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CN107847815A - 用于同时去除悬浮在另一种液体中的固体颗粒和液滴两者的分离系统 - Google Patents

用于同时去除悬浮在另一种液体中的固体颗粒和液滴两者的分离系统 Download PDF

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CN107847815A
CN107847815A CN201580081543.3A CN201580081543A CN107847815A CN 107847815 A CN107847815 A CN 107847815A CN 201580081543 A CN201580081543 A CN 201580081543A CN 107847815 A CN107847815 A CN 107847815A
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Abstract

本发明涉及用于从介质同时去除固相颗粒和扩散相小滴的分离系统，该介质为有待通过过滤而净化的连续相，其中所述分离系统包括：纤维结构形式的过滤‑合并元件(1)；分离元件(2)，其是用于所述扩散相的小滴的阻隔层；以及排放间隙(3)，设置在所述元件(1)和(2)之间，并且使所述元件(1)和(2)彼此分离。所述过滤‑合并元件(1)是深度无纺结构形式的无纺纤维结构，该深度无纺结构由包装成盒的形式的纤维组成，且其包括：过滤层(1a)，其为包括纳米大小的聚合物纤维的初始深度过滤层，其中组成层(la)的所述纤维具有全面厌恶性表面属性且横跨其宽度具有多孔性梯度，合并层(1b)以及相邻地在其之后的滴下层(1c)，两者都由聚合物纤维组成且一起形成包装成纤维的深度梯度结构形式的合并结构(1b，c)，且其中跨过整个合并结构(1b，c)的多孔性梯度相对于所述过滤层(1a)中的所述多孔性梯度以相反方向改变。

Description

用于同时去除悬浮在另一种液体中的固体颗粒和液滴两者的 分离系统
技术领域
本发明涉及分离系统，其用于同时去除固相颗粒和液体滴形式的扩散相(它们两者都悬浮在连续相中，该连续相为另一液体)，且特别地用于去除扩散在燃料中—尤其是在柴油燃料中的固体污染物和水颗粒，或者扩散在水中的固体污染物和油滴。
背景技术
与生产线中所使用的或者排放到环境中的液体和气体的质量相关的不断增长的技术和环境要求需要越来越高的挑战来开发用于在纳米级上深度清洁流体、将悬浮在那些流体中的颗粒清洁出来的新的技术解决方案。
以液滴的形式扩散在另一液体中而不能与其混合的、或者以微粒形式扩散在另一液体中的致密形式的物质，是多相系统的实例，对于该多相系统而言，对有效的高效率分离的需求是对最近开发的分离系统的挑战。除了别的以外，其包括将在提取页岩气期间在破裂过程中使用的水返回到环境，在能量技术和机动车辆中使用的液体燃料的净化，化学合成物的产品的净化，以及类似性质的其它用途。
取决于颗粒或扩散相小滴的大小，以及表征两相系统—尤其是关于它们的稳定性—的不同的物理化学属性，已知的意图用于分离悬浮液的解决方案具有多种结构。在纳米大小的物体的情况下，移除它们的最有效的方式是通过无纺织物过滤器来过滤。这样的过滤器每体积单位具有已高度开发的表面，因此确保了保持沉积在这样的过滤无纺织物的纤维上的颗粒的较高能力。此外，这样的结构可关于它们的外部几何形状和这样的无纺织物材料的纤维形态的要求而自由地成形。过滤器的内部结构设计成使得允许颗粒在其纤维上沉积的效率以及其容量的最大化。这取决于这样的过滤器的局部多孔性，以及制成过滤器的纤维的直径。
已知意图从液体移除固相颗粒或用于分离乳液(即包含一种流体的连续相和另一流体/液体的扩散相的浆料)的这种类型的过滤器的多种多样的商业解决方案。
当将要被过滤的悬浮液包括固体颗粒和另一流体(尤其是液体)的小滴两者时，问题变得更加困难，例如在这样的系统中：其中水是连续相，而碳氢化合物(例如油)的小滴，以及固体颗粒(例如硅石)扩散于其中；或在另一种情况下,其中气态介质是连续相，而水滴和固体颗粒(例如碳黑或铁氧化物)是扩散相。为了设计用于分离这样的系统的合适的分离解决方案，要求合适地使用对在同一装置中同时去除液滴和固体颗粒有利的物理化学现象和效应。
在将要被过滤的介质(下文中称为“被过滤的介质”)中同时存在另一流体的小滴，即扩散相和固体颗粒，尤其是当它们具有亚微米的大小时，导致当额外地还存在小液滴时，用于移除微粒的设计良好的设备并不有效。沉积在分离表面上且随后从其上滴下的小滴可导致沉积在该表面上的微粒移除，并且损害过滤效果。
当意图从连续相(流体)移除亚微米大小的颗粒和液体小滴时，其穿过多孔过滤结构的流动必须以有助于合并且在所述结构的出口处提供大的液滴的产生的方式进行，且在第二步中，它们通过重力方法或通过其它特定方法进行沉淀。在这种情况下，本领域中已知有，例如在航空燃料和柴油的脱水过程中使用的疏水性分离措施。
在本领域中已知的系统中，分离过程以这样的方式执行：由连续相以及扩散在其中的小滴组成的乳液流过第一过滤器层，该第一过滤器层用作合并器，其中小滴结合在一起成为大滴，且然后夹带在连续相的流中的大滴由第二分离过滤器层停止，该第二分离过滤器层仅仅对于这样的连续相是可渗透的。所保持的大滴然后向下流动到下部或者上部接收器。第二层应当具有足够的表面属性，即具有关于扩散相的小滴的疏水特性。
当需要额外地从被过滤的介质同时去除固体颗粒时，上文所述类型的已知过滤系统变得无效，或它们的寿命被显著地缩短。因为合并元件具有这样的属性，通过在连续相流过多孔合并结构的狭窄通道期间增大连续相中的剪切应力，流中的小滴结合的效果增强。这又会减小流体在过滤器区域中的驻留时间，该减小的驻留时间会显著地降低亚微米固体颗粒在合并结构中沉积的效率。此外，直接沉积在合并结构的纤维上的固相颗粒可导致所述纤维的特性表面的属性的改变，且因此导致流动的小滴在所述多孔结构的这样的纤维上的沉积有效性的显著减小。
这样的解决方案例如是从以下专利中已知的：US20110127211A1—柴油燃料过滤器，US20070084776A1(WO2007041559)—水分离和过滤结构，US4,253,954A–两级旋转式分离装置，以及WO2013079172A1—过滤器装置。
US20110127211A1公开了具有圆柱形状的柴油过滤系统，包括第一和第二过滤层，其中第二过滤层同心地布置在具有更大的直径和已开发的过滤表面(优选为褶皱层的形式)的第一过滤层的内部。两个过滤层都布置在过滤器壳体中，且通过间隙的形式的空间而彼此分离，从而形成与收集室流体连通的收集通路，从油中分离的水滴滴入该收集通路。所述第一过滤层(细微水滴在其中结合成具有更大大小的水滴)包括PBT纤维层和纤维素层，而所述第二过滤层(其过滤出在第一层中形成的大的水滴)包括玻璃纤维。滴入收集通路中的分离的水分子，大滴和小滴两者，都收集在过滤层下方的收集室中，且之后从此处移除，而净化的柴油通过第二过滤层而流到过滤器装置的出口。
在上述实施例中，并不存在意图用于分离固相颗粒的任何单独的预过滤结构，这导致固体微粒污染物的整个污染载荷由合并结构接收。结果，这样的结构的对于从扩散相高效捕获小滴以及将它们结合在一起而成为较大滴而言关键的表面属性将由于沉积的固体颗粒的存在而不受控地被改变。
公开WO2013079172A1公开了一种过滤装置，其具有与上文所述类似的操作原理以及类似的结构，意图用于过滤液体，尤其是被扩散的细微小滴形式的水和固体颗粒形式的固体污染物污染的柴油。装置具有圆柱形状，并且具有壳体，其具有将要被过滤的介质的入口和出口，并且在所述壳体内沿着被过滤的介质从所述入口到所述出口的流动方向连续地布置有：过滤材料层，其支承在可渗透被过滤的介质的多孔支承管上，该过滤材料用于分离固体污染物的颗粒，且同时用于扩散的细微水颗粒(即扩散相)初始凝结成更大大小的小滴；合并过滤层，其以旋喷纤维层(即通过喷洒方法沉积的纤维)的形式直接沉积在所述过滤材料上。紧随其后布置有排放间隙，直接设置在其之后，呈分离区和疏水性纤维层的形式，组成水阻隔层。在排放间隙中，与所述被过滤的介质的流一起离开合并过滤纤维层且被所述阻隔层止挡的水滴在重力的影响下落下，并且它们被收集在收集空间中，该收集空间与排放间隙流体连通，该收集空间设置在所述过滤装置的下部部分中，它们从此处被移除。在穿过疏水性纤维阻隔层之后，被净化的柴油流动到过滤装置的出口。根据该实施例，所述过滤材料层由已知的多层过滤垫形成，该已知的多层过滤垫为褶皱层或以星形形状皱褶的层的形式，包括无纺或纤维材料或固体过滤布。旋喷类型的合并过滤层与通常使用的聚酯纤维的疏水性合并层相比呈现出更有效的合并功能。根据该专利，特别优选的是这样的过滤装置构造，其中过滤材料的层形成为中空圆柱形的形状，且所述被过滤的介质的流动在其中从内部向外部实现，即所述装置的入口连接到过滤材料的层限定的圆柱的内部中空空间，在其外表面上，沉积了旋喷类型纤维疏水性层，其又在其外表面的一侧上邻接排放间隙，该排放间隙限定于该表面与阻隔织物的所述疏水性层的径向内表面之间，该疏水性层的径向外表面与装置的所述出口流体连通。这样的构造允许获得有利的动力条件，即具有已高度开发的表面的过滤元件的外侧上的流率比在相反方向上(即从外侧到内侧)的流动的流率显著更小。较小的流率导致离开过滤元件的液滴具有低动能，且因此作用与它们上的力的径向分量小于其竖直分量，由此，更容易在排放间隙中使得它们彼此分离。
此外，在这样的构造中，位于过滤器的外侧上的阻隔层可制成为相对于被过滤的介质的流动方向相反的实施例而言具有更大的表面积。
公开WO2007041559又公开了同时分离在由内燃机提供动力的车辆的燃料过滤器中所使用的水的过滤/合并结构，该结构与上文所述的已知过滤系统具有类似的多层构造，其中过滤-合并结构在此为包括过滤层和合并层的多层纤维梯度结构的形式，其又由排放间隙与沿被过滤的介质的流动方向在其后面的疏水性水阻隔层分开，该疏水性水阻隔层同时可渗透被过滤的介质。过滤-合并结构成形为褶皱侧表面的圆柱形式。过滤-合并结构的过滤层设计为用于具有2-50μm范围尺寸的固体颗粒的预过滤，且形成褶皱纤维素结构，可选地增加了最小量的合成纤维、树脂和其它活性物质，其中这样的结构具有3000ft2上90lbs(41kg x 279m2)的范围中的基本重量，0.020”到0.040”(0.05-0.10cm)的范围中的厚度，以及10-15CFM/ft21/2”的范围中的空气透过性。根据作者，使用这样的纤维素层允许通过从这样的散布移除固相而影响水/燃料散布的面间表面张力的变化，从而增大面间张力的值，以及由此有助于在更深地定位的合并结构中将小滴结合在一起。在用作基底的该纤维素结构上，在所述介质流的方向上，形成多层合并结构，其包括具有亲水性属性的聚合物合成纤维，其通过"纺粘"和/或"熔喷"方法而形成，且该结构为形成有梯度的纤维层，即其中纤维的平均直径和/或密度穿过结构的厚度而变化，且另外其中纤维直径在流动方向上从较小大小和较高包装密度(即小的孔隙)的纤维开始到较大大小和较低包装密度(即具有较大的孔)的纤维而变化。纤维直径的范围为从亚微米到大于50μm，而这样的纤维合并结构的空气透过性在水中为在84-332CFM/ft21/2”的范围中，并且沿流动方向在该结构的连续的层中逐渐变化。这样的合并结构中所使用的合成纤维为，例如天然亲水性尼龙纤维或经改性以便赋予它们亲水性属性的聚酯纤维，或具有增强芯和亲水性外壳的生物组分纤维。扩散在所述梯度合并结构中的细微水颗粒从被过滤的介质分离，且它们彼此结合形成大的水滴，其在离开合并结构的最后一层的同时进入在所述过滤/合并结构与在流动方向上在其之后的疏水性水阻隔层之间的径向间隙。在该间隙中的这样的大滴在重力的影响下竖直地滴落到位于过滤装置的壳体的底部并且与该间隙流体连通的收集容器中。阻隔层包括天然疏水的氟代聚合纤维，例如：特氟龙或聚丙烯纤维，或其它聚烯烃纤维；或经改性而为它们赋予疏水性属性的纤维素纤维，且其形成具有相对高的平均多孔性的纤维结构，相对高的平均多孔性允许最小化流体的流率，以便在穿过过滤-合并结构后有效地分离保持在燃料中的细微水滴。以上所公开的分离系统包括褶皱过滤-合并结构，其由若干层扁平纤维结构组成，纤维结构具有对固体微粒形式的杂质相对较低的吸收性，该低吸收性在被固体颗粒严重污染的介质的高效过滤期间特别重要。
用于净化包括固体颗粒以及扩散相的液体颗粒(小滴)两种形式的杂质的液体连续相形式的介质的已知的过滤系统，在捕获具有亚微米大小的非常细微的固体杂质颗粒以及从被过滤的介质分离出它们的方面并没有提供足够的效率。此外，用于两级过滤的已知过滤系统结构并没有以足够的程度防止在预过滤层中捕获和积聚扩散相的小滴，在过滤器的操作期间，这可导致这样的过滤器的比较迅速的堵塞，且结果缩短这种类型的已知过滤系统的有效操作寿命。
因此，特别合乎需要的是改进如下领域中的已知分离系统的功能：过滤被固体颗粒高度污染的液体的领域，以及用于其中扩散液体形成具有高稳定性的乳液的被过滤介质(即其中扩散相的小滴具有非常小的尺寸、且固体颗粒与这样的小滴之间的额外的相互作用显著地限制它们彼此接触以及合并的能力的介质)的过滤系统的领域。
发明内容
一种用于从将要通过过滤来净化的介质中同时去除固相颗粒和扩散相小滴的分离系统，该介质是悬浮液或乳液形式的被过滤的介质，即包括固相颗粒和液体的扩散相的液体连续相，该扩散相的液体以悬浮在与其不可混合的液体连续相中的小滴形式来扩散，所述连续相组成将要被过滤的介质，其中分离系统具有多层纤维结构的形式，所述多层纤维结构为自支承设计构造或支承在一个或多个穿孔支承元件(EN1，EN2)上的构造，所述一个或多个穿孔支承元件(EN1，EN2)优选为圆柱形，，且其设有将要被过滤的所述介质的入口和出口，其中所述分离系统包括在将要被过滤的所述介质从所述入口到所述出口的流动方向上连续布置的如下层：
—纤维结构形式的过滤-合并元件，负责移除所述固相颗粒，以及用于合并所述扩散相的小滴，
—分离元件，其为用于所述扩散相的小滴的阻隔层，所述元件由具有厌恶性属性，尤其是相对于扩散相的小滴有疏水性的纤维形成，所述元件负责分离作为来自连续相的扩散相的合并的结果而形成的小滴，以及
—排放间隙，设置在所述元件之间，并且使所述元件彼此分离，该间隙是自由空间，用于所述扩散相的小滴在重力的影响下滴下，且与积聚空间流体连通，扩散相的滴下的小滴收集在所述积聚空间中，该积聚空间直接位于分离系统下方或该系统上方，且其设有阀，其中过滤-合并元件是由至少两个层组成的无纺纤维结构，至少包括过滤结构。根据本发明的所述分离系统特征在于：
所述过滤-合并元件为由包装成盒的形式的纤维组成的深度无纺织结构的形式，且在从将要被过滤的介质流入的所述入口朝向所述出口的流动方向上观察，其包括彼此前后顺序地布置的：
—过滤层，其为包括纳米大小的聚合物纤维的初始深度过滤层，其中组成该层的所述纤维具有全面厌恶性属性，优选它们的表面相对于所述扩散相的小滴的超厌恶性属性由等于或者大于120°的接触角限定，且另外，该过滤层是横跨其宽度具有多孔性梯度的结构，即，其多孔性在将要被过滤的所述介质的所述流动方向上从层的入口侧向出口侧减小，该多孔性在范围为从90％到95％的平均多孔性的极限内；
—由聚合物纤维组成的合并层，且相邻地在其之后布置有，
—由聚合物纤维组成的滴下层，其中一起形成合并结构的后两个层，均包装成纤维的深度梯度结构的形式，且其中多孔性梯度跨过整个合并结构相对于过滤层中的所述多孔性梯度沿相反的方向改变，即多孔性在将要被过滤的所述介质流的流动方向上增加，且其中组成以上列出的层的聚合物纤维呈现出变化的表面属性，其由在所述流动方向上跨过该结构沿着所述介质的流动路径相对于所述扩散相的小滴变化的接触角限定，这样使得合并层中的多孔性沿着平台(dais)方向在从75％到95％的梯度范围中，且合并层中的所述纤维相对于扩散相的小滴呈现较差的亲密性属性和/或较差的厌恶性属性，该属性由从45°到95°范围中的接触角限定，而滴下层具有85-98％范围中的平均多孔性，且限定了该后一层中的所述纤维的表面属性的接触角在从75°到105°的范围中。
本发明的目的是提供一种过滤装置，其为从连续相(其为将要被过滤的介质，进一步称为“被过滤的介质”)中同时去除固相颗粒和细微液滴形式的扩散相两者的分离系统，该系统将消除或减小上文所述的已知类型的过滤装置的缺点，且特别地，与当前已知的系统相比，将提供从连续相净化杂质的更好的净化效率，同时延长过滤装置的运行寿命。
本发明的目的是获得所提出的创造性分离系统的显著更高效的工作，以及更长的运行寿命，特别是在连续相中具有高浓度的将要被过滤掉的固体颗粒形式的杂质的情况下，以及在具有高稳定性的乳液系统的情况下，其中扩散的细微小滴的合并尤其困难，且其中穿透合并器的小滴(即便是最小量)到达分离器的表面且逐渐沉积在其上，这会导致跨过该合并器元件的压降增大，且结果导致其"穿透"，即推动沉积的小滴在它们可结合在一起成为能够落入疏水性分离元件入口侧上的排放间隙的大滴之前穿过元件。
本发明的目的是相比于在过滤由固体颗粒高度污染的液体的领域中已知的分离系统，以及针对其中扩散液体形成具有高稳定性的乳液(即其中扩散相的小滴的大小非常细微，且固体颗粒与小滴之间的额外的相互作用显著地限制了它们的相互接触和它们的合并)的系统，实现显著改进根据本发明的分离系统的操作。
通过根据本发明的分离系统，现有技术中出现的以下问题得以解决，即：
—其提供了选择性地保持固相颗粒(包括纳米大小的那些颗粒)、同时最小化或消除扩散相的小滴在过滤结构的纤维上沉积的可能性；
—其不仅提供了对跨过过滤器结构位于更深处(即在深过滤层之后)的合并层的保护，而且还提供了同时的预合并，以及首先还实现了过滤层的选择动作；
—由于其梯度构造，根据本发明合适地设计的合并结构提供了与现有技术系统和已知的研究中所推荐的强亲水性结构相比显著更低的流动阻力值；
—高效的合并由于多孔结构的具有高比表面积值的内部几何结构而获得；
—其进一步提供了这样的过滤器的第二级(即阻隔层)的长有效的工作时间，尤其是当被过滤的介质是稳定的乳液系统时，例如，诸如：低硫柴油中的水性乳液或包含生物组分添加剂的乳液。
与本说明书中的引言部分中所述的那些当前存在的过滤系统相比，根据本发明所提出的分离系统的操作的显著改进特别地通过选择性深度过滤层(在本说明书中进一步称为过滤-合并元件的“过滤层”)的已开发的结构而实现。由于在所述过滤层中使用了纳米纤维，获得了该层的非常大的内部比表面积，这使得其保证了非常细微的亚微米大小以及甚至更大的大小两者的固相颗粒的成功捕获。所述过滤层的选择性操作由于高的厌恶性(例如疏水性)，尤其是超厌恶性(即超厌恶性属性)，例如其中包含的纤维的超厌恶性而实现，该高厌恶性属性实现了最小化在所述层内捕获和积聚扩散相的小滴，例如水滴，的效果。由于所述过滤层不会被固体和液体成分而堵塞，否则，流动的被过滤的介质，例如燃料，将必须穿透该堵塞。
这样的工作条件使得该层中的被过滤的介质流的压降处于相对低水平，且该过滤层以及整个过滤-合并元件的运行寿命显著地增加。
预过滤结构，即过滤层，的工作寿命的延伸也与如下事实直接相关：与褶皱过滤器技术中通常所使用的褶皱层形式的薄过滤层相比，其由深度结构制造，该深度结构具有显著地更大的厚度和体积，因此具有更大的固体颗粒容量。由于根据本发明的这样的过滤层的内部结构的梯度特性(这是由于沿着跨过该层的净化介质的流路径连续地以及逐渐地改变其中所包含的纤维的多孔性和/或直径而产生的)，固体颗粒取决于它们的大小可沉积在其整个体积中。同时，在将要被过滤的介质(进一步称为“被过滤的介质”)流动通过过滤层期间，发生细微小滴的初始合并。
根据本发明，在初始合并之后(初始合并基本上是过滤-合并元件的过滤层中的高剪切应力而引致实现的)，取决于小滴的速度和大小的惯性效应可通过合适地设计深度无纺结构而受控制，该设计由纤维的多孔性和直径的局部值限定。
根据本发明的合并层的结构，其为非褶皱式的，具有显著更低的外表面，与已开发的褶皱表面相比，这可影响流动阻力的增加，但在本发明中，合并层的结构的特征在于低润湿性及其例如在柴油的脱水期间关于水的饱和。所述现象补偿了该效果，并且使得可能在所述层中获得低压降。通过合适地选择系统的所述层的表面属性及结构参数，获得了与目前使用的和已知的高度亲水性结构相比相当或进一步更低水平的压降。
通常认为，为了获得纤维过滤结构的高分离效率，纤维表面相对于扩散相的液体(即小滴)的亲密性属性，例如当水为所述扩散相时是亲水性属性，是有利的；然而，根据本发明，通过恰当地设计包括具有较差的厌恶性(例如疏水性或较差的亲密性，例如亲水性)的纳米纤维的结构，实现了非常高的分离效率，而在过滤器系统的稳定运行条件中，扩散相(例如水)的小滴在合并层内的保持(所谓的饱和)较小，使得压降较低。因此，由于水相对于具有略微亲水性特性的纤维的较小附着力，该结构不被水阻挡。
应当强调，在上文所引用的现有技术中论述的保护合并层的已知过滤结构将固体颗粒保持在它们的表面处。因此，这样的结构最经常是褶皱的，以便增大它们的表面积和吸收性。
相反，在本发明的实施例中，过滤层的外表面并未以褶皱或其他的皱褶形式开发，而事实上所述层的有效过滤表面区域与已知褶皱表面相比为数倍大。已知过滤系统中的过滤层的选择性是通过孔大小而提供的，而根据本发明，其通过更精妙的机制来提供，该机制是由于全深度结构中所使用的纤维的表面属性而提供的，其根据本发明已被识别为提供固体颗粒的选择性保持，同时使得细微小滴穿过。
过滤-合并元件的根据本发明的这些具体属性显著地改进了整个分离系统的寿命以及其相对于已知解决方案的有效性两者。
所提出的根据本发明的双步骤过滤系统的另一优点在于被过滤的介质在过滤-合并层的滴下层的出口侧处的更高的速度。这是由于该层与现有技术褶皱系统相比的低表面积以及在滴下层结构的孔中直接发生的更高的线性速度。
另一方面，该层的所述结构限制了产生可能最大的液滴的可能性，然而，如针对1级合并元件的其它研究中所呈现出的，这样的结构中形成的小滴仍然足够的大(大致具有若干毫米的直径)以被有效的沉降。在由于对应地高速度而引起的较小的小滴的情况下(其依然在径向方向上朝向过滤器元件的中心加速)，小滴冲击在面向分离层的侧表面的入口上的效果增强了该表面对积聚在其上的小滴的净化，在冲击时导致小滴的合并，或它们从结构上分离，以及它们沉降在排放间隙中，从而导致分离层的入口侧表面的自清洁效果。
增强根据本发明的疏水性分离元件的入口侧表面的自清洁的另外的构造特征是流的合适的方向定向，其通过在过滤-合并元件与分离元件之间的排放间隙空间中提供流导叶而实现，所述过滤-合并元件包括所述过滤层。所述导叶将被过滤的介质流切向地引导至由分离元件的褶皱结构的褶皱的外凸脊的轮廓所限定的表面，导致扩散相的小滴(例如水滴)在剪切应力的影响下从所述分离元件表面分离以及破裂，同时允许所述小滴用于它们的进一步的合并，以及随后有效地在排放间隙中向下落入收集罐中。
附图说明
根据本发明的分离系统以其优选实施例在附图中示出，其中：
图1呈现了根据本发明的第一实施例的分离系统的示意性纵截面，
图2—根据本发明的第二实施例的具有隔开的涡旋导叶的分离系统的示意性横截面，
图3—根据本发明的第三实施例的没有涡旋导叶的分离系统的示意性横截面。
具体实施方式
根据本发明的所提出的用于从连续相(其为被过滤的介质)同时去除固相颗粒和细微液滴形式的扩散相两者的分离系统的特征在于其包括成串联连接顺序的两个过滤元件：第一元件1和第二元件2(见图1)，两者都具有多层结构，其中第一元件1是过滤-合并部件或元件1，如从将要被过滤的介质(进一步也称为“过滤的介质”)流入的侧面观察，其包括无纺纤维层1a，1b以及1c，这些层一起形成包括纤维的深过滤结构，纤维具有不同的表面属性以及结构特性，诸如纤维形态以及它们的包装密度，该结构用作过滤-合并部件1。第二元件2是分离元件2，其负责分离扩散相的小滴与连续相，尤其是在流过过滤-合并部件1期间(特别是在形成合并器1b，1c的部分中)大小增大的液滴，。所述元件1和2两者由排放间隙3分离，且两者都优选圆柱形地成形，并且相对于彼此同轴地设置，即一个在另一个的内部。在本发明的一个实施例中，它们布置在形成具有圆形横截面的支承元件EN1，EN2的支承芯上，且它们由允许扩散相的小滴自由下落且形成排放间隙3的环形空间3分离，其中在图1中所示的实施例中，深层形式的过滤-合并元件1相对于分离元件2布置在外部，在将要被过滤的流入介质(优选液体介质)的入口侧上。相反，分离元件2由具有疏水性属性的纤维制成，且其具有褶皱层的形式。分离元件2可支承在形成支承穿孔芯的第二支承元件EN2上，其优选具有圆柱形状，且优选在分离元件2的内侧上同轴地定位，如图2和图3中所示。
可行的是反转构造，这意味着过滤-合并元件1同轴定位在外分离元件2内部，其中流动方向则也反转为从内部到外部。在这样的构造中，过滤-合并元件1中的层1a，1b和1c的顺序根据流动方向将也被反转为从内侧到外侧，且因此分离元件2的疏水性表面将位于流出液体的一侧上(即系统的外侧)。从元件1的过滤表面减小以及因此整个系统的产出不合乎需要地减少的观点看，这种布置看似较不利。
根据图1，在分离系统直接下方，设置有与排放间隙3流连通的具有排放阀5的积聚空间4，然而，可行的是将积聚空间4布置在分离系统与排放间隙3之上，尤其是对于其中连续相的液体与扩散相的液体相比具有较高的密度和质量密度的情况而言。在图1中所示的实施例中，呈现了尤其是适于过滤这样的被过滤的介质的分离系统，其中连续相的液体与扩散相的液体相比具有较低的密度，例如在从悬浮在其中的水滴(扩散相)中净化燃料(连续相)的情况下。
过滤-合并部件1形式的元件1是纤维制成的深度无纺结构，该纤维包装成盒(cartridge)的形式，其中，局部多孔性值和纤维直径在被过滤的介质(尤其具有浆料的形式)的流动方向上跨过该结构而改变。
在过滤-合并元件1或部件内，可特别地具有以下层，即：过滤层1a和在其之后整体地形成过滤-合并结构的各构件的层，即：合并层1b，该合并层负责捕获扩散相的所有小滴；以及滴下结构形式的滴下层1c，其允许将小滴大小增大至较大的小滴，并且使扩散相的这样的较大的小滴与纤维表面分离，这些小滴具有类似的大小或接近类似或者相等的大小，即它们具有窄的大小分布。单独层对过滤-合并元件1的结构的总厚度的贡献如下：
·过滤层1a占据过滤-合并元件1的整个结构的厚度的20-70％且优选30-50％，也称为预过滤层或深度过滤层；
·过滤-合并元件1的整个结构的厚度的30-80％，优选50-70％是设计成用于分离扩散液体相的结构，它们一起形成合并层1b和滴下层1c；
其中合并层1b的厚度可包括整个合并结构1b和1c结合起来的厚度的15-50％，优选20-45％。
过滤-合并元件1具有多层梯度结构，其中在其入口侧处(即面向入口的一侧)处的第一层(即从将要被过滤的介质流入的一侧在朝向出口的方向上观察的元件1的上游过滤层1a)是无纺纤维，其具有优选在90-95％、更优选92-93％的范围中的介质多孔性，包括纳米大小的纤维，即纳米纤维，即具有250nm-800nm且特别是400-600nm的范围中的纤维直径，以及优选在5-20mm且特别是在10-15mm范围中的厚度，其中所述纤维的表面经改性而使得它们相对于液体具有高度厌恶性表面属性(该液体为扩散相，即形成小滴)，且特别是超厌恶性表面属性，例如当扩散相由水滴组成时为超疏水性属性。在第一过滤层1a中，亚微米固体颗粒被高效保持，而扩散相颗粒，特别是液滴、例如水滴，则穿过。
位于元件1的面向入口侧的过滤层1a的这种相应的改性是新颖的，其允许实现固相颗粒的选择性保持的效果，同时最小化或完全消除扩散相的小滴在纤维上的沉积。这是通过为组成元件1的过滤层1a的纤维赋予超厌恶性(例如超疏水性)属性而实现的，该超厌恶性表面属性可通过以已知的方式改变组成且通过熔喷纤维形成技术而产生纤维的物质的化学组分来获得，即通过改变制成纤维的组分的化学组分来获得。这种改变可通过例如，除别的以外，向形成纤维的聚合物中添加复合物来实现，该复合物在它们的结构中包含氯和氟，诸如，例如全氟醚，氯代和氟代碳共聚物，聚二甲硅氧烷。上述复合物最通常作为掺合物增加到主聚合物颗粒中，然后它们被熔融、混合来形成混合物，然后由这样的混合物(通过熔喷技术)制成所述纤维。然而，在聚二甲硅氧烷的情况下，也可以通过浸渍涂覆技术例如由己烷中合适的PDMS浓度的溶液来涂覆聚合物纤维的表面。
纤维的超厌恶性属性也可以，或额外地，通过同时在组成过滤层1a的结构的纤维表面上形成更大的粗糙度(即纤维表面粗度)而获得。在聚丙烯和聚酯纤维(它们通常用于生产过滤层和这种类型的过滤器，并且可交替地使用)的情况下，为了上述目的已开发了利用硅石纳米颗粒涂覆纤维的表面和/或在纤维形成过程中在高强度电场下在纤维表面上引起微裂纹而产生所述纤维表面上的微粗糙度的有效方法。这些方法在本领域是公知的，且因此在本文中将不会对它们进行更详细的论述。
因此，根据本发明的解决方案的新颖性在于使用过滤-合并元件1的第一过滤层1a，其是深度过滤的预过滤层，且其功能不仅在于初始保持固相颗粒(包括纳米大小的那些)，这意味着预过滤，这就不仅意味着保护在连续过滤相的流方向上更深地定位的合并层1b，且同时进行初始合并即预合并，而且尤其意味着其针对悬浮在流动连续相中的扩散元素(即扩散相，其包括固相颗粒和扩散的第二液体相的液滴)的选择性行为，且更具体地为其在没有扩散相的小滴在所述过滤层1a的体积区域中积聚的同时捕获和保持固体颗粒的功能。
在过滤层1a(其是第一层)中，可在纤维的参与和干涉下发生初始合并，但是影响该层中的该初始合并的主导机制与已知合并层中的不同，以及与根据本发明的适当合并层1b中的不同，也即，第一层1a中(即在过滤-合并部件1的过滤层1a中)的初始合并是由于细微小滴碰撞和结合在一起，该碰撞在该层1a中在高剪切应力区域中发生，其由纳米大小的纤维组成，特别地由纳米纤维组成。
因此，该过滤层1a中的纤维除了实现初始过滤之外，还实现了规整(order)多孔结构中的介质流以及影响局部流体动力学条件的构件的作用，然而，在层1a中的小滴沉积以及由此而导致的层1a结构关于保持在纤维上的扩散相液体的饱和(其大体被认为对于小滴合并而言是有益的效果)在此处是可以忽略的效应。乳液形式的被过滤介质的扩散相小滴的初始合并在流过过滤层1a期间进行，然而，其在不影响纤维的参与(participation)的情况下发生，且在纤维之间的小孔中发生，其中局部剪切应力非常高，这促进了小滴之间的碰撞以及它们的结合(在本领域中技术文献中已知为剪切引起的合并或梯度凝结)。
在过滤层1a中出现多孔性的梯度，即多孔性跨过该结构变化，且特别地，结构多孔性在被过滤介质的流动方向上减小，这主要是由于下游更深层的过滤无纺纤维的局部表面质量增加。此外，其可能伴有纤维直径在流动方向上沿着过滤流体路径跨过该结构在250-800nm(之前示出)范围中减小，而多孔性可同时在90％到95％的范围中变化，即所述多孔性在流动方向上从较高值向较低值降低。
在过滤-合并元件1的第一过滤层1a下游，层1b和1c顺序地布置，它们分别是合并层1b和滴下层1c，且它们一起被称为合并结构1b，c，其中进行扩散相的小滴(例如水或其它液体的小滴)的合并。合并层1b由优选在0.5μm-30μm且尤其是0.8μm-15μm的范围中的直径、具有优选在2mm-6mm范围中且更优选在2mm-4mm范围中的厚度的纤维制成。滴下层1c由优选在40μm-120μm范围中且尤其是60μm-90μm范围中的直径、具有优选在4mm-8mm且更优选4mm-6mm范围中的厚度的纤维制成。
与以上所引用的专利中所描述的现有已知的过滤系统相反，一起形成所谓的合并结构1b，c的合并层1b和滴下1c层是纤维层，它们包含"熔喷"纤维，且它们两者都具有多层结构，其中，如在流动方向(即下游方向)上看到的，合并层1b的初始纤维的特征在于它们相对于扩散相液体(即小滴)具有较差的亲密表面属性和/或较差的厌恶性，该特性表面属性是由润湿角(即从45°到105°范围中的接触角)确定的，其中那些值与在扁平材料(并非在无纺织物上)的表面上测量的所谓的静态润湿角值相关。
在两种情况下，与合并结构的已知的开发中所推荐的高亲水性结构相比，根据本发明的合适地设计的合并结构提供了显著更低的流动阻力值。根据本发明的系统由于多孔结构具有高的比表面积值的内部几何结构而获得了高有效性。
整个合并结构(包括合并层1b和滴下层1c)的特征在于多孔性的梯度在被过滤介质从入口到出口的流动方向上观察在其中变化，与在过滤层1a中(即在深度过滤层中)的多孔性梯度相反。即，合并层1b中的多孔性在70-95％的范围中，且跨过层厚度在流动方向上向下游在从70％到95％的限制边界值内以梯度逐渐变化，而在滴下层1c中，平均多孔性的值在85-98％的范围中。
其中，用于生产这种类型的过滤层(即过滤器，特别是在根据本发明的分离系统的结构的实施例的情况下)的设备构造中的熔喷技术能够实现多孔性在针对合并层1b以及针对滴下层1c的边界值之间连贯和连续的变化，合并层1b以及滴下层1c距离为1-3mm，形成具有1-3mm范围中的厚度的过渡区域TR，布置在层1b和1c的接触区域中。此外，在形成本发明的纤维结构期间，使用具有侧螺杆的双螺杆挤出技术，其允许在纤维挤出的制造过程期间聚合物与合适的改性添加剂的掺合。
包含例如氯代和氟代聚合物的合适改性添加剂，其对挤出聚合物的计量在挤出循环期间形成纤维，该聚合物以纤维的形式喷吹，其可在制造循环期间以合适地受控的计量给料率(metering rate)被打开或者关闭，允许改变这样制造的纤维的表面属性。
还可行的是对包含再生颗粒(re-granulate)的纳米颗粒计量给料(metering)，再生颗粒在聚合物的喷吹期间暴露在纤维表面上，这还导致小滴-纤维相互作用的变化，且因此其改变纤维表面的厌恶性/亲密性。
从合并过程的有效性的观点来看，推荐选择这样的类型聚合物或所使用的这样的添加剂，从而形成合并层1b的纤维的接触角在45-95°的范围中，而形成滴下层1c的纤维的接触角在75-105°的范围中。位于过滤-合并元件1的出口侧(即下游处)的滴下层1c保证了扩散相的大多数小滴落下到积聚扩散相的容积4中，其位于环形排放间隙3的直接下方或者直接上方，使得元件1与元件2彼此分开。
然而，排放间隙3的较小的大小(在2-10mm，优选3-6mm，且特别优选4-5mm的范围中)允许由于合并而分离的大滴在滴下层1c的出口侧处具有足够大的初始速度，以得到它们的朝向分离元件2的疏水性表面的轨迹，其是由于落下的下落速度(在排放间隙中由于重力而引起)与介质在流动方向上的移动的上述速度的重叠而得到的，以允许它们冲击在分离元件2的表面上，在该表面上收集细微的较差地落下的小滴。
因此根据本发明的解决方案的新颖性在于通过在排放间隙3中提供有利的流体动力学条件，来支持为面向排放间隙3的疏水性分离元件2表面清洁保持在其上的移除的扩散相的小滴。排放间隙3中的流的流体动力学条件因此对于过滤器的第二级(即分离元件2)的长时间的有效工作具有必不可少的重要性，特别是在其中被过滤的介质是稳定的乳液系统的情况下，例如，诸如低硫柴油中或包含生物组分添加剂的水性乳液，尤其是当并不经历合并的细微小滴积聚在面向间隙3侧的元件2的表面上时，从而在这样的情况下，它们的过分的过度积聚导致流动阻力的增加，且导致之前所讨论的所谓的“过滤器穿透”。
在以上情况下，最重要的是合并结构，尤其是滴下层1c的设计，其通过熔喷技术制成，且其是并未褶皱(即不具有任何褶皱)的深度结构，其类似于过滤层1a和合并层1b，它们也并未被褶皱，但是它们制成深度结构。在这样的系统中，从过滤-合并元件的内部层(即从滴下层1c的出口表面，即其面向间隙3的表面)分离的小滴在朝向分离元件2的入口表面(即其面向间隙3的表面)的方向上更加高效地加速，这是由于滴下层1c的孔内的局部线性流速的显著更高的值，该层排放连续相的液体和扩散相的大滴，且在过滤-合并元件1的外部将其设置在排放间隙3中。因此分离元件2通过小滴以杂乱的角度冲击在其分离表面(即其入口侧表面)而被净化，即小滴取决于它们的大小在不同的角度下冲击，该小滴与流动的被过滤的连续相分离。由于扩散相的所述小滴与分离元件2的疏水性表面(小的较差地落下的小滴沉积在其上)的碰撞，其可得到这样的小滴的合并，以及较大的、容易地落下和滴下的液滴的形成，或得到保持在分离元件2上的小滴的脱落。在这样的分离之后，所述小滴可再次沉积在分离元件2表面上，但是在位于更靠近积聚容积区4的位置上，以便收集扩散相。在过滤过程期间的上述碰撞过程的多次重复将导致使得小滴进入积聚容积4，从该积聚容积4可能通过排放阀5从过滤器壳体的底部部分排放这样的液体。
虽然针对本发明的2级过滤器形式的分离系统的上述设计获得了满意的结果，但是2级过滤器操作的进一步的改进涉及有效地防止小滴，特别是细微小滴的沉淀，以及通过利用合适的被过滤的介质流流体动力支持系统操作来确保高效地去除沉积在分离元件2上的扩散相的小滴。
为了实现此目的，建议在本发明的另一个实施例中使用额外的构造构件，其为布置在位于过滤-合并元件1与分离元件2之间(见图2)的排放间隙3的确定容积中的多个导叶6的形式，该额外元件将负责从过滤-合并元件1的滴下层1c的确定出口表面(即其面向间隙3的表面)的散布流的分流，以及将这样的流引导到合适地构造的排放间隙3。各自具有长度L的所述导叶6绕着滴下层1c的面向排放间隙3的出口侧表面的周边彼此间隔而布置在空间中，并且以角α从所述表面延伸到排放间隙3中，其中优选所述导叶6沿着所述过滤-合并元件1的整个高度延伸，这就意味着所述导叶6的高度延伸优选等于或小于所述过滤-合并元件1的高度。在相邻地定位的导叶6之间形成间隙7，其可特别地限定于一个导叶6的自由端与相邻导叶6的表面之间(如图2中所示)。形成于相邻的导叶6之间的导叶间隙7相对于滴下层1c(即液体从其供应至排放间隙3的元件1的出口层)的外表面的小的纵截面面积确保了在该位置处的平均线性流速度在它们的、即导叶间隙7的最狭窄的部位或区域中显著地增加到5-25mm/s的范围中的值。
被过滤的介质流在排放间隙3中的合适定向，即切向于由褶皱分离元件2的褶皱的外凸脊8限定的假想圆柱的表面，导致产生离心力，离心力在水滴(其为扩散相，该水滴具有比组成连续相的柴油更高的密度)上的影响限制了这样的小滴穿透进入形成于分离元件2的褶皱凸脊8之间的间隙的可能性，并且还限制了这样的小滴在该位置处到达分离元件2的疏水性表面的可能性。
此外，切向地引导至分离元件2(其被设计为设有周向地隔开的褶皱的褶皱层，褶皱具有褶皱凸脊8和由褶皱的相邻凸脊8之间的凹部形成的间隙8’)的周边(该周边由分离元件2的褶皱结构的褶皱的外凸脊8限定)的流速分量支持沉积在距褶皱的凸脊8短距离处的扩散相小滴的移除，这是由于作用在小滴上的剪切应力。涡旋引导元件(即周边上的导叶6)的数量可在8-32的范围中变化，且形成于相邻的导叶6之间的间隙7的宽度在1-4mm的范围中。
对于导叶6的操作有效性，支持扩散相的小滴滴入积聚容积4中，尤其重要的是使介质流涡旋的这些导叶6的几何结构，因为所述几何结构决定了产生允许有效地减少到达分离元件2的表面的小滴数量的额外效果，且由于合适的流体动力来支持疏水性分离元件2的表面清洁。涡旋导叶6的数量，它们的尺寸，以及它们相对于过滤-合并元件1的滴下层1c的外表面(即其面向间隙3的表面)的倾角，不仅取决于可获得的流体动力效果，而且它们还取决于排放间隙3的几何结构。优选的是导叶6的长度在10-45mm的范围中，且它们相对于由过滤-合并元件1的内部支承芯EN1限定的、或备选地由滴下层1c的出口侧的圆柱表面限定的圆的切线的倾角α(图2)在10°-45°，优选15°-45°，特别优选25°-40°的范围中，尤其是约30°+/3°。
涡旋导叶6可相对于其流出侧(这表示其面向排放间隙3的一侧，扩散相的小滴自其从所述滴下层1c流出)上的滴下层1c设置成角(α)，相对于其出口侧上的滴下层1c外表面(即其面向排放间隙3的表面)限定的圆柱的侧表面的切线，该角(α)优选设置在15°-45°的范围中。形成过滤-合并元件1的内芯的支承芯元件EN1可为系统的单独的构造元件，涡旋导叶6安装于元件EN1上。备选地，在系统的另一实施例中，可省略支承元件EN1，且过滤-合并元件1的结构则为"自支承"的，而不需要单独的构造支承。在这样的实施例中使用涡旋导叶6依然可行，但是它们被安装在额外的构造元件上，其被提供且形成导叶6自身的支承结构(未显示)，利用其，它们一起形成单独的完整的构造元件。该构造元件设计成布置在排放间隙3中，且在将这样的完整元件插入到排放间隙3中之后，可为过滤-合并元件1的结构提供额外支承。
上文提到的分离系统的第二元件，其是分离元件2，具有由相对于扩散相的小滴具有厌恶性表面属性的材料制成的间隔件2的形式，构成间隔件形式的分离元件2的该层由表面改性的纤维素纤维或具有优选在0.5-25μm，优选0.5-10μm范围中的平均孔直径的玻璃纤维制成，其中所述分离元件2的层的厚度优选在0.5-2mm，尤其是0.5-1.5mm的范围中。分离元件2形成为褶皱分离元件，而布置在排放间隙3中的涡旋导叶6形式的介质流动引导元件切向于由褶皱分离元件2结构的褶皱的凸脊8确定的假想圆柱的表面来引导净化液体(即间隙3中的连续相)的主流的流动。
根据本发明的分离系统(其为以下元件的串联序列的形式的两级系统：过滤-合并元件1-排放间隙3-分离元件2)的特征尤其在于流过分离元件2的结构的有待净化的浆料(即被过滤的介质)的线性速度优选在离开过滤-合并元件1的浆料的线性速度的1/50-1/5且特别地在1/40-1/10的范围中。这是通过开发分离元件2的几何外表面而实现的，该外表面相对于过滤-合并元件1的面向间隙3的外表面优选在5-50倍且特别是10-40倍的范围中。这样的开发通常通过将其成形为褶皱部件的形式来实现。元件1与2之间的距离为排放间隙3的宽度，其优选在2-10mm，特别在3-6mm的范围中，且该空间(即排放间隙3的空间)用于由在过滤-合并元件1中的小的扩散小滴以如上所述的方式形成的扩散相的大滴的自由落下(即滴下)。
根据本发明的优选实施例之一，过滤-合并元件1的过滤层1a包括具有超厌恶性表面属性(例如在所述扩散相的液体为水的情况时为超疏水性)的纤维。纤维表面的高厌恶性(即包含在过滤-合并元件1的过滤层1a的纤维结构中的纤维的、由超过120°，即大于或者等于120°，优选大于150°的接触角限定的超厌恶性)确保了自由的被过滤介质流动，且特别是所述连续相通过过滤层1a的自由流动，而当在过滤层1a的纤维结构内部流动期间扩散在所述连续相中的扩散相的细微小滴从纤维弹开，并且仅仅在过滤-合并元件1的接下来的合并层1b和滴下层1c中结合而形成大滴。离开过滤-合并元件1的大滴有效的以大的均匀大小的液滴的形式从滴下层1c脱开，并且沉降在排放间隙3的空间中，它们从此处被借助于重力引导至设置在分离系统下方的积聚罐4中。
本发明的上文所提到的目的通过提供其中使用多级分离系统的解决方案而实现，该多级分离系统包括形成过滤-合并元件1的外部多层无纺结构，该元件在其单独的层1a，1b和1c中包括纤维，该纤维具有它们相对于固相颗粒和扩散相液体小滴以及连续相的液体的合适亲和力的表面属性，并且还形成了分离元件2，使扩散相小滴与将要净化的流体分离，在该元件1与2之间，存在允许小滴落下的空间3，其中这样的系统的示意图在图1和图2中示出。在理想情况中，在过滤-合并元件1之后，完美地净化的连续相液体(其没有固相的颗粒以及微小的扩散相细微小滴以及从滴下层1c分离的迅速地沉降的大滴)流向分离元件2。
在真实情况中，疏水性分离元件2在连续相的净化液体的出口处提供保护，阻止可能以其初始形式穿过合并层和滴下层而跑出来的少量的微小的扩散相细微小滴。本发明的设计的过滤-合并元件1(其为熔喷深度结构)针对分离元件2表面上的固体颗粒沉积为其提供了更好的保护–因为它们的穿透(尤其是穿过层1a和1b的结构的穿透)被减小至低于当前提供的过滤系统的水平。因此，分离元件2的表面的疏水性属性并不受到因固体颗粒沉积在其上而引起的不受控的变化。此外，合适地设计的涡旋导叶6所确保的排放间隙3中的流体动力学条件最小化了液滴和固体颗粒沉积在分离元件2的表面上的现象，并且支持所述元件2的自清洁。
本发明的示例性实施例：
在示出了根据本发明的分离系统的构思(即两相分离器，其为本发明的目的)的实例中，根据本发明执行了如下测量：从形成连续相(有待净化的介质)的柴油燃料移除水(该水形成扩散相)的效率，以及从形成连续相(有待净化的介质)的柴油燃料移除构成固相的Fe3O4固体颗粒的效率。在将要被过滤的原材料(其为被过滤的介质)中，连续相为可商业获得的低硫柴油，其中水滴扩散并且以1500mg/l(自由水)的浓度悬浮并具有在0.4-32μm的范围中的大小，以及赤铁矿Fe3O4的颗粒大小在50-500nm的范围中，且质量浓度为20mg/l。
分离系统根据图1中所示的实施例构造，其中过滤-合并元件1是分层的聚酯无纺织物。第一层(在将要被过滤的浆料的流动方向上看)，即具有15mm厚度的过滤层1a，由具有300-600nm之间的直径和92％的平均多孔性的聚酯纤维组成，在该层1a的表面上，固定了具有5nm颗粒直径的胶质硅石的颗粒。合并层1b由具有0.5-20μm范围中的大小的聚合纤维(诸如聚丙烯或聚酯)制成的结构构成，而滴下层1c由具有70-120μm范围的大小的聚合纤维(诸如聚丙烯或聚酯)制成的结构构成。合并结构1b，c分别具有以下厚度：合并层1b的厚度-4mm，其中发生纤维多孔性和大小的连贯的连续变化的过渡区域TR的厚度-2mm，以及滴下层1c的厚度-5mm。
分离元件2布置成距过滤-合并元件1为4-8mm的距离，该距离为在滴下层1c的出口表面(即面向分离元件2的表面)与由分离元件2的褶皱的外凸脊8限定的假想圆柱表面的表面之间计算的距离。所述分离元件2由纤维质材料制成，其具有褶皱表面形式的已开发的表面，在该表面上，应用了由NanoX GmbH公司提供的可商业获得的悬浮液EC-1206，以用于疏水化。分离元件2的表面的开发通过将元件2成形为褶皱形式而实现，该褶皱形式具有高度为10mm且褶皱数量-40的褶皱。在到过滤-合并元件1的入口处的过滤的悬浮液的线性流率为2.5mm/s，且通过分离元件2的多孔结构的表面速度(或者表面上的流入速度)为0.15mm/s。
基于分离的赤铁矿颗粒和水滴的浓度测量，确定过滤-合并元件1对于赤铁矿颗粒的分离的质量有效性等于99.95％，且基于被净化的柴油中的不溶的水(即小滴)在分离元件2下游的浓度的测量，被净化的柴油中的不溶的水(即小滴)的分离效率等于99.3％。以上两个效率都与通向根据本发明的具有上述结构的分离系统的有待净化的初始柴油的入口流中的赤铁矿和水的给定浓度相关。
在上文所呈现的说明书和实施例中，提供了这样一种情况，其中在过滤-合并元件1中，在合并层1b与滴下层1c之间、它们的界面区域中，存在过渡区域TR，其中(即在合并层和滴下层的共同边界上)进行从合并层1b的多孔性边界值(即合并层的边界上的局部多孔性值)到滴下层1c的多孔性边界值(即滴下层1c的边界上的局部多孔性值)的连贯和连续的多孔性变化。然而，还可能使得过滤-合并元件1在那两个层1b和1c之间没有这样的过渡区域，且多孔性的变化可贯穿和跨过整个合并-滴下结构1b，c在上述多孔性范围中连贯地进行。
此外，应当理解，虽然在上文的描述中，分离系统呈现为用于从液体形式的连续相过滤出固体颗粒以及也是液体(但为另一液体)的扩散相小滴形式的杂质，且要求保护的本发明的保护范围也覆盖分离系统用于这种类型的将要被过滤的介质的这样的应用，但本领域技术人员可容易地修改本发明的该实施例以用于其它应用，例如用于净化构成连续相和/或扩散相的其它液体或流体介质，例如同样其中一个或两个相由气态介质或液体/气体混合物构成。

Claims (12)

1.一种用于从将通过过滤而被净化的介质中同时去除固相颗粒和扩散相小滴的分离系统，所述将通过过滤而被净化的介质为悬浮液或乳液形式的被过滤的介质，即包括所述固相颗粒和液体的扩散相的液体连续相，所述扩散相的液体以悬浮在与其不可混合的液体连续相中的小滴的形式扩散，所述连续相组成将要被过滤的所述介质，其中所述分离系统具有多层纤维结构的形式，所述多层纤维结构为自支承设计构造或支承在一个或多个穿孔支承元件(EN1，EN2)上的构造，所述一个或多个穿孔支承元件(EN1，EN2)优选为圆柱形，且其设有将要被过滤的所述介质的入口和出口，其中所述分离系统包括在将要被过滤的所述介质从所述入口到所述出口的流动方向上连续地布置的、具有连续层形式的如下元件：
—纤维结构形式的过滤-合并元件(1)，
—分离元件(2)，其是所述扩散相的小滴阻隔层，所述元件由相对于所述扩散相的小滴具有厌恶性属性的纤维形成，且
—排放间隙(3)，设置在所述元件(1)和(2)之间，且使所述元件(1)和(2)彼此分离，所述间隙(3)是自由空间，用于所述扩散相的小滴在重力的影响下滴下，且与积聚空间(4)流体连通，所述扩散相的滴下的小滴收集在所述积聚空间(4)中，所述积聚空间(4)直接位于所述分离系统下方或所述系统上方，且其设有阀(5)，其中所述过滤-合并元件(1)是由至少两个层组成的无纺纤维结构，至少包括过滤结构，所述分离系统的特征在于：
所述过滤-合并元件(1)为由包装成盒的形式的纤维组成的深度无纺结构的形式，且在从将要被过滤的介质流入的所述入口朝向所述出口的流动方向上观察，其包括彼此前后顺序地布置的：
—过滤层(1a)，其为包括纳米大小的聚合物纤维的初始深度过滤层，其中组成层(1a)的所述纤维具有全面厌恶性表面属性，优选它们的表面相对于所述扩散相的小滴的超厌恶性属性由等于或者大于120°的接触角限定，且另外，过滤层(1a)是横跨其宽度具有多孔性梯度的结构，即：其多孔性跨过所述层在将要被过滤的所述介质的所述流动方向上从入口侧向出口侧减小，所述多孔性在范围为从90到95％的平均多孔性限值内；
—由聚合物纤维组成的合并层(1b)，且相邻地在其之后布置有，
—由聚合物纤维组成的滴下层(1c)，其中一起形成合并结构(1b，c)的后两个层两者均包装成纤维的深度梯度结构的形式，且其中多孔性梯度跨过整个合并结构(1b，c)相对于所述过滤层(1a)中的所述多孔性梯度沿相反的方向改变，即多孔性在将要被过滤的所述介质流的所述流动方向上增加，且其中组成以上列出的层(1b)和(1c)的聚合物纤维呈现出变化的表面属性，其由在所述流动方向上跨过所述合并结构(1b，c)沿着所述介质的所述流动的路径相对于所述扩散相的小滴变化的接触角限定，这样使得所述合并层(1b)中的多孔性沿着所述流动方向在从75％到95％的梯度范围中变化，且所述合并层(1b)中的所述纤维相对于所述扩散相的小滴呈现较差的亲密性表面属性和/或较差的厌恶性属性，这些属性由从45°到95°的范围中的接触角限定，而所述滴下层(1c)具有85-98％范围中的平均多孔性，且限定组成所述滴下层(1c)的所述纤维的表面属性的接触角在从75°到105°的范围中。
2.根据权利要求1所述的分离系统，其特征在于，所述过滤层(1a)包括纤维，该纤维的直径在250-800nm的范围中，且优选在400-600nm的范围中，并且具有5-20mm范围中的厚度，所述过滤-合并元件(1)的合并层(1b)包括直径大小在0.5-30μm，优选0.8-15μm的范围中且厚度在2-6mm范围中的纤维，且过滤-合并元件(1)的滴下层(1c)包括直径大小在40-120μm，优选60-90μm范围中且厚度在4-8mm范围中的纤维。
3.根据权利要求1或2所述的分离系统，其特征在于，在纤维制造过程期间，在所述合并层(1b)的纤维结构与所述滴下层(1c)的纤维结构之间，形成纤维结构的过渡区域，在该区域中，发生多孔性在边界值之间的、相应地从所述合并层(1b)的边界上的所述多孔性到所述滴下层(1c)的边界上的所述多孔性的连续平滑的改变，其中所述过渡区域的厚度在1-3mm范围中。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的分离系统，其特征在于，所述过滤层(1a)，即从将要被过滤的所述介质到所述系统的流入侧观察的第一层，的厚度是所述过滤-合并元件(1)的整体深度结构的厚度的20-70％，且其中组成所述过滤层(1a)的纤维覆盖有相对于悬浮在所述连续相中的形成小滴的扩散相具有厌恶性属性的物质，和/或在所述过滤层(1a)的所述纤维上形成粗糙度。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的分离系统，其特征在于，所述合并层(1b)和滴下层(1c)共同具有的厚度是所述过滤-合并元件(1)的总体深度结构的厚度的30-80％。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的分离系统，其特征在于，所述分离元件(2)由多孔材料制成，该多孔材料具有优选在0.5-50μm范围中的孔大小，其表面覆盖有相对于悬浮在所述连续相中的形成小滴的扩散相具有厌恶性属性的材料，且其具有优选在0.5-2mm范围中的厚度。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的分离系统，其特征在于，所述过滤-合并元件(1)在其入口侧上，即在将要被过滤的所述介质的流入侧上，的几何表面优选为分离元件(2)在其入口侧处，即面向排放间隙(3)的一侧处，的几何表面的1/50-1/5，其中那些几何表面的大小选择为使得在将要被过滤的所述介质穿过所述分离系统的给定的体积流率下，所述过滤-合并元件(1)的所述流入侧处的线性速度优选在1-20mm/s的范围中。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的分离系统，其特征在于，所述过滤-合并元件(1)和所述分离元件(2)两者均为中空圆柱的形式，其壁形成过滤结构，且所述圆柱相对于彼此同轴地布置，一个在另一个内部，并且由排放间隙(3)分离，所述排放间隙(3)在它们之间形成环形空间，该排放间隙(3)与所述积聚区(4)直接流体连通，用于收集从所述过滤-合并元件(1)流出并且在所述分离元件(2)上游从所述系统移除的大滴，其中所述分离元件(2)形成为褶皱元件。
9.根据权利要求1或根据前述权利要求中的任一项所述的分离系统，其特征在于，在构成所述排放间隙(3)的所述环形空间中，进一步布置多个涡旋导叶(6)，这些导叶(6)沿着所述过滤-合并元件(1)的面向所述排放间隙(3)的周边表面，即导叶(6)在其上隔开的所述滴下层(1c)的出口侧表面，而彼此隔开，其中所述导叶(6)相对于所述滴下层(1c)在所述扩散相的小滴的所述流出侧上定位和定向成角(α)，优选相对于所述滴下层(1c)的面向所述排放间隙(3)的所述表面限定的圆柱形表面的切线设置在15—45°的范围中。
10.根据权利要求9所述的分离系统，其特征在于，其包括形成所述过滤-合并元件(1)的内芯的支承元件(EN1)，其优选为涡旋导叶(6)安装于其上的单独的构造元件。
11.根据权利要求9所述的分离系统，其特征在于，所述过滤-合并元件(1)具有自支承构造，其并不需要任何额外支承，且其中并未提供任何形成所述过滤-合并元件(1)的内芯的单独的支承元件，而所述涡旋导叶(6)安装至它们自身的支承结构上，且与该支承结构一起形成单独的构造元件，其构造为插入所述排放间隙(3)中以及形成所述过滤-合并元件(1)的额外的构造支承。
12.根据权利要求9所述的分离系统，其特征在于，所述涡旋导叶(6)具有优选在10-45mm范围中的长度，且设置在所述排放间隙(3)中、在所述环形空间中的所述涡旋导叶(6)的数量优选在8-32的范围中。
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