МОДУЛЬНЫЕ ФИЛЬТРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В КАРТРИДЖЕ С ФИЛЬТРОМ В ФИЛЬТРЕ
MODULAR FILTERING ELEMENTS IN CARTRIDGE WITH FILTER IN FILTER

Предшествующий уровень техники
Область техники, к которой относится данное изобретение, относится к фильтрам, таким как картриджи с фильтром в фильтре, применимым для разделения смесей топливо-вода. В частности, область техники относится к водоотделителю для топлива с фильтром в фильтре и фильтрам для отделения твердых частиц, предпочтительно содержащим термопластичный материал.
Объект этой заявки связан с заявкой на патент США № 12/820791, зарегистрированной 22 июня 2010 г. и озаглавленной «MODULAR FILTER ELEMENTS FOR USE IN A FILTER-IN-FILTER CARTRIDGE», и заявкой на патент США № 12/820784, зарегистрированной 22 июня 2010 г. и озаглавленной «TWO STAGE WATER SEPARATOR AND PARTICULATE FILTER», в отношении которых данная заявка испрашивает преимущество приоритета, и содержание которых включено в данный документ посредством ссылки во всей его полноте.
Коагуляторы широко используются для удаления несмешивающихся капель из газообразной или жидкостной непрерывной фазы, например, при фильтрации в системе вентиляции картера (CV), разделении смесей топливо-вода (FWS) и разделении смесей масло-вода. Конструкции коагуляторов известного уровня техники включают принципы улучшенного захвата капель и коалесценции посредством использования ступенчатого улавливания (т.е. с уменьшением диаметра волокон, размера пор и/или пористости в коалесцирующей среде) или посредством применения увеличенной глубины коагуляторов. Смачиваемость также считается оказывающей влияние характеристикой коагулятора. (См., например, патент США № 6767459 и выложенные заявки на патент США №№ 2007-0131235 и 2007-0062887.) Патент США № 5443724 раскрывает, что среда должна иметь поверхностную энергию больше, чем вода, для того, чтобы улучшить характеристики коагулятора (т.е. среда должна предпочтительно увлажняться как коалесцирующими каплями, так и непрерывными фазами). Патент США № 4081373 раскрывает, что коалесцирующая среда должна быть гидрофобной для того, чтобы удалять воду из топлива. Выложенная заявка на патент США № 2006-0242933 раскрывает коагулятор масляного тумана, в котором фильтрующая среда является олеофобной, посредством чего обеспечивается возможность коалесцирования тумана текучей среды в капли и стекания в виде капель с фильтрующей среды.
В отношении удаления воды из топлива, имеет место потребность в увеличении эффективности удаления и в удалении капель меньшего размера, чем ранее. Эта проблема дополнительно возрастает вследствие внедрения новых видов топлива с более низким поверхностным натяжением на границе раздела и другими композициями присадок, чем в прежних топливах. В частности, дизельное топливо с ультранизким содержанием серы (ULSD) и биодизельное топливо проявляет тенденцию к более низким величинам поверхностного натяжения на границе раздела (IFT) и поэтому имеет меньший размер капель и более стабильные эмульсии, чем предшествующее дизельное топливо. В топливах с более низким поверхностным натяжением размер диспергированных капель уменьшается, что затрудняет удаление капель. Поэтому требуется улучшенная коалесценция, чтобы отвечать этим потребностям. Также желательны улучшенные коагуляторы, которые включают улучшенную коалесцирующую среду, поскольку они предоставляют возможность применения пакета среды меньшего размера вследствие повышенной эффективности коалесценции. В топливах с более низким поверхностным натяжением размер капель уменьшается, что затрудняет удаление капель.
Традиционные водоотделители для топлива (FWS) проявляют тенденцию являться одноступенчатыми устройствами, сконструированные для применения выше по потоку топливного насоса. В традиционных водоотделителях для топлива (FWS), фильтрующая среда является гидрофобной в отношении диспергированной водной фазы и действует в качестве барьера. Однако традиционные водоотделители для топлива (FWS) не склонны предоставлять адекватное удаление воды для дизельного топлива с ультранизким содержанием серы (ULSD) и биодизельного топлива с низкими величинами поверхностного натяжения на границе раздела (IFT) (<15 дин/см) и низкой способностью к разделению (<50%) вследствие того, что их размер пор имеет тенденцию быть слишком большим для эффективного улавливания небольших капель. В связи с этим, для эффективного улавливания требуется большой размер капель. Этот большой размер капель также является требованием, обусловленным необходимостью в поддержании перепада давления на водоотделителе для топлива (FWS) значительно ниже 1 атмосферы давления, предусматриваемого, когда водоотделитель для топлива (FWS) используется выше по потоку топливного насоса. Также, даже когда средний размер пор достаточно мал, среда водоотделителей для топлива (FWS) и волокнистая фильтрующая среда в общем имеют такой большой максимальный размер пор, что избыточное количество воды проходит через эти большие поры. В современных топливных системах с общей магистралью высокого давления важно удалять почти всю нерастворенную воду из топлива, поступающего к форсункам, и количество воды, которое проходит через эти большие поры, является неприемлемым. Также, в современных топливных системах с общей магистралью высокого давления (HPCR) часто желательно, чтобы водоотделитель для топлива был расположен на стороне нагнетания насоса, где фильтр находится под более высокими давлениями, и размер капель воды много меньше. Традиционные двухступенчатые коагуляторы воды в топливе (FWC) сконструированы для применения ниже по потоку топливного насоса и типично являются двухступенчатыми устройствами для топлива, в которых первая ступень улавливает капли, удерживает их таким образом, что может происходить коалесценция, затем высвобождает увеличенные капли, которые удаляются седиментацией/оседанием, обычно после их блокирования второй ступенью сепаратора (при этом вторая ступень сепаратора действует как водоотделитель для топлива (FWS)). Традиционные двухступенчатые коагуляторы воды в топливе (FWC) склонны предоставлять более высокую эффективность удаления, чем водоотделители для топлива (FWS), однако склонны иметь недостаточный срок службы, вследствие засорения твердыми или полутвердыми частицами. В той или иной степени, как для водоотделителей для топлива (FWS), так и для коагуляторов воды в топливе (FWC) отрицательным образом сказывается присутствие поверхностно-активных веществ в топливах, которые снижают поверхностное натяжение на границе раздела, уменьшают размер капель, снижают скорость коалесценции, стабилизируют эмульсии и могут адсорбироваться на среде и делать ее менее эффективной. В связи с этим, имеет место потребность в улучшенных водоотделителях для топлива, которые проявляют высокую эффективность, низкий перепад давления, и на которые в минимальной степени оказывает отрицательное влияние низкое поверхностное натяжение на границе раздела и присутствие поверхностно-активных веществ.
Сущность изобретения
Раскрыты модульные элементы фильтра в фильтре, а именно внешний фильтрующий элемент и внутренний фильтрующий элемент, которые могут быть собраны, чтобы образовать фильтрующий картридж для применения в методах и системах разделения. Внешний фильтрующий элемент обычно функционирует как коалесцирующий элемент, а внутренний элемент обычно функционирует как фильтрующий элемент для отделения твердых частиц и для отделения коалесцированных капель воды от топлива. Раскрытые фильтрующие картриджи могут быть сконфигурированы для отделения воды от углеводородного жидкого топлива, когда топливо перемещается через картридж снаружи внутрь.
В раскрытых картриджах внутренний фильтрующий элемент размещен внутри внешнего фильтрующего элемента. Внешний фильтрующий элемент включает: (i) внешний гофрированный фильтрующий материал, при этом внешний гофрированный фильтрующий материал предпочтительно является полимерным материалом (например, термопластичным материалом) и имеет по существу цилиндрическую или овальную форму; (ii) опционально внутренний негофрированный фильтрующий материал, контактирующий непосредственно или опосредованно с внешним гофрированным фильтрующим материалом на внутренних вершинах складок внешнего гофрированного фильтрующего материала, при этом внутренний негофрированный фильтрующий материал предпочтительно является полимерным материалом (например, термопластичным материалом) и имеет по существу цилиндрическую форму; и (iii) торцевые крышки, прикрепленные к противоположным концам внешнего гофрированного фильтрующего материала и внутреннего негофрированного фильтрующего материала. Внутренний фильтрующий элемент включает: (i) внешний негофрированный фильтрующий материал, при этом внешний негофрированный фильтрующий материал предпочтительно является полимерным материалом (например, термопластичным материалом), предпочтительно гидрофобным материалом, и имеет по существу цилиндрическую форму; (ii) внутренний гофрированный фильтрующий материал, контактирующий непосредственно или опосредованно с внешним негофрированным фильтрующим материалом, при этом внутренний гофрированный фильтрующий материал предпочтительно является полимерным материалом (например, термопластичным материалом) и имеет по существу цилиндрическую форму; и (iii) торцевые крышки, прикрепленные к противоположным концам внешнего негофрированного фильтрующего материала и внутреннего гофрированного фильтрующего материала. Внешний фильтрующий элемент и внутренний фильтрующий элемент могут использовать совместно одну или обе торцевые крышки. Например, один или оба конца фильтрующего материала внешнего элемента и один или оба конца фильтрующего материала внутреннего элемента могут быть присоединены к той же самой торцевой крышке.
Внешний фильтрующий элемент раскрытых фильтрующих картриджей опционально может включать: (iv) опциональный опорный элемент, который обычно является перфорированным или сетчатым материалом. В некоторых вариантах осуществления раскрытых фильтрующих картриджей опорный элемент расположен на внешней стороне внутреннего негофрированного фильтрующего материала внешнего фильтрующего элемента. Например, внутренний негофрированный фильтрующий материал может находиться в косвенном соприкосновении с внешним гофрированным фильтрующим материалом внешнего фильтрующего элемента на внутренних вершинах складок посредством опорного элемента. В других вариантах осуществления опорный элемент расположен на внутренней стороне внутреннего негофрированного фильтрующего материала внешнего фильтрующего элемента, и внутренний негофрированный фильтрующий материал находится в непосредственном соприкосновении с внешним гофрированным фильтрующим материалом. Подходящие опорные элементы могут включать, однако, не ограничиваясь ими, трубу, сетку, элемент в виде клетки и пружину.
M
M
M
M
3
3
3
3
2
2
2
Внешний фильтрующий элемент содержит внешний гофрированный фильтрующий материал, который может включать один или более слоев материала среды, на который делается ссылка как на «нановолокнистый слой», который обладает предпочтительными характеристиками для коалесценции капель воды, присутствующих в углеводородном топливе, когда топливо проходит через внешний гофрированный фильтрующий материал. Типично, нановолокнистый слой имеет средний размер пор, M, составляющий 0,2 мкм ≤M≤ 12,0 мкм (предпочтительно 0,2 мкм ≤M≤ 10,0 мкм и более предпочтительно 0,2 мкм ≤M≤ 8,0 мкм, например, 0,2, 0,8, 1,2, 1,6, 2,0, 2,4, 2,8, 3,2, 3,6, 4,0, 4,4, 4,8, 5,2, 5,6, 6,0, 6,4, 6,8, 7,2, 7,6 или 8,0 мкм). Материал среды нановолокнистого слоя типично имеет максимальный размер пор M, и обычно 1≤M/M≤3, предпочтительно 1≤M/M≤2 (например, максимальные размеры пор M могут включать 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30, 33 и 36 мкм). Материал среды нановолокнистого слоя типично включает волокна, при этом волокна средний диаметр менее чем примерно 1 мкм и в некоторых вариантах осуществления между 0,07 мкм и 1 мкм (предпочтительно между 0,15 мкм и 1 мкм, например, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 или 1,0 мкм). Материал среды нановолокнистого слоя типично включает нетканый полимерный материал (например, полиамидный материал), который может быть сформирован электровыдуванием. Материал среды обладает подходящей проницаемостью. Подходящая проницаемость может включать проницаемость менее чем примерно 40 куб.футов/мин (1,133 м/мин) (предпочтительно менее чем примерно 30 куб.футов/мин (0,849 м/мин), более предпочтительно менее чем примерно 20 куб.футов/мин (0,566 м/мин), например, 19, 18, 17, 16, 15, 14, 13, 12, 11 или 10 куб.футов/мин (0,538, 0,510, 0,481, 0,453, 0,425, 0,396, 0,368, 0,340, 0,311 или 0,283 м/мин)). Нановолокнистый слой материала среды имеет желательную толщину, определяемую от выше по потоку к ниже по потоку по отношению к потоку через картридж (т.е. определяемую от внешней стороны к внутренней стороне). Подходящие толщины включают толщины между 0,05 и 0,4 мм (предпочтительно между 0,1 и 0,3 мм, например, 0,10, 0,12, 0,14, 0,16, 0,18, 0,20, 0,22, 0,24, 0,26, 0,28 и 0,30 мм). Нановолокнистый слой материала среды предпочтительно имеет базовую массу по меньшей мере примерно 10 г/м (или по меньшей мере 20 г/м или 30 г/м).
1
2
1
2
1
2
1
1
1
3
3
3
3
В дополнение к нановолокнистому слою материала среды внешнего гофрированного фильтрующего материала внешнего фильтрующего элемента, который описан выше, внешний гофрированный фильтрующий материал может включать дополнительные слои материала среды, имеющие такие же или другие характеристики по сравнению с нановолокнистым слоем материала среды, описанным выше. Например, внешний гофрированный фильтрующий материал внешнего фильтрующего элемента может включать один или более дополнительных слоев материала среды, расположенных выше по потоку или ниже по потоку слоя материала среды, описанного выше. В некоторых вариантах осуществления внешний гофрированный фильтрующий материал внешнего фильтрующего элемента включает дополнительный слой материала среды, который находится выше по потоку слоя материала среды, описанного выше, а именно первый слой материала среды, расположенный выше по потоку и второй слой материала среды, расположенный ниже по потоку, который описан выше. Первый слой и второй слой материала среды имеют средние размеры пор M и M, соответственно, и предпочтительно M>M. Например, M может быть по меньшей мере примерно в 2,5, 5 или 10 раз больше, чем M (например, M≥10 мкм, M≥20 мкм или M≥30 мкм). Дополнительный слой материала среды, расположенный выше по потоку может включать волокна, при этом волокна имеют средний диаметр 1-100 мкм, 3-100 мкм, 10-100 мкм, 20-100 мкм или 40-100 мкм. Дополнительный слой материала среды, расположенный выше по потоку имеет подходящую проницаемость. Подходящая проницаемость для материала среды, расположенная выше по потоку может включать проницаемость в интервале примерно 20-500 куб.футов/мин (0,566-14,16 м/мин) (предпочтительно в интервале примерно 30-400 куб.футов/мин (0,850-11,33 м/мин), более предпочтительно в интервале примерно 40-300 куб.футов/мин (1,13-8,50 м/мин), например, 50, 75, 100, 125, 150, 175, 200, 225, 250, 275 или 300 куб.футов/мин (1,42, 2,12, 2,83, 3,54, 4,25, 4,96, 5,66, 6,37, 7,08, 7,79 и 8,50 м/мин)).
1
2
1
2
2
1
2
2
2
3
3
3
В других вариантах осуществления внешний гофрированный фильтрующий материал внешнего фильтрующего элемента включает дополнительный слой материала среды, который находится ниже по потоку нановолокнистого слоя материала среды, описанного выше, а именно первый слой материала среды, расположенный выше по потоку, который описан выше, и второй слой материала среды, расположенный ниже по потоку. Первый слой и второй слой имеют средние размеры пор M и M, соответственно, и предпочтительно M<M. Например, M может быть по меньшей мере примерно в 2,5, 5 или 10 раз больше, чем M (например, M≥10 мкм, M≥20 мкм или M≥30 мкм). Дополнительный слой материала среды, расположенный ниже по потоку может включать волокна, при этом волокна имеют средний диаметр 1-100 мкм, 3-100 мкм, 10-100 мкм, 20-100 мкм или 40-100 мкм. Дополнительный слой материала среды, расположенный ниже по потоку имеет подходящую проницаемость. Подходящая проницаемость для материала среды, расположенная ниже по потоку может включать проницаемость в интервале примерно 20-500 куб.футов/мин (0,566-14,16 м/мин) (предпочтительно в интервале примерно 30-400 куб.футов/мин (0,850-11,33 м/мин), более предпочтительно в интервале примерно 40-300 куб.футов/мин (1,13-8,50 м/мин)).
1
2
3
1
2
3
2
1
2
3
2
1
3
1
3
1
3
3
3
3
В еще одних вариантах осуществления внешний гофрированный фильтрующий материал внешнего фильтрующего элемента может включать дополнительный слой, расположенный выше по потоку по меньшей мере одного слоя материала среды, описанного выше, и дополнительный слой материала среды, расположенный ниже по потоку нановолокнистого слоя материала среды, описанного выше, а именно первый слой материала среды, расположенный выше по потоку, внутренний второй слой материала среды, который описан выше, и третий слой материала среды, расположенный ниже по потоку. Первый слой, второй слой (т.е. средний слой или «нановолокнистый слой», который описан выше), и третий слой имеют средние размеры пор M, M, и M, соответственно, и предпочтительно M>M и M>M. Например, M может быть по меньшей мере примерно в 2,5, 5 или 10 раз больше, чем M, и/или M может быть по меньшей мере примерно в 2,5, 5 или 10 раз больше, чем M (например, M и/или M≥10 мкм; M и/или M≥20 мкм; или M и/или M≥30 мкм). Дополнительные слои материала среды, расположенные выше по потоку и ниже по потоку могут включать волокна, которые могут быть одинаковыми или разными, при этом волокна имеют средний диаметр 1-100 мкм (предпочтительно 10-100 мкм, более предпочтительно 20-100 мкм). Дополнительные слои материала среды, расположенные выше по потоку и материала среды, расположенные ниже по потоку имеют подходящие проницаемости, которые могут быть одинаковыми или разными. Подходящая проницаемость для материала среды, расположенная выше по потоку и материала среды, расположенная ниже по потоку может включать проницаемость в интервале примерно 20-500 куб.футов/мин (0,566-14,16 м/мин) (предпочтительно в интервале примерно 30-400 куб.футов/мин (0,850-11,33 м/мин), более предпочтительно в интервале примерно 40-300 куб.футов/мин (1,13-8,50 м/мин)).
M
M
M
M
M
3
3
3
Когда внешний гофрированный фильтрующий материал внешнего фильтрующего элемента является композитным материалом (например, содержащим несколько слоев), может быть определен средний размер пор, M, для композитного материала. Предпочтительно композитный материал имеет средний размер пор, M, в интервале 0,2 мкм ≤M≤ 12,0 мкм (более предпочтительно 0,2 мкм ≤M≤ 10,0 мкм, и еще более предпочтительно 0,2 мкм ≤M≤ 8,0 мкм). Кроме того, композитный материал имеет максимальный размер пор M, и обычно 1≤M/M≤5, предпочтительно 1≤M/M≤3, более предпочтительно 1≤M/M≤2 (например, максимальные размеры пор M могут включать 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30, 33 и 36 мкм). Предпочтительно, композитный материал имеет проницаемость менее чем примерно 40 куб.футов/мин (1,133 м/мин) (более предпочтительно менее чем примерно 30 куб.футов/мин (0,850 м/мин), еще более предпочтительно менее чем примерно 20 куб.футов/мин (0,566 м/мин)).
Внешний гофрированный фильтрующий материал внешнего фильтрующего элемента типично функционирует таким образом, чтобы коалесцировать капли воды, присутствующие в углеводородном топливе, когда топливо проходит через внешний гофрированный фильтрующий материал. Опционально, внешний гофрированный фильтрующий материал может содержать щели или отверстия (например, размером примерно 30-300 мкм), которые присутствуют во впадинах складок гофра и функционируют как места отвода для коалесцированных капель воды.
3
3
В еще одном варианте осуществления внешний фильтрующий элемент опционально включает внутренний негофрированный фильтрующий материал, расположенный ниже по потоку внешнего гофрированного фильтрующего материала, который предпочтительно функционирует в качестве слоя для стекания коалесцированных капель воды, когда коалесцированные капли выпускаются из внешнего гофрированного фильтрующего материала. В некоторых вариантах осуществления внутренний негофрированный фильтрующий материал имеет средний размер пор, M, в интервале 20 мкм ≤M≤ 100 мкм (предпочтительно 25 мкм ≤M≤ 50 мкм и более предпочтительно 30 мкм ≤M≤ 40 мкм). Внутренний негофрированный фильтрующий материал типично включает волокна, и предпочтительно волокна имеют средний диаметр между 10-100 мкм (более предпочтительно между 20-100 мкм). Внутренний негофрированный фильтрующий материал типично включает нетканый полимерный материал (например, полиэтилентерефталатный материал). Внутренний негофрированный фильтрующий материал имеет подходящую проницаемость. Подходящая проницаемость может включать проницаемость в интервале примерно 100-400 куб.футов/мин (2,83-11,33 м/мин) (предпочтительно в интервале примерно 150-250 куб.футов/мин (4,25-7,08 м/мин)). Внутренний негофрированный фильтрующий материал имеет желательную толщину, определяемую от выше по потоку к ниже по потоку по отношению к потоку через картридж (т.е. определяемую от внешней стороны к внутренней стороне). Подходящие толщины включают толщины между примерно 0,6 и 2 мм (предпочтительно между примерно 0,8 и 1,2 мм).
3
3
При обращении теперь к внутреннему фильтрующему элементу, этот элемент включает внешний негофрированный фильтрующий материал и внутренний гофрированный фильтрующий материал (например, при этом внешний негофрированный фильтрующий материал контактирует с внутренним гофрированным фильтрующим материалом непосредственно или опосредованно). Предпочтительно, внешний негофрированный фильтрующий материал внутреннего фильтрующего элемента является гидрофобным (например, в нем капли воды в углеводородном топливе имеют краевой угол на внешнем негофрированном фильтрующем материале внутреннего фильтрующего элемента, который составляет не менее чем 90° (предпочтительно не менее чем 120°, более предпочтительно не менее чем 135°). Предпочтительно, внешний негофрированный фильтрующий материал внутреннего фильтрующего элемента включает тканую термопластичную сетку или сито (например, сетку или сито с отверстиями менее чем 100 мкм и предпочтительно менее чем 50 мкм). Внешний негофрированный фильтрующий материал имеет подходящую проницаемость (например, в интервале примерно 300-700 куб.футов/мин (8,50-19,82 м/мин), и предпочтительно в интервале примерно 400-600 куб.футов/мин (11,32-16,99 м/мин)).
M
M
M
3
3
3
3
3
2
2
2
Внутренний фильтрующий элемент содержит внутренний гофрированный фильтрующий материал. Типично, внутренний гофрированный фильтрующий материал внутреннего фильтрующего элемента включает один или более слоев материала среды, и по меньшей мере один слой материала среды имеет средний размер пор, M, который меньше, чем любой средний размер пор любого слоя внешнего гофрированного фильтрующего материала внешнего фильтрующего элемента (например, в котором 0,2 мкм ≤M≤ 6,0 мкм, предпочтительно 0,2 мкм ≤M≤ 5,0 мкм, более предпочтительно 0,2 мкм ≤M≤ 4,0 мкм, например, 0,2, 0,6, 0,8, 1,0, 1,6, 2,2, 2,8, 3,4 или 4,0 мкм). Материал среды имеет максимальный размер пор M, и обычно 1≤M/M≤3, предпочтительно 1≤M/M≤2. Предпочтительно, материал среды по меньшей мере одного слоя включает волокна, имеющие средний диаметр менее чем примерно 1 мкм (например, 1, 0,8, 0,6, 0,4 или 0,2 мкм), и предпочтительно волокна являются нетканым полимерным материал материалом (например, полиамидным материалом). Материал среды обладает подходящей проницаемостью. Подходящая проницаемость может включать проницаемость менее чем примерно 40 куб.футов/мин (1,13 м/мин) (предпочтительно менее чем примерно 20 куб.футов/мин (0,566 м/мин), более предпочтительно менее чем примерно 15 куб.футов/мин (0,425 м/мин), еще более предпочтительно менее чем примерно 10 куб.футов/мин (0,283 м/мин), например, 9, 8, 7, 6, 5 или 4 куб.футов/мин (0,255, 0,227, 0,198, 0,170, 0,142 или 0,113 м/мин)). По меньшей мере один слой материала среды имеет желательную толщину, определяемую от выше по потоку к ниже по потоку по отношению к потоку через картридж (т.е. определяемую от внешней стороны к внутренней стороне). Подходящие толщины включают толщины между примерно 0,05 и 0,4 мм (предпочтительно между примерно 0,1 и 0,3 мм, например, 0,10, 0,12, 0,14, 0,16, 0,18, 0,20, 0,22, 0,24, 0,26, 0,28 и 0,30 мм). По меньшей мере один слой материала среды предпочтительно является нановолокнистым материалом, имеющим предпочтительную базовую массу (например, по меньшей мере примерно 10 г/м, 20 г/м или 30 г/м).
1
2
1
2
1
2
1
1
1
3
3
3
В дополнение к нановолокнистому слою материала среды внешнего гофрированного фильтрующего материала внешнего фильтрующего элемента, который описан выше, внешний гофрированный фильтрующий материал может включать дополнительные слои материала среды, имеющие такие же или другие характеристики по сравнению с нановолокнистым слоем материала среды, описанным выше. Например, внутренний гофрированный фильтрующий материал внутреннего фильтрующего элемента может включать один или более дополнительных слоев материала среды, расположенных выше по потоку или ниже по потоку слоя материала среды, описанного выше. В некоторых вариантах осуществления внутренний гофрированный фильтрующий материал внутреннего фильтрующего элемента включает дополнительный слой материала среды, который находится выше по потоку слоя материала среды, описанного выше, а именно первый слой материала среды, расположенный выше по потоку и второй слой материала среды, расположенный ниже по потоку, который описан выше. Первый слой и второй слой материала среды имеют средние размеры пор M и M, соответственно, и предпочтительно M>M. Например, M может быть по меньшей мере примерно в 2,5, 5 или 10 раз больше, чем M (например, M≥10 мкм, M≥20 мкм или M≥30 мкм). Дополнительный слой материала среды, расположенный выше по потоку может включать волокна, при этом волокна имеют средний диаметр 1-100 мкм, 3-100 мкм, 10-100 мкм, 20-100 мкм или 40-100 мкм. Дополнительный слой материала среды, расположенный выше по потоку имеет подходящую проницаемость. Подходящая проницаемость для материала среды, расположенная выше по потоку может включать проницаемость в интервале примерно 20-300 куб.футов/мин (0,566-8,50 м/мин) (предпочтительно в интервале примерно 40-300 куб.футов/мин (1,13-8,50 м/мин), более предпочтительно в интервале примерно 60-300 куб.футов/мин (1,70-8,50 м/мин)).
1
2
1
2
2
1
2
2
2
3
3
3
В других вариантах осуществления внутренний гофрированный фильтрующий материал внутреннего фильтрующего элемента включает дополнительный слой материала среды, который расположен ниже по потоку по меньшей мере одного слоя материала среды, описанного выше, а именно первый слой материала среды, расположенный выше по потоку, который описан выше, и второй слой материала среды, расположенный ниже по потоку. Первый слой и второй слой имеют средние размеры пор M и M, соответственно, и предпочтительно M<M. Например, M может быть по меньшей мере примерно в 2,5, 5 или 10 раз больше, чем M (например, M≥10 мкм, M≥20 мкм или M≥30 мкм). Дополнительный слой материала среды, расположенный ниже по потоку может включать волокна, при этом волокна имеют средний диаметр 10-100 мкм, 20-100 мкм или 40-100 мкм. Дополнительный слой материала среды, расположенный ниже по потоку имеет подходящую проницаемость. Подходящая проницаемость для материала среды, расположенная ниже по потоку может включать проницаемость в интервале примерно 20-300 куб.футов/мин (0,566-8,50 м/мин) (предпочтительно в интервале примерно 40-300 куб.футов/мин (1,13-8,50 м/мин), более предпочтительно в интервале примерно 60-300 куб.футов/мин (1,70-8,50 м/мин)).
1
2
3
1
2
3
2
1
2
3
2
1
3
1
3
1
3
3
3
3
В еще одних вариантах осуществления внутренний гофрированный фильтрующий материал внутреннего фильтрующего элемента может включать дополнительный слой, расположенный выше по потоку по меньшей мере одного слоя материала среды, описанного выше, и дополнительный слой материала среды, расположенный ниже по потоку по меньшей мере одного слоя материала среды, описанного выше, а именно первый слой материала среды, расположенный выше по потоку, внутренний второй слой материала среды, который описан выше, и третий слой материала среды, расположенный ниже по потоку. Первый слой, второй слой (т.е. средний слой или «по меньшей мере один слой», как описано выше) и третий слой имеют средние размеры пор M, M, и M, соответственно, и предпочтительно M>M и M>M. Например, M может быть по меньшей мере примерно в 2,5, 5 или 10 раз больше, чем M, и/или M может быть по меньшей мере примерно в 2,5, 5 или 10 раз больше, чем M (например, M и/или M≥10 мкм; M и/или M≥20 мкм; или M и/или M≥30 мкм). Дополнительные слои материала среды, расположенные выше по потоку и ниже по потоку могут включать волокна, которые могут быть одинаковыми или разными, при этом волокна имеют средний диаметр 1-100 мкм, 10-100 мкм, 20-100 мкм или 40-100 мкм. Дополнительные слои материала среды, расположенные выше по потоку и материала среды, расположенного ниже по потоку имеют подходящие проницаемости, которые могут быть одинаковыми или разными. Подходящая проницаемость для материала среды, расположенная выше по потоку и материала среды, расположенная ниже по потоку может включать проницаемость в интервале примерно 20-500 куб.футов/мин (0,566-14,16 м/мин) (предпочтительно в интервале примерно 30-400 куб.футов/мин (0,850-11,33 м/мин), более предпочтительно в интервале примерно 40-300 куб.футов/мин (1,13-8,50 м/мин)).
M
M
M
M
3
3
3
3
3
Когда внутренний гофрированный фильтрующий материал внутреннего фильтрующего элемента является композитным материалом (например, содержащим несколько слоев), может быть определен средний размер пор, M, для композитного материала. Предпочтительно композитный материал имеет средний размер пор, M, в интервале 0,2 мкм ≤M≤ 6,0 мкм (более предпочтительно 0,2 мкм ≤M≤ 5,0 мкм, еще более предпочтительно 0,2 мкм ≤M≤ 4,0 мкм). M для композитного материала внутреннего гофрированного материала внутреннего фильтрующего элемента типично меньше, чем M для композитного материала внешнего гофрированного материала внешнего фильтрующего элемента. Композитный материал внутреннего гофрированного фильтрующего материала может иметь максимальный размер пор M, и обычно 1≤M/M≤5, предпочтительно 1≤M/M≤3, более предпочтительно 1≤M/M≤2. Предпочтительно, композитный материал внутреннего гофрированного фильтрующего материала имеет проницаемость менее чем примерно 40 куб.футов/мин (1,13 м/мин) (предпочтительно менее чем примерно 20 куб.футов/мин (0,566 м/мин), более предпочтительно менее чем примерно 15 куб.футов/мин (0,425 м/мин), еще более предпочтительно менее чем примерно 10 куб.футов/мин (0,283 м/мин), например, 9, 8, 7, 6, 5 или 4 куб.футов/мин (0,255, 0,227, 0,198, 0,170, 0,142 или 0,113 м/мин)).
Внешний фильтрующий элемент и внутренний фильтрующий элемент раскрытых картриджей типично включают пары торцевых крышек, которые опционально используются элементами совместно. Типично, внешний гофрированный материал и опциональный внутренний негофрированный материал внешнего фильтрующего элемента присоединены к торцевым крышкам внешнего фильтрующего элемента на соответствующих концах внешнего гофрированного материала и опционального внутреннего негофрированного материала внешнего фильтрующего элемента. Типично, внешний негофрированный материал и внутренний гофрированный материал внутреннего фильтрующего элемента присоединены к торцевым крышкам внутреннего фильтрующего элемента на соответствующих концах внешнего негофрированного материала и внутреннего гофрированного материала внутреннего фильтрующего элемента. В некоторых вариантах осуществления внешний фильтрующий элемент и внутренний фильтрующий элемент могут использовать совместно верхнюю или нижнюю торцевую крышку (т.е. когда фильтрующий материал внешнего фильтрующего элемента и фильтрующий материал внутреннего фильтрующего элемента оба вставлены в одну и ту же торцевую крышку, которая может быть с верхней или с нижней стороны фильтрующего материала). Торцевые крышки внешнего фильтрующего элемента и/или внутреннего фильтрующего элемента могут быть присоединены к соответствующим концам фильтрующего материала любым подходящим способом, включая способы, которые предотвращают обход среды нефильтрованной текучей средой. Подходящие виды присоединения включают герметизацию посадкой в адгезив (например, полиуретан) или заделывание концов фильтрующей среды в термопластичные торцевые крышки. Предпочтительно, торцевые крышки внешнего фильтрующего элемента и/или внутреннего фильтрующего элемента содержат полимерный материал (например, полиуретановый материал). В некоторых вариантах осуществления торцевые крышки включают металлические торцевые крышки, которые содержат полиуретан или другой герметизирующий адгезив для фильтрующего материала.
В некоторых вариантах осуществления весь фильтрующий картридж изготовлен из полимерного материала, такого как термопластичный материал. Соответственно, весь картридж может быть использован повторно или сожжен, слои материала среды могут быть взаимно соединены более простым образом, когда оба последовательных слоя являются термопластичными, химическая стойкость и совместимость для термопластичного материала обычно лучше, чем для других вариантов, таких как целлюлозный материал, и кроме того, свойства среды, такие как средний размер пор и распределение по размерам, могут регулироваться более простым образом.
Внешний фильтрующий элемент и внутренний фильтрующий элемент могут быть собраны, чтобы образовать фильтрующий картридж, рассмотренный в данном документе. Раскрытые картриджи могут быть помещены в защитную структуру, такую как корпуса, известные в данной области техники. Подходящие корпуса типично включают одно или несколько впускных отверстий для приема текучей среды для фильтрации и одно или несколько выпускных отверстий или сливов для выпуска профильтрованной текучей среды (например, углеводородной жидкости) и/или коалесцированных капель дисперсной фазы (например, воды).
Раскрытые фильтрующие картриджи могут быть использованы в устройствах и методах для отделения дисперсной фазы от непрерывной фазы. В некоторых вариантах осуществления раскрытые фильтрующие картриджи могут быть использованы в устройствах и методах для разделения смесей топливо-вода, включая устройства и способы для удаления воды, диспергированной в углеводородном топливе. Устройства и методы, кроме того, могут включать или использовать гидрофобную среду или дополнительный узел, расположенный ниже по потоку раскрытых картриджей для удаления дополнительной воды из профильтрованного топлива. Дополнительные узлы могут включать, однако, не ограничиваясь ими, гравитационный сепаратор, центрифугу, инерционный сепаратор, пластинчатый сепаратор, сепаратор с наклонными пластинами, сито, водопоглотитель (например, с ультраабсорбирующим полимером или гидрогелем) и безвихревую камеру. Предпочтительно, раскрытые картриджи могут быть использованы в устройствах и методах, которые эффективны для удаления по меньшей мере примерно 93%, 95%, 97% или 99% воды, диспергированной в углеводородном топливе.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 иллюстрирует один из вариантов осуществления фильтрующего картриджа, рассмотренного в данном документе.
Фиг.2 представляет собой перспективное изображение с пространственным разделением деталей варианта осуществления по фиг.1.
Фиг.3 иллюстрирует вид поперечного сечения варианта осуществления по фиг.1 вдоль 3-3.
Фиг.4 представляет собой перспективное изображение с пространственным разделением деталей одного из вариантов осуществления внешнего элемента, рассмотренного в данном документе.
Фиг.5 представляет собой перспективное изображение с пространственным разделением деталей одного из вариантов осуществления внутреннего элемента, рассмотренного в данном документе.
Фиг.6 представляет собой перспективное изображение с пространственным разделением деталей одного из вариантов осуществления водоотделителя для топлива, рассмотренного в данном документе, имеющего внешний элемент и внутренний элемент.
Фиг.7 представляет собой перспективное изображение с пространственным разделением деталей одного из вариантов осуществления внешнего элемента водоотделителя для топлива, рассмотренного в данном документе.
Фиг.8 представляет собой перспективное изображение с пространственным разделением деталей одного из вариантов осуществления внутреннего элемента водоотделителя для топлива, рассмотренного в данном документе.
Фиг.9 иллюстрирует вид поперечного сечения вариантов осуществления внешнего элемента водоотделителя для топлива, рассмотренного в данном документе, показывающий слои среды и конфигурацию. A. Вариант осуществления без поддерживающей центральной трубы или сита. B. Вариант осуществления с поддерживающей центральной трубой или ситом (7) внутри цилиндра из негофрированной среды (6). C. Вариант осуществления с поддерживающей центральной трубой или ситом (7) между цилиндрами из гофрированной среды (1-5) и негофрированной среды (6).
Фиг.10 иллюстрирует вид поперечного сечения вариантов осуществления внутреннего элемента водоотделителя для топлива, рассмотренного в данном документе, показывающий слои среды и конфигурацию.
Подробное описание
Раскрыты модульные элементы фильтра в фильтре, а именно внешний фильтрующий элемент и внутренний фильтрующий элемент, которые могут быть собраны, чтобы образовать фильтрующий картридж для применения в методах и системах разделения. Модульные элементы фильтра в фильтре и фильтрующие картриджи, собранные из них, могут быть также описаны следующим образом.
Внешний фильтрующий элемент и внутренний фильтрующий элемент включают или используют среду, которая содержит один или более слоев материала среды для фильтрации смеси непрерывной фазы и дисперсной фазы и коалесцирования дисперсной фазы. Такая среда может называться в данном документе как «материал коалесцирующей среды». Как рассмотрено в данном документе, один или более слоев могут иметь желательный размер пор, пористость и диаметр волокон. Один или более слоев могут быть гомогенными (т.е. содержащими один тип материала) или гетерогенными (т.е. содержащими смешанные материалы). Термины «размер пор», «пористость» и «диаметр волокон» могут относиться к «усредненным» или «средним» величинам для этих терминов (например, когда слой является гетерогенным или градиентным, и «размер пор», «пористость» и «диаметр волокон» сообщаются как средний размер пор, средняя пористость или средний диаметр волокон для гетерогенного слоя).
Раскрытые картриджи могут быть использованы в методах или системах разделения для удаления дисперсной фазы из непрерывной фазы. В некоторых вариантах осуществления, раскрытые картриджи используются для отделения водной жидкости (например, воды) от смеси водной жидкости, диспергированной в углеводородной жидкости. Как рассмотрено в данном документе, углеводородная жидкость в основном включает углеводородный материал, однако также может включать неуглеводородный материал (например, вплоть до примерно 1%, 5%, 10% или 20% неуглеводородного материала). Углеводородная жидкость может включать углеводородное топливо.
Внешний фильтрующий элемент и внутренний фильтрующий элемент могут включать среду, которая является тканой или нетканой. Кроме того, внешний фильтрующий элемент и внутренний фильтрующий элемент могут включать среду, которая является полимерной или неполимерной. Подходящие полимерные материалы могут включать, однако, не ограничиваясь ими, полиамидный материал, полиалкилентерефталатный материал (например, полиэтилентерефталатный материал или полибутилентерефталатный материал), полиэфирный материал, галоидоуглеводородный материал (например, этилен-хлортрифторэтилен (ECTFE) под торговой маркой Halar), и полиуретановый материал. Полимерные материалы могут включать термопластичные материалы.
Внешний фильтрующий элемент и внутренний фильтрующий элемент могут включать или использовать многослойную среду. Такая среда может быть сформирована посредством выдувания из расплава двух разных слоев среды, один поверх другого, посредством процесса мокрой выкладки, электропрядением, электровыдуванием, формованием волокон из расплава, ультразвуковой сваркой, химическим связыванием, физическим связыванием, совместным гофрированием или другими средствами или их комбинациями.
Внешний фильтрующий элемент, внутренний фильтрующий элемент и собранные из них фильтрующие картриджи могут быть использованы в устройствах и методах для фильтрации и коалесцирования, известных в данной области техники. (См., например, патенты США №№ 7527739; 7416657; 7326266; 7297279; 7235177; 7198718; 6907997; 6884349; 6811693; 6740358; 6730236; 6605224; 6517615; 6422396; 6419721; 6332987; 6302932; 6149408; 6083380; 6056128; 5874008; 5861087; 5800597; 5762810; 5750024; 5656173; 5643431; 5616244; 5575896; 5565078; 5500132; 5480547; 5480547; 5468385; 5454945; 5454937; 5439588; 5417848; 5401404; 5242604; 5174907; 5156745; 5112498; 5080802; 5068035; 5037454; 5006260; 4888117; 4790947; 4759782; 4643834; 4640781; 4304671; 4251369; 4213863; 4199447; 4083778; 4078965; 4052316; 4039441; 3960719; 3951814; и опубликованные заявки на патент США №№ 2009-0020465; 2009-0134097; 2007-0289915; 2007-0107399; 2007-0062887; 2007-0062886; и 2007-0039865; содержание которых включено в данный документ посредством ссылки во всей его полноте.) Коалесцирующая среда, раскрытая в данном документе, может быть изготовлена с применением методов, известных в данной области техники, и может включать дополнительные особенности, раскрытые в данной области техники. (См., например, ссылки на патенты и опубликованные заявки выше и патенты США №№ 6767459; 5443724; и 4081373; и опубликованные заявки на патенты США №№ 2007-0131235; 2007-0062887; и 2006-0242933; содержание которых включено в данный документ посредством ссылки во всей его полноте.)
Раскрытые собранные фильтрующие картриджи могут быть использованы для удаления дисперсной фазы (например, воды) из непрерывной фазы (например, углеводородного топлива). Например, собранные фильтрующие картриджи могут быть использованы для удаления дисперсной фазы из непрерывной фазы, при этом по меньшей мере примерно 93, 95, 97 или 99% дисперсной фазы удаляется из непрерывной фазы после того как фазы прошли через картриджи.
Коалесцирующая среда, описанная в данном документе, может содержать материал, обладающий ярко выраженной гидрофильностью или гидрофобностью или ярко выраженной олеофильностью или олеофобностью. В некоторых вариантах осуществления коалесцирующая среда содержит слой материала, содержащего относительно гидрофобный материал по сравнению с дисперсной фазой смеси. В некоторых вариантах осуществления внешний фильтрующий элемент и внутренний фильтрующий элемент содержат один или более слоев материалов среды, которые являются гидрофобными. Гидрофобность материала среды может быть определена с помощью измерения краевого угла (θ) дисперсной фазы (например, воды) в непрерывной фазе (например, углеводородном топливе) на материале среды.
При обращении теперь к фиг. 1-5, показан один из вариантов осуществления внешнего фильтрующего элемента 4, внутреннего фильтрующего элемента 6 и собранного из них фильтрующего картриджа 2. Внешний элемент 4 включает гофрированную фильтрующую среду 4a в форме цилиндра, находящуюся в непосредственном или косвенном соприкосновении с негофрированным цилиндром из среды 4b на внутренних вершинах складок гофрированного цилиндра. Гофрированный и негофрированный цилиндры связаны, герметизированы посадкой в адгезив, заделаны или иным образом закреплены своими концами на торцевых крышках (4c, верхней торцевой крышке, и 4e, нижней торцевой крышке), расположенных на противоположных концах цилиндров. Верхняя торцевая крышка 4c опционально включает уплотнительную прокладку 4d. Негофрированный цилиндр 4b может находиться непосредственно или опосредованно в соприкосновении с внутренними вершинами складок гофрированного цилиндра 4a. Обычно, расстояние между внутренними вершинами гофрированной секции и негофрированным цилиндром является таким, что отсутствует значительный зазор или разделение между вершинами и цилиндром. Внутренний элемент 6 включает внешнюю негофрированную фильтрующую среду 6a в форме цилиндра в непосредственном или косвенном соприкосновении с внутренним гофрированным цилиндром среды 6b. В связи с этим, структура внутреннего элемента (т.е. внешняя негофрированная фильтрующая среда и внутренняя гофрированная фильтрующая среда) находится в соприкосновении со структурой внешнего фильтрующего элемента (т.е. внешней гофрированной фильтрующей средой и внутренней негофрированной фильтрующей средой). Негофрированный и гофрированный цилиндры внутреннего элемента связаны, герметизированы посадкой в адгезив, заделаны или иным образом закреплены своими концами на торцевых крышках (6c, верхней торцевой крышке, и 6d, нижней торцевой крышке), расположенных на противоположных концах цилиндров.
При обращении теперь к фиг.6-8, показан один из вариантов осуществления водоотделителя для топлива (FWS) с термопластичным фильтром в фильтре и фильтра для отделения твердых частиц, как рассмотрено в данном документе. Фиг.9 показывает виды поперечного сечения вариантов осуществления внешнего элемента раскрытых здесь водоотделителя для топлива (FWS) с фильтром в фильтре и фильтра для отделения твердых частиц. Фиг.9A показывает вариант осуществления без центральной трубы, сита или другого опорного элемента для среды внешнего элемента. Фиг.9B показывает вариант осуществления с центральной трубой, ситом или другим опорным элементом для среды, расположенным ниже по потоку и смежным с цилиндром из негофрированной среды. Фиг.9C показывает вариант осуществления с центральной трубой, ситом или другим опорным элементом для среды, расположенным между цилиндром из гофрированной среды выше по потоку и цилиндром из негофрированной среды, расположенным ниже по потоку смежным с ними образом и контактирующим с ними. На фиг.9 цифры 1-5 обозначают, в порядке от выше по потоку к ниже по потоку, разные слои среды цилиндра из гофрированной среды. Цифра 6 обозначает негофрированную среду, и 7 обозначает элемент, например, центральную трубу, сито, пружину, и т.п., который поддерживает среду внешнего элемента. Как показано, гофрированный цилиндр содержит три слоя термопластичной, волокнистой фильтрующей среды (слои 1-3), один слой термопластичной нановолокнистой среды (слой 4) и конечный слой термопластичной, волокнистой среды (слой 5). Негофрированный цилиндр содержит слой термопластичной волокнистой среды (слой 6), сформированный в виде трубы и размещенный внутри цилиндра из гофрированной среды с его стороной, расположенной выше по потоку, находящейся в непосредственном соприкосновении с цилиндром из гофрированной среды или в косвенном соприкосновении с цилиндром из гофрированной среды через промежуточный опорный элемент (7), как показано. Опциональный опорный элемент (7) может функционировать, чтобы предотвращать негофрированный цилиндр от сплющивания под воздействием потока и перепада давления, когда картридж используется в системе для разделения смеси топливо-вода. Однако предпочтительно гофрированный и негофрированный цилиндры совместно обеспечивают достаточную прочность и жесткость, предоставляемые опциональным опорным элементом. На фиг.9C, опорный элемент обеспечивает поддержку гофрированного цилиндра, внутренние вершины складок которого находятся в непосредственном соприкосновении с опорным элементом, наряду с тем, что негофрированный цилиндр расположен внутри, ниже по потоку опорного элемента и в непосредственном соприкосновении с ним. В некоторых вариантах осуществления негофрированный цилиндр может быть термически приварен к термопластичной центральной трубе или сформован совместно с ней литьевым формованием, чтобы присоединить его к опорному элементу. Типично, длины в осевом направлении всех 7 слоев являются одинаковыми. Оба конца каждого из цилиндров вставлены в торцевые крышки или герметизированы посадкой в адгезив, например, полиуретан, чтобы присоединить концы цилиндров к торцевым крышкам и предотвратить обход среды нефильтрованной жидкостью при применении в системе для разделения смеси топливо-вода (фиг. 1-8).
Внешний элемент на фиг. 9B и 9C включает 6 слоев материала среды и опорный элемент. Однако внешний элемент может включать меньшее число или дополнительные слои, в зависимости от требований системы, в которой используется фильтрующий картридж. Лишь для иллюстративных целей, три коагулятора, на которые делается ссылка как на X, Y и Z, характеризуются в таблице 1, включающей типичные свойства каждого слоя среды этих коагуляторов.
Таблица 1
Типичные слои среды и свойства для внешней ступени
Коагулятор X - Коагулятор с изменением скорости
Слой
Материал
Номинальный средний диаметр волокон (мкм)
Средний размер пор (мкм)
Максимальный размер пор (мкм)
Проницаемость (куб.футов/мин)
Толщина (мм)
Базовая масса (г/м<sup>2</sup>)
1
Полибутилентерефталатный нетканый
>10
>50
>100
>250
>0,3
>40±5
2
Полибутилентерефталатный нетканый
1,0-4,0
5,0-15,0
10,0-20,0
35-55
0,7-0,15
27±5
3
Полибутилентерефталатный нетканый
1,0-5,0
15,0-30 0
25,0-40,0
75-100
0,15-0,3
33±5
4
Полиамидный нетканый
0,1-1,0
<8,0
5,0-15,0
5,0-20,0
0,1-0,25
>20
5
Полиэтилентерефталатный нетканый
>40
20,0-40,0
40-60
50-75
0,4-0,7
198±20
6
Полиэтилентерефталатный нетканый
>20
25-45
40-60
150-200
0,8-1,2
100±20
Коагулятор Y - Однослойный поверхностный коагулятор
Слой
Материал
Номинальный средний диаметр волокон (мкм)
Средний размер пор (мкм)
Максимальный размер пор (мкм)
Проницаемость (куб.футов/мин)
Толщина (мм)
Базовая масса (г/м<sup>2</sup>)
4
Полиамидный нетканый
0,1-1,0
<8,0
5,0-15,0
5,0-20,0
0,1-0,25
>20
5
Полиэтилентерефталатный нетканый (опциональный)
>40
20,0-40,0
40-60
50-75
0,4-0,7
198±20
6
Полиэтилентерефталатный нетканый
>20
25-45
40-60
150-200
0,8-1,2
100±20
Коагулятор Z - Поверхностный коагулятор
Слой
Материал
Номинальный средний диаметр волокон (мкм)
Средний размер пор (мкм)
Максимальный размер пор (мкм)
Проницаемость (куб.футов/мин)
Толщина (мм)
Базовая масса (г/м<sup>2</sup>)
3
Полибутилентерефталатный нетканый
1,0-5,0
15,0-30,0
25-40
75-100
0,15-0,3
33±5
4
Полиамидный нетканый
0,1-1,0
<8,0
5,0-15,0
5,0-20,0
0,1-0,25
>20
5
Полиэтилентерефталатный нетканый (опциональный)
>40
20-40
40-60
50-75
0,4-0,7
198±20
6
Полиэтилентерефталатный нетканый
>20
25-45
40-60
150-200
0,8-1,2
100±20
Комбинации сред этих трех коагуляторов отражают выбор конструкционных решений на основе того исследования, что в системах с низким поверхностным натяжением на границе раздела, таких как дизельное топливо с ультранизким содержанием серы (ULSD) и биодизельное топливо, имеет место относительно небольшая термодинамическая движущая сила для коалесценции, и кинетика коалесценции склонна быть медленной. Эти коагуляторы спроектированы для физического замедления прохождения капель дисперсной фазы в непрерывной фазе (например, диспергированных капель воды в углеводородном топливе) через среду и увеличения концентрации капель в определенных местах внутри коагулятора для того, чтобы способствовать коалесценции и росту размера капель.
В коагуляторе X используются по меньшей мере 6 слоев среды с опциональным опорным элементом. Коагулятор X может быть назван «коагулятором с изменением скорости» (см. публикацию PCT WO №2010/042706, которая включена посредством ссылки в данный документ во всей ее полноте), имеющим конфигурацию «фильтр в фильтре» (см. публикации USPTO US №№2009/0065419; 2009/0250402; и 2010/0101993, которые включены посредством ссылки в данный документ во всей их полноте). Слой 1 функционирует в качестве предварительного фильтра и для снижения перепада давления на внешнем элементе. Слой 1 является более «открытым» (т.е. имеющим более высокую пористость, больший размер пор, больший средний диаметр волокон, более высокую проницаемость по Фрейзеру и/или более низкую эффективность удаления загрязняющего вещества), чем слой 2. Слой 2 функционирует, чтобы улавливать тонкие эмульгированные капли, например, капли воды в дизельном топливе с ультранизким содержанием серы. Слой 2 является более «плотным» (т.е. имеющим более низкую пористость, меньший размер пор, меньший средний диаметр волокон, более низкую проницаемость по Фрейзеру и/или более высокую эффективность удаления загрязняющего вещества), чем слой 3. Слой 3 функционирует, чтобы уменьшать скорость потока внутри среды и предоставлять пространство для того, чтобы капли, уловленные в слое 2, стекали, аккумулировались и коалесцировали. Физические свойства слоя 3 являются такими, что скорость потока в этом слое меньше скорости потока в слое 4. Слой 3 является более «открытым» (т.е. имеющим более высокую пористость, больший размер пор, больший средний диаметр волокон, более высокую проницаемость по Фрейзеру и/или более низкую эффективность удаления загрязняющего вещества), чем слой 4. Слой 4 функционирует, чтобы улавливать капли, которые не были уловлены предшествующими слоями, особенно более тонкие капли, и чтобы служить в качестве полупроницаемого барьера для прохождения уловленных капель. Функционирование слоя 4 в качестве полупроницаемого барьера принуждает капли к концентрированию и к аккумулированию в слое 3, предоставляя каплям больше времени и увеличенную возможность для протекания коалесценции. Функционирование слоя 4 в качестве полупроницаемого барьера также является причиной локально увеличенной скорости потока и временного увеличения площади поверхности капель, что дополнительно улучшает коалесценцию. Физические свойства слоя 4 являются такими, что скорость потока в этом слое выше скорости потока в слое 5. Слой 4 является более «плотным» (т.е. имеющим более низкую пористость, меньший размер пор, меньший средний диаметр волокон, более низкую проницаемость по Фрейзеру и/или более высокую эффективность удаления загрязняющего вещества), чем слой 5. Слой 4 типично является термопластичной нановолокнистой фильтрующей средой с диаметром волокон менее чем 1 мкм (например, для того, чтобы достигнуть требуемой очень высокой эффективности удаления воды и аккомодировать малый размер капель для современных топливных систем с общей магистралью высокого давления для дизельного топлива с ультранизким содержанием серы (ULSD) или биодизельного топлива). Слой 5 функционирует, чтобы создавать окружение с уменьшенной скоростью, в котором коалесцированные капли, сформированные в предшествующих слоях, могут собираться и отводиться перед высвобождением. Слой 5 является более «открытым» (т.е. имеющим более высокую пористость, больший размер пор, больший средний диаметр волокон, более высокую проницаемость по Фрейзеру и/или более низкую эффективность удаления загрязняющего вещества), чем слой 4. Слой 6 функционирует, чтобы предоставлять места отвода для коалесцированных капель в низкоэнергетическом окружении. Слой 6 является более «открытым» (с более высокой пористостью, с большей величиной размера пор, с большей величиной среднего диаметра волокон, более высокой проницаемостью по Фрейзеру и/или более низкой эффективностью удаления загрязняющего вещества), чем слой 5.
M
В коагуляторе Y два или три слоя среды используются с опциональным опорным элементом или без него. Коагулятор Y может быть назван «однослойным поверхностным коагулятором» (см. заявку USPTO с порядковым №№ 61/178738, зарегистрированную 15 мая 2009 г., и заявку USPTO с порядковым № 12/780392, зарегистрированную 14 мая 2010 г. и опубликованную как публикация USPTO № 2010/_____, которые включены посредством ссылки в данный документ во всей их полноте), имеющим конфигурацию «фильтр в фильтре» (см. публикации USPTO №№ US 2009/0065419; US 2009/0250402; и US 2010/0101993, которые включены посредством ссылки в данный документ во всей их полноте). В коагуляторе Y слой 4 функционирует, чтобы предоставлять полупроницаемый барьер для прохождения тонких эмульгированных капель, принуждая их концентрироваться на его поверхности, расположенной выше по потоку. Вследствие этого, капли имеют достаточное время и подходящее окружение для протекания коалесценции и роста капель. Слой 4 является сравнительно «плотным» слоем с характеристиками, сравнимыми со слоем 4 в коагуляторе X или даже плотнее. Этот слой использует «отсеивание», чтобы предотвратить прохождение тонких капель, и типично содержит термопластичную нановолокнистую фильтрующую среду со средним размером пор, M, меньше, чем средний размер поступающих капель, и соотношением максимального и среднего размера пор менее чем 3 (т.е. M/M≤3). В некоторых вариантах осуществления стекание воды имеет место на стороне внешнего элемента выше по потоку, посредством чего которого отводятся капли, коалесцированные на поверхности слоя 4 выше по потоку, наряду с тем, что в других вариантах осуществления стекание воды может иметь место на стороне внешнего элемента, расположенного ниже по потоку, чтобы собирать коалесцированную воду, которая была принуждена к прохождению через среду в местах отвода посредством перепада давления на коалесцирующем элементе. Коагулятор Y имеет опциональный слой 5, чтобы предоставлять опору для слоя 4, если это требуется, и чтобы служить в качестве пути для стекания любых коалесцированных капель, продавленных через слой 4. Слой 5 соединяет слой 4 со слоем 6 для отвода. Слой 5 также функционирует, чтобы создавать низкоэнергетическое окружение с уменьшенной скоростью, в котором коалесцированные капли, сформированные в предшествующих слоях, могут собираться и стекать через него перед высвобождением. Слой 5 является более «открытым», чем слой 4, и является структурно более прочным, для того, чтобы предоставить опору слою 4 и содействовать функционированию среды. Коагулятор Y имеет дополнительный негофрированный слой 6, расположенный ниже по потоку ранее описанных слоя 4 и слоя 5. Слой 6 функционирует, чтобы предоставлять места отвода для коалесцированных капель в низкоэнергетическом окружении. В связи с этим, слой 6 является более «открытым», чем слой 5.
В коагуляторе Z используются три или более слоев среды с опциональным опорным элементом (см. заявку USPTO с порядковым № 61/179170, зарегистрированную 18 мая 2009 г.; заявку USPTO с порядковым № 61/179939, зарегистрированную 20 мая 2009 г.; и заявку USPTO с порядковым № 12/780392, зарегистрированную 14 мая 2010 г. и опубликованную как публикация USPTO № 2010/_____, которые включены в данный документ посредством ссылки во всей их полноте). Коагулятор Z является более комплексным поверхностным коагулятором, чем коагулятор Y, и имеет конфигурацию «фильтр в фильтре» (см. публикации USPTO №№ US 2009/0065419; US 2009/0250402; и US 2010/0101993, которые включены посредством ссылки в данный документ во всей их полноте). Слой 3 функционирует, чтобы уменьшать перепад давления на коагуляторе и, во вторую очередь, чтобы служить в качестве предварительного фильтра для отделения твердых частиц для коагулятора и чтобы увеличить срок его службы. Слой 3 является более «открытым», чем слой 4, и имеет более высокое капиллярное давление (т.е. большее избыточное капиллярное давление), чем слой 4. Назначение и свойства слоев 4, 5 (опционального) и слоя 6 являются такими же, как описано для коагулятора Y.
Во всех трех коагуляторах X, Y и Z важной является природа перехода от слоя 5 к слою 6. Слои 1-5 типично гофрированы. В связи с этим, профиль протекания потока в складках и протягивание уловленных капель побуждает их накапливаться во впадинах (в направлении нижнего течения) складок гофра. Это приводит к концентрированию капель в этой локализованной области, увеличивая коалесценцию посредством предоставления увеличенного времени для коалесценции капель, прежде чем они высвобождаются. Авторами данного изобретения наблюдалось, что коалесцированные капли проявляют тенденцию к высвобождению из одних и тех же активных областей или зон на поверхности коагуляторов, расположенных ниже по потоку, в то время как высвобождение небольших капель происходит где-нибудь в другом месте. Это указывает на то, что как только путь для выпуска через среду создан, он используется повторно. В раскрытых здесь фильтрующих картриджах предпочтительные пути для выпуска, заканчивающиеся в более крупных порах, образованы посредством непосредственного соприкосновения внутренних вершин складок слоя 4 (для коагуляторов Y и Z) или слоя 5 (для коагулятора X, а также Y и Z, если этот слой включен) с поверхностью негофрированного слоя 6 выше по потоку. В месте соприкосновения между гофрированным и негофрированным слоями возникает локализованное разрушение пористой структуры среды, которое создает эти предпочтительные пути для выпуска. Это приводит к тому, что высвобождаются капли большего размера. Кроме того, эти пути для выпуска возникают на дне впадин складок гофра, где коалесцированные капли концентрируются, и данный эффект является наибольшим. Непосредственное соприкосновение слоев 4 или 5 и слоя 6 не требуется, чтобы достигнуть этого результата. Например, внутренние вершины складок крайнего, расположенного выше по потоку слоя гофрированной секции может непосредственно контактировать с пористым опорным элементом 7, который находится, в свою очередь, в непосредственном контакте со слоем 6 на своей стороне, расположенной ниже по потоку, как показано на фиг.9C.
В дополнительном варианте осуществления (не проиллюстрирован) гофрированная среда коагулятора может быть такой, как описано в случае коагуляторов X, Y или Z, за исключением того, что слой 6, негофрированный слой для отделения, может быть не включен. Эта конфигурация использует такой же профиль протекания потока внутри складок гофра и такие же эффекты для отвода уловленных капель, что и в коагуляторах X, Y или Z, чтобы обусловить концентрирование мелких капель и коалесцированных капель во впадинах складок гофра для улучшения коалесценции. Вместо отвода коалесцированных капель к слою для отделения, слою 6, однако, капли высвобождаются из небольших щелей или отверстий на внутренних вершинах складок. Эти щели или отверстия могут быть сформированы прошивкой иглой или другими средствами и могут иметь размер порядка 30-300 мкм. Эти щели или отверстия на внутренних вершинах складок служат в качестве мест отвода для коалесцированных капель.
Внутренний элемент раскрытого здесь фильтрующего картриджа функционирует, чтобы отделять коалесцированные капли воды от топлива и чтобы удалять тонкие твердотельные частицы загрязняющих веществ из потока текучей среды. Внутренний элемент содержит внешний негофрированный цилиндр, находящийся в непосредственном соприкосновении с внутренним гофрированным цилиндром. Типично, длины в осевом направлении как негофрированного, так и гофрированного цилиндра являются одинаковыми. Оба конца каждого из цилиндров вставлены в торцевые крышки или герметизированы посадкой в адгезив, например, полиуретан, чтобы присоединить концы цилиндров к торцевым крышкам и предотвратить обход среды нефильтрованной жидкостью при применении в системе для разделения смеси топливо-вода (фиг.1-8).
Внутренний элемент типично включает по меньшей мере 4 слоя материалов среды (фиг.10). Назначением первого слоя, слоя A, является отделение коалесцированных капель (воды) от непрерывной фазы (топлива). Этот слой предпочтительно содержит тканую термопластичную сетку в форме трубы, которая отталкивает капли и предоставляет им возможность свободно стекать с поверхности. Слой A находится с внешней стороны внутреннего гофрированного цилиндра и в непосредственном соприкосновении с ним. Отверстия сетки этого слоя типично имеют размер менее чем 100 мкм и предпочтительно менее чем 50 мкм. Функцией гофрированных слоев является улавливание твердотельных частиц загрязняющих веществ, и капли не удаляются слоями выше по потоку внешнего фильтрующего элемента. Первые два из этих гофрированных слоев, слои B и C на фиг.10 и в таблице 2, являются промежуточными слоями, которые функционируют, чтобы уменьшать перепад давления, обеспечивать дополнительное удаление капель разного размера и уменьшать накапливание твердотельных частиц на последующем нановолокнистом фильтрующем слое, слое D. Слой B также способствует изготовлению и функционированию композитного материала.
Таблица 2
Типичные слои среды и свойства внутренней ступени
Слой
Материал
Номинальный средний диаметр волокон (мкм)
Средний размер пор (мкм)
Максимальный размер пор (мкм)
Проницаемость (куб.футов/мин)
Толщина (мм)
Базовая масса (г/м<sup>2</sup>)
А
Полиэтилентерефталатная тканая сетка
*
30-50
30-50
400-600
0,03-0,1
37±10
B
Полибутилентерефталатный нетканый
>10
>50
>100
225-325
0,3-0,5
48±10
C
Полибутилентерефталатный нетканый
1,0-5,0
5,0-15,0
10,0-25,0
35-55
0,1-0,3
38±10
D
Полиамидный нетканый
0,1-0,8
1,0-8,0
1,0-10,0
3,0-20,0
0,1-0,3
>20
E
Полиэтилентерефталатный нетканый
>40
20-35
40-65
50-75
0,45-0,65
198±20
Эти слои обладают свойствами, сходными со свойствами слоев 1 и 2 во внешнем элементе. Следующий гофрированный слой, слой D на фиг.10 и в таблице 2, функционирует в качестве высокоэффективного фильтра для тонких частиц (например, частиц, имеющих диаметр 4 мкм или менее). Для видов применения с общей магистралью высокого давления обычно требуются высокие величины эффективности удаления таких малых частиц, как примерно 4 мкм, чтобы защитить топливные форсунки. Слои, расположенные выше по потоку слоя D функционируют главным образом, чтобы удалять и отделять капли. Слой D функционирует, чтобы защищать систему, расположенную ниже по потоку от загрязнения твердотельными частицами. Слой D также функционирует, чтобы удалять капли, которые могли пройти через предшествующие слои. Предпочтительно, слой D является «более плотным», чем любые другие слои внешнего элемента или внутреннего элемента, и включает термопластичную нановолокнистую фильтрующую среду с диаметром волокон менее чем 1 мкм. Как минимум, слой D внутреннего элемента является таким «плотным» как слой 4 внешнего элемента. Конечный слой, слой E, функционирует, чтобы обеспечивать поддержку для предшествующих слоев без существенного увеличения перепада давления. Слой E является относительно «открытой» средой, обладающей достаточной прочностью и жесткостью, чтобы поддерживать слои, расположенные выше по потоку при условиях применения и чтобы содействовать функционированию среды внутреннего элемента.
В представленном выше описании определенные термины были использованы для краткости, ясности и понимания. В их отношении не должны предполагаться излишние ограничения, находящиеся за пределами ограничений известного уровня техники, поскольку такие термины используются для описательных целей и предназначены быть истолкованными в широком смысле. Различные конфигурации, системы и стадии способов, описанных в данном документе, могут быть использованы в отдельности или в комбинации с другими конфигурациями, системами и стадиями способов. Следует ожидать, что возможны различные эквиваленты, варианты и модификации. Вышеуказанные патенты и опубликованные заявки включены в данный документ посредством ссылки во всей их полноте.