.9％。说明只利用聚结纤维膜层强化微细气泡分离相对来说效果一般，由于纤维的空隙率是一定的，对于高气含率电解液来说，电解液中的大量气泡容易造成纤维堵塞，造成脱气效果低下，不利于电解液气泡的高效快速脱离。
[0100]
综上所述，本发明的针对高气含率电解液的气液梯级分离装置与方法，通过将旋流离心力场与聚结纤维膜层相结合，实现分级梯度强化电解液气泡分离。在本发明气液梯级分离装置与方法中，高气含率电解液首先在旋流离心力场的作用下，使大气泡得到初步快速分离；随后电解液中的微细气泡在聚结纤维的诱导作用下得以聚并、不断上升并脱离电解液，实现微细气泡深度分离。本发明的气液梯级分离装置与方法，不仅可保证重新流回电解槽的电解液含气量小于0.0001％，显著降低电解液中的气含率，从而确保整个系统安全高效的运行，并增大电解槽的电解效率；还优化了气液分离设备结构，易于安装，并降低设备使用和维护成本。因此，本发明的气液梯级分离装置与方法，有望与我国工业制氢产业耦合，对我国绿氢产业的发展以及碳中和战略的实现具有重大的意义。
[0101]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

技术特征：
1.一种强化电解液气泡分离的气液梯级分离装置，其特征在于，包括碱性电解槽，经由离心泵与碱性电解槽的出液口连接的气液分离装置，在气液分离装置的气相出口后依次连接的气体纯化装置以及气体收集装置，以及与气液分离装置的液相出口连接的过滤装置，所述气液分离装置内部按上下位置设置有旋流分离器和聚结纤维膜层；其中：所述气相出口与液相出口分别设置于所述气液分离装置的顶部与底部；所述旋流分离器的中部设有混合相入口，所述旋流分离器的顶部设置有凹型碗状顶盖，底部设置有双内锥形内芯；所述聚结纤维膜层位于所述旋流分离器下方，所述纤维膜层的纤维编制样式为连环编制，编制纤维的直径为100～200μm，孔隙率为0.70～0.85；所述纤维膜层采用多层间隔设置，层数为5～10层；所述过滤装置通过管路分别与气液分离装置的液相出口以及碱性电解槽的入口相连接。2.根据权利要求1所述的气液梯级分离装置，其特征在于，所述旋流分离器为立式柱腔结构，该立式柱腔的中部和底部分别开设有混合相入口和液相出口，其中所述混合相入口和液相出口方向均为切向方向。3.根据权利要求2所述的气液梯级分离装置，其特征在于，所述旋流分离器的混合相入口为矩形喷嘴；所述液相出口的个数设置为2个，呈水平对称分布，并且其底面与旋流器底面在同一水平面上。4.根据权利要求2所述的气液梯级分离装置，其特征在于，所述旋流分离器的混合相入口与液相出口的内径均为15～20mm，所述旋流分离器的柱腔直径为60～80mm，柱腔高度为480～640mm；所述气液分离器罐体的直径为0.5～1.0m，高度为3～4m。5.根据权利要求1所述的气液梯级分离装置，其特征在于，所述旋流分离器的顶部设置有气相出口，所述气相出口在立式柱腔内部设有渐缩溢流管，所述渐缩溢流管采用偏置布置，其中心轴线偏离气液分离器的中心轴线。6.根据权利要求5所述的气液梯级分离装置，其特征在于，所述渐缩溢流管与周围壁面采用梯形厚壁固定，所述渐缩溢流管的顶部内径与底部内径分别为10～15mm与15～20mm。7.根据权利要求1所述的气液梯级分离装置，其特征在于，所述双内锥形内芯的底部设置为柱体，并且其底面与旋流分离器的液相出口的底面在同一水平面上。8.根据权利要求7所述的气液梯级分离装置，其特征在于，所述旋流分离器双内锥形内芯的上锥段锥角40
°
，下锥段锥度20
°
，上下锥段总高度为125～150mm，锥底直径大小为0.4～0.6倍分离器直径；所述双内锥形内芯底部的柱体高度为锥段高度的0.1～0.3倍。9.根据权利要求1所述的气液梯级分离装置，其特征在于，所述聚结纤维膜层采取倾斜布置，其与水平面的倾斜角为25
°
～40
°
。10.根据权利要求1所述的气液梯级分离装置，其特征在于，所述聚结纤维膜层采用的编制纤维材质为聚四氟乙烯。11.一种气液梯级分离方法，采用如权利要求1-10任一项权利要求所述的强化电解液气泡分离的气液梯级分离装置，其特征在于，所述气液梯级分离方法包括如下步骤：步骤一、利用旋流器进行一级分离：经过大功率碱性电解槽电解后的电解液变为高气含率含有微细气泡的气液混合液，在
离心泵的驱动作用下，气液混合液从管道内沿切向进入旋流分离器的混合相入口处，在旋流分离器内受到旋流离心力场的作用，达到一级分离的效果，其中较大的气泡得以去除；步骤二、气相和液相的初步分离：随后气液两相分别从旋流分离器的气相出口、液相出口排出，其中含有极微量电解液的气相在向上运动的过程中由于碗状顶盖挡板的作用，液相得以去除；液相则向下进入气液分离器的内腔中，实现液相和气相的初步分离；步骤三、利用聚结纤维膜层进行二级分离：向下进入气液分离器内腔的液相电解液中还含有一定量微细气泡，当所述电解液流经聚结纤维膜层时，借助聚结纤维对液体的湍动作用，气泡之间得以发生聚并；聚并到一定程度的气泡，在浮力的作用下从纤维表面不断上升，并在此过程中与纤维内的其他气泡发生聚并，最终形成较大气泡脱离电解液；从而达到二级深度分离效果，电解液中微细气泡得以去除；步骤四、气相和液相的收集、回收分离后的气相沿气液分离装置的气相出口流经至气体纯化装置进行干燥，最终进入收集装置收集起来；液相则沿气液分离装置的液相出口流经至管道，经过过滤装置后补充适量纯水后便可以重新进入电解槽循环利用。12.根据权利要求11所述的气液梯级分离方法，其特征在于，所述步骤一中电解液含气率为30％～40％，气泡直径为50μm～1mm。13.根据权利要求11所述的气液梯级分离方法，其特征在于，所述步骤一中电解槽1内的电解液为质量浓度为25～30％，ph为13.2～13.8的koh溶液。14.根据权利要求11所述的气液梯级分离方法，其特征在于，所述步骤一所述旋流分离器入口的气液混合液的压力为0.6～0.8mpa，入口速度为2.8～3.2m/s。15.根据权利要求11所述的气液梯级分离方法，其特征在于，所述步骤二中所述气液分离器中电解液的体积控制在气液分离器容积的70～80％。

技术总结
本发明提供一种强化电解液气泡分离的气液梯级分离装置及方法，所述气液梯级分离装置包括碱性电解槽、离心泵、气液分离装置、气体纯化装置、气体收集装置、以及过滤装置，其中，所述旋流分离器和聚结纤维膜层位于气液分离装置内部，用于实现梯级深度分离高气含率电解液，所述纤维膜层的纤维编制样式为连环编制，并采用多层间隔设置。所述气液梯级分离方法，包括利用旋流器进行一级分离、气相和液相的初步分离、利用聚结纤维膜层进行二级分离、气相和液相的收集、回收等步骤。本发明的气液梯级分离装置及方法，不仅可以显著降低电解液中的气含率，还优化了气液分离设备结构，降低设备使用和维护成本，有望与我国工业制氢产业耦合，对我国绿氢产业的发展以及碳中和战略的实现具有重大的意义。现具有重大的意义。现具有重大的意义。


技术研发人员：杨强 李宇 刘博 袁方 吴涛 张浩
受保护的技术使用者：华东理工大学
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/9/12