ФИЛЬТРУЮЩИЙ УЗЕЛ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЕГО СРОКА СЛУЖБЫ
FILTERING ASSEMBLY (VERSIONS) AND METHOD OF ITS SERVICE LIFE DETERMINING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к системе фильтрации. В частности, изобретение относится к системе фильтрации для удаления высокомолекулярных органических соединений из сжиженного нефтяного газа.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
1
4
5
9
10
18
20
50
20
70
Неочищенная нефть содержит множество различных углеводородных соединений. Основные соединения включают нефтяной газ, который содержит низкомолекулярные алканы и алкены (C-C), такие как метан, этан, пропан, пропилен, бутан и бутилен; лигроин, которая включает промежуточные углеводороды (C-C); керосин, жидкую смесь C-C алканов и ароматические углеводороды; дизельное топливо, которое включает жидкие алканы, содержащие двенадцать или более атомов углерода; смазочное масло, которое содержит алканы (C-C) с длинными цепями, циклоалканы и ароматические углеводороды; и нефтяное топливо, которое содержит алканы (C-C) с длинными цепями, циклоалканы и ароматические углеводороды, наряду с различными сухими остатками, такими как кокс, асфальт, смола и парафины. Различные углеводородные соединения, как правило, отделяют посредством фракционной перегонки.
1
4
Сжиженный нефтяной газ (также называемый LPG) относится к воспламеняющейся смеси углеводородов C-C, которая находится в жидком состоянии при температуре около -42°C или ниже, или при хранении под давлением. При атмосферном давлении и температурах выше приблизительно -42°C LPG является бесцветным и не имеющим запаха газом. Как и в случае с природным газом, как правило, добавляют идентифицирующий одорант, такой как этилмеркаптан, что обеспечивает возможность более простого выявления утечек LPG. Поскольку LPG занимает по существу меньший объем в форме жидкости, чем в форме газа, его, как правило, хранят и транспортируют под давлением (приблизительно 1725 кПа), при котором он находится как в жидком состоянии, так и в газообразном состоянии.
Некоторые топливные системы, использующие LPG, содержат фильтр удаления материала в виде небольших частиц из топлива. Однако в топливной системе все равно может откладываться коричневый маслянистый или парафинистый материал, например, в испарителе (иногда называемом конвертером), ниже по потоку в шланге отвода паров, в карбюраторе и в клапанах или смесительном аппарате. Такое накопление происходит за счет малого количества высокомолекулярных материалов (также называемых смазочными материалами, парафинами или тяжелыми частицами), содержащихся в LPG, приобретаемых в ходе переработки, распределения и/или хранения. При испарении LPG эти высокомолекулярные материалы могут выпадать в осадок из парового потока, часто приводя к образованию отложений, способных засорять инжекторы, клапаны, испарители или другие компоненты, и мешать работе топливной системы. Это может обуславливать проведение дополнительного технического обслуживания, вызывать поломки и увеличение затрат.
Следовательно, существует необходимость в системе, способной снижать отложение высокомолекулярных материалов на компонентах топливной системы, использующей LPG, одновременно удаляя загрязняющие частицы.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем документе описаны фильтрующие узлы для удаления высокомолекулярных органических компонентов из сжиженного нефтяного газа, а также способы для удаления высокомолекулярных компонентов из сжиженных нефтяных газов. Фильтрующие узлы могут содержать, в некоторых вариантах осуществления, два отдельных пакета из фильтрующей среды. Первый пакет из фильтрующей среды выполнен с возможностью удаления высокомолекулярных соединений из сжиженных нефтяных газов. Такой первый пакет из фильтрующей среды, как правило, выполнен таким образом, что даже после того, как он достигает предельной способности удержания высокомолекулярных соединений, сжиженные нефтяные газы все равно могут свободно проходить через фильтрующую среду. Такой первый пакет из фильтрующей среды выполнен с возможностью нагружения достаточными количествами высокомолекулярных загрязняющих веществ, не ограничивая значительно поток после достижения предельной пропускной способности. Второй пакет из фильтрующей среды, расположенный ниже по потоку от первого пакета фильтрующей среды, также выполнен с возможностью нагружения высокомолекулярными загрязняющими веществами, однако, как правило, в количествах, значительно меньших по сравнению с первым пакетом среды. Однако, в отличие от первого пакета фильтрующей среды, второй пакет фильтрующей среды в целом выполнен с возможностью значительно увеличивать ограничение потока при нагрузке высокомолекулярными углеводородами. Таким образом, в отличие от первого пакета фильтрующей среды в некоторых вариантах осуществления расположенный ниже по потоку пакет фильтрующей среды значительно ограничивает поток сжиженного нефтяного газа после нагрузки расположенного ниже по потоку пакета фильтрующей среды высокомолекулярными загрязняющими веществами. В частности, после нагрузки расположенного ниже по потоку пакета фильтрующей среды до практически теоретической пропускной способности высокомолекулярными загрязняющими веществами он создает значительное ограничение для потока флюида. В данном контексте теоретическая пропускная способность означает общее изменение массы пакета из фильтрующей среды при длительном воздействии LPG, содержащего высокомолекулярные углеводороды. Как правило, такую пропускную способность измеряют в точке насыщения фильтрующей среды, то есть в точке, где количество поглощенных и удержанных высокомолекулярных углеводородов более не увеличивается. На практике после достижения насыщения фильтрующая среда может продолжать очень постепенно захватывать небольшие количества высокомолекулярных углеводородов, и поэтому другой мерой пропускной способности является «функциональная пропускная способность». Функциональной пропускной способностью является точка, в которой по существу достигается насыщение фильтрующей среды, в которой захват загрязняющих веществ, как правило, существенно замедляется, и в которой высокомолекулярные загрязняющие вещества свободно проходят через фильтрующую среду. Таким образом, функциональная пропускная способность достигается в точке, в которой происходит значительный прорыв загрязняющих веществ. Функциональная пропускная способность в целом не отличается от теоретической пропускной способности. К тому же, они очень часто похожи. Однако термин «функциональная пропускная способность» позволяет объяснить, что полная теоретическая пропускная способность в некотором отношении является гипотетическим понятием, так как даже незначительные, практически не измеряемые количества загрязняющих веществ могут продолжать нагружать фильтрующую среду в течение продолжительного периода времени после того, как все функциональные возможности фильтрации были полностью снижены.
Как правило, способность удерживать высокомолекулярные загрязняющие вещества первого пакета из фильтрующей среды (расположенного выше по потоку пакета фильтрующей среды) значительно выше, чем расположенного ниже по потоку пакета из фильтрующей среды. Расположенный выше по потоку пакет фильтрующей среды может содержать активированный уголь, например уплотненный слой угля, обладающий относительно высокой способностью поглощения и удержания высокомолекулярных загрязняющих веществ. Второй пакет из фильтрующей среды (расположенный ниже по потоку пакет фильтрующей среды) может быть выполнен из материала, содержащего тонкое волокно, такое как нановолокно. Расположенный ниже по потоку пакет фильтрующей среды, как правило, обладает относительно низкой способностью поглощения и удержания высокомолекулярных загрязняющих веществ по сравнению с расположенным выше по потоку пакетом фильтрующей среды, но при достижении предельной пропускной способности он ограничивает поток жидкости через пакет фильтрующей среды.
Таким образом, расположенный выше по потоку пакет фильтрующей среды выполняет основную функцию снижения загрязняющих веществ в сжиженном нефтяном газе. Основная функция расположенного ниже по потоку пакета фильтрующей среды заключается в быстром создании сопротивления потоку флюида при воздействии на него высокомолекулярными загрязняющими веществами за счет снижения функциональных возможностей расположенного выше по потоку пакета фильтрующей среды. Таким образом, после того как расположенный выше по потоку пакет фильтрующей среды приближается или достигает предельной пропускной способности, и высокомолекулярные загрязняющие вещества протекают через этот расположенный выше по потоку пакет фильтрующей среды, расположенный ниже по потоку пакет фильтрующей среды быстро достигает точки достаточной нагрузки, так что поток флюида через фильтрующий узел существенно затрудняется. Такое сопротивление потоку можно измерить посредством изменения перепада давления от расположенной выше по потоку до расположенной ниже по потоку стороны пакетов фильтрующей среды. Таким образом, расположенный ниже по потоку (или второй) пакет из фильтрующей среды выполняет функцию индикатора окончания срока службы фильтрующего узла, ограничивая поток, когда расположенный выше по потоку (или первый) пакет из фильтрующей среды более не удаляет соответствующим образом высокомолекулярные загрязняющие вещества.
В приведенном в качестве примера варианте осуществления первый пакет из фильтрующей среды выполнен с возможностью проявления изменения перепада давления от расположенной выше по потоку до расположенной ниже по потоку стороны менее чем 200 процентов после достижения насыщения для удержания высокомолекулярных соединений, и второй пакет из фильтрующей среды выполнен с возможностью проявления изменения перепада давления от расположенной выше по потоку до расположенной ниже по потоку стороны более чем 200 процентов после достижения насыщения высокомолекулярными соединениями. Второй пакет из фильтрующей среды может быть выполнен с возможностью проявления изменения перепада давления от расположенной выше по потоку до расположенной ниже по потоку стороны более чем 400 процентов после достижения насыщения высокомолекулярными соединениями. Первый пакет из фильтрующей среды может быть выполнен в форме открытого канала, дополнительно устраняя ограничения потока после достижения предельной пропускной способности.
Более того, в узел могут быть добавлены дополнительные элементы. Например, для удаления загрязняющих частиц может быть добавлен третий пакет фильтрующей среды (а также для необязательного удаления угля или другого материала, который потенциально может выделяться из первого пакета из фильтрующей среды). Третий пакет из фильтрующей среды может обладать средним гидравлическим размером пор, равным, например, 10 микрон или менее. В некоторых вариантах исполнения эффективность удаления загрязняющих частиц третьего пакета из фильтрующей среды, характеризующихся средним размером частиц 5 микрон, составляет по меньшей мере 99,9 процентов. Фильтр для улавливания частиц может быть расположен, например, выше по потоку от первого и второго пакетов из фильтрующей среды, между первым и вторым пакетами из фильтрующей среды или ниже по потоку от первого и второго пакетов из фильтрующей среды.
2
Согласно приведенному в качестве примера варианту осуществления фильтрующие узлы содержат расположенный выше по потоку содержащий уголь фильтрующий элемент и расположенный ниже по потоку индикатор окончания срока службы, содержащий тонковолокнистое полотно. Согласно одному варианту осуществления содержащий уголь фильтрующий элемент содержит активированный уголь, полученный из древесины, кокосовой скорлупы или каменного угля, площадь поверхности которого составляет, по меньшей мере, приблизительно 500 м/г, и средний размер пор составляет, по меньшей мере, приблизительно 20 ангстрем (измеренный при помощи анализа поверхности, проведенного БЭТ-методом, описанным ниже, в ходе которого измеряют поровый объем). Активированный уголь может быть, например, в форме порошка или гранул, или в форме их сочетания.
Согласно некоторым вариантам исполнения общая способность удержания высокомолекулярных углеводородов второго пакета из фильтрующей среды не превышает 5 процентов от общей способности удержания высокомолекулярных углеводородов первого пакета из фильтрующей среды. Второй пакет из фильтрующей среды может содержать тонковолокнистое полотно. Подходящие тонковолокнистые полотна включают полотна, размер пор которых не превышает приблизительно 25 микрон (измеренный при помощи анализа методом растровой электронной микроскопии, описанного ниже). Для некоторых вариантов осуществления подходят вторые пакеты из фильтрующей среды с размером пор, не превышающим приблизительно 10 микрон.
Также раскрыт фильтрующий узел для отфильтровывания высокомолекулярных соединений от сжиженного нефтяного газа, при этом фильтрующий узел содержит первый пакет из фильтрующей среды, выполненный с возможностью удаления высокомолекулярных соединений, при этом первый пакет из фильтрующей среды обладает первой общей способностью удержания высокомолекулярных углеводородов; и второй пакет из фильтрующей среды, выполненный с возможностью удаления высокомолекулярных соединений, при этом второй пакет из фильтрующей среды расположен ниже по потоку от первого пакета из фильтрующей среды, при этом второй пакет из фильтрующей среды обладает второй общей способностью удержания высокомолекулярных углеводородов. Второй пакет из фильтрующей среды обладает общей способностью удержания высокомолекулярных углеводородов, которая не превышает 10 процентов от общей способности удержания высокомолекулярных углеводородов первого пакета из фильтрующей среды, при этом второй пакет из фильтрующей среды характеризуется увеличением по меньшей мере на 25 процентов сопротивления потоку сжиженного нефтяного газа после или до достижения общей пропускной способности. Согласно некоторым вариантам исполнения такое увеличение сопротивления потоку составляет по меньшей мере 50 процентов, альтернативно по меньшей мере 100 процентов, необязательно по меньшей мере 200 процентов и согласно другим вариантам исполнения по меньшей мере 400 процентов.
Необязательно, третий пакет из фильтрующей среды расположен между первым пакетом из фильтрующей среды и вторым пакетом из фильтрующей среды, при этом третий пакет из фильтрующей среды обладает эффективностью удаления загрязняющих частиц со средним размером 5 микрон по меньшей мере 99,9 процентов. Средний гидравлический размер пор третьего пакета из фильтрующей среды, расположенного между первым пакетом из фильтрующей среды и вторым пакетом из фильтрующей среды, может составлять менее чем 10 микрон в некоторых вариантах осуществления (измерен при помощи, например, автоматического порометра для измерения газовой проницаемости производства Porous Materials, Inc.).
2
Первый пакет из фильтрующей среды может содержать активированный уголь, например активированный уголь с площадью поверхности, равной, по меньшей мере, приблизительно 500 м/г, и средним размером пор, равным, по меньшей мере, приблизительно 20 ангстрем. Согласно некоторым вариантам исполнения общая способность удержания высокомолекулярных углеводородов второго пакета из фильтрующей среды не превышает 2 процента от общей способности удержания высокомолекулярных углеводородов первого пакета из фильтрующей среды, и он может быть выполнен в форме открытого канала. К подходящей фильтрующей среде для первого пакета из фильтрующей среды также относятся углеволокна. Второй пакет из фильтрующей среды может содержать тонковолокнистое полотно, такое как тонковолокнистое полотно с размером пор, не превышающим приблизительно 25 микрон. Альтернативно, второй пакет из фильтрующей среды содержит тонковолокнистое полотно с размером пор, не превышающим приблизительно 10 микрон.
Дополнительно раскрыт фильтрующий узел для отфильтровывания высокомолекулярных соединений от сжиженного нефтяного газа, в котором первый пакет из фильтрующей среды выполнен с возможностью удаления высокомолекулярных соединений, так что начальная эффективность удаления высокомолекулярных углеводородов из сжиженного нефтяного газа составляет по меньшей мере 80 процентов при концентрациях высокомолекулярных углеводородов вплоть до 0,5 процентов по весу. Первый пакет из фильтрующей среды обладает первой общей способностью удержания высокомолекулярных углеводородов. Второй пакет из фильтрующей среды также выполнен с возможностью удаления высокомолекулярных соединений. Второй пакет из фильтрующей среды расположен ниже по потоку от первого пакета из фильтрующей среды. Начальная эффективность второго пакета из фильтрующей среды при удалении высокомолекулярных углеводородов составляет по меньшей мере 80 процентов при исходных концентрациях вплоть до 0,5 процентов по весу сжиженного нефтяного газа, при этом вторая общая способность удержания высокомолекулярных углеводородов второго пакета из фильтрующей среды не превышает 10 процентов от первой общей пропускной способности первого пакета из фильтрующей среды. В некоторых вариантах осуществления второй пакет из фильтрующей среды характеризуется увеличением по меньшей мере на 25 процентов сопротивления потоку сжиженного нефтяного газа после или до достижения общей пропускной способности.
Также раскрыты способы определения срока службы фильтрующего узла, выполненного с возможностью удаления высокомолекулярных углеводородов из сжиженного нефтяного газа. В таких способах можно применять любые фильтрующие узлы и пакеты фильтрующей среды, описанные в настоящем документе. Согласно приведенному в качестве примера варианту исполнения способ включает предоставление первого пакета из фильтрующей среды и прохождение через него сжиженного нефтяного газа с удалением по меньшей мере 80 процентов от исходного количества высокомолекулярных углеводородов. Второй пакет из фильтрующей среды расположен ниже по потоку от первого пакета из фильтрующей среды. При прохождении сжиженного нефтяного газа через второй пакет из фильтрующей среды второй пакет из фильтрующей среды удерживает по меньшей мере 50 процентов от оставшегося количества высокомолекулярных углеводородов, прошедших через первый пакет фильтрующей среды. Второй пакет из фильтрующей среды обладает общей способностью удержания высокомолекулярных углеводородов, которая не превышает 10 процентов от общей пропускной способности, при этом второй пакет из фильтрующей среды характеризуется увеличением по меньшей мере на 50 процентов сопротивления потоку сжиженного нефтяного газа после или до достижения общей пропускной способности.
В этом описании были описаны некоторые идеи настоящего изобретения, и оно не должно рассматриваться как исключающее или исчерпывающее для объекта настоящего изобретения. Дополнительные детали представлены в подробном описании и прилагаемой формуле изобретения. Другие аспекты станут понятными специалисту в области техники после прочтения и толкования приведенного ниже подробного описания и изучения чертежей, которые являются его частью, и ни один из них не должен рассматриваться как ограничивающий настоящее изобретение. Объем настоящего изобретения определен прилагаемыми пунктами формулы и их допустимыми эквивалентами.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее изобретение будет описано со ссылками на чертежи, на которых:
на фиг. 1 представлено схематическое изображение одного варианта осуществления фильтрующего узла, выполненного и расположенного в соответствии с вариантом исполнения изобретения.
На фиг. 2 представлен вид в поперечном сечении фильтрующего узла, показанного на фиг. 1, выполненный по линии 2-2.
На фиг. 3 представлен вид в поперечном сечении альтернативного фильтрующего узла, выполненного и расположенного в соответствии с вариантом исполнения изобретения.
На фиг. 4A представлено схематическое изображение варианта осуществления фильтрующего узла, выполненного и расположенного в соответствии с вариантом исполнения изобретения.
На фиг. 4B представлено схематическое изображение варианта осуществления фильтрующего узла, выполненного и расположенного в соответствии с вариантом исполнения изобретения.
На фиг. 5A представлена фотография вида изнутри регулятора в сборе в устройстве распределения LPG, который эксплуатировали для не фильтрованного жидкого LPG, при этом на регуляторе в сборе показаны отложения высокомолекулярных углеводородов.
На фиг. 5B представлена фотография вида изнутри регулятора в сборе в устройстве распределения LPG, который эксплуатировали для жидкого LPG, фильтрованного в соответствии с идеями настоящего изобретения, при этом на регуляторе в сборе не видны отложения высокомолекулярных углеводородов.
На фиг. 6 представлена фотография тонковолокнистой фильтрующей среды, показаны отложения высокомолекулярных углеводородов, достаточные для значительного покрытия поверхности фильтрующей среды.
На фиг. 7 представлена фотография фильтрующей среды для удаления частиц, примененной для удаления частиц ниже по потоку от элемента угольного фильтра, при этом фильтрующая среда для удаления частиц характеризовалась относительно невысокой нагрузкой высокомолекулярными углеводородами.
На фиг. 8 представлен график относительного перепада давления для различных материалов фильтрующей среды, которые были подвержены воздействию высокомолекулярных загрязняющих веществ, содержащих гексан.
На фиг. 9 представлен график увеличения массы для различных материалов фильтрующей среды, которые были подвержены воздействию высокомолекулярных загрязняющих веществ, содержащих гексан.
На фиг. 10 представлен график перепада давления в фильтрующей среде при воздействии сжиженным нефтяным газом.
Поскольку в изобретение могут быть внесены различные изменения, и оно может иметь альтернативные формы, его характерные особенности показаны исключительно в качестве примера и иллюстраций, и будут описаны более подробно. Следует понимать, однако, что настоящее изобретение не ограничено конкретными описанными вариантами осуществления. Напротив, изменения, эквиваленты и альтернативные варианты также подпадают под суть и объем настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем документе описана система для удаления загрязняющих веществ из сжиженного нефтяного газа (LPG), в частности система фильтрации, которая обеспечивает поглощение, отделение и/или отфильтровывание высокомолекулярных органических материалов от LPG. Эти высокомолекулярные органические материалы могут накапливаться в топливной системе, если их не удалять.
Более конкретно, описанная в настоящем документе система удаляет высокомолекулярные органические соединения, образующиеся в ходе переработки, распределения и хранения. Система снижает накопление отложений в инжекторах, клапанах, испарителях или других компонентах топливной системы, использующей LPG. Системы и способы, описанные в настоящем документе, подходят для применения с LPG различных сортов, включая, например, товарный пропан; топливный пропан для двигателей (также известный как HD-5 пропан) и товарный бутан.
Системы и способы можно применять в любом месте в цепочке подачи топлива на основе LPG, при различных условиях, включая, кроме прочего: заводы по переработке нефти или природного газа; в ходе перевозки, включая перевозку на грузовых автомобилях (которые, как правило, перевозят приблизительно от 25000 до 50000 литров LPG) и на небольших автоцистернах (которые, как правило, перевозят приблизительно от 4000 до 20000 литров LPG и сливают LPG со скоростью потока приблизительно от 75 литров в минуту (л/мин)), приблизительно до 200 л/мин; в ходе хранения в «нефтехранилищах» (объекты хранения пропана для розничной торговли); в заправочных цистернах, например, цистерне для хранения пропана и/или насосе на заправочной станции, применяемом для наполнения баллонов с пропаном (которые, как правило, раздают LPG со скоростью потока от приблизительно 20 л/мин и до приблизительно 50 гал/мин); или в месте применения, например, в системе подачи топлива в двигатель (которая может подавать LPG со скоростью потока от 4 литров в час (л/ч) или до приблизительно 40 л/ч, или до 60 л/ч).
16
20
60
60
Загрязняющие вещества, удаленные посредством систем и способов, содержат, кроме прочего, высокомолекулярные органические материалы, такие как углеводороды с количеством атомов углерода больше 16 (больше C), или от приблизительно C до приблизительно C, или даже больше C. В частности, удаленные загрязняющие вещества содержат высокомолекулярные органические материалы, которые являются, по меньшей мере, частично растворимыми в LPG.
Системы и способы обладают способностью поглощения, отделения и/или отфильтровывания высокомолекулярных компонентов от LPG, не удаляя при этом лишние количества одоранта, такого как этилмеркаптан, который часто содержится в LPG в качестве меры предосторожности. В целом, этилмеркаптан добавляют в количестве, по меньшей мере, приблизительно 35 ppm, и на уровнях ниже 12 ppm он считается невыявляемым. Согласно одному варианту осуществления меркаптан практически не удаляется системой фильтрации. Согласно другим вариантам исполнения удаляется менее 50 процентов меркаптана, необязательно удаляется менее 25 процентов меркаптана, и желательно удаляется менее 10 процентов меркаптана.
Согласно одному варианту осуществления система фильтрации выполнена как однопроходный фильтр, например, фильтр, применяемый при наполнении наливом или перекачке наливом. Согласно конкретному варианту осуществления система фильтрации может быть выполнена в виде картриджа (или съемного элемента) для фильтра, в котором в постоянном корпусе находится съемный фильтрующий элемент или картридж. Согласно альтернативному варианту осуществления система фильтрации выполнена в виде навинчиваемого фильтра, в котором замкнутый корпус и элемент в сборе отвинчены от патрона, демонтированы и заменены новым корпусом и фильтрующим узлом.
Системы фильтрации могут содержать, в некоторых вариантах осуществления, два отдельных пакета из фильтрующей среды: Первый пакет из фильтрующей среды выполнен с возможностью удаления высокомолекулярных соединений из сжиженных нефтяных газов. Такая первая фильтрующая среда, как правило, выполнена таким образом, что даже после того, как она достигает предельной способности удержания высокомолекулярных соединений, сжиженные нефтяные газы все равно могут свободно проходить через фильтрующую среду. Таким образом, такая первая фильтрующая среда выполнена с возможностью нагружения достаточными количествами высокомолекулярных загрязняющих веществ, не ограничивая значительно поток после достижения предельной пропускной способности. Второй пакет из фильтрующей среды расположен ниже по потоку от первого пакета фильтрующей среды. В отличие от первого пакета фильтрующей среды, в некоторых вариантах осуществления расположенный ниже по потоку пакет фильтрующей среды значительно ограничивает поток сжиженного нефтяного газа после нагрузки расположенного ниже по потоку пакета фильтрующей среды высокомолекулярными загрязняющими веществами. В частности, после нагрузки расположенного ниже по потоку пакета фильтрующей среды до практически предельной пропускной способности высокомолекулярными загрязняющими веществами он создает значительное ограничение для потока флюида.
Как правило, способность удерживать высокомолекулярные загрязняющие вещества первого пакета из фильтрующей среды (расположенного выше по потоку пакета фильтрующей среды) значительно выше, чем расположенного ниже по потоку пакета из фильтрующей среды. Расположенный выше по потоку пакет фильтрующей среды может содержать активированный уголь, например уплотненный слой угля, обладающий относительно высокой способностью поглощения и удержания высокомолекулярных загрязняющих веществ. Второй пакет из фильтрующей среды (расположенный ниже по потоку пакет фильтрующей среды) может быть выполнен из материала, содержащего тонкое волокно, такое как нановолокно. Расположенный ниже по потоку пакет фильтрующей среды обладает относительно низкой способностью поглощения и удержания высокомолекулярных загрязняющих веществ, но после достижения предельной пропускной способности он создает ограничение протекания жидкости через пакет фильтрующей среды.
Таким образом, при эксплуатации расположенный выше по потоку пакет фильтрующей среды выполняет основную функцию снижения загрязняющих веществ в сжиженном нефтяном газе. Основная функция расположенного ниже по потоку пакета фильтрующей среды заключается в максимально быстром создании сопротивления потоку флюида после воздействия на него высокомолекулярными загрязняющими веществами. Таким образом, после того как расположенный выше по потоку пакет фильтрующей среды приближается или достигает предельной пропускной способности, и высокомолекулярные загрязняющие вещества протекают через этот расположенный выше по потоку пакет фильтрующей среды, не удерживаясь в нем, расположенный ниже по потоку пакет фильтрующей среды быстро достигает точки достаточной нагрузки, так что поток флюида через фильтрующий узел существенно затрудняется (и потенциально полностью останавливается). Таким образом, расположенный ниже по потоку (или второй) пакет из фильтрующей среды выполняет функцию индикатора окончания срока службы фильтрующего узла, ограничивая поток, когда расположенный выше по потоку (или первый) пакет из фильтрующей среды не удаляет соответствующим образом высокомолекулярные загрязняющие вещества.
Более того, в узел могут быть добавлены дополнительные элементы. Например, для удаления загрязняющих частиц в третий пакет фильтрующей среды может быть добавлен фильтр для улавливания частиц (а также для необязательного удаления угля или другого адсорбента, выделяемого из первого пакета из фильтрующей среды). Третий пакет из фильтрующей среды может обладать средним гидравлическим размером пор, равным, например, 10 микрон или менее. Такое исследование пор могут проводить при помощи, например, автоматического порометра для измерения газовой проницаемости производства Porous Materials, Inc., как описано в публикации патента США №2011/0198280, содержание которой включено в настоящий документ во всей полноте посредством ссылки. Фильтр для улавливания частиц может быть расположен, например, выше по потоку от первого и второго пакетов из фильтрующей среды, между первым и вторым пакетами из фильтрующей среды или ниже по потоку от первого и второго пакетов из фильтрующей среды.
Конфигурация фильтрующего узла
Далее со ссылкой на чертежи на фиг. 1 показан один вариант осуществления системы 18 фильтрации. Хотя возможны и другие конфигурации, согласно варианту осуществления, показанному на фиг. 1, система 18 фильтрации содержит фильтрующий узел 10, который содержит в целом цилиндрический корпус 14, образующий камеру, в которой размещен фильтрующий элемент 12. Согласно этому варианту осуществления корпус 14 изготовлен из тонкостенного материала, такого как металл или другой синтетический материал, способного противостоять давлениям, по меньшей мере, приблизительно 500 килопаскалей, или от приблизительно 1000 килопаскалей и 2000 килопаскалей, и до 3000 килопаскалей. Согласно одному варианту осуществления корпус 14 может быть выполнен из стали глубокой вытяжки с толщиной стенок от приблизительно 0,25 миллиметров до 2,5 миллиметров, или от приблизительно 0,5 миллиметров до 1,25 миллиметров.
В описываемом варианте осуществления фильтрующий узел 10 функционально установлен на фильтрующий блок или верхнюю часть 16 фильтра, как правило, посредством привинчивания фильтрующего узла 10 к верхней части 16 фильтра посредством внутренних резьб на фильтрующем узле 10. Система 18 фильтрации содержит питающий трубопровод 20 для подачи флюида к фильтрующему узлу 10 через впускное отверстие 22 в верхней части 16 фильтра. Флюид поступает в фильтрующий элемент 12 и фильтруется в нем, затем выходит из верхней части 16 фильтра через выпускное отверстие 24 верхней части 16 фильтра, и отводится по трубопроводу 26. Необходимо понимать, что фильтрующий узел 10 показан в конфигурации, приведенной в качестве примера, и что фильтрующие узлы также могут иметь другие различные конфигурации, не выходя за пределы объема изобретения.
На фиг. 2 показан вид в поперечном сечении фильтрующего узла 10, показанного на фиг. 1, выполненного по линии 2-2, на котором фильтрующий элемент 12 содержит в целом цилиндрическую фильтрующую среду, установленную в контейнере на одной или нескольких концевых пробках 23, 25, так что не фильтрованный флюид протекает через фильтрующую среду в целом в радиальном направлении. Согласно варианту осуществления, показанному на фиг. 2, LPG топливо двигается по схеме снаружи-внутрь, согласно которой LPG топливо проходит от наружной поверхности 30 фильтра 12 к внутренней поверхности 31 фильтра 12, как показано стрелками, обозначенными буквой «F» на фиг. 2. Однако также представляется возможным выполнить фильтрующий узел 18 таким образом, чтобы топливо следовало по схеме изнутри-наружу, согласно которой топливо проходит от внутренней поверхности фильтра к наружной поверхности фильтра (не показано). Согласно варианту осуществления, показанному на фиг. 2, наружная поверхность 30 «расположена выше по потоку», а внутренняя поверхность 31 расположена «ниже по потоку» относительно направления потока топлива.
Согласно альтернативному варианту осуществления, показанному на фиг. 3, фильтрующий элемент 18 содержит несколько слоев содержащих уголь фильтрующих элементов 20 и слои 22 индикатора окончания срока службы, например, приблизительно от 2 до 50 слоев, где каждый «слой» содержит содержащий уголь фильтрующий элемент и слой индикатора окончания срока службы.
На фиг. 4A показана система 180 фильтрации, которая содержит фильтр 181 первичной очистки и фильтр 182 вторичной очистки. LPG флюид поступает в фильтр 181 первичной очистки системы через питающий трубопровод 120. После прохождения через фильтр 181 первичной очистки LPG транспортируется в фильтр 182 вторичной очистки по трубе 130. После того как LPG проходит через фильтр 182 вторичной очистки, он выходит из системы через трубопровод 126. Согласно варианту осуществления с двумя фильтрами, показанному на фиг. 4A, фильтр 181 первичной очистки содержит корпус, в котором расположен содержащий уголь фильтрующий элемент.
Фильтр 182 вторичной очистки содержит корпус, в котором расположено тонковолокнистое полотно, при этом тонковолокнистое полотно выполнено с возможностью улавливания «прорвавшихся» высокомолекулярных органических соединений, не поглощенных фильтром первичной очистки. Как было описано выше, «прорвавшиеся» высокомолекулярные органические соединения образуют пленку на волокнистом полотне, что увеличивает противодавление и выполняет функцию предохранителя для определения окончания срока службы. Если необходимо, система также может содержать один или несколько расположенных ниже по потоку фильтров для улавливания частиц, выполненных с возможностью удаления частиц, таких как угольные частицы, из потока LPG.
На фиг. 4 В показана система 280 фильтрации, которая содержит первый фильтр 281, второй фильтр 282 и третий фильтр 283. LPG флюид поступает в первый фильтр 281 системы через питающий трубопровод 220. После прохождения через первый фильтр 281 LPG транспортируется во второй фильтр 282 по трубе 230. После того как LPG проходит через второй фильтр 282, он проходит через третий фильтр 283 по трубе 227 перед выходом из системы по трубопроводу 228. Согласно варианту осуществления фильтра, показанному на фиг. 4B, первый фильтр 281 содержит корпус, в котором расположен содержащий уголь фильтрующий элемент, второй фильтр 282 содержит корпус, в котором расположено дисперсное волокно, и третий фильтр 283 содержит корпус, в котором тонковолокнистое полотно выполнено с возможностью улавливания «прорвавшихся» высокомолекулярных органических соединений, не поглощенных фильтром первичной очистки. Как было описано выше, «прорвавшиеся» высокомолекулярные органические соединения образуют пленку на волокнистом полотне, что увеличивает противодавление и выполняет функцию предохранителя для определения окончания срока службы.
На фиг. 5A и фиг. 5B показаны фотографии вида изнутри узла обработки LPG после длительного воздействия сжиженных нефтяных газов. На фиг. 5A сжиженный нефтяной газ не был отфильтрован при помощи узла, описываемого в настоящем изобретении. На фиг. 5B сжиженный нефтяной газ был отфильтрован при помощи узла, описываемого в настоящем изобретении. В узле были образованы отложения загрязняющих материалов, обозначенных как высокомолекулярные углеводороды. Такие отложения в итоге становятся настолько существенными, что снижают функциональные возможности регулятора, и могут в конечном итоге полностью перекрыть поток топлива.
Расположенный выше по потоку поглощающий материал
Для расположенного выше по потоку поглощающего пакета фильтрующей среды подходят различные поглощающие материалы. В частности, содержащие уголь фильтрующие элементы подходят для применения в системе согласно изобретению. В целом, содержащий уголь фильтрующий элемент, содержащий угольную фильтрующую среду с большой площадью поверхности и открытопористой структурой, такой как активированный уголь, эффективен для поглощения высокомолекулярных органических примесей из LPG.
В целом, LPG, который содержит более чем приблизительно 0,25% объем/объем высокомолекулярных органических примесей, является неприменимым. Системы и способы, раскрытые в настоящем документе, позволяют снизить содержание таких примесей до допустимых уровней. LPG с содержанием высокомолекулярных органических примесей менее приблизительно 0,05% объем/объем высокомолекулярных органических примесей является желательным. Согласно одному варианту осуществления LPG содержит менее приблизительно 0,03% объем/объем высокомолекулярных органических примесей. В более конкретном варианте осуществления LPG содержит менее 10% C16.
2
Активированный уголь доступен на рынке в различных формах, включая гранулы, порошки, волокна и т.п. Порошки активированного угля содержат гранулы, размер которых составляет менее приблизительно 1 миллиметра. Размеры гранулированного активированного угля (GAC) можно определить посредством известных ASTM способов и включают 8×20; 20×40; 8×30 для применений в жидкой форме и 4×6; 4×8 или 4×10 для применений в газообразной форме. Активированный уголь также можно сочетать со связующим компонентом и формовать для получения формованного активированного угля (EAC). Волокна из активированного угля могут характеризоваться длиной, диаметром, пористостью, удельной площадью поверхности и элементным составом. Длина позволяет описывать расстояние от одного до другого конца волокна. Под диаметром понимают средний диаметр волокна. Пористость характеризуется средним поровым объемом в волокне. Удельная площадь поверхности представляет собой меру площади поверхности волокна, включая площадь внутри пор, на единицу массы волокна. Волокна из активированного угля, подходящие для применения при выполнении фильтра в форме открытого канала, содержат волокна из активированного угля с удельной площадью поверхности от приблизительно 500 до приблизительно 1300 м/г; средний диаметр от приблизительно 50 нм до приблизительно 200 микрон; и средний размер пор от приблизительно 5 до 500 ангстрем. Размер пор и площадь поверхности фильтрующей среды может измеряться в соответствии с положениями документа Р.А. Webb, С. Orr, Analytical Methods in Fine Particle. Предпочтительно фильтрующая среда из угля обладает низкой пропускной способностью или не имеет пропускной способности (на основании испытаний на прорыв) для низкомолекулярных углеводородов, таких как пропан и бутан, и/или одоранта, такого как этилмеркаптан.
Согласно одному варианту осуществления содержащий уголь фильтрующий элемент содержит гофрированную фильтрующую среду, в которой активированный уголь (например, гранулированный активированный уголь со значением меш 20×40 или 35×60) соединен со смолой и помещен между слоями сетки. Примеры подходящих смол включают клеи, например полиуретановый (PUR) клей. Подходящие сетчатые материалы включают полиэфирсульфон (PES), полиэстер или полипропилен (РР). Такая получаемая в результате фильтрующая среда является гибкой и может быть гофрирована при помощи известных способов, и применяется в системе с картриджами.
Согласно другому варианту осуществления содержащий уголь фильтрующий элемент выполнен как фильтр в форме открытого канала, в котором, по меньшей мере, некоторые из волокон содержат волокно активированного угля. Способы получения волокна из активированного угля известны и волокна из активированного угля доступны на рынке. Подходящие волокна из активированного угля содержат волокна, полученные из вискозного волокна, фенольной смолы, полиакрилнитрила. Угольные волокна могут быть нановолокнистыми и/или подпадают под категорию нанотрубок, бакитрубок, нанопроволок и нанорожек. Такие волокнистые материалы могут располагаться в любом сочетании или диапазоне для обеспечения требуемой эффективности.
2
2
2
Согласно другому варианту осуществления содержащий уголь фильтрующий элемент содержит формованный фильтр, в котором помещены гранулы активированного угля. Подходящий гранулированный активированный уголь (GAC) содержит гранулы размером 8×20; 20×40; или 8×30 для применений в жидкой форме и 4×6; 4×8 или 4×10 для применений в газообразной форме; с площадью поверхности, по меньшей мере, приблизительно 500 м/г, или от приблизительно 600 м/г до приблизительно 1200 м/г; и со средним размером пор, по меньшей мере, приблизительно 20 ангстрем, по меньшей мере, приблизительно 30 ангстрем, или от приблизительно 20 до 100 ангстрем.
2
2
2
В данном контексте термин «большая площадь поверхности» относится, например, к фильтрующей среде из угля с площадью поверхности, по меньшей мере, приблизительно 500 м/г, или от приблизительно 500 м/г до приблизительно 2300 м/г. Термины «открытопористая структура» и «крупнопористый» могут использоваться взаимозаменяемо, и относятся к фильтрующей среде из угля со средним размером пор, по меньшей мере, приблизительно 20 ангстрем, по меньшей мере, приблизительно 30 ангстрем или от приблизительно 5 до 500 ангстрем. Согласно некоторым вариантам исполнения от приблизительно 20 до 100 ангстрем. Примеры крупнопористого содержащего уголь фильтрующего элемента включают углерод, полученный на основе древесины, кокосовой скорлупы или каменного угля. Размер пор и площадь поверхности фильтрующей среды может измеряться в соответствии с положениями документа Р.А. Webb, С. Orr, Analytical Methods in Fine Particle Technology, 1997, Micromeritics Instrument Corp.
2
2
2
Согласно другому варианту осуществления расположенный выше по потоку фильтрующий элемент содержит полотно из нановолокон, в котором помещены гранулы активированного угля. Подходящий гранулированный активированный уголь (GAC) содержит гранулы размером 8×20; 20×40; или 8×30 для применений в жидкой форме и 4×6; 4×8 или 4×10 для применений в газообразной форме; с площадью поверхности, по меньшей мере, приблизительно 500 м/г, или от приблизительно 600 м/г до приблизительно 1200 м/г; и со средним размером пор, по меньшей мере, приблизительно 20 ангстрем, по меньшей мере, приблизительно 30 ангстрем, или от приблизительно 5 до 500 ангстрем. Согласно некоторым вариантам исполнения средний размер пор составляет от приблизительно 20 до 100 ангстрем.
Подходящие волокнистые полотна, содержащие частицы, включают волокнистые полотна, раскрытые в патенте США №7655070, выданном 2 февраля 2010 г., озаглавленном «Web Comprising Fine Fiber and Reactive, Adsorptive, or Adsorptive Particulate)), содержание которого включено в настоящий документ во всей полноте посредством ссылки.
Расположенная ниже по потоку фильтрующая среда
Расположенный ниже по потоку пакет фильтрующей среды обладает относительно низкой способностью поглощения и удержания высокомолекулярных загрязняющих веществ, но после достижения предельной пропускной способности он создает ограничение протекания жидкости через пакет фильтрующей среды. Второй пакет из фильтрующей среды (расположенный ниже по потоку пакет фильтрующей среды) может быть выполнен из материала, содержащего тонкое волокно, такое как нановолокно.
Согласно одному варианту осуществления расположенный ниже по потоку пакет фильтрующей среды содержит полотно из волокон. Согласно конкретному варианту осуществления полотно между волокнами содержит относительно небольшие поры, например, менее приблизительно 25 микрон, или от приблизительно 0,01 до приблизительно 25 микрон, или приблизительно от 0,1 до приблизительно 10 микрон и, таким образом, создает барьер для прохождения высокомолекулярных материалов. Измерения размера пор индикатора окончания срока службы можно проводить посредством способов, описанных в документе An Introduction to Electrospinning and Nanofibers, страницы 199-206 (Глава 5), Ramakrisna et al, ISBN 981-256-415-2, содержание которого включено в настоящий документ во всей полноте посредством ссылки.
После достижения насыщения расположенного выше по потоку пакета фильтрующей среды высокомолекулярные примеси начинают протекать через содержащий уголь фильтрующий элемент ниже по потоку к полотну из волокон. Поскольку поры полотна слишком маленькие для прохождения высокомолекулярных примесей, высокомолекулярные примеси относительно быстро образуют пленку на расположенной выше по потоку поверхности полотна. Пленка обуславливает увеличение противодавления, что становится предупреждением о необходимости заменить фильтр (окончание срока службы). Противодавление можно определить посредством датчика перепада давления. Преимущественно волокнистое полотно также может отфильтровывать угольные частицы, которые могут осыпаться с фильтрующего узла из пермеата LPG. При необходимости ниже по потоку системы фильтрации можно ввести один или несколько дополнительных фильтров для улавливания частиц с целью отфильтровывания угольных частиц.
Согласно одному варианту осуществления волокнистое полотно содержит нетканое полотно из сцепленных волокон. Согласно более конкретному варианту осуществления волокнистое полотно содержит полимерное полотно из нановолокон или микроволокон. Термин «нановолокно» в данном контексте относится к волокну, диаметром менее 2000 нанометров или 2,0 микрометров. Термин «микроволокно» относится к волокну, диаметром более чем 2,0 микрона, но менее 10 микрон. Способы формирования полимерных полотен известны и включают такие процессы, как электропрядение, метод плавления с раздувом. Размер пор полотна можно менять, например, посредством регулировки ширины волокон, плотности волокон и толщины слоя волокна.
Примеры подходящих материалов из нановолокна включают такие полимеры, как нейлон, поливинилиденхлорид, поливинилиденфторид, поливиниловый спирт (или их смеси), такие как описаны в патенте США №6743273, раскрытие которого включено в настоящий документ посредством ссылки. Другой пример подходящего материала из нановолокна включает сплав полисульфон/поли(N-винил лактам), такой как описан в патенте США №7641055, раскрытие которого включено в настоящий документ посредством ссылки.
На фиг. 6 показана фотография тонковолокнистой фильтрующей среды, которая была подвержена воздействию LPG, содержащего высокомолекулярные углеводороды. На тонковолокнистой фильтрующей среде накопились отложения высокомолекулярных углеводородов, достаточные для того, чтобы в значительной степени покрыть поверхность фильтрующей среды. Такое покрытие, которое происходит относительно быстро (в зависимости от скорости набегающего потока) при воздействии высокомолекулярных углеводородов, по сути, уменьшает поток через фильтрующую среду, приводя к увеличению перепада давления от расположенной выше по потоку до расположенной ниже по потоку стороны тонковолокнистой фильтрующей среды.
Фильтр для улавливания частиц
На фиг. 7 представлена фотография фильтрующей среды для удаления частиц, примененной для удаления частиц ниже по потоку от элемента угольного фильтра, при этом фильтрующая среда для удаления частиц характеризовалась относительно невысокой нагрузкой высокомолекулярными углеводородами. Подходящая фильтрующая среда для удаления частиц описана, кроме прочего, в патенте США №7314497, озаглавленном «Filter Medium and Structure)), и патенте США №7309372, также названном «Filter Medium and Structure)), оба из которых включены в настоящий документ посредством ссылки во всей полноте.
Примеры
Систему фильтрации на основе активированного угля испытывали на способность отфильтровывать высокомолекулярные органические материалы из потока LPG, не поглощая сам LPG.
Поглощение пропана анализировали посредством измерения прорыва пропана и десорбции пропана. Результаты указали, что активированный уголь, в частности крупнопористый активированный уголь, в значительной степени не поглощает пропан, так что будут поглощаться только высокомолекулярные материалы в гексане (в качестве заменителя LPG). За счет энергии связи с фильтрующей средой на основе угля высокомолекулярные органические соединения будут “отталкивать” пропан, который слабо связан с поверхностью/порами угля.
Для определения изменения относительного перепада давления в различных пакетах из фильтрующей среды сопротивление потоку измеряли для различных фильтрующих сред после воздействия LPG, содержащего высокомолекулярные углеводороды. Вес отложений на фильтре определяли путем вычитания начального веса из конечного веса фильтра. На фиг. 8 показан относительный перепад давления в фильтрующей среде расположенных выше по потоку и расположенных ниже по потоку пакетов из фильтрующей среды. Как было указано, расположенный выше по потоку пакет фильтрующей среды из активированного угля характеризовался значительно меньшим изменением перепада давления, чем расположенная ниже по потоку тонковолокнистая фильтрующая среда.
Для определения количества высокомолекулярных углеводородов, удержанных фильтром, фильтры были взвешены до и после проведения испытания. Вес отложений на фильтре определяли путем вычитания начального веса из конечного веса фильтра. На фиг. 9 показано относительное увеличение массы фильтрующей среды расположенного выше по потоку и расположенного ниже по потоку пакетов из фильтрующей среды, подверженных воздействию гексана (в качестве заменителя LPGE) и высокомолекулярных углеводородов. Как было указано, расположенный выше по потоку пакет фильтрующей среды из активированного угля характеризовался значительно большим увеличением веса и, следовательно, значительно большей пропускной способностью.
На фиг. 10 представлен график перепада давления в элементе при воздействии сжиженным нефтяным газом. Согласно показанному варианту осуществления слои угля и слои для удаления частиц являются закрученными слоями (аналогично конструкции, показанной на фиг. 3, но с закрученными слоями активированного угля и слоями для удаления частиц), тогда как индикатор окончания срока службы представляет собой плоский диск, содержащий фильтрующую среду из нановолокна, расположенную ниже по потоку от слоев активированного угля и слоев для удаления частиц в осевом выпускном отверстии фильтрующего элемента.
Необходимо отметить, что употребленные в данном описании и прилагаемой формуле изобретения формы единственного числа включают элементы во множественном числе, если из контекста не следует другое. Также необходимо отметить, что термин «или» в целом предусматривает употребление «и/или», если из контекста не следует другое.
Также необходимо отметить, что употребленная в данном описании и прилагаемой формуле изобретения фраза «выполнен с возможностью» описывает систему, устройство или другую конструкцию, выполненную или сконфигурированную для выполнения конкретной задачи или принятия конкретной конфигурации. Фразу «выполнен с возможностью» можно использовать взаимозаменяемо с другими аналогичными фразами, например «предназначен», «предназначен и выполнен с возможностью», «сконструирован и предназначен», «сконструирован», «изготовлен и предназначен», и т.п.
Все публикации и патентные заявки в данном описании описывают уровень области техники, к которой относится настоящее изобретение. Все публикации и патентные заявки включены в настоящий документ посредством ссылки равносильно тому, если бы каждая отдельная публикация или патентная заявка была включена посредством ссылки конкретно и индивидуально.
Настоящая заявка охватывает модификации или изменения объекта настоящего изобретения. Следует понимать, что приведенное выше описание предоставлено в иллюстративных целях и не является ограничивающим. Следует четко понимать, что любой из одного или нескольких конструктивных признаков, описанных в настоящем документе, может применяться в любом сочетании с любой конкретной конфигурацией. При осуществлении процесса формования такие конструктивные признаки могут быть включены без существенных дополнительных производственных затрат. Количество таких комбинаций бесчисленно и их невозможно описать, и настоящее изобретение не ограничено какой-либо конкретной иллюстративной комбинацией, описанной в настоящем документе. Объем настоящего изобретения определен прилагаемой формулой изобретения, наряду со всеми правомерными эквивалентами.