一种刚性气液聚结滤芯及其制备装置的制作方法

本实用新型涉及气液过滤技术领域，尤其涉及一种刚性气液聚结滤芯及其制备装置。

背景技术：

天然气、煤层气等工艺气以及干气密封气中通常含有液体杂质，这些液体杂质会影响下游相关仪器设备的安全运行，因此需要对气体中的液滴进行过滤，过滤通常在高压工况(例如在天然气需要压气站对天然气进行加压后进行运输，西气东输三线中压力为12mpa)下进行。对于粒径为0.1～1μm的液滴，一般采用聚结过滤器过滤，聚结过滤器通常用于叶片分离器、捕雾器和过滤分离器的下游，气体中的大液滴经叶片分离器、捕雾器和过滤分离器被除去，小液滴则由聚结过滤器除去。

现有的聚结过滤器由内骨架和纤维过滤层组成。内骨架通常采用金属材料加工形成，为多孔管状结构，可以为纤维过滤层提供支撑。纤维过滤层包含聚结层和排液层。聚结层和排液层可起到过滤液滴的作用，两者均为多层缠绕形式。目前的聚结层通常采用玻璃纤维材料制成，排液层通常采用针刺毡材料制成。聚结层对来流气体中的小液滴起到聚结作用，小液滴碰撞纤维后在惯性、扩散和拦截效应作用下，逐渐聚结成大液滴。排液层的作用是为液体提供排液通道，使聚结后的液体在重力作用下可以顺利排出滤芯，减少二次夹带现象发生。

目前常用的聚结过滤器均是由柔性材料缠绕而成。柔性材料没有压缩强度，在高压下会发生压缩变形，滤材内部结构会发生严重变形，导致孔隙结构发生变化，影响聚结和排液过程，造成过滤效果不理想。并且，在高压工况下，气体密度大幅增加，液滴的浮力随之增大，导致排液层中液体排出速度相对减缓，在排液层中会形成积液，积液量增多，气体流通面积减少，流经排液层的气速就会增加，导致气体对排液层中液体的冲刷作用增强，当积液量达到一定程度，即饱和积液量，会造成严重的二次夹带。另外，内骨架的材料通常采用金属，如若气体和液滴中含有腐蚀性成分，容易造成骨架破损，从而造成过滤器失效。

技术实现要素：

本实用新型的一个目的在于提供一种刚性气液聚结滤芯，提高气液聚结滤芯的强度，以满足高压工况的要求。本实用新型的另一个目的在于提供一种刚性气液聚结滤芯的制备装置。

为了达到以上目的，本实用新型一方面公开了一种刚性气液聚结滤芯，包括：

聚结层，环绕于中央进气通道外侧，用于聚结并分离经所述进气通道流入的气体中的液滴；以及

排液层，环绕于所述聚结层外侧，用于为所述聚结后的液滴提供排液通道；

其中，所述聚结层为含有粘结剂的第一柔性材料经过干燥固结形成，所述排液层为含有粘结剂的第二柔性材料经过干燥固结形成，其中，所述含有粘结剂的第一柔性材料和含有粘结剂的第二柔性材料为通过真空抽吸使粘结剂溶液通过所述第一柔性材料和所述第二柔性材料得到。

优选地，所述滤芯进一步包括设于所述聚结层靠近所述进气通道一侧的预分离层。

优选地，所述预分离层为含有粘结剂的第三柔性材料经过干燥固结形成，所述含有粘结剂的第三柔性材料为通过真空抽吸使粘结剂溶液通过所述第三柔性材料得到。

优选地，所述预分离层为多层缠绕形式或折叠环绕形式。

优选地，所述第三柔性材料为陶瓷纤维或无纺布。

优选地，所述聚结层和/或所述排液层为多层缠绕形式或折叠环绕形式。

优选地，所述聚结层的材料为玻璃纤维、聚酯纤维或聚丙烯纤维。

优选地，所述排液层的材料为针刺毡。

优选地，所述粘结剂为硅溶胶、水玻璃、铝溶胶、聚乙烯醇或聚乙二醇中的一种或多种。

本实用新型还公开了一种刚性气液聚结滤芯的制备装置，包括：

溶液池，用于承装粘结剂溶液；

多孔模具，用于支撑用于形成所述滤芯的柔性材料；

储液罐，通过管道与所述多孔模具连通；

真空泵，通过管道与所述储液罐连通。

优选地，所述装置进一步包括旋转装置；

所述旋转装置用于使所述多孔模具旋转。

本实用新型提供了一种刚性气液聚结滤芯。本实用新型聚结滤芯中的聚结层和排液层分别通过含有粘结剂的第一柔性材料和第二柔性材料干燥固结形成刚性气液聚结滤芯。形成聚结层和排液层的柔性材料上通过真空抽吸使粘结剂溶液通过而附着有少量粘结剂，粘结剂存留在纤维与纤维间的接触点处，通过将粘结剂干燥固结后，纤维与纤维固结在一起，从而可提高柔性材料的刚性，使聚结层和排液层具有一定压缩强度，可以保持原有的柔性材料的孔隙结构，从而使刚性气液聚结滤芯能够在高压工况下正常工作。并且，本实用新型的刚性气液聚结滤芯本身为刚性结构，故可以实现自支撑，无需再设置内骨架提供支撑，可以降低成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本实用新型一种刚性气液聚结滤芯一个具体实施例的主视剖面图；

图2示出本实用新型一种刚性气液聚结滤芯一个具体实施例的俯视剖面图；

图3示出图2中a区域的放大图；

图4示出本实用新型一种刚性气液聚结滤芯中柔性材料中纤维与纤维固结后的示意图；

图5示出本实用新型一种刚性气液聚结滤芯一个具体实施例的制备方法的流程图之一；

图6示出本实用新型一种刚性气液聚结滤芯一个具体实施例的制备方法的流程图之二；

图7示出本实用新型一种刚性气液聚结滤芯的制备装置的示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

根据本实用新型的一个方面，本实施例公开了一种刚性气液聚结滤芯。如图1-图3所示，本实施例中，所述刚性气液聚结滤芯包括聚结层20和排液层30。所述聚结层20环绕于中央进气通道外侧，用于聚结并分离经所述进气通道流入的气体中的液滴，所述排液层30环绕于所述聚结层20外侧，用于为气体经过所述聚结层20后聚结形成的液滴提供排液通道。

其中，所述聚结层20为含有粘结剂的第一柔性材料经过干燥固结形成，所述排液层30为含有粘结剂的第二柔性材料经过干燥固结形成，其中，所述含有粘结剂的第一柔性材料和含有粘结剂的第二柔性材料为通过真空抽吸使粘结剂溶液1通过所述第一柔性材料和所述第二柔性材料得到。

本实用新型提供了一种刚性气液聚结滤芯。本实用新型聚结滤芯中的聚结层20和排液层30分别通过含有粘结剂的第一柔性材料和第二柔性材料干燥固结形成刚性气液聚结滤芯。形成聚结层20和排液层30的柔性材料上通过真空抽吸使粘结剂溶液1通过而附着有少量粘结剂，粘结剂存留在纤维40与纤维40间的接触点50处，通过将粘结剂干燥固结后，纤维40与纤维40固结在一起，如图4所示。通过在纤维40与纤维40的接触点50处附着粘结剂并固结可提高柔性材料的刚性，使聚结层20和排液层30具有一定压缩强度，同时可以保持原有的柔性材料的孔隙结构，从而使刚性气液聚结滤芯能够在高压工况下正常工作。并且，本实用新型的刚性气液聚结滤芯的聚结层20和排液层30具有一定刚度，可以实现自支撑，无需再设置内骨架提供支撑，可以降低成本。

在优选的实施方式中，所述滤芯进一步包括设于所述聚结层20靠近所述进气通道一侧的预分离层10。在气液聚结过程中，滤芯已经捕集到的液滴由于气流的冲刷作用再次进入下游气流形成二次夹带现象，从而引起下游气流中液滴浓度的增加，导致过滤效率下降，这种现象在微米级液滴中非常容易出现。通过设置预分离层10可对进气通道的气流中的大液滴进行初步分离，可减轻聚结层20和排液层30中的积液量，从而减小滤芯的二次夹带现象。

在优选的实施方式中，所述预分离层10为含有粘结剂的第三柔性材料经过干燥固结形成，所述含有粘结剂的第三柔性材料为通过真空抽吸使粘结剂溶液1通过所述第三柔性材料得到。真空抽吸粘结剂溶液1使粘结剂溶液1经过第三柔性材料，然后干燥固结形成预分离层10，使预分离层10具有一定的刚度。则使该预分离层10可为聚结层20和排液层30提供一定的支撑作用，从而可替代现有的滤芯中的内骨架，能够有效防止滤芯由于液体腐蚀造成的破坏。

在优选的实施方式中，聚结层20环绕形成进气通道，排液层30环绕于所述聚结层20外侧。其中，环绕形式可以包括两种，即多层缠绕形式和折叠环绕形式。所述聚结层20和所述排液层30可以采用多层缠绕形式和折叠环绕形式两种环绕形式中的任意一种。即可以通过围绕进气通道多层缠绕第一柔性材料形成多层缠绕形式的聚结层20，也可以通过先将第一柔性材料折叠，然后将折叠后的第一柔性材料围绕聚结层20形成折叠环绕形式的聚结层20，如图3所示。同理，排液层30和预分离层10可以采用多层缠绕形式，也可以采用折叠环绕形式，可根据实际情况选择设置形式，本实用新型对此并不作限定。

在优选的实施方式中，所述第一柔性材料可选用玻璃纤维40、聚酯纤维40或聚丙烯纤维40。第一柔性材料的厚度优选为0.3～1mm之间，平均孔径优选为1～20μm。

所述第二柔性材料可选用针刺毡，例如芳纶针刺毡、涤纶针刺毡或丙纶针刺毡等。第一柔性材料的厚度优选为1～3mm，平均孔径优选为20～100μm。

所述第三柔性材料可选用陶瓷纤维40或无纺布。第三柔性材料的厚度优选为0.5～3mm，平均孔径优选为20～150μm。

预分离层10、聚结层20和排液层30的柔性材料的孔隙大小不同，其中，聚结层20的孔隙较小，预分离层10和排液层30的孔径较大。预分离层10起到预分离作用，预分离层10的较大孔隙可分离气体中的较大液滴；聚结层20的孔隙较小，在较小孔隙的阻挡下使气体中的小液滴在穿透的时候聚并成大液滴；排液层30为较大孔径，在不增加滤芯压降的同时，增加排液层30有利于聚并的大液滴在重力作用下顺利排液。

在优选的实施方式中，粘结剂可选用硅溶胶、水玻璃、铝溶胶、聚乙烯醇或聚乙二醇等类似粘结剂中的一种或多种。选用的粘结剂固化方式均干燥脱水固化，干燥温度可选择80～150℃，干燥时间可选择5～12h。优选的，干燥方法可选用微波法进行干燥，可将干燥时间缩短至10～20min，也可抑制普通干燥过程中粘结溶液未固化前在热作用及毛细作用下向滤芯表面迁移，造成粘结剂分布不均匀的问题。当然，在实际应用中，也可采用其他能够提高柔性材料刚性的粘结剂并选择对应的干燥温度和时间，本实用新型对此并不作限定。

需要说明的是，本实施例中，仅示例性的给出第一柔性材料、第二柔性材料和第三柔性材料的材料、厚度和孔隙大小，在实际应用中，也可以根据实际情况选择其他的柔性材料以及柔性材料的厚度和孔隙尺寸，本实用新型对此并不作限定。

本实施例还公开了一种刚性气液聚结滤芯的制备方法。如图5所示，本实施例中，所述方法包括：

s100：将第一柔性材料和第二柔性材料依次环绕固定在多孔模具2上。例如，当聚结层20采用多层缠绕形式时，可将第一柔性材料一层一层地缠绕固定在多孔模具2上，优选的可缠绕4～8层。

当排液层30在采用折叠环绕形式时，可将第二柔性材料先折叠，然后将折叠的第二柔性材料环绕固定在聚结层20的外侧。

优选的，可采用胶粘的形式将第一柔性材料和第二柔性材料固定在多孔模具2的外侧。更优选的，可采用点接的胶粘形式，即每间隔预设距离涂一次胶以胶粘固定。例如，通过胶粘将第一柔性材料固定在多孔模具2上，可每隔1～10cm用胶枪在柔性材料内侧涂抹少量胶，然后用力压紧固定即可。然后第二柔性材料的折叠长度可每隔5～30mm折叠一次，一周可折叠120～360次，在环绕在排液层30外侧后，通过胶粘的形式将第二柔性材料的首尾胶粘固定在一起。

s200：将所述多孔模具2开口的一端与储液罐3连接。所用多孔模具2包括开口的一端，另一端为封闭端，开口的一端可用于连接储液罐3。多孔模具2上形成有多个通孔，通孔孔径优选为2～5mm，通孔间距为10～50mm。在优选的实施方式中，柔性材料缠绕固定在多孔模具2前，可先在多孔模具2上涂抹甘油等类似润滑物质，方便滤芯干燥后可顺利从多孔模具2上取下。

s300：将所述储液罐3与真空泵4连接。真空泵4可以抽真空可使粘结剂溶液1通过柔性材料。

s400：将所述多孔模具2置于粘结剂溶液1中，使所述多孔模具2上的第一柔性材料和第二柔性材料的至少部分浸入所述粘结剂溶液1中。粘结剂可选用硅溶胶、水玻璃、铝溶胶、聚乙烯醇或聚乙二醇等类似粘结剂中的一种或多种。通过将粘结剂与水按比例混合，可形成粘结剂溶液1。

s500：启动所述真空泵4抽吸使所述粘结剂溶液1依次经过所述第二柔性材料和所述第一柔性材料并通过所述多孔模具2上的通孔进入储液罐3得到含有粘结剂的第一柔性材料和含有粘结剂的第二柔性材料。采用真空泵4抽吸过程中可通过采用质量流量控制仪控制气体流经滤芯的气速，优选的气速控制在1～30m/min。

s600：将多孔模具2从所述粘结剂溶液1中取出并继续通过所述真空泵4抽吸。将多孔模具2从粘结剂溶液1中取出，此时柔性材料中包含有大量的粘结剂，通过真空泵4继续抽取，可带走大量的粘结剂，仅使少量粘结剂停留在纤维40与纤维40接触点50处，通过控制气速以及最后的抽吸时间可控制停留在接触点50处的粘结剂量，以此来调节滤芯固化后的强度以及孔径变化。优选的，可使柔性材料在粘结剂溶液1中旋转5～30圈后取出，并继续抽吸5～60s。可通过改变粘结剂溶液1的浓度、抽吸气速和抽吸次数等参数可实现对滤芯孔径的调控。

s700：将多孔模具上含有粘结剂的第一柔性材料和含有粘结剂的第二柔性材料干燥固结并将干燥固结后的第一柔性材料和第二柔性材料从所述多孔模具上取下得到所述刚性气液聚结滤芯。在优选的实施方式中，干燥完成后如果想继续提高成型后滤芯的强度以及减小每层滤材孔径，可再次重复步骤s500-s700直至满足滤芯的刚性要求。

在优选的实施方式中，如图6所示，所述方法进一步包括在将第一柔性材料和第二柔性材料依次环绕固定在多孔模具2上之前：

s000：将第三柔性材料环绕固定在所述多孔模具2上。此时，第一柔性材料可通过固定在第三柔性材料上实现与多孔模具2的固定。

当预分离层10采用多层缠绕形式设置时，可将第三柔性材料多层缠绕在多孔模具2上。第三柔性材料可通过胶粘固定在多孔模具2上，胶粘方式优选的可采用点接，即每隔预设间距用胶枪在柔性材料末端内侧涂抹少量胶，然后用力压紧进行固定。所述预设间距的范围优选为1～10cm。

优选的，聚结层20的第一柔性材料可与预分离层10的第三柔性材料无缝接合。

在优选的实施方式中，所述s400中当将所述多孔模具2置于粘结剂溶液1中，使所述第一柔性材料和第二柔性材料的部分浸入所述粘结剂溶液1中时，旋转所述多孔模具2使柔性材料未浸入所述粘结剂溶液1中的部分依次浸入所述粘结剂溶液1。

当多孔模具2上的柔性材料部分浸入粘结剂溶液1中时，可通过旋转多孔模具2，使多孔模具2上的柔性材料能够转动并使不同部分的柔性材料依次浸入粘结剂溶液1中，以使柔性材料的各部分均可存留粘结剂。

根据相同原理，本实施例还公开了一种刚性气液聚结滤芯的制备装置。如图7所示，本实施例中，所述制备装置包括溶液池、多孔模具2、储液罐3和真空泵4。

其中，所述溶液池用于承装粘结剂溶液1。

所述多孔模具2用于支撑用于形成所述滤芯的柔性材料。

所述储液罐3通过管道与所述多孔模具2连通。

所述真空泵4通过管道与所述储液罐3连通。

在优选的实施方式中，所述装置进一步包括旋转装置。所述旋转装置用于使所述多孔模具2旋转。当多孔模具2上的柔性材料部分浸入粘结剂溶液1中时，可通过旋转装置旋转多孔模具2，使多孔模具2上的柔性材料能够转动并使不同部分的柔性材料依次浸入粘结剂溶液1中，以使柔性材料的各部分均可存留粘结剂。图7中多孔模具2对应的箭头为多孔模具2的旋转方向，其他箭头为粘结剂溶液的流动方向。

下面通过一个具体例子来对本实用新型作进一步地说明。在具体例子中，预分离层10的滤材选用陶瓷纤维40，滤材厚度为1mm，平均孔径为25μm；聚结层20的滤材选用玻璃纤维40，滤材厚度为0.5mm，平均孔径为3.7μm；排液层30滤材选用针刺毡，滤材厚度为3mm，平均孔径为30μm。所用多孔模具2上开孔孔径为3mm，开孔间距为25mm。

先在多孔模具2表面均匀涂抹少量甘油。然后将预分离层10滤材在多孔模具2上缠绕2层，末端通过胶粘固定，胶粘方式为点接，即每隔3cm用胶枪在滤材末端内侧涂抹少量胶，然后用力压紧进行固定。聚结层20滤材首端与预分离层10末端无缝接合，缠绕4层，末端通过胶粘固定，胶粘方式为点接，即每隔3cm用胶枪在滤材末端内侧涂抹少量胶，然后用力压紧进行固定。

将排液层30进行打折，打折长度为15mm，打折个数为240个，紧密缠绕在聚结层20外，采用胶粘方式对排液层30的首段和末端进行接合。

将整个结构半浸入粘结剂溶液1中，粘结剂为水玻璃，采用真空抽吸方式将所有滤材润湿，抽吸气速为5m/min，旋转20圈后取出并继续抽吸10s。

将多孔模具2及其上的滤芯放入干燥箱进行干燥，温度为100℃，干燥时间为10h，将干燥固结后的第一柔性材料、第二柔性材料和第三柔性材料从多孔模具上取下得到刚性气液聚结滤芯。

在该具体例子中制备得到的刚性气液聚结滤芯，压缩强度为8.5mpa，室温环境下0.1m/s过滤气速下，压降为0.96kpa，在5mpa的压力条件下，滤芯没有发生明显变形，经过对出口液滴浓度的检测，与常压下基本一致，故基本没有发生高压导致的二次夹带现象。

本实用新型通过采用真空抽吸，使少量粘结剂吸附在滤芯柔性材料的纤维40与纤维40的接触点50处，对纤维40起到固定作用，在基本不影响滤芯原有孔隙结构的同时使整个滤芯成为刚性结构，可防止在高压下发生变形，造成过滤性能下降。也可实现自支撑，无需金属内骨架或外骨架，减小了滤芯重量，从而减小对装载滤芯的管板的作用力。另外，刚性气液聚结滤芯的制造成本要低于传统的滤芯。

排液层30采用折叠形式，可大幅度增加滤芯过滤面积。一方面，过滤面积增大使排液层30饱和积液量相对增加，让液体在排液层30达到饱和积液量前有足够时间向下排出，可有效缓解高压下排液速度缓慢造成严重的二次夹带现象。另一方面过滤面积增大，表观气速相对减少，从而减小气流对排液层30中大液滴的冲刷作用，也可抑制二次夹带现象的发生。本实用新型的滤芯各层均具有一定强度，从而无需再设置提供支撑的金属内骨架，有效防止滤芯由于腐蚀造成的破坏，同时预分离层可对气体中的大液滴进行初步分离，可减轻聚结层和排液层中的积液量，从而减小二次夹带现象。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。