DE112010002027B4

DE112010002027B4 - Koaleszenzabscheider und Verwendung eines Koaleszenzabscheiders in einem Koaleszenzsystem

Info

Publication number: DE112010002027B4
Application number: DE112010002027.2T
Authority: DE
Inventors: Barry M. Verdegan; Brian W. Schwandt; Soondeuk Jeung; Mark T. Wieczorek
Original assignee: Cummins Filtration IP Inc
Current assignee: Cummins Filtration IP Inc
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2010-05-14
Publication date: 2021-12-09
Anticipated expiration: 2030-05-15
Also published as: DE112010002027T5; CN105477903A; CN102596862B; US9199185B2; US20110124941A1; WO2010132785A2; WO2010132785A3; CN105477903B; CN102596862A

Abstract

Koaleszenzabscheider, umfassend Koaleszenzmedien für das Koaleszieren einer Mischung von zwei Phasen, nämlich einer kontinuierlichen Phase, die Kohlenwasserstoffflüssigkeit umfasst, und einer dispergierten Phase, die Wasser umfasst, wobei die Mischung durch die Medien von stromaufwärts nach stromabwärts fließen kann, wobei die Medien eine erste Schicht von Medienmaterial zum Filtrieren der Mischung umfassen, wobei das Medienmaterial der ersten Schicht eine mittlere Porengröße M1hat, dadurch gekennzeichnet,dass zusätzlich eine zweite Schicht von Medienmaterial mit einer mittleren Porengröße M2vorgesehen ist,dass die erste Schicht von Medienmaterial an einer stromaufwärtigen Seite der zweiten Schicht von Medienmaterial grenzt,dass sich die aneinander grenzenden Schichten von Medienmaterial in einer Reihe von stromaufwärts nach stromabwärts erstrecken, nämlich stromaufwärts die erste Schicht von Medienmaterial und stromabwärts die zweite Schicht von Medienmaterial,dass die erste Schicht von Medienmaterial durch die dispergierte Phase in der kontinuierlichen Phase benetzbar ist,dass die dispergierte Phase Wassertröpfchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße umfasst, welche größer als die mittlere Porengröße M2des Medienmaterials der zweiten Schicht ist,dass das Medienmaterial der zweiten Schicht unbenetzbar bezüglich der dispergierten Phase ist,dass das Medienmaterial der zweiten Schicht eine maximale Porengröße MM2besitzt und 1 ≤ MM2/M2≤ 3 gilt unddass 0,2 µm ≤ M2≤ 12,0 µm gilt und M1> M2ist.

Description

HINTERGRUND
Das Gebiet der Erfindung betrifft Koaleszenzabscheider, Koaleszenzelemente, Koaleszenzsysteme, Koaleszenzverfahren und Koaleszenzmedien zum Koaleszieren einer Mischung von zwei Phasen, nämlich einer kontinuierlichen Phase und einer dispergierten Phase. Insbesondere betrifft das Gebiet Koaleszenzabscheider, Koaleszenzelemente, Koaleszenzsysteme, Koaleszenzverfahren und Koaleszenzmedien zum Koaleszieren von Tropfen der dispergierten Phase, um die dispergierte Phase aus der Mischung zu gewinnen und zu entfernen.
Koaleszenzabscheider werden in breitem Umfang zur Entfernung von unvermischbaren Tröpfchen aus einer gasförmigen oder flüssigen kontinuierlichen Phase eingesetzt, wie bei der Kurbelgehäuseentlüftungs(CV)-Filtration, Kraftstoff Wasser-Trennung (FWS) und der ÖI-WasserTrennung. Koaleszenzabscheider-Designs nach dem Stand der Technik verkörpern die Prinzipien eines/einer verstärkten Auffangens und Koaleszenz von Tröpfchen durch die Nutzung eines stufenweisen Auffangens (d. h. Verringern des Faserdurchmessers, der Porengröße und/oder der Porosität in Koaleszenzmedien) oder durch die Nutzung von Koaleszenzabscheidern von großer Tiefe (thick depth coalescers). Die Benetzbarkeit beeinflusst bekannterweise die Koaleszenzabscheider-Leistung. (Siehe z. B. US 6 767 459 A und die veröffentlichten Patentanmeldungen US 2007 / 0 131 235 A1 und US 2007 / 0 062 887 A1 ). Das Patent US 5 443 724 A offenbart, dass die Medien eine größere Oberflächenenergie als Wasser aufweisen sollten, um die Koaleszenzabscheider - Leistung zu verbessern (d. h., dass die Medien vorzugsweise sowohl durch koaleszierende Tröpfchen als auch kontinuierliche Phasen benetzt werden sollten). Das Patent US 4 081 373 A offenbart, dass Koaleszenzmedien hydrophob sein sollten, um Wasser aus Brennstoff zu entfernen. Die veröffentlichte U.S.-Patentanmeldung Nr. 2006-0242933 offenbart einen Ölnebel-Koaleszenzabscheider, in welchem die Filtrationsmedien oleophob sind, wodurch ermöglicht wird, dass der Fluidnebel zu Tröpfchen koalesziert und aus den Filtrationsmedien abfließen kann.
Bezüglich der Entfernung von Wasser aus Kraftstoff bzw. Brennstoff besteht die Notwendigkeit, die Entfernungseffizienz zu erhöhen und kleinere Tröpfchen als in der Vergangenheit zu entfernen, um Hochdruck-Rail-Kraftstoffeinspritzsysteme zu schützen. Diese Herausforderung wird durch die Einführung von neuen Kraftstoffen mit geringeren Grenzflächenspannungen und unterschiedlichen Additivpackungen als bei Kraftstoffen in der Vergangenheit noch größer. Bei Kraftstoffen mit geringerer Grenzflächenspannung wird die Größe von dispergierten Tröpfchen verringert, wodurch die Tropfen dann schwieriger zu entfernen sind. Eine verstärkte Koaleszenz ist daher erforderlich, um diesen Herausforderungen gerecht zu werden. Verbesserte Koaleszenzabscheider, die verbesserte Koaleszenzmedien einschließen, sind ebenfalls erwünscht, weil sie die Verwendung einer kleineren Medienpackung im Hinblick auf eine verbesserte Koaleszenzeffizienz erlauben. Bei Kraftstoffen mit einer geringeren Grenzflächenspannung nimmt die Tropfengröße ab, wodurch die Tropfen dann schwieriger zu entfernen sind.
Im Falle von Kraftstoff, bei einer Hochdruck-Common-Rail-(HPCR-) Anwendung, sollte im Wesentlichen das gesamte ungelöste Wasser aus Dieselkraftstoff und Biodiesel mit extrem niedrigem Schwefelgehalt (ULSD) entfernt werden. Diese Kraftstoffe weisen eher niedrigere Grenzflächenspannungen und daher eine kleinere Tropfengröße und stabilere Emulsionen als früherer Dieselkraftstoff auf. Außerdem kann die Koaleszenzrate zwischen Tropfen durch das Vorhandensein von oberflächenaktiven Stoffen reduziert werden. Herkömmliche FWS sind eher einstufige Vorrichtungen, in welchen die Medien bezüglich der dispergierten Phase phobisch sind und als eine Barriere für die dispergierte Phase fungieren. Herkömmliche FWS tendieren dazu, keine angemessene Entfernung für HPCR-Systeme vorzusehen, da sie für die einer Kraftstoffpumpe vorgeschaltete Verwendung mit Kraftstoffen mit hoher Grenzflächenspannung bestimmt sind, und daher ist deren Porengröße eher zu groß, um die kleinen Tropfen wirksam aufzufangen. Auch besitzen FWS-Medien selbst dann, wenn die mittlere Porengröße ausreichend klein ist, typischerweise eine maximale Porengröße, die groß genug ist, dass überschüssige Mengen an Wasser durch diese großen Poren fließen. Herkömmliche zweistufige Kraftstoff-Wasser-Koaleszenzabscheider (FWC) sind für den der Kraftstoffpumpe nachgeschalteten Einsatz konzipiert und sind eher zweistufige Vorrichtungen für Kraftstoff, in denen die erste Stufe die Tropfen auffängt, sie festhält, so dass es zu einer Koaleszenz kommen kann, danach die vergrößerten Tropfen abführt, die durch Sedimentation/ Absetzen entfernt werden, und zwar typischerweise nachdem sie durch die zweite Separatorstufe blockiert wurden (wobei die zweite Separatorstufe als ein FWS fungiert). Herkömmliche zweistufige FWC tendieren dazu, eine höhere Entfernungseffizienz als FWS vorzusehen, haben aber eher eine unzureichende Lebensdauer infolge von Verstopfung durch Feststoffe oder Halbfeststoffe. In unterschiedlichen Graden werden sowohl FWS als auch FWC durch das Vorhandensein von oberflächenaktiven Stoffen, welche die Grenzflächenspannung verringern, die Tropfengröße reduzieren, die Koaleszenzrate verlangsamen, Emulsionen stabilisieren und an Medien adsorbieren können und dieses weniger wirksam machen können, negativ beeinflusst. Aus diesem Grund besteht Bedarf nach einem hocheffizienten Kraftstoff Wasser-Koaleszenzabscheider mit geringem Druckabfall, welcher durch eine geringe Grenzflächenspannung und das Vorhandensein von oberflächenaktiven Stoffen nur minimal beeinträchtigt wird.
Für CV-Anwendungen ist eine nahezu 100%ige Entfernungseffizienz von Ölnebel erforderlich, um den Turbolader in geschlossenen CV-Anwendungen zu schützen und um die Umwelt in offenen CV-Anwendungen zu schützen. Zunehmend wird nach hoher Effizienz, geringem Druckabfall und längerer Lebensdauer verlangt. Um dies zu bewerkstelligen, sollten die Medien gegen Verstopfen geschützt werden, Tröpfchen im Submikronbereich müssen entfernt werden, und das Öl muss schnell aus den Medien abfließen.
DE 4 343 754 A1 offenbart ein Flüssigkeitsreinigungssystem das eine erste Flüssigkeit, die vollständig oder teilweise unmischbar in einer zweiten, eine kontinuierliche Phase bildende Flüssigkeit ist und mit dieser eine diskontinuierliche Phase bildet, aus der zweiten Flüssigkeit trennt. Das System weist eine koaleszierende Anordnung zum Koaleszieren der ersten Flüssigkeit und eine trennende Anordnung zum Trennen von Tröpfchen der ersten Flüssigkeit aus der zweiten Flüssikeit auf Die koaleszierende Anordnung und die trennende Anordnung sind in übereinander gelagerter und sind in fluid-kommunizierbarer Beziehung angeordnet.
DE 195 08 241 A1 offenbart eine Koaleszenzanordung die ein Koaleszenzelement mit einem Packungsmaterial umfasst, welches im wesentlichen chemisch inert gegen eine von einer flüssigen organischen Phase zu entfernende korrosive wässrige Lösung ist und eine kritische Benetzungsoberflächenspannung aufweist, welche zwischen der Oberflächenspannungen der wässrigen Lösung und der mit Wasser unmischbaren organischen flüssigen Phase liegt.
US 4 229 297 A offenbart eine poröse Membran für die Permeationstrennung eines Öls von einer ölhaltigen Emulsion erwiesen. Die Membran hat, an ihrer Oberfläche, eine kritische Oberflächenspannung von weniger als 35 Dyn / cm und hat einem durchschnittlichen Porendurchmesser von 0,03 µm bis 5 µm, eine Porenradiusverteilung von nicht mehr als 1,5 und einer Porosität von 1 bis 85% permeationstrennt nur das Öl.
US 2006 / 0 207 234 A1 offenbart Filterelemente zum Entfernen eines in einer Trägerflüssigkeit dispergiert flüssigen Material. Das Filterelement umfasst einen flüssigkeitsdurchlässigen Körper, der mehrere thermoplastische Fasern umfasst. Die Fasern definieren gemeinsam einen gewundenen Fluidströmungsweg durch den Fluidtransmissionskörper von einer Fluideinlassfläche zu einer Fluidauslassfläche fließen. Mindestens ein Teil der thermoplastischen Fasern umfasst ein oberflächenbildendes Material mit einer Oberflächenenergie, die geringer ist als eine Oberflächenspannung des zu entfernenden Materials ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Es werden Koaleszenzmedien, Koaleszenzabscheider, Koaleszenzelemente, Koaleszenzsysteme und Koaleszenzverfahren zum Koaleszieren einer Mischung von zwei unvermischbaren Phasen, nämlich einer kontinuierlichen und einer dispergierten Phase, offenbart. Die offenbarten Koaleszenzabscheider, Elemente, Systeme und Verfahren können genutzt werden, um die dispergierte Phase aus der Mischung zu entfernen oder zu gewinnen, und können eine einzelne Schicht oder mehrere Schichten von Medienmaterial umfassen oder daraus bestehen.
Erfindungsgemäß werden ein in Anspruch 1 beanspruchter Koaleszenzabscheider und die in Anpruch 17 beanspruchte Verwendung eines Koaleszenzabscheiders in einem Koaleszenzsystem bereitgestellt.
Die offenbarten Koaleszenzmedien, Koaleszenzabscheider, Elemente, Systeme und Verfahren sind für das Auffangen von Tröpfchen einer dispergierten Phase aus einer Mischung der dispergierten Phase und einer kontinuierlichen Phase konfiguriert. In den Koaleszenzabscheidern, Systemen und Verfahren wird die Mischung von stromaufwärts kommend nach stromabwärts durch eine oder mehrere Schichten von Koaleszenzmedien geleitet. Während die Mischung durch die Medien geleitet wird, koaleszieren Tröpfchen der dispergierten Phase und wachsen auf der stromaufwärtigen Oberfläche der Medien bis zu einer ausreichenden Größe an, wobei sie abgegeben, entleert oder gesammelt werden. Die Koaleszenzmedien können eine einzelne Schicht von Medienmaterial einschließen, das durch die dispergierte Phase in der kontinuierlichen Phase relativ unbenetzbar ist, und schließen gegebenenfalls zusätzliche Schichten von Medienmaterial ein.
Die offenbarten Koaleszenzabscheider, Elemente, Systeme und Verfahren können genutzt werden, um jedwede geeignete Mischung koaleszieren zu lassen, die eine kontinuierliche Phase und eine dispergierte Phase einschließt. Typischerweise sind die kontinuierliche Phase und die dispergierte Phase unvermischbare Flüssigkeiten. Zum Beispiel können die offenbarten Systeme und Verfahren zum Koaleszieren von Wasser, das in einer Kohlenwasserstoffflüssigkeit (z. B. Kohlenwasserstoff-Brennstoff, Dieselkraftstoff, Biodieselkraftstoff, Schmieröl, Hydrauliköl oder Getriebeöl) dispergiert ist, konfiguriert oder genutzt werden. In anderen Ausführungsformen ist die kontinuierliche Phase Wasser und die dispergierte Phase ist Kohlenwasserstoffflüssigkeit. In weiteren Ausführungsformen ist die kontinuierliche Phase ein Gas und die dispergierte Phase ist eine Flüssigkeit.
Das Koaleszenzmedium kann eine einzelne Schicht von Medienmaterial einschließen, das durch die dispergierte Phase in der kontinuierlichen Phase relativ unbenetzbar ist, um die Koaleszenz der dispergierten Phase an der stromaufwärtigen Seite des Medienmaterials zu erleichtern. Vorzugsweise ist die stromaufwärtige Oberfläche (oder Seite) des Medienmaterials relativ glatt (z. B. durch Unterwerfen der Oberfläche einem Kalandrieren), um das Abfließen von koaleszierten Tropfen der dispergierten Phase zu erleichtern.
Die einzelne Schicht hat eine mittlere Porengröße M, die durch ein Porometer bestimmt werden kann. Typischerweise ist die mittlere Porengröße für die einzelne Schicht kleiner als die durchschnittliche Tröpfchengröße für die dispergierte Phase der Mischung. Die mittlere Porengröße der einzelnen Schicht kann eine bevorzugte Größe haben. In einigen Ausführungsformen ist 0,2 µm ≤ M ≤ 12,0 µm (vorzugsweise 2,0 µm ≤ M ≤ 10,0 µm, oder stärker bevorzugt 4,0 µm ≤ M ≤ 8,0 µm). Die einzelne Schicht kann weiter eine maximale Porengröße M_M haben. Vorzugsweise hat die einzelne Schicht eine maximale Porengröße M_M und 1 ≤ M_M/M ≤ 3, oder stärker bevorzugt 1 ≤ M_M/M ≤ 2.
Die einzelne Schicht von Medienmaterial weist einen Kapillardruck P auf. Der Kapillardruck für die Schicht kann definiert werden als: $P = \frac{4 γ c o s θ}{M}$
worin P = lokaler Kapillardruck für die Schicht;
γ = Grenzflächenspannung;
θ = Kontaktwinkel eines Tropfens der dispergierten Phase in der kontinuierlichen Phase auf der Schicht; und
M = Porengröße für die Schicht.
Die einzelne Schicht von Medienmaterial ist durch die dispergierte Phase in der kontinuierlichen Phase relativ unbenetzbar. In einigen Ausführungsformen ist der Kontaktwinkel für einen Tropfen von dispergierter Phase in der kontinuierlichen Phase auf dem Medienmaterial, θ, nicht kleiner als 90°, und vorzugsweise nicht kleiner als 120° (stärker bevorzugt nicht kleiner als 135°).
Die einzelne Schicht von Medienmaterial besitzt eine Porosität ε. Vorzugsweise ist die Porosität ε nicht geringer als 0,8. In einigen Ausführungsformen schließt die einzelne Schicht von Medienmaterial eine Schicht von relativ feinen Fasern mit einem mittleren Durchmesser zwischen 0,07 µm, und 3,0 µm (vorzugsweise zwischen 0,15 µm und 1,5 µm), getragen von einem Substrat von relativ gröberen Fasern mit einem mittleren Durchmesser, der größer als der mittlere Durchmesser der relativ feinen Fasern ist, ein (z. B., wo die relativ gröberen Fasern einen mittleren Durchmesser haben, der größer als etwa 10 µm, vorzugsweise größer als etwa 20 µm ist). In anderen Ausführungsformen schließt die einzelne Schicht eine heterogene Mischung ein, die relativ feine Fasern mit einem Durchmesser zwischen 0,07 µm und 3,0 µm (vorzugsweise zwischen 0,15 µm und 1,5 µm) und relativ gröbere Fasern mit einem Durchmesser, der größer als der mittlere Durchmesser der relativ feinen Fasern ist, aufweisen (z. B., wo die relativ gröberen Fasern einen mittleren Durchmesser haben, der größer als etwa 10 µm, vorzugsweise größer als etwa 20 µm ist).
Die einzelne Schicht hat vorzugsweise eine Dicke, die für das Koaleszieren einer dispergierten Phase in einer kontinuierlichen Phase geeignet ist. In einigen Ausführungsformen hat die einzelne Schicht eine Dicke, wie von stromaufwärts nach stromabwärts gemessen, zwischen etwa 0,05 und 0,4 mm (vorzugsweise 0,1 und 0,3 mm).
In weiteren Ausführungsformen schließt das offenbarte Koaleszenzmedium mindestens zwei benachbarte Schichten ein, die sich in Reihe von stromaufwärts nach stromabwärts erstrecken, nämlich mindestens eine erste Schicht und mindestens eine zweite Schicht, wobei die zweite Schicht die Charakteristika der einzelnen Schicht aufweisen kann, wie weiter oben beschrieben. Die erste Schicht hat eine mittlere Porengröße M₁, die größer als die mittlere Porengröße der zweiten Schicht M₂ ist, zum Beispiel wie durch ein Porometer bestimmt. In einigen bevorzugten Ausführungsformen ist M₁ um mindestens das etwa 2,5-Fache größer als M₂ (vorzugsweise mindestens das etwa 5-Fache größer als M₂, oder stärker bevorzugt mindestens um das etwa 10-Fache größer als M₂, noch stärker bevorzugt mindestens um das etwa 20-Fache größer als M₂). Die mittleren Porengrößen der ersten Schicht und der zweiten Schicht können eine bevorzugte Größe haben. In einigen Ausführungsformen kann M₁ nicht kleiner als etwa 30 µm (vorzugsweise nicht kleiner als etwa 180 µm) sein. In anderen Ausführungsformen ist 0,2 µm ≤ M₂ ≤ 12,0 µm (vorzugsweise 2,0 µm ≤ M₂ ≤ 10,0 µm, oder stärker bevorzugt 4,0 µm ≤ M₂ ≤ 8,0 µm).
Die erste Schicht und die zweite Schicht können weiterhin maximale Porengrößen M_M1 bzw. M_M2 haben. Vorzugsweise hat die zweite Schicht eine maximale Porengröße M_M2 und 1 ≤ M_M2/M₂ ≤ 3; stärker bevorzugt 1 ≤ M_M2/M₂ ≤ 2.
Bei den offenbarten Koaleszenzmedien weisen die erste Schicht und die zweite Schicht Kapillardrücke P₁ bzw. P₂ auf. Der Kapillardruck für eine Schicht kann definiert werden als: $P_{1} = \frac{4 γ c o s θ_{1}}{M_{1}}$
worin P = lokaler Kapillardruck für die angegebene Schicht I;
γ = Grenzflächenspannung;
θ = Kontaktwinkel eines Tropfens der dispergierten Phase in der kontinuierlichen Phase auf der Schicht; und
M = Porengröße für die angegebene Schicht I.
In einigen Ausführungsformen der hierin offenbarten Koaleszenzmedien ist P₁ ≥ P₂.
Bei den offenbarten Koaleszenzmedien schließt die erste Schicht Medienmaterial ein, das durch die dispergierte Phase in der kontinuierlichen Phase im Vergleich zu der zweiten Schicht relativ benetzbar ist, und im Gegensatz dazu schließt die zweite Schicht Medienmaterial ein, das durch die dispergierte Phase in der kontinuierlichen Phase im Vergleich zu der ersten Schicht relativ unbenetzbar ist. In einigen Ausführungsformen ist der Kontaktwinkel für einen Tropfen von dispergierter Phase in der kontinuierlichen Phase auf der Schicht eins, θ₁, nicht größer als 90° und vorzugsweise nicht größer als 45°. In weiteren Ausführungsformen ist der Kontaktwinkel für einen Tropfen von dispergierter Phase in der kontinuierlichen Phase auf der Schicht zwei, θ₂, nicht kleiner als 90° und vorzugsweise nicht kleiner als 120° (stärker bevorzugt nicht kleiner als 135°).
Bei den offenbarten Koaleszenzmedien umfassen die erste Schicht und die zweite Schicht Filtermedien mit Porositäten ε₁ bzw. ε₂. Vorzugsweise umfasst die zweite Schicht Filtermedien (optional faserartige Filtermedien) mit einer Porosität ε₂, die nicht geringer als 0,8 ist. Bei einigen Ausführungsformen schließt die zweite Schicht von Medienmaterial eine Schicht von relativ feinen Fasern mit einem mittleren Durchmesser zwischen 0,07 µm und 3,0 µm (vorzugsweise zwischen 0,15 µm und 1.5 µm) ein, getragen auf einem Substrat von relativ gröberen Fasern mit einem mittleren Durchmesser, der größer als der mittlere Durchmesser der relativ feinen Fasern ist (z. B., wo die relativ gröberen Fasern einen mittleren Durchmesser haben, der größer als etwa 10 µm, vorzugsweise größer als etwa 20 µm ist). Bei anderen Ausführungsformen schließt die zweite Schicht eine heterogene Mischung ein, welche relativ feine Fasern mit einem Durchmesser zwischen 0,07 µm und 3,0 µm (vorzugsweise zwischen 0,15 µm und 1,5 µm) und relativ gröbere Fasern mit einem Durchmesser, der größer als der mittlere Durchmesser der relativ feinen Fasern ist, umfasst (z. B., wo die relativ gröberen Fasern einen mittleren Durchmesser von größer als etwa 10 µm, vorzugsweise größer als etwa 20 µm haben).
Die zweite Schicht hat vorzugsweise eine Dicke, die für das Koaleszieren einer dispergierten Phase in einer kontinuierlichen Phase geeignet ist. Bei einigen Ausführungsformen hat die zweite Schicht eine Dicke, wie von stromaufwärts nach stromabwärts gemessen, zwischen etwa 0,05 und 0,4 mm (vorzugsweise 0,1 und 0,3 mm).
Die aneinandergrenzenden Oberflächen der ersten Schicht und der zweiten Schicht (d. h., die stromabwärtige Oberfläche der ersten Schicht und die stromaufwärtige Seite der zweiten Schicht) können so konfiguriert werden, um das Abfließen von koaleszierten Tropfen der dispergierten Phase zu erleichtern. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform der hierin offenbarten Koaleszenzmedien die stromabwärtige Oberfläche der ersten Schicht Fasern umfassen, die in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung orientiert sind, und/oder die stromaufwärtige Oberfläche der zweiten Schicht kann relativ glatt sein (z. B. durch Unterwerfen der Oberfläche einem Kalandrieren), um das Abfließen der koaleszierten Tropfen der dispergierten Phase zu erleichtern.
Die Komponenten der offenbarten Koaleszenzabscheider, Elemente, Systeme und Verfahren können in jeder beliebigen geeigneten Konfiguration angeordnet werden. In einigen Ausführungsformen können die Komponenten sich in Reihe von stromaufwärts nach stromabwärts in einer axialen Richtung erstrecken (z. B., wo die Komponenten als ein lineares Koaleszenzelement konfiguriert sind), oder in anderen Ausführungsformen können die Komponenten sich in Reihe von stromaufwärts nach stromabwärts in einer radialen Richtung erstrecken (z. B., wo die Komponenten als ein zylindrisches Koaleszenzelement unter Nutzung entweder einer Inside-out- oder einer Outside-in-Strömungskonfiguration konfiguriert sind). Die Koaleszenzmedien können auch in einer Flat-panel- oder anderen Anordnung konfiguriert sein.
Die offenbarten Koaleszenzabscheider, Elemente, Systeme und Verfahren können wahlweise ein Gehäuse einschließen oder nutzen. Das Gehäuse kann einen stromaufwärtigen Einlass einschließen, der so strukturiert ist, um die Mischung aufzunehmen, einen ersten stromabwärtigen Auslass, der so strukturiert ist, um die gereinigte Mischung (mit einer verringerten Konzentration der dispergierten Phase) nach dem Koaleszieren abzuführen, und gegebenenfalls eine zweite Auslassstruktur, um die koaleszierte dispergierte Phase abzuführen. Vorzugsweise befindet sich der zweite Auslass auf der stromaufwärtigen Seite des Medienmaterials, aber stromabwärts des stromaufwärtigen Einlasses.
Die offenbarten Koaleszenzmedien, Koaleszenzabscheider, Koaleszenzelemente, Koaleszenzsysteme und Koaleszenzverfahren schließen typischerweise eine einzelne Schicht von Medienmaterial (oder gegebenenfalls mehrere Schichten von Medienmaterial) zum Koaleszieren einer dispergierten Phase von einer Mischung der dispergierten Phase in einer kontinuierlichen Phase ein oder nutzen diese. Gegebenenfalls können die Koaleszenzabscheider, Koaleszenzelemente, Koaleszenzsysteme und Koaleszenzverfahren zusätzliche Medien (z. B. zusätzliche Medien, die stromabwärts des Koaleszenzmedienmaterials angeordnet sind) einschließen oder nutzen. In einigen Ausführungsformen können die offenbarten Koaleszenzabscheider, Koaleszenzelemente, Koaleszieren und Koaleszenzverfahren weiterhin ein zusätzliches hydrophobes Medienmaterial zum Entfernen von Wasser einschließen oder nutzen, wo das zusätzliche hydrophobe Medienmaterial stromabwärts der einzelnen Schicht von Medienmaterial positioniert ist (oder gegebenenfalls mehreren Schichten von Medienmaterial). In einigen Ausführungsformen können die offenbarten Koaleszenzmedien, Koaleszenzabscheider, Koaleszenzelemente, Koaleszenzsysteme und Koaleszenzverfahren weiterhin eine zusätzliche Medienunterschicht stromabwärts der Koaleszenzschicht zur strukturellen Unterstützung der Struktur einschließen oder nutzen.
In einigen Ausführungsformen können die offenbarten Koaleszenzabscheider, Elemente, Systeme oder Verfahren zum Entfernen von in einer hydrophoben Flüssigkeit dispergiertem Wasser genutzt werden, darin eingeschlossen, aber nicht beschränkt auf, Kohlenwasserstoff-Brennstoff, Dieselkraftstoff, Biodieselkraftstoff, Schmieröl, Hydrauliköl oder Getriebeöl. Vorzugsweise entfernen die Koaleszenzabscheider, Systeme oder Verfahren mindestens etwa 93% von in flüssigem Kohlenwasserstoff-Brennstoff dispergiertem Wasser (stärker bevorzugt mindestens etwa 95% von in flüssigem Kohlenwasserstoff-Brennstoff dispergiertem Wasser, noch stärker bevorzugt mindestens etwa 97% von in flüssigem KohlenwasserstoffBrennstoff dispergiertem Wasser, am meisten bevorzugt mindestens etwa 99% von in flüssigem Kohlenwasserstoff-Brennstoff dispergiertem Wasser), nachdem der flüssige Kohlenwasserstoff Brennstoff durch die Koaleszenzabscheider und Systeme geleitet wurde oder den Verfahren unterworfen wurde. In anderen Ausführungsformen können die Koaleszenzabscheider, Koaleszenzelemente, Koaleszenzsysteme und Koaleszenzverfahren zum Entfernen von in Wasser dispergierter Kohlenwasserstoffflüssigkeit genutzt werden.
Figurenliste

1 zeigt eine nicht erfindungsgemäße konzeptionelle Illustration eines Oberflächenkoaleszenzverfahrens, wie hierin in Betracht gezogen.
2 veranschaulicht ein Verfahren zum Bestimmen des Kontaktwinkels θ für einen dispergierten Tropfen auf einer Medienphase.
3 zeigt einen Einheitswürfel als ein Modell zum Bestimmen von M als eine Funktion von d (Faserdurchmesser) und ε, wie hierin weiter erörtert wird.
4 veranschaulicht das Verhältnis zwischen Porosität und Faserdurchmesser für unterschiedliche Porengrößen.
5 veranschaulicht das Verhältnis zwischen Kapillardruck und Kontaktwinkel für unterschiedliche Porengrößen der Schicht der hierin offenbarten Koaleszenzmedien.
6 zeigt eine konzeptionelle Illustration eines Oberflächenkoaleszenzverfahrens, wie hierin in Betracht gezogen.
7 veranschaulicht das Verhältnis zwischen Kapillardruck und Kontaktwinkel für unterschiedliche Porengrößen der ersten Schicht der hierin offenbarten Koaleszenzmedien.
8 veranschaulicht das Verhältnis zwischen Kapillardruck und Porengröße für unterschiedliche Grenzflächenspannungen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es werden Koaleszenzabscheider, Systeme und Verfahren zum Koaleszieren einer Mischung von zwei Phasen, nämlich einer kontinuierlichen Phase und einer dispergierten Phase, offenbart. Die offenbarten Koaleszenzabscheider, Systeme und Verfahren können zum Auffangen und Entfernen der dispergierten Phase aus der Mischung genutzt werden.
Die offenbarten Koaleszenzabscheider, Systeme und Verfahren schließen Koaleszenzmedien ein oder nutzen dieses, welches eine einzelne Schicht von Medienmaterial umfasst oder alternativ aus diesem besteht. Wie hierin in Betracht gezogen, kann die Schicht eine(n) erwünschte(n) Porengröße, Kapillardruck, Porosität und Festigkeit aufweisen. Die Begriffe „Porengröße“, „Kapillardruck“, „Porosität“, „Faserdurchmesser“ und „Festigkeit“ können sich auf „Durchschnitts“- oder „Mittel“-Werte für diese Begriffe beziehen (z. B., wo die Schicht nicht-homogen oder gestuft ist, und „Porengröße“, „Kapillardruck“, „Porosität“, „Faserdurchmesser“ und „Festigkeit“ werden als mittlere Porengröße, durchschnittlicher Kapillardruck, durchschnittliche Porosität, durchschnittlicher Faserdurchmesser oder durchschnittliche Festigkeit für die nicht-homogene oder gestufte Schicht ausgewiesen).
Die offenbarten Koaleszenzabscheider, Systeme und Verfahren können zum Koaleszieren einer dispergierten Phase von einer Mischung der dispergierten Phase in einer kontinuierlichen Phase genutzt werden. Mischungen, die hierin in Betracht gezogen werden, können Mischungen einer hydrophoben Flüssigkeit (z. B. einer Kohlenwasserstoffflüssigkeit) und einer wässrigen Flüssigkeit (z. B. Wasser) einschließen. In einigen Ausführungsformen kann die kontinuierliche Phase eine Kohlenwasserstoffflüssigkeit sein und die dispergierte Phase kann Wasser sein. In anderen Ausführungsformen kann die kontinuierliche Phase Wasser sein und die dispergierte Phase kann eine Kohlenwasserstoffflüssigkeit sein. Wie hierin in Betracht gezogen, schließt eine Kohlenwasserstoffflüssigkeit vorwiegend Kohlenwasserstoffmaterial ein, kann aber weiterhin NichtKohlenwasserstoffmaterial (z. B. bis zu etwa 1%, 5%, 10% oder 20% Nicht-Kohlenwasserstoffmaterial) einschließen.
Die offenbarten Koaleszenzabscheider, Systeme und Verfahren können für das Koaleszieren einer dispergierten Phase von einer Emulsionsmischung mit einer Grenzflächenspannung von weniger als etwa 20 dyn/cm (oder weniger als etwa 15, 10 oder 5 dyn/cm) besonders geeignet sein. Zum Beispiel können die Koaleszenzabscheider, Systeme und Verfahren zum Koaleszieren von Wasser von Kohlenwasserstoffflüssigkeiten, die oberflächenaktive Stoffe umfassen und die eine niedrigere Grenzflächenspannung als etwa 20 dyn/cm (oder niedriger als etwa 15, 10 oder 5 dyn/cm) aufweisen, genutzt werden.
Das in den offenbarten Koaleszenzabscheidern, Systemen und Verfahren genutzte Koaleszenzmedienmaterial ist typischerweise durch die dispergierte Phase in der kontinuierlichen Phase relativ unbenetzbar, um eine Koaleszenz der dispergierten Phase an der stromaufwärtigen Seite des Medienmaterials zu erleichtern. Vorzugsweise bleibt das Medienmaterial durch die dispergierte Phase in der kontinuierlichen Phase über lange Zeiträume des Ausgesetztseins der Mischung, insbesondere dort, wo die Mischung einen oberflächenaktiven Stoff umfasst, relativ unbenetzbar. Die Koaleszenzmedien, wie hierin beschrieben, können eine Schicht aus Fasermaterial (z. B. Polymer-, Glas-, Keramik- oder Metallfasern) umfassen. In einigen Ausführungsformen können die Koaleszenzmedien eine Schicht aus einem Polyestermaterial (z. B. Polybutylenterephthalat (PBT)), einem Polyamidmaterial, einem Halogenkohlenwasserstoffmaterial (z. B. Halar®-Marken-Ethylenchlortrifluorethylen (ECTFE)) oder einem Medium, das durch Behandeln eines Fasermaterials mit einem Mittel, das Fluor-Funktionalitäten umfasst, erhalten wird, umfassen. In manchen Ausführungsformen kann das Medium PBT mit 1-10% (w/w) eines Fluorkohlenstoffadditivs (z. B. Hexafluorpropylen, Hexafluorisopropanol, Hexafluorisobutylen und Perfluordecylacrylat), ein Polyestermaterial (z. B. PBT), kompoundiert mit 10-40% (w/w) eines Fluorkohlenstoffpolymers (z. B. ECTFE) oder 100% schmelzgeblasenes Fluorpolymer/Fluorpolymer der Fasergüteklasse (z. B. ECTFE) umfassen.
Das in den offenbarten Koaleszenzabscheidern, Systemen und Verfahren genutzte Koaleszenzmedienmaterial weist eine(n) gewünschte(n) mittlere Porengröße, Faserdurchmesser, Kontaktwinkel und Porosität auf, um die gewünschte Koaleszenz zu erzielen. Das Medienmaterial kann homogen oder heterogen sein. Der „Faserdurchmesser“, „Kontaktwinkel“ und die „Porosität“ für das Medienmaterial können sich auf den „durchschnittlichen Faserdurchmesser“, „durchschnittlichen Kontaktwinkel“ und die „durchschnittliche Porosität“ für das Medienmaterial beziehen.
Die offenbarten Koaleszenzabscheider, Systeme und Verfahren schließen typischerweise eine einzelne Schicht von Medienmaterial ein oder nutzen diese. In einigen Ausführungsformen schließen die offenbarten Koaleszenzabscheider, Systeme und Verfahren einen getrennten Separator oder eine Strippingstufe ein oder nutzen diese, die stromabwärts angeordnet ist und von der einzelnen Schicht von Medienmaterial getrennt ist (z. B. hydrophobes Material zum Entfernen von Wasser, das sich stromabwärts befindet und von der einzelnen Schicht von Medienmaterial getrennt ist).
Die hierin beschriebenen Koaleszenzmedien können Material mit einer bestimmten Hydrophilie oder Hydrophobie oder einer bestimmten Oleophilie oder Oleophobie umfassen. In einigen Ausführungsformen umfassen die Koaleszenzmedien eine einzelne Schicht, die relativ hydrophobes Material bezüglich der dispergierten Phase der Mischung umfasst.
Die hierin in Betracht gezogenen Koaleszenzabscheider, Systeme und Verfahren können Komponenten einschließen oder nutzen, die als „Koaleszenzelemente“, „Koaleszenzfilter“, „Koaleszenzvorrichtungen“, „Koaleszenzanordnungen“ und „Gehäuse“ dafür bezeichnet werden, wie sie im Fachbereich bekannt sind. (Siehe z. B. die U.S.-Patent-Nrn. 7 416 657 ; 7 326 266 ; 7 297 279 ; 7 235 177 ; 7 198 718 ; 6 907 997 ; 6 811 693 ; 6 740 358; 6 730 236; 6 605 224; 6 517 615; 6 422 396; 6 419 721; 6 332 987; 6 302 932; 6 149 408; 6 083 380; 6 056 128; 5 874 008; 5 861 087; 5 800 597; 5 762 810; 5 750 024; 5 656 173; 5 643 431; 5 616 244; 5 575 896; 5 565 078; 5 500 132; 5 480 547; 5 480 547; 5 468 385; 5 454 945; 5 454 937; 5 439 588; 5 417 848; 5 401 404; 5 242 604; 5 174 907; 5 156 745; 5 112 498; 5 080 802; 5 068 035; 5 037 454; 5 006 260; 4 888 117; 4 790 947; 4 759 782; 4 643 834; 4 640 781; 4 304 671; 4 251 369; 4 213 863; 4 199 447; 4 083 778; 4 078 965; 4 052 316; 4 039 441; 3 960 719; 3 951 814 ; und die veröffentlichten U.S.-Anmeldungs Nrn. 2007-0289915; 2007-0107399; 2007-0062887; 2007-0062886 und 2007-0039865 , deren Inhalt hierin durch den Bezug in seiner Gesamtheit eingeschlossen ist.) Die hierin offenbarten Koaleszenzmedien können mit Hilfe von im Fachbereich bekannten Verfahren hergestellt werden und können zusätzliche im Fachbereich offenbarte Merkmale einschließen. (Siehe z. B. die U.S.-Patent-Nrn. 6 767 459; 5 443 724 und 4 081 373 ; und die veröffentlichten U.S-Patentanmeldungs-Nrn. 2007-0131235; 2007-0062887 und 2006-0242933 , deren Inhalt hierin durch den Bezug in seiner Gesamtheit eingeschlossen ist).
Das Koaleszenzverfahren, wie hierin offenbart, kann so verstanden werden, dass es eine Reihe von Schritten umfasst, darin eingeschlossen, aber nicht beschränkt auf: (1) Auffangen von Tröpfchen durch das Koaleszenzmedienmaterial; (2) Koaleszenz und Tropfenwachstum an der stromaufwärtigen Seite des Medienmaterials; (3) Abfließen von koaleszierten Tropfen an der stromaufwärtigen Seite des Medienmaterials; und (4) Abführen von koaleszierten Tropfen von dem Medienmaterial. Wenn die koaleszierten Tropfen groß genug werden, bringen sie hydrodynamische Widerstandskräfte oder Gravitationskräfte dazu, die stromaufwärtige Seite des Medienmaterials hinab zu fließen, bis sie abgeführt werden. Die verstärkte Tröpfchenkonzentration an der stromaufwärtigen Seite des Koaleszenzmedienmaterials und die relativ nicht benetzende Natur des Medienmaterials erleichtern die Koaleszenz von Tröpfchen an der stromaufwärtigen Seite des Medienmaterials. Das Abfließen von koaleszierten Tropfen von dem Medienmaterial kann durch Nutzen eines Medienmaterials mit einer stromaufwärtigen Seite mit einer relativ glatten Oberfläche erleichtert werden.
Diese Erfindung kann auf jedes Set von unvermischbaren Fluiden, wie Wasser in Dieselkraftstoff, Wasser in Biodieselkraftstoff, Öl in Wasser und Kurbelgehäuseöl von Motor-Blow-up-Gasen angewandt werden. In weiteren Ausführungsformen liegen die Koaleszenzmedien in einem Koaleszenzsystem vor, welches weiterhin eine Vorrichtung zum Entfernen von Tropfen einschließt, die durch die Koaleszenzmedien koalesziert werden. Zum Beispiel kann ein Koaleszenzsystem weiter einen Schwerkraftabscheider, eine Zentrifuge, einen Impaktor, einen Lamellenseparator, eine geneigte gestapelte Platte, ein Sieb, eine Ruhekammer und/oder dergleichen einschließen.
Die hierin offenbarten Koaleszenzabscheider, Systeme und Verfahren können eine einzelne Schicht von Medienmaterial oder gegebenenfalls mehrere Schichten von Medienmaterial einschließen oder nutzen, bei denen Koaleszenzmechanismen optimiert wurden (d. h., Koaleszenzabscheider, Systeme und Verfahren, in denen die physikalischen, strukturellen und Oberflächeneigenschaften des Medienmaterials optimiert wurden). Die folgende Erörterung liefert beispielhafte Regeln und optimale Verhältnisse unter den Variablen P, θ, M, d und ε für eine Schicht von Medienmaterial. Allerdings können die gewählten bevorzugten Werte letztendlich von der Konzentration und Größenverteilung von Feststoffen und Halbfeststoffen in dem zu koaleszierenden Fluid abhängen, da diese Eigenschaften die Lebensdauer des Koaleszenzabscheiders beeinflussen, und die Tröpfchengrößenverteilung stromaufwärts und die erwartete Grenzflächenspannung γ; für die Anwendung wirken sich direkt auf den Aufbau der Schicht aus. Diese offenbarten Prinzipien können für den Entwurf eines Koaleszenzabscheiders, Systems oder Verfahrens genutzt werden, welches/ welcher eine überlegene Leistungsfähigkeit zeigt.
Die offenbarten Prinzipien können für den Entwurf von Coalesern, Systemen und Verfahren zum Entfernen einer dispergierten Phase (z. B. Wasser) von einer kontinuierlichen Phase (z. B. Kohlenwasserstoff-Brennstoff) genutzt werden. Zum Beispiel können die offenbarten Koaleszenzabscheider, Systeme und Verfahren zum Entfernen einer dispergierten Phase von einer kontinuierlichen Phase genutzt werden, wo mindestens etwa 93, 95, 97 oder 99% der dispergierten Phase von der kontinuierlichen Phase entfernt werden, nachdem die Phasen durch die Koaleszenzabscheider, Systeme geleitet wurden oder den hierin offenbarten Verfahren unterworfen wurden.
Eine Ausführungsform eines nicht erfindungsgemäßen Oberflächen-Koaleszenzabscheidersystems ist in 1 veranschaulicht, welches wie folgt funktioniert:

1. Kontaminiertes Fluid, bestehend aus Tröpfchen (dispergierte Phase), die in einem zweiten unvermischbaren Fluid (kontinuierliche Phase) suspendiert sind, welches auch Feststoffteilchen enthalten kann oder nicht, strömt durch das System und kommt mit einer Schicht von Medienmaterial in Berührung.
2. Tröpfchen und Feststoffteilchen werden auf oder nahe der stromaufwärtigen Oberfläche des Medienmaterials zurückgehalten, die als eine Barriere fungiert, die deren Hindurchfließen verhindert und die Tröpfchen konzentriert.
3. Filtrierte, gereinigte kontinuierliche Phase tritt aus der Schicht von Medienmaterial aus.
4. In dem Maße, zu dem die lokale Konzentration von aufgefangenen Tröpfchen auf der stromaufwärtigen Seite des Medienmaterials zunimmt, koaleszieren diese und wachsen an, was durch den relativ nicht-benetzenden Charakter des Medienmaterials erleichtert wird.
5. Koaleszierte Tropfen von der Oberfläche des Medienmaterials werden durch die relativ nicht-benetzende Oberfläche abgewiesen und fließen die Seite der nichtbenetzenden, stromaufwärtigen Seite des Medienmaterials hinab ab.
6. Das Abfließen der koaleszierten und abgesogenen dispergierten Phase spült auch einige der Auffang-Feststoffteilchen aus den Medien.

Das Medienmaterial kann als ein solches mit mindestens drei Grundfunktionen beschrieben werden:

1. um ein Hindurchströmen von Tröpfchen (und Feststoffteilchen), die größer als eine bestimmte Größe sind, zu verhindern;
2. um die Koaleszenz durch Konzentrieren der zurückgehaltenen Tröpfchen auf ihrer stromaufwärtigen Oberfläche zu erleichtern; und
3. um das Abführen von Tropfen und Tröpfchen von der Oberfläche zu erleichtern.

Vorzugsweise ist das Medienmaterial, um das Abführen, ob durch Absetzen durch Gravitationskräfte, hydrodynamische Widerstandskräfte oder andere Mittel zu erleichtern, und um das Eindringen von Tropfen in die Medien zu verhindern, in hohem Maße nicht-benetzend bezüglich der dispergierten Phase der Mischung. Auch ist der Kapillardruck für die dispergierte Phase in dem Medienmaterial vorzugsweise negativ und sollte in seinem Ausmaß größer als der Druckabfall über das Medienmaterial sein. Ferner sollten dispergierte Tropfen vorzugsweise weder in das Medienmaterial eindringen nach durch dieses hindurchfließen.
Der Kapillardruck kann definiert werden als: $P = \frac{4 γ c o s θ}{M}$
worin P = lokaler Kapillardruck
γ = Grenzflächenspannung
θ = Kontaktwinkel eines Tropfens auf den Medien in dem Fluid M = Porengröße.
Der Kontaktwinkel θ kann wie in 2 definiert werden, wo θ als ein Winkel definiert ist, der seinen Scheitelpunkt 90 am Schnittpunkt der kontinuierlichen Phase, dispergierten Phase und Medienphase mit einem Strahl 92, welcher parallel zu der Medienoberfläche vom Scheitelpunkt verläuft, und dem anderen Strahl 94 , welcher tangential zur Oberfläche der dispergierten Phase am Scheitelpunkt verläuft, hat. Typischerweise wird der Winkel θ als ein solcher angegeben, der durch die dispergierte Phase hindurch gemessen wird. In einigen Ausführungsformen kann der Kontaktwinkel für ein Tröpfchen auf einer einzelnen Faser von Medienmaterial gemessen werden. In anderen Ausführungsformen kann der Kontaktwinkel für ein Tröpfchen auf einem Stoffstück von Medienmaterial gemessen werden. Andere Verfahren des Schätzens und Messens von θ sind im Fachbereich bekannt.
Das Verhältnis zwischen dem Druckabfall über das Medium, ΔP, und dem kritischen Kapillardruck, Pc, welcher der Mindestkapillardruck für das Medienmaterial ist, der erforderlich ist, um ein Passieren von Tröpfchen zu verhindern, die größer als eine bestimmte Größe sind, ist angegeben durch: $- Pc \geq Δ P$
Der kritische Kapillardruck P_C lässt sich mit Hilfe der Gleichung (1) und durch Einfügen der folgenden Werte finden: γ = geringste Grenzflächenspannung, für die der Koaleszenzabscheider für den Betrieb ausgelegt ist; M = maximale Porengröße für das Medium (die kleiner sein sollte als die kleinste Tropfengröße, die entfernt werden soll); und θ = Kontaktwinkel der Medien für das System. Mit Bezug auf einige Ausführungsformen der hierin offenbarten Koaleszenzmedien können θ und M wichtige Design-Eigenschaften sein, während γ eine Anwendungseigenschaft typischerweise außerhalb der Kontrolle des Filterherstellers ist, aber für das Filterdesign berücksichtigt wird.
In dem Medienmaterial kommt es zu einem Auffangen von Tröpfchen typischerweise mittels eines oder mehrerer Filtrationsmechanismen, wie Diffusion, Abfangen, trägheitsbedingter Einwirkung oder Sieben. Für eine hocheffiziente Entfernung von Tropfengrößen, die sich an 1 µm oder kleiner annähern, mag eine Diffusion oder ein Sieben am kostengünstigsten sein. Da das Auftreten einer Koaleszenz auf der Oberfläche der Medien, im Gegensatz zu innerhalb der Medien, wie bei herkömmlichen Koaleszenzabscheidern, erwünscht ist, werden die Medien dieser Erfindung optimiert, um die Entfernung durch Sieben zu verbessern. Für die in der vorliegenden Erfindung offenbarten Koaleszenzmedien ist die Porengröße des Medienmaterials, M, typischerweise kleiner als die kleinste Tropfengröße, die entfernt werden soll.
Als eine Annäherung kann das Medienmaterial als ein hypothetischer Einheitswürfel modelliert werden, wie in 3 gezeigt, um die optimalen physikalischen Charakteristika zu bestimmen. 3 zeigt eine 3-dimensionale Darstellung eines Filtersiebs oder eines Siebs.
Operationell lasst sich M als die äquivalenten Größen von Poren definieren, wie durch ein Porometer bestimmt. In dem Modell ist die Vorderseite einer Einheitszelle ein Quadrat mit einer offenen Fläche entsprechend dem kreisförmigen Querschnitt, der durch das Porometer angenommen wird. Die Länge einer Seite dieses Quadrats, m, ist: $\frac{π M^{2}}{4} = m^{2}$
$m = \frac{M \sqrt{π}}{2}$
Das Gesamtvolumen des Einheitswürfels, V_T, ist $V_{T} = {(m + d)}^{3}$
worin d = Faserdurchmesser des Mediums.
Das Volumen der Fasern in diesem Einheitswürfel, V_f, ist: $V_{ƒ} = \frac{3 π (m + d) d^{2}}{4}$
und das ε, geschätzt aus der Kenntnis von M und d: $\begin{array}{l} ε = 1 - \frac{V_{ƒ}}{V_{T}} \\ ε = 1 - \frac{V_{ƒ}}{V_{T}} \end{array}$
$m = \frac{M \sqrt{π}}{2}$
$V_{T} = {(m + d)}^{3}$
$V_{ƒ} = \frac{3 π (m + d) d^{2}}{4}$
$ε = 1 - \frac{\frac{3 π (\frac{M \sqrt{π}}{2} + d) d^{2}}{4}}{{(\frac{M \sqrt{π}}{2} + d)}^{3}}$
$R = \frac{M}{2}$
$ε = 1 - \frac{3 π d^{2}}{4 {(R \sqrt{π} + d)}^{2}}$
$\frac{3 π d^{2}}{4 (1 - ε)} = {(R \sqrt{π} + d)}^{2} = R^{2} π + 2 R d \sqrt{π} + d^{2}$
$0 = R^{2} π + 2 R d \sqrt{π} + d^{2} - \frac{3 π d^{2}}{4 (1 - ε)}$
Für ein bestimmtes M (M = 2R) zeigt die Gleichung (8) das angenäherte Verhältnis zwischen d und ε, das erforderlich ist, um die gewünschte Porengröße und Tropfengröße, die durch Sieben entfernt werden soll, zu ergeben.
Mit Hilfe der zuvor entwickelten Gleichungen können die Charakteristika des Medienmaterials bestimmt werden. Für das optimale Design für eine bestimmte Anwendung können die Gleichungen und das Modell für die spezifischen Bedingungen der Tropfengröße, γ, und ΔP genutzt werden. In 4 werden die Ergebnisse von Gleichung (8) für unterschiedliche Tropfengrößen (d h., unterschiedliche Werte von M) verwendet, um das Verhältnis zwischen ε und d zu zeigen. Für die Kraftstoffwasserentfernung in Hochdruck-Common-Rail-Systemen ist das System dafür ausgelegt, Tropfen kleiner als ~3 µm zu entfernen. Tropfen kleiner als ~0,2 µm können in einigen Ausführungsformen als aufgelöst oder Umkehrmicellen gelten. Für fasriges Medienmaterial kann es erwünscht sein, dass die Medien ε > 0,8 aufweisen. Mithin ist in einigen Ausführungsformen 0,07 µm ≤ d ≤ 3,0 µm und vorzugsweise 0,15 µm ≤ d ≤ 1,5 µm. Deshalb kann das Medienmaterial in einigen Ausführungsformen eine dünne Schicht von Fasern mit einem Durchmesser zwischen 0,07 µm und 3,0 µm im umfassen, wobei ε ausreichend ist, um eine Porengröße zwischen 0,2 und 12 µm (vorzugsweise zwischen 2,0 und 10 µm, stärker bevorzugt zwischen 4,0 und 8,0 µm) zu ergeben, getragen auf einem Substrat von gröberen Fasern mit einem mittleren Durchmesser, der größer als der mittlere Durchmesser der feinen Fasern ist (z. B. wo die relativ gröberen Fasern einen mittleren Durchmesser von größer als etwa 10 µm, vorzugsweise von größer als etwa 20 µm, haben). In anderen Ausführungsformen kann das Medienmaterial eine heterogene Mischung umfassen, die aus feinen Fasern mit einem mittleren Durchmesser zwischen 0,07 µm und 3,0 µm, wobei ε ausreichend ist, um eine mittlere Porengröße zwischen 0,2 und 12 µm (vorzugsweise zwischen 2,0 und 10 µm, und stärker bevorzugt zwischen 4,0 und 8,0 µm) zu ergeben, und gröberen Fasern mit einem mittleren Durchmesser von größer als dem mittleren Durchmesser der feinen Fasern (z. B. wo die relativ gröberen Fasern einen mittleren Durchmesser von größer als etwa 10 µm, vorzugsweise größer als etwa 20 µm haben), besteht.
In einigen Ausführungsformen kann es zur Erzielung einer hohen Effizienz, eines geringen Druckabfalls oder einer erhöhten Lebensdauer wünschenswert sein, fasriges, nicht gewebtes Medienmaterial zu verwenden, im Gegensatz zu Membran- oder Granulatmaterial. Feine Fasern zwischen 0,07 und 0,8 µm besitzen typischerweise die Fähigkeit, sowohl zu einem geringen Druckabfall als auch einer hohen Effizienz zu führen. Allerdings kann es diesen Fasern, wenn sie allein verwendet werden, an den strukturellen Charakteristika fehlen, die erforderlich sind, um die gewünschte Form des Filterelements ohne ein Kollabieren oder Bersten beizubehalten. Mithin ist in einigen Ausführungsformen eine Kombination von feinen Fasern und gröberen Strukturfasern bevorzugt. Dies kann auf mehreren Wegen bewerkstelligt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, die Verwendung von:

1. Einer Schicht von feinen Fasern, die mit dem Substrat von Strukturfasern verklebt sind oder von diesem getragen werden, z. B. schmelzgeblasener Polyester, sonstige Polymerfasern, Mikroglas, Cellulose oder andere geeignete Strukturfasern. Dies kann durch ein Elektrospinnen oder eine sonstige Erzeugung und Auflegen einer Nanofaserschicht auf ein Substrat von Filtermedium, das aus gröberen Fasern, wie 3 bis 30 µm großen Polyesterfasern, aufgebaut ist, erreicht werden. Die Nanofaserschicht besitzt typischerweise die Fähigkeit, sowohl zu einem geringen Druckabfall als auch einer hohen Effizienz zu führen. Die Strukturfasern sorgen für Halt und können ein Plissieren und Prozessieren ermöglichen. Die zwei Schichten können durch Ultraschallbonding, die Verwendung von Klebstoffen, physische Beschränkungen oder einfach Abkühlen lassen der frisch hergestellten, warmen, klebrigen, unverfestigten Nanofasern und Anhaften lassen an den Trägerfasern aneinandergefügt werden.
2. Einem Ausgangsfiltermedium, das vorwiegend aus gröberen Strukturfasern aufgebaut ist, die größer als 1 µm, 10 µm oder 20 µm sind, z. B., schmelzgeblasenes Polyester-FWSMedium, Mikroglas, und die mit Kohlenstoffnanoröhrchen imprägniert sind, die kleiner als 0,3 µm im Durchmesser sind. Das Substratmaterial kann polymer sein, z. B. Polyester, Nylon, Polypropylen, Polyphenylensulfid, Polyurethan, Fluorkohlenstoff, ein thermoplastisches Polymer oder sonstiges polymeres Material, das zu einer nicht gewebten faserigen oder sonstigen porösen Struktur gebildet werden kann. Das Substrat kann durch Nassauflegen, Schmelzblasen, Schmelzspinnen oder ein anderes geeignetes Verfahren zu einer nicht gewebten Faserstruktur ausgebildet werden. Das Substratmedium wird danach prozessiert, so dass Kohlenstoffnanoröhrchen in das Medium eingebunden werden, um die durch die groben Fasern gebildeten Mikroporen mit Kohlenstoffnanoröhrchen-Nanofasern zu überbrücken, wie in den U.S.-Patenten Nr. 7 211 320 und 7 419 601 beschrieben (die hierin durch den Bezug in ihrer Gesamtheit eingeschlossen sind); und zwar durch thermisches Bonding der Nanoröhrchen mit dem Grundmedium; oder durch die Verwendung von Harz oder anderen Bindemitteln, um die Nanoröhrchen an das Grundmedium anhaften zu lassen.

Nicht gewebtes Filtermedium umfasst typischerweise Poren und Fasern mit einer Bandbreite von unterschiedlichen Größen. Für eine Koaleszenz mit hoher Entfernungseffizienz (z. B. höher als -98%) wird der Bereich von M vorzugsweise reguliert. Wie weiter oben für die Gleichung (1) erörtert, ist M die mittlere Porengröße des Medienmaterials. Die mittlere Porengröße kann durch ein Parameter bestimmt werden. Für Koaleszenzabscheider mit hoher Effizienz wird die maximale Porengröße, MM, vorzugsweise reguliert. Insbesondere erfüllt das Verhältnis von M_M zu M, das Porengrößenverhältnis, vorzugsweise die Kriterien: $1 \leq \frac{M_{M}}{M} \leq 3$
Die Regulierung dieses Verhältnisses ist für die Konstruktion eines Koaleszenzabscheiders mit einer hohen Effizienz und einer einschichtigen Oberfläche wichtig, da das Fließen der Emulsion dazu tendiert, vorzugsweise größere, offenere Poren, im Gegensatz zu kleineren, restriktiveren Poren in dem Medium zu passieren. Somit schließt eine hohe Entfernungseffizienz vorzugsweise das Regulieren der maximalen Porengröße ein, wobei es bevorzugt ist, dass die maximale Porengröße dicht an der mittleren Porengröße liegt. Als einen zuvor unerkannten sekundären Nutzen weist ein Medium, das ein Porengrößenverhältnis besitzt, das nahe an 1 liegt, eine schmalere Porengrößenverteilung und eine gleichförmigere Oberfläche auf, aus der Tropfen leichter abfließen können. In einigen Ausführungsformen kann ein Kalandrieren angewandt werden, um eine glattere Oberfläche für das Medienmaterial zu erzeugen. Das kann die Abführung von koaleszierten Tropfen, um aus dem Medium abzufließen, erleichtern. Aus diesem Grund beträgt in einer bevorzugten Ausführungsform das Porengrößenverhältnis für das Medienmaterial weniger als 3, stärker bevorzugt weniger als 2, und noch stärker bevorzugt nähert es sich an 1 an.
Zusätzlich zu diesen physikalischen Charakteristika kann der Kontaktwinkel eines Tropfens in der kontinuierlichen Phase auf dem Medium ein wichtiges Charakteristikum sein. In einer bevorzugten Ausführungsform übersteigt der Druckabfall des Filters nicht -20 Inches (50,8 cm) Wasser. Die 5 zeigt die Abhängigkeit von P_C von θ unter Anwendung der Gleichungen 1 und 2 für eine Ausführungsform des Medienmaterials mit Porengrößen von 0,2 und 3 µm. In dieser Ausführungsform ist θ ≥ 120°, und idealerweise ist θ ≥ 135°, um Tropfen für die Oberflächenkoaleszenz zurückzuhalten und um das Passieren von Tröpfchen durch das Medienmaterial zu verhindern. Ein in hohem Maße nicht benetzendes θ kann auf eine Reihe von kommerziell verfügbaren Wegen erhalten werden, um Nichtbenetzungseigenschaften der Oberfläche des Medienmaterials zu erreichen. Für Kraftstoff-Wasser-Separatoren und andere Anwendungen, wo Wasser die dispergierte Phase ist und eine Kohlenwasserstroffflüssigkeit die kontinuierliche Phase ist (z. B. Schmierstoff oder Hydrauliköl), ist das Medienmaterial typischerweise hydrophob, und Verfahren für den Erhalt eines hydrophoben Medienmaterials schließen ein, sind aber nicht beschränkt auf:

1. die Verwendung von Polymerfasern mit diesen eigenen hydrophoben Eigenschaften, wie Fluorkohlenstofffaser (z. B., Halar®ECTFE (ein Copolymer aus Ethylen und Chlortrifluorethylen), Polytetrafluorethylen oder sonstiges Fluorkohlenstoffpolymer), Polyester (z. B. Polybutylenterphthalat oder sonstiger hydrophober Polyester), Polypropylen, Polyethylen, Polyphenylensulfid, Polysulfon, Acetal und dergleichen. 2. die Behandlung eines Basispolymer-, Glas-, Metall-, Keramik- oder Kohlenstofffasermediums mit Fluorkohlenstoff- oder Silikonharzen oder oberflächenaktiven Stoffen (z. B. Rain-X®-Marken-Glasbehandlung) zur Verleihung von Hydrophobie; 3. die Plasmabehandlung der Medien mit einem Plasma, das Fluorsubstituenten enthält, wie in der U.S.-Patentanmeldung Nr. 12/247 502 und in Plasma Surface Modification and Plasma Polymerization (PlasmaOberflächenmodifikation und Plasmapolymerisation), N. Inagaki, CRC Press, NY, 1996, beschrieben, deren Inhalt hierin durch den Bezug in seiner Gesamtheit eingeschlossen ist.

Für die Kurbelgehäuseentlüftung können ähnliche Verfahren angewandt werden. Jedoch ist die resultierende Oberfläche vorzugsweise oleophob. Zum Beispiel kann die Oberfläche Fluorkohlenstoff-Funktionalitäten einschließen. Bei Anwendungen der Koaleszenzmedien zum Entfernen von Öl oder nicht-polaren Tröpfchen aus Wasser, Kühlmitteln oder sonstigen polaren Fluiden kann eine oleophobe oder hydrophile Oberfläche durch Verfahren erhalten werden, die Folgendes einschließen, ohne darauf beschränkt zu sein:

1. Verwendung von mineralischem Oxid (z. B., Glas, Silica, Keramik), Metall oder Polymerfasern mit diesen eigenen hydrophilen Eigenschaften, wie Nylon 6,6 oder anderen hydrophilen Polyamiden, Glas oder Keramik, hydrophilen Polyurethanen, Polyvinylalkoholen, sonstigen hydrophilen Polymeren oder oleophoben Fluorkohlenstoffmedien.
2. Plasmabehandlung der Medien mit einem Plasma, das Fluor-, Sauerstoff- oder Stickstoffsubstituenten enthält, wie in Plasma Surface Modification and Plasma Polymerization, N. Inagaki, CRC Press, NY, 1996, beschrieben, dessen Inhalt hierin durch den Bezug in seiner Gesamtheit eingeschlossen ist.

In einigen Ausführungsformen ist die Orientierung der offenbarten Koaleszenzmedien in einem Koaleszenzabscheider für die optimale Funktionsweise wichtig. Das Abfließen erfolgt vertikal nach unten in Richtung der Schwerkraft oder kann durch hydrodynamische Widerstandskräfte von der fließenden kontinuierlichen Phase erleichtert werden. Typischerweise wirkt die gewünschte Richtung des Tropfentransports nicht der Schwerkraft entgegen.
In einigen Ausführungsformen schließt das offenbarte Koaleszenzmedium stromaufwärts eine Abfluss-/Vorfilterschicht (z. B., „Schicht A“) zusätzlich zu einer Schicht von Koaleszenzmedienmaterial (z. B., „Schicht B“) ein. Eine Ausführungsform eines Oberflächen-Koaleszenzabscheiders ist in 6 veranschaulicht, die wie folgt funktioniert:

1. Kontaminiertes Fluid, bestehend aus Tröpfchen (dispergierte Phase), die in einem zweiten unvermischbaren Fluid (kontinuierliche Phase) suspendiert sind, das auch Feststoffteilchen enthalten kann oder nicht, fließt durch die erste Medienschicht.
2. In der ersten Medienschicht (die als „Schicht A“ bezeichnet werden kann) werden einige der Tröpfchen und Feststoffteilchen, vorwiegend die größeren, aufgefangen und zurückgehalten.
3. Tröpfchen und Feststoffteilchen, die nicht vom Schicht-A-Strom aufgefangen wurden, werden auf oder nahe der stromaufwärtigen Oberfläche der zweiten Schicht (die als „Schicht B“ bezeichnet werden kann) zurückgehalten, die als eine Barriere fungiert, die deren Hindurchfließen verhindert und die Tröpfchen konzentriert.
4. Filtrierte gereinigte kontinuierliche Phase tritt aus der Schicht B aus.
5. In dem Maße, in dem die lokale Konzentration von aufgefangenen Tröpfchen auf der Oberfläche von Schicht B zunimmt, koaleszieren diese und wachsen an, was durch das Vorhandensein der relativ benetzenden Schicht A erleichtert wird.
6. Koaleszierte Tropfen von der Oberfläche von Schicht B werden durch die relativ nicht-benetzende Oberfläche abgewiesen und gegebenenfalls in die Schicht A zurückgezogen (z. B., wo der Kontaktwinkel von Schicht A kleiner als etwa 90° ist), oder alternativ können die koaleszierten Tropfen die Seite der nicht-benetzenden Oberfläche von Schicht B hinab abfließen.
7. In dem Maße, in dem die benetzende Oberfläche von Schicht A einer dispergierten Phase gesättigt wird, läßt die dispergierte Phase diese unter dem Einfluss von Schwerkraft, Druck oder einer anderen Kraft abfließen.
8. Das Abfließen der koaleszierten und abgezogenen dispergierten Phase spült auch einen Teil der aufgefangenen Feststoffteilchen aus dem Medium.

Die stromabwärtige Schicht (Schicht B) besitzt drei Grundfunktionen ähnlich der oben erörterten einzelnen Schicht von Medienmaterial.

1. um zu verhindern, dass Tröpfchen (und Feststoffteilchen), die größer als eine bestimmte Größe sind, hindurchfließen,
2. um die Koaleszenz durch Konzentrieren der zurückgehaltenen Tröpfchen auf ihrer stromaufwärtigen Oberfläche zu erleichtern, und
3. um das Abführen von Tropfen und Tröpfchen von der Oberfläche zu erleichtern.

Die stromabwärts liegende Schicht (Schicht B) kann eine oder mehrere Charakteristika der einzelnen Schicht von Medienmaterial, wie weiter oben erläutert, teilen. Die Charakteristika der stromabwärts liegenden Schicht (Schicht B) können auf Basis der weiter oben für die einzelne Schicht von Medienmaterial erörterten Gleichungen bestimmt oder moduliert werden.
Die optionale erste Schicht, d. h., „Schicht A“, dient typischerweise einer anderen Funktion als die zweite Schicht, d. h., „Schicht B“. Typischerweise besteht die Funktion von Schicht A darin:

1. eine Region von höherem Kapillardruck als die Schicht B vorzusehen und gegebenenfalls das Abziehen von aufgefangenen und koaleszierten Tropfen und Tröpfchen von der Oberfläche der Schicht B zu unterstützen,
2. das Abfließen von aufgefangenen und koaleszierten Tropfen und Tröpfchen von dem Medium zu erleichtern,
3. die Koaleszenz von aufgefangenen Tröpfchen zu erleichtern, und
4. gegebenenfalls als ein Vorfilter für Feststoffe oder andere Verunreinigungen zu dienen, die das Medium vorzeitig verstopfen können.

Um das Abziehen und die Koaleszenz von aufgefangenen Tröpfchen zu erleichtern, ist die erste Schicht vorzugsweise durch die dispergierte Phase stärker benetzbar als die zweite Schicht. Das Abfließen der dispergierten Phase, einschließlich Tropfen und Tröpfchen von dieser Schicht, wird typischerweise dadurch erleichtert, dass sie eine große Porengröße hat. Wo es erwünscht ist, dass die Schicht A als ein Vorfilter fungiert, ist es weiter bevorzugt, dass die Porengröße von Schicht A größer als diejenige von Schicht B ist. Bei einem bevorzugten Design kann ein mehrschichtiger oder Multimedium-Vorfilter der Schicht A vorausgehen (d. h., stromaufwärts von Schicht A angeordnet sein), um die Lebensdauer zu maximieren und das Wartungsintervall der hierin offenbarten Medien zu verlängern.
Die Schicht A besitzt typischerweise einen Kapillardruck, der größer als bei Schicht B ist, um Tropfen von der Oberfläche von Schicht B wegzuziehen. Vorzugsweise besitzt die Schicht A einen Pc, der kleiner als der Druckabfall über den Koaleszenzabscheider ist, somit ist: $P_{C, A} \leq Δ P$
und $P_{C, B} \leq P_{C, A}$
Je größer das Ausmaß von P_C, umso leichter wird die dispergierte Phase von der Schicht B abgezogen. Im Hinblick auf die Gleichungen (1) und (10) ist es bevorzugt, dass die Schicht A vorzugsweise durch die dispergierte Phase benetzt wird (z. B., wo θ ≤ 90° und vorzugsweise θ ≤ 60°, stärker bevorzugt θ ≤ 45°). Die 7 zeigt, dass für θ ≤ 45° der Wert von P_C sich auf einen Plateauwert einzustellen und sich einem Maximalwert anzunähern beginnt.
Für Kraftstoff-Wasser-Koaleszenzabscheider und andere Anwendungen, bei denen Wasser die dispergierte Phase ist und eine Kohlenwasserstoffflüssigkeit die kontinuierliche Phase ist (z. B. Schmierstoff oder Hydrauliköl), ist die Schicht A relativ hydrophil im Vergleich zu der Schicht B. Verfahren zum Erreichen von relativ hydrophilen Oberflächen werden weiter oben beschrieben.
Für die Kurbelgehäuseentlüftung und für die Entfernung von Öl oder nicht-polaren Tröpfchen aus Wasser, Kühlmitteln oder anderen polaren Fluiden können ähnliche Verfahren genutzt werden. Jedoch ist typischerweise die Schicht A relativ oleophil im Vergleich zu Schicht B, und Verfahren zum Erreichen von relativ oleophilen Oberflächen werden weiter oben beschrieben.
In einigen Ausführungsformen kann die Schicht B PBT mit 1-10% (w/w) eines Fluorkohlenstoffadditivs, ein Polyestermaterial, compoundiert mit 10-40% (w/w) eines Fluorkohlenstoffpolymers oder 100% schmelzgeblasenes/ECTFE von Faserqualität umfassen.
In einigen Ausführungsformen ist die Orientierung der offenbarten Koaleszenzmedien in einem Koaleszenzabscheider für die optimale Funktionsweise von Bedeutung. Das Abfließen erfolgt vertikal nach unten in Richtung der Schwerkraft. Das Abziehen beinhaltet typischerweise den horizontalen Transport von Tröpfchen von der Oberfläche der Schicht B, jedoch sind auch andere Orientierungen möglich. Typischerweise wirkt die gewünschte Richtung des Tropfentransports für das Abziehen nicht der Schwerkraft entgegen. Solange die Schicht A vorzugsweise benetzend ist, sollte es zu einem Abziehen kommen, selbst wenn M so groß ist, dass ein zu vernachlässigender Kapillardruck vorliegt. Allerdings kann in einigen Ausführungsformen M eine wichtige Überlegung in Bezug auf das Design für das Abfließen sein. Wenn zum Beispiel M zu klein ist, tendiert PC dazu, dem Abfließen entgegenzuwirken, und kann einen Aufbau von koaleszierten Tropfen innerhalb der Schicht B und einen übermäßigen Druckabfall bewirken. In diesem Fall kann es erwünscht sein, PC innerhalb der Beschränkungen der Gleichung (10) zu minimieren, während dennoch das Abziehen optimiert wird. 8 verwendet die Gleichung (1) zur Veranschaulichung der Wirkung von M auf P_C für verschiedene γ. Im Allgemeinen kann es für eine Kraftstoff-Wasser-Trennung erwünscht sein, dass P_C ≤ 5 Inch Wasser, und idealerweise, dass P_C ≤ 1 Inch Wasser, um über einen Bereich von &ggr; von 5 bis 15 dyn/cm, vorzugsweise M ≥ 30 µm für die Schicht A und idealerweise M ≥ 180 µm für die Schicht A zu funktionieren. Unter Verwendung der Gleichung (7) bedeutet dies, dass d ≤ 100 µm für die Schicht A und idealerweise d ≤ 20 µm für die Schicht A, um bevorzugte M und ε-Werte zu erzielen.
In einigen Ausführungsformen kann die Schicht A Fasern umfassen, die im Wesentlichen in einer vertikalen Richtung (z. B., in einer Achse, die parallel zur Schwerkraft verläuft) orientiert sind. Zum Beispiel kann die Schicht A Fasern umfassen, die im Wesentlichen in einer vertikalen Richtung an der stromabwärtigen Oberfläche oder Seite der Schicht A orientiert sind, die an die stromaufwärtige Oberfläche oder Seite von Schicht B angrenzt (siehe 6), um das Abfließen von Tröpfchen von der Oberfläche von Schicht B zu erleichtern. Medienmaterial für die Schicht A mit Fasern, die im Wesentlichen in einer vertikalen Richtung orientiert sind, kann hergestellt werden indem man eine Oberfläche des Medienmaterials einem „Kardier“-Vorgang unterwirft, welcher die Fasern der Oberfläche parallel ausrichtet. In einigen Ausführungsformen bedeutet Medium, das Fasern umfasst, die im Wesentlichen in einer vertikalen Richtung orientiert sind (z. B. Fasern auf einer stromabwärtigen Oberfläche oder Seite) Medium, bei dem mindestens etwa 70%, 80%, oder vorzugsweise 90% der Fasern im Wesentlichen vertikal verlaufen (z. B. von einer vertikalen Achse um nicht mehr als 30, 20 oder vorzugsweise 10 Grad abweichen). In weiteren Ausführungsformen kann die stromaufwärtige Oberfläche der Schicht B relativ glatt sein, zum Beispiel dort, wo die Oberfläche einem Kalandriervorgang unterworfen wurde.
Die physikalischen und benetzenden Charakteristika des Oberflächen-Koaleszenzabscheiders können wie folgt erreicht werden. Der Oberflächen-Koaleszenzabscheider kann zwei getrennte Filtermedien mit den spezifizierten Eigenschaften umfassen, die durch Plissieren, Druck, Klebstoffe, Klebharze, Ultraschallbonding, thermisches Bonding oder andere Mittel in innigem physikalischen Kontakt gehalten werden. Alternativ kann der Oberflächen-Koaleszenzabscheider ein einzelnes mehrschichtiges Medium umfassen, wie es durch Schmelzblasen von zwei verschiedenen Medienschichten jeweils eines auf dem anderen durch ein Nassauflegeverfahren, Elektrospinnen, Schmelzspinnen oder sonstige Mittel oder eine Kombination von Mitteln oder Verfahren gebildet wird.
VERANSCHAULICHENDE AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgenden Ausführungsformen dienen zum Zweck der Veranschaulichung und sollen den Umfang des beanspruchten Gegenstands nicht einschränken.
Ausführungsform 1. Ein Koaleszenzabscheider, umfassend Koaleszenzmedien zum Koaleszieren einer Mischung von zwei Phasen, nämlich einer kontinuierlichen Phase, die Kohlenwasserstoffflüssigkeit umfasst, und einer dispergierten Phase, die Wasser umfasst, wobei die Mischung durch die Medien von stromaufwärts kommend stromabwärts fließt, wobei das Medium eine Schicht von Medienmaterial zum Filtrieren der Mischung umfasst, wobei das Medienmaterial eine mittlere Porengröße M hat, wobei die dispergierte Phase Wassertröpfchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße umfasst, welche größer als die mittlere Porengröße ist, wobei das Medienmaterial relativ unbenetzbar ist bezüglich der dispergierten Phase, der Koaleszenzabscheider für das Filtrieren der Mischung konfiguriert ist, wenn diese von stromaufwärts kommend stromabwärts in dem Koaleszenzabscheider fließt, Tröpfchen der dispergierten Phase an einer stromaufwärtigen Seite des Medienmaterials aufgefangen werden und die Tröpfchen sich vereinigen und zu größeren Tropfen anwachsen gelassen werden, die weiter zu einer ausreichenden Größe koaleszieren und anwachsen, wodurch sie von der stromaufwärtigen Seite abfließen und aus dem Koaleszenzabscheider abgeführt werden.
Ausführungsform 2. Der Koaleszenzabscheider gemäß Ausführungsform 1, wobei 0,2 µm ≤ M ≤ 12,0 µm (vorzugsweise 2,0 µm ≤ M ≤ 10,0 µm, stärker bevorzugt 4,0 µm ≤ M ≤ 8,0 µm).
Ausführungsform 3. Der Koaleszenzabscheider gemäß Ausführungsform 1 oder 2, wobei das Medienmaterial eine maximale Porengröße MM hat und 1 ≤ M_M/M ≤ 3.
Ausführungsform 4. Der Koaleszenzabscheider gemäß einer der Ausführungsformen 1-3, wobei das Medienmaterial Fasern mit einem mittleren Durchmesser zwischen 0,07 µm und 3 µm (vorzugsweise zwischen 0,15 µm und 1,5 µm) aufweist.
Ausführungsform 5. Der Koaleszenzabscheider gemäß Ausführungsform 4, wobei die Fasern Polyestermaterial oder Polyamidmaterial umfassen.
Ausführungsform 6. Der Koaleszenzabscheider gemäß einer der Ausführungsformen 1-5, wobei das Medienmaterial weiter grobe Fasern mit einem mittleren Durchmesser von größer als 1 µm (vorzugsweise größer als 10 µm, stärker bevorzugt größer als 20 µm) umfasst.
Ausführungsform 7. Der Koaleszenzabscheider gemäß Ausführungsform 6, wobei die groben Fasern ein hydrophobes Polymer umfassen, welches optional ECTFE ist.
Ausführungsform 8. Der Koaleszenzabscheider gemäß einer der Ausführungsformen 1-7, wobei das Medienmaterial eine Dicke, wie von stromaufwärts nach stromabwärts gemessen, zwischen 0,05 und 0,4 mm (vorzugsweise 0,1 und 0,3 mm) hat.
Ausführungsform 9. Der Koaleszenzabscheider gemäß einer der Ausführungsformen 1-8, wobei der Kontaktwinkel für einen Tropfen von dispergierter Phase in der kontinuierlichen Phase auf dem Medienmaterial nicht kleiner als 90° (vorzugsweise nicht kleiner als 120°, stärker bevorzugt nicht kleiner als 135°) ist.
Ausführungsform 10. Der Koaleszenzabscheider gemäß einer der Ausführungsformen 1-9, wobei das Medienmaterial eine Porosität ε besitzt, die nicht geringer als 0,8 ist.
Ausführungsform 11. Der Koaleszenzabscheider gemäß einer der Ausführungsformen 1-10, umfassend eine zusätzliche Schicht von Medienmaterial in der Nähe der stromaufwärtigen Seite des Medienmaterials, wobei die benachbarten Schichten sich in einer Reihe von stromaufwärts nach stromabwärts erstrecken, nämlich eine stromaufwärtige erste Schicht von Medienmaterial und eine stromabwärtige zweite Schicht von Medienmaterial, wobei die erste Schicht von Medienmaterial durch die dispergierte Phase in der kontinuierlichen Phase relativ benetzbar ist und die erste Schicht und die zweite Schicht mittlere Porengrößen M₁ bzw. M₂ haben und M₁ > M₂ ist.
Ausführungsform 12. Der Koaleszenzabscheider gemäß Ausführungsform 11, wobei M₁ mindestens um das etwa 2.5-Fache größer als M₂ ist.
Ausführungsform 13. Der Koaleszenzabscheider gemäß einer der Ausführungsformen 11-12, wobei 0,2 µm ≤ M₂ ≤ 12,0 µm (vorzugsweise 2,0 µm ≤ M₂ ≤ 10,0 µm, stärker bevorzugt 4,0 µm ≤ M₂ ≤ 8,0 µm.).
Ausführungsform 14. Der Koaleszenzabscheider gemäß einer der Ausführungsformen 11-13, wobei die erste Schicht Medien mit einem durchschnittlichen Faserdurchmesser umfasst, der größer als etwa 1 µm, 10 µm oder 20 µm, und kleiner als etwa 100 µm ist.
Ausführungsform 15. Der Koaleszenzabscheider gemäß einer der Ausführungsformen 11-14, wobei der Kontaktwinkel für einen Tropfen von dispergierter Phase in der kontinuierlichen Phase auf der Schicht eins, θ₁, nicht größer als 90° (vorzugsweise nicht größer als 60°, starker bevorzugt nicht größer als 45°) ist und der Kontaktwinkel für einen Tropfen von dispergierter Phase in der kontinuierlichen Phase auf der Schicht zwei, θ₂, nicht kleiner als 90° (vorzugsweise nicht kleiner als 120°, stärker bevorzugt nicht kleiner als 135°) ist.
Ausführungsform 16. Der Koaleszenzabscheider gemäß einer der Ausführungsformen 11-15, wobei die erste Schicht von Medienmaterial eine stromabwärtige Oberfläche aufweist, welche Fasern umfasst, die in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung orientiert sind.
Ausführungsform 16. Der Koaleszenzabscheider gemäß einer der Ausführungsformen 11-16, wobei das Koaleszenzmedium durch den Erhalt eines ersten Medienmaterials und eines zweiten Medienmaterials und das physikalische oder chemische Verbinden des ersten Medienmaterials und des zweiten Medienmaterials in Schichten gebildet wird.
Ausführungsform 18. Der Koaleszenzabscheider gemäß einer der Ausführungsformen 11-16, wobei das Koaleszenzmedium durch Schmelzblasen des ersten Medienmaterials und des zweiten Medienmaterials in Schichten gebildet wird.
Ausführungsform 19. Der Koaleszenzabscheider gemäß einer der Ausführungsformen 11-18, der in einem Gehäuse enthalten ist, wobei das Gehäuse einen stromaufwärtigen Einlass, der so strukturiert ist, um die Mischung aufzunehmen, und einen stromabwärtigen Auslass, der so strukturiert ist, um die Mischung nach dem Koaleszieren der dispergierten Phase abzuführen, aufweist.
Ausführungsform 20. Ein Koaleszenzsystem, umfassend den Koaleszenzabscheider gemäß Ausführungsform 19.
Ausführungsform 21. Das Koaleszenzsystem gemäß Ausführungsform 20, das für das Entfernen von in Kohlenwasserstoff-Brennstoff dispergiertem Wasser konfiguriert ist.
Ausführungsform 22. Das Koaleszenzsystem gemäß Ausführungsform 20 oder 21, weiter umfassend ein hydrophobes Medium zum Entfernen von Wasser, welches stromabwärts von dem Koaleszenzelement angeordnet ist.
Ausführungsform 23. Das Koaleszenzsystem gemäß einer der Ausführungsformen 20-22, weiterhin umfassend eine zusätzliche Vorrichtung zum Entfernen von Wasser, die stromabwärts des Koaleszenzelements positioniert ist, wobei die Vorrichtung aus der Gruppe gewählt ist, die aus einem Schwerkraftabscheider, einer Zentrifuge, einem Impaktor, einem Lamellenseparator, einer geneigten gestapelten Platte, einem Filtersieb und einer Ruhekammer besteht.
Ausführungsform 24. Ein Verfahren zum Entfernen von in Kohlenwasserstoff-Brennstoff dispergiertem Wasser, wobei das Verfahren das Leiten einer Mischung, die Kohlenwasserstoff-Brennstoff und in dem Kohlenwasserstoff-Brennstoff dispergiertes Wasser umfasst, durch den Koaleszenzabscheider oder das Koaleszenzsystem von einer der Ausführungsformen 1-23 und das Entfernen von mindestens etwa 93%, 95%, 97% oder 99% von in dem Kohlenwasserstoff-Brennstoff dispergiertem Wasser umfasst.
In der vorausgehenden Beschreibung wurden bestimmte Begriffe der Kürze, der Klarheit und des Verständnisses wegen verwendet. Dies soll keine unnötigen Einschränkungen über das Erfordernis des Stands der Technik hinaus bedeuten, weil solche Begriffe zu Zwecken der Beschreibung verwendet werden und in einem breit gefassten Sinne auszulegen sind. Die hierin beschriebenen unterschiedlichen Konfigurationen, Systeme und Verfahrensschritte können allein oder in Kombination mit anderen Konfigurationen, Systemen und Verfahrensschritten verwendet werden. Es ist zu erwarten, dass verschiedene Äquivalente, Alternativen und Modifikationen möglich sind. Die zuvor angeführten Patente und veröffentlichten Anwendungen sind hierin durch den Bezug in ihrer Gesamtheit eingeschlossen.

Claims

Koaleszenzabscheider, umfassend Koaleszenzmedien für das Koaleszieren einer Mischung von zwei Phasen, nämlich einer kontinuierlichen Phase, die Kohlenwasserstoffflüssigkeit umfasst, und einer dispergierten Phase, die Wasser umfasst, wobei die Mischung durch die Medien von stromaufwärts nach stromabwärts fließen kann, wobei die Medien eine erste Schicht von Medienmaterial zum Filtrieren der Mischung umfassen, wobei das Medienmaterial der ersten Schicht eine mittlere Porengröße M₁ hat, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine zweite Schicht von Medienmaterial mit einer mittleren Porengröße M₂ vorgesehen ist, dass die erste Schicht von Medienmaterial an einer stromaufwärtigen Seite der zweiten Schicht von Medienmaterial grenzt, dass sich die aneinander grenzenden Schichten von Medienmaterial in einer Reihe von stromaufwärts nach stromabwärts erstrecken, nämlich stromaufwärts die erste Schicht von Medienmaterial und stromabwärts die zweite Schicht von Medienmaterial, dass die erste Schicht von Medienmaterial durch die dispergierte Phase in der kontinuierlichen Phase benetzbar ist, dass die dispergierte Phase Wassertröpfchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße umfasst, welche größer als die mittlere Porengröße M₂ des Medienmaterials der zweiten Schicht ist, dass das Medienmaterial der zweiten Schicht unbenetzbar bezüglich der dispergierten Phase ist, dass das Medienmaterial der zweiten Schicht eine maximale Porengröße M_M2 besitzt und 1 ≤ M_M2/M₂ ≤ 3 gilt und dass 0,2 µm ≤ M₂ ≤ 12,0 µm gilt und M₁ > M₂ ist.
Koaleszenzabscheider gemäß Anspruch 1, wobei das Medienmaterial Fasern mit einem mittleren Durchmesser zwischen 0,07 µm und 3 µm umfasst.
Koaleszenzabscheider gemäß Anspruch 2, wobei die Fasern Polyestermaterial umfassen.
Koaleszenzabscheider gemäß Anspruch 2, wobei das Medienmaterial weiterhin grobe Fasern mit einem mittleren Durchmesser von mehr als 10 µm umfasst.
Koaleszenzabscheider gemäß Anspruch 4, wobei die groben Fasern ein hydrophobes Polymer umfassen, welches gegebenenfalls Ethylenchlortrifluorethylen (ECTFE) ist.
Koaleszenzabscheider gemäß Anspruch 1, wobei das Medienmaterial eine von stromaufwärts nach stromabwärts gemessene Dicke zwischen 0,05 und 0,3 mm hat.
Koaleszenzabscheider gemäß Anspruch 1, wobei der Kontaktwinkel für einen Tropfen von dispergierter Phase in der kontinuierlichen Phase auf dem Medienmaterial nicht kleiner als 90° ist.
Koaleszenzabscheider gemäß Anspruch 1, wobei das Medienmaterial eine Porosität ε; aufweist, die nicht geringer als 0,8 ist.
Koaleszenzabscheider gemäß Anspruch 1, wobei M₁ um mindestens das 2,5-Fache größer als M₂ ist.
Koaleszenzabscheider gemäß Anspruch 1, wobei M₁ ≥ 30 µm ist.
Koaleszenzabscheider gemäß Anspruch 1, wobei die erste Schicht Medien mit einem durchschnittlichen Faserdurchmesser aufweist, der kleiner als 100 µm ist.
Koaleszenzabscheider gemäß Anspruch 1, wobei der Kontaktwinkel für einen Tropfen von dispergierter Phase in der kontinuierlichen Phase auf Schicht eins, θ₁, nicht größer als 90° ist und der Kontaktwinkel für einen Tropfen von dispergierter Phase in der kontinuierlichen Phase auf Schicht zwei, θ₂, nicht kleiner als 90° ist.
Koaleszenzabscheider gemäß Anspruch 1, wobei die erste Schicht von Medienmaterial eine stromabwärtige Oberfläche aufweist, die Fasern umfasst, welche in einer vertikalen Richtung orientiert sind.
Koaleszenzabscheider gemäß Anspruch 1, wobei die Koaleszenzmedien durch Erhalten eines ersten Medienmaterials und eines zweiten Medienmaterials und physisches oder chemisches Verbinden des ersten Medienmaterials und des zweiten Medienmaterials in Schichten gebildet werden.
Koaleszenzabscheider gemäß Anspruch 1, wobei die Koaleszenzmedien durch Schmelzblasen des ersten Medienmaterials und des zweiten Medienmaterials in Schichten gebildet werden.
Koaleszenzabscheider gemäß Anspruch 1, der in einem Gehäuse enthalten ist, wobei das Gehäuse einen stromaufwärtigen Einlass, der strukturiert ist, die Mischung aufzunehmen, und einen stromabwärtigen Auslass, der strukturiert ist, die Mischung nach dem Koaleszieren der dispergierten Phase zu entleeren, aufweist.
Verwendung eines Koaleszenzabscheiders gemäß Anspruch 16 in einem Koaleszenzsystem.
Verwendung eines Koaleszenzabscheiders gemäß Anspruch 17, das Koaleszenzsystem weiterhin umfassend ein hydrophobes Medium zum Entfernen von Wasser, das stromabwärts des Koaleszenzelements positioniert ist.
Verwendung eines Koaleszenzabscheiders gemäß Anspruch 17, das Koaleszenzsystem weiterhin umfassend eine zusätzliche Vorrichtung zum Entfernen von Wasser, die stromabwärts des Koaleszenzelements positioniert ist, wobei die Vorrichtung aus einer Gruppe gewählt ist, die aus einem Schwerkraftabscheider, einer Zentrifuge, einem Impaktor, einem Lamellenseparator, einer geneigten gestapelten Platte, einem Filtersieb und einer Ruhekammer besteht.
Verwendung eines Koaleszenzabscheiders nach Anspruch 1 in einem Verfahren zum Entfernen von in Kohlenwasserstoff-Brennstoff dispergiertem Wasser, wobei das Verfahren das Leiten einer Mischung, die Kohlenwasserstoff-Brennstoff und in dem Kohlenwasserstoff-Brennstoff dispergiertes Wasser umfasst, durch den Koaleszenzabscheider von Anspruch 1 und Entfernen von mindestens 93% des in dem Kohlenwasserstoff-Brennstoff dispergierten Wassers umfasst.