适用于离子液体氢气压缩机的旋风式分离器及其工作方法

1.本发明属于氢能储运设备领域，涉及适用于离子液体氢气压缩机的旋风式分离器及其工作方法。


背景技术：

2.氢能以其泛在、清洁的特性及商业化推广的潜力成为国际能源变革的重要选择。新型离子液体压缩机是加氢站中氢气压缩的理想方案，但是其在运行过程中，液体活塞往复振荡会带来氢气与离子液体的两相掺混问题。由于氢燃料电池车系统中，杂质成分的存在会造成催化剂失活，严重影响燃料电池车的性能，因此用气端对氢气的纯净性要求极高。现有的压缩机系统中，通常采用机械式分离器作为初级分离设备，再借助滤芯对未完全分离的细小的液滴进行吸附。
3.对于离子液体氢气压缩机系统来说，气液分离器的表现十分重要，因为离子液体的价格十分昂贵，是普通润滑油的10~25倍，气液分离器效率的提升可提高离子液体的回收利用率，大大降低压缩机系统的运行成本。并且气液分离器效率的提升将减少二级滤芯的负荷，延长价格高昂的滤芯的使用寿命。综上所述，高效的氢气-离子液体气液分离器对于离子液体氢气压缩机系统的高效稳定运行十分重要，从而也在氢能储运领域扮演十分重要的角色。
4.对于压缩机系统中的气液两相混合物，目前普遍使用旋风式分离器为其粗分离设备。旋风分离器因为具有体积小，效率高的优势，故也可以应用于离子液体氢气压缩机系统中作为初分离设备。旋风分离器的结构主要包括混合气进口管，旋风外筒体、旋风内筒体、顶部排气管和底部排液管。专利文献cn111365210b提出了包括气液分离机构的活塞行程精准可调的高效增压零余隙式离子液体压缩机，其采用磁致伸缩位移传感器来测量液压缸内的活塞位移，实现活塞行程的精准控制。其系统中包含有气液分离器，但未涉及分离器具体形式，在实际应用中的分离效率难以保证。
5.由于氢气相较于常规压缩的空气等介质密度较小，而离子液体相较于传统的润滑油粘性又更大，容易粘连成片附着在分离器内壁面，液膜积聚的较厚时，在旋转气流的剐蹭及卷吸作用下，将会从液膜中飞溅出大量的二次小液滴进入气相场。


技术实现要素：

6.为解决传统的旋风式气液分离器中壁面液膜的飞溅的问题，本发明的目的在与提供适用于离子液体氢气压缩机的旋风式分离器及其工作方法。
7.本发明采用的技术方案如下：适用于离子液体氢气压缩机的旋风式分离器，包括旋风式分离器本体，旋风式分离器本体的圆柱形旋风外筒的内壁面设有若干条倾斜设置的超亲离子液体涂层，超亲离子液体涂层的图形为叶脉形，若干条倾斜设置的超亲离子液体涂层在圆柱形旋风外筒的内壁面的周向上间隔均分布，圆柱形旋风外筒的内壁面的其他区域设置超疏离子液体涂层。
8.优选的，超亲离子液体涂层在圆柱形旋风外筒的内壁面的设置形式为：顺应圆柱形旋风外筒中液膜的流动方式旋转下行，即纹理主干不垂直于筒体底部，而是沿着流场运动方向倾斜。
9.优选的，超亲离子液体涂层的叶脉纹理顺着圆柱形旋风外筒中气液两相混合物的运动方向朝着远离入口方向在旋风筒体中倾斜。
10.优选的，超亲离子液体涂层的上端位于旋风式分离器本体的气液混合物入口的下方，并位于旋风式分离器本体的圆柱形旋风内筒与圆柱形旋风外筒之间的区域，超亲离子液体涂层的下端延伸至圆柱形旋风外筒的底部。
11.优选的，超亲离子液体涂层的图形包括主干部分和沿主干高度方向在主干两侧交错布置的支干部分，主干部分顺应圆柱形旋风外筒内流场方向倾斜。
12.优选的，主干部分自上而下从细到粗，支干顶部细、底部粗。
13.优选的，支干从上到下长度依次逐渐变长。
14.优选的，主干轴线相对于圆柱形旋风外筒轴线的倾斜角度为45
°
~70
°
，支干轴线相对于主干轴线的倾斜角度为45
°±5°
。
15.优选的，旋风式分离器本体中，圆柱形旋风外筒的上下两端分别设有筒体上盖和筒体底盖，筒体上盖和筒体底盖上分别在各自的中心位置同轴设有顶部排气管和底部排液管，旋风筒体上盖的底部同轴连接有圆柱形旋风内筒，圆柱形旋风内筒与旋风筒体上盖以及顶部排气管同轴，圆柱形旋风外筒上切向连接有气液混合物入口，气液混合物入口与圆柱形旋风外筒和圆柱形旋风内筒所形成的环形腔体的上部连通。
16.本发明如上所述的适用于离子液体氢气压缩机的旋风式分离器的工作方法，包括如下过程：氢气-离子液体两相混合物沿旋风式分离器本体的气液混合物入口切向进入圆柱形旋风外筒与圆柱形旋风内筒所形成的环形腔体中，并做旋转运动，在做旋转运动过程中，离子液滴运动在旋转流场径向的外侧，氢气运动在旋转流场径向的内侧；当离子液滴撞击到圆柱形旋风外筒内壁面的超亲离子液体涂层时，离子液滴粘附于超亲离子液体涂层表面并铺展开来，在超亲离子液体涂层的区域内聚集；当离子液滴撞击到圆柱形旋风外筒内壁面的超疏离子液体涂层时，离子液滴收缩为珠状，超疏离子液体涂层表面上的离子液经相互接触以及运动后移动至超亲离子液体涂层的区域内并聚集；聚集到超亲离子液体涂层的离子液体沿着叶脉结构最终运动到圆柱形旋风外筒的底部并流走，完成离子液滴与氢气的分离。
17.本发明具有如下有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明提供的适用于离子液体氢气压缩机的旋风式分离器，在圆柱形旋风外筒的内壁面上有超亲离子液体的叶脉形的超亲离子液体涂层，圆柱形旋风外筒内壁面的其他区域设置超疏离子液体涂层，则离子液滴群到达圆柱形旋风外筒的内壁面时，离子液滴会在浸润梯度力的驱动下，汇总于叶脉支干，并逐渐沿叶脉脉络高效导流，则旋风筒内壁面上不易形成成片的液膜，有效减弱液膜的卷吸飞溅，大幅提升分离器效率，因此该种分离器具有分离效率高的特点。同时，由于内壁面上有涂层，可有效阻断氢气与分离器筒体壁面的直接
接触，因此“氢脆”现象不易发生，从而分离器的使用寿命得到延长，不会轻易失效，最终分离器的更换安装成本得到极大降低。本发明适用于离子液体氢气压缩机的旋风式分离器由于自身效率较高，则离子液体的回收效率得到极大提高，并且后端的精分离滤芯的更换周期也将拉长，这些均能有效降低离子液体氢气压缩机系统的运维成本。从上述分析可以看出，基于本发明适用于离子液体氢气压缩机的旋风式分离器能够实现对壁面液膜的整流，并加快导液速率，使得更多的壁面区域难以沉积液膜，有效减小离子液滴撞击液膜飞溅的可能性，并有效阻隔氢气与分离器壁面的直接接触，从而是一种高效可靠的适用于离子液体氢气压缩机系统的初级分离器。
附图说明
18.图1为本发明适用于离子液体氢气压缩机的旋风式分离器的外观结构图。
19.图2为本发明适用于离子液体氢气压缩机的旋风式分离器背对入口的1/2剖视图。
20.图3为本发明适用于离子液体氢气压缩机的旋风式分离器正对入口的1/4剖视图。
21.图中：1-圆柱形旋风外筒，2-筒体上盖，3-筒体底盖，1-1-气液混合物入口，1-2-超亲离子液体涂层，1-3-超疏离子液体涂层，2-1-圆柱形旋风内筒，2-2-顶部排气管，3-1-底部排液管。
具体实施方式
22.在下文中，将参考附图对本技术的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本技术，并能够实施本技术。在不违背本技术原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
23.离子液体压缩机目前为加氢站中的新技术，由于该种压缩机采用离子液体替代金属活塞在液压油的推动下往复运动，压缩腔体内的氢气形成高压，因此能长期服役而无需维护，从而节省20％的能耗。但液体活塞在运动过程中，由于往复震荡作用，会使部分小液滴卷吸掺混进入氢气中，从而使得排气端的氢气纯净性大受影响，进而可能会影响燃料电池车的性能。本发明设计了高效可靠的氢气-离子液体初级分离器，以提高排气端氢气的纯净性及离子液体的回收效率。
24.由于氢气-离子液体混合流体在旋风式分离器中运动过程中，会在圆柱形旋风外筒的筒体壁面上附着汇聚形成成片的液膜，并成股状旋转下行。如果对分离器壁面液膜加以整流与疏导，则能加快壁面液膜的排液能力，减少液膜逃逸，从根本上提高分离器的效率。本发明采用的技术方案主要是瓦解该液膜，在瓦解该液膜时，一方面需要采用合理的脉络对液膜进行规整，另一方面所设计的导流构型需要顺应筒体壁面上液膜的流动形式。作为压力容器，分离器通常使用金属材料铸造而成，其长时间与氢气接触时会发生“氢脆”，因此需在分离器的内壁面通过某种方式施加一定的阻隔，以延长设备的使用寿命。
25.根据以上实验背景，如图1、图2、图3所示，本发明适用于离子液体氢气压缩机的旋风式分离器，包括圆柱形旋风外筒1、筒体上盖2、筒体底盖3；圆柱形旋风外筒1的内壁面上喷涂有超亲离子液体涂层1-2与超疏离子液体涂层1-3。超亲离子液体涂层1-2区域的纹理为叶脉型，即中间为自上而下从细到粗的主干，两侧有交错布置的支干，支干顶部细底部
粗，最终汇聚于主干，支干从上到下长度逐渐变长，且叶脉纹理顺应筒体中液膜的流动方式旋转下行，具体的，叶脉纹理顺着气液两相混合物的运动方向朝着远离入口方向在旋风筒体中稍微倾斜。其中，主干轴线相对于圆柱形旋风外筒1轴线的倾斜角度为45
°
~70
°
，支干轴线相对于主干轴线的倾斜角度为45
°±5°
。圆柱形旋风外筒1的内壁面上超亲离子液体涂层1-2以外的区域设置为超疏离子液体涂层1-3。旋风筒体上盖2下方焊接圆柱形旋风内筒2-1，旋风内筒2-1与圆柱形旋风外筒1同轴设置，形成环形空间。筒体上盖2上方焊接顶部排气管2-2，顶部排气管2-2与圆柱形旋风外筒1同轴设置。筒体底盖3下方焊接底部排液管3-1，底部排液管3-1与圆柱形旋风外筒1同轴设置。圆柱形旋风外筒1外部切向焊接气液混合物入口1-1，气液混合物入口1-1与圆柱形旋风外筒1及圆柱形旋风内筒2-1所形成的环形腔体的上部连通。旋风外筒立式放置，筒体上盖2通过法兰与圆柱形旋风外筒1连接，筒体底盖3通过法兰与圆柱形旋风外筒1连接。本发明通过超亲或超疏离子液体特性，形成特殊的叶脉型导液通道，借助表面梯度力的作用实现对壁面液膜的整流，加快液膜导流，并且使得分离器内壁面上难以沉积成片的液膜，从而有效减小液滴撞击液膜飞溅的可能性。并通过涂层有效阻隔氢气对壁面的直接侵蚀，避免“氢脆”现象的发生，延长分离器的使用寿命。
26.通过上述本发明旋风式气液分离器进行离子液体-氢气分离的过程如下：离子液体氢气压缩机运行过程中，排气端的氢气-离子液体两相混合物沿气液混合物入口1-1切向进入圆柱形旋风外筒1与圆柱形旋风内筒2-1所形成的环形腔体中，并做旋转运动。由于离子液滴的惯性力更大，因此液滴运动在旋转流场径向的外侧，气液两相混合物中的氢气运动在旋转流场径向的内侧。
27.当离子液滴撞击到圆柱形旋风外筒1内壁面的超亲离子液体涂层1-2时，液滴立即粘附于壁面并铺展开来，在该区域内聚集；当离子液滴撞击到圆柱形旋风外筒1内壁面的超疏离子液体涂层1-3时，液滴则收缩为珠状。此后，该液滴的运动形式将分为几种情况：若其底部与壁面接触区域有叶脉纹理触及到的超亲离子液体涂层1-2，其将在表面梯度力的作用下，迅速转移到叶脉型超亲离子液体区域1-2内并铺展开来，与该区域内的其他离子液体汇聚，随后沿着叶脉构型导流；若液珠底部与壁面接触区域没有到达超亲离子液体涂层1-2，且在重力的作用下能挣脱与壁面接触力的束缚，则该液珠将直接沿壁面向下滑落，直到到达超亲离子液体涂层1-2后，将继续沿叶脉纹理汇聚导流；若液珠底部与壁面接触区域没有到达超亲离子液体涂层1-2，且在重力的作用下不能挣脱壁面力的束缚，则其将停留在原地等待随后到来的离子液体；当随后到达的离子液滴与该液珠聚合并形成较大的离子液滴后，则将根据其是否可以挣脱壁面表面力的束缚，及与壁面接触区域是否触及到叶脉导流区域，来判断其进一步的行为，即前述的进入叶脉区域，沿壁面直接滑落，以及以较大液珠的形式停留在壁面等待这几种方式，直到最终运动到圆柱形旋风外筒1的底部。
28.壁面上的离子液滴运动到圆柱形旋风外筒1底部后，将从底部排液管3-1流走，方可完成离子液滴与氢气的分离。
29.氢气运动在圆柱形旋风外筒1的中间，最终将沿筒体上盖2上的顶部排气管2-2向上排出。
30.综上，本发明的旋风式气液分离器是一种适用于离子液体氢气压缩机系统中实现初级分离的高效的气液分离器，其巧妙结合了筒形壁面上液膜的流动形式，利用特殊设计
的旋转下行的叶脉纹理对液膜进行导流，能够避免现有旋风式气液分离器中壁面液膜逃逸影响分离效率的技术问题。本发明在传统旋风式气液分离器的外筒内壁面通过化学刻蚀或是直接喷涂的方法产生叶脉型的超亲-超疏离子液体特性纹理，利用壁面梯度力的作用对分离器壁面的液膜进行调控。将离子液滴汇聚入叶脉型条纹状纹理中，避免了分离器内壁面上液膜成片的形成，从而实现对壁面液膜的整流，并提高了导液速率。涂层的应用，也可避免氢气直接接触容器内壁面，有效减小“氢脆”现象的发生，从而延长分离器的使用寿命。