表面聚结器的制造方法
【专利说明】
[0001 ]本申请是以下申请的分案申请：申请日：2010年5月14日；【申请号】 201080021992.6;发明名称"表面聚结器"。
[0002] 相关申请的交叉引用
[0003] 根据美国法典第35编第119(e)款，本申请要求在2009年5月20日提交的第61/179， 939号、在2009年5月18日提交的第61/179，170号和在2009年5月15日提交第61/178，738号 美国临时申请的利益，这些临时申请的内容通过全部引用合并于本文。
技术领域
[0004] 本发明的领域涉及用于聚结两相混合物的聚结器、聚结元件、聚结系统、聚结方法 和聚结介质，两相即连续相和分散相。特别地，所述领域涉及为了从混合物收集和除去分散 相而用于聚结分散相的液滴的聚结器、聚结元件、聚结系统、聚结方法和聚结介质。
【背景技术】
[0005] 聚结器被广泛用于从气态或液态连续相除去不混溶的小液滴，如在曲轴箱通风过 滤(CV)、燃料水分离(FWS)、和油-水分离中。现有技术的聚结器的设计结合了通过利用分级 捕获(即，减小聚结介质中的纤维直径，孔径和/或孔隙率)或通过利用厚深聚结器提高小液 滴捕获和聚结的原理。润湿性也被认为是影响聚结器的性能（例如，见第6,767,459号美国 专利和第2007-0131235号、第2007-0062887号美国公布的专利申请）。第5，443,724号美国 专利披露，介质应该具有比水大的表面能量以提高聚结器性能（即介质应优先地被聚结的 小液滴和连续相两者润湿）。第4,081，373号美国专利号披露，为了从燃料中除去水，聚结介 质应该是疏水的。第2006-0242933号美国公布的专利申请披露一种油-雾聚结器，该油-雾 聚结器中过滤介质是疏油的，从而使流动的雾聚结成小液滴，并且从过滤介质排出。
[0006] 关于从燃料中除去水，有需要提高除去效率和除去比过去更小的小液滴，以保护 高压共轨燃油喷射系统。这种挑战通过引入具有比过去的燃料更低的界面张力和与过去的 燃料不同的复合添加剂的新燃料被进一步放大。在具有更低界面张力的燃料中，分散液滴 的大小减小使液滴更难以除去。因此，增强的聚结需要迎接这些挑战。包括改进的聚结介质 的改进的聚结器也是可取的，因为鉴于提高的聚结效率，它们允许使用更小的介质包。在具 有更低界面张力的燃料中，液滴的大小是减小的，使液滴更难以除去。
[0007] 在燃料的例子中，高压共轨(HPCR)的应用，基本上所有的非溶解的水应该从超低 硫柴油(ULSD)的燃料和生物柴油被除去。这些燃料趋于具有比以往的柴油燃料更低的界面 张力，从而具有比以往的柴油燃料更小的滴尺寸和更稳定的乳液。此外，液滴之间的聚结速 率可由于表面活性剂的存在而降低。传统的FWS倾向于单阶段设备，单级设备中介质相对于 分散相是厌性的，并且担任分散相的屏障。传统的FWS倾向于不对HPCR系统进行足够的去 除，由于它们被设计用于具有高界面张力燃料的燃料栗的上游，因此，它们的孔径倾向于太 大以致不能有效地捕获小的液滴。而且，即使当平均孔径足够小的时候，FWS介质通常拥有 最大孔径，最大孔径足够过量的水通过这些大的孔。传统的两阶段燃料-水聚结器(FWC)被 设计为用于燃料栗的下游并且倾向于用于燃料的两阶段设备，在所述燃料中第一阶段捕获 液滴，保持它们因而聚结可以发生，然后释放变大的液滴，所述变大的液滴通过沉积/沉降 除去，通常被第二分离器阶段(第二分离器阶段作为FWS)封锁。传统的二阶段FWC倾向于提 供比FWS更高的除去效率，但是由于固体或准固体的堵塞，也倾向于不具备足够的寿命。在 不同程度上，FWS和FWC都受表面活性剂的存在的不良影响，表面活性剂降低了界面张力、减 小了液滴大小、减慢了聚结率、稳定了乳液，并且可能吸附于介质，并使其不那么有效。因 此，需要一种高效率、低压降燃料水聚结器，该聚结器最小程度地受到低界面张力与表面活 性剂的存在的影响。
[0008] 作为CV的应用，为了保护在封闭的CV应用中的涡轮增压器，并且为了保护在开放 的CV应用中的环境，需要近100%的油雾除去效率。更高的效率、低的压降和更长的寿命被 寻求。要实现这一点，介质应该防堵塞，亚微米的小液滴需要被除去，并且油需要从介质迅 速排出。
【发明内容】
[0009] 所披露的是用于聚结两不混溶相混合物的聚结介质、聚结器、聚结元件、聚结系统 以及聚结方法，两不混溶相即连续相和分散相。所披露的聚结器、元件、系统和方法可被利 用以从混合物除去或收集分散相，并可包含单层或多层的介质材料，或由单层或多层的介 质材料组成。
[0010] 所披露的聚结介质、聚结器、元件、系统和方法被设定用于从分散相和连续相的混 合物捕获分散相的小液滴。在所述聚结器、元件、系统和方法中，所述混合物穿过一个或多 个聚结介质层，从上游向下游移动。当混合物经过介质时，分散相的小液滴聚结并且在介质 的上游表面生长至足够的尺寸，籍此它们被释放、排出或收集。聚结介质可能包括单层介质 材料，单层介质材料相对连续相中的分散相是不可润湿的，并且可选择地包括附加的介质 材料层。
[0011]所披露的聚结器、元件、系统和方法可以被用于聚结任何合适的包括连续相和分 散相的混合物。通常，连续相和分散相是不混溶的液体。例如，所披露的系统和方法可以被 设定用于或利用于聚结分散在烃类液体中的水(例如，烃类燃料、柴油燃料、生物柴油燃料、 润滑油、液压油或传输油）。在其他【具体实施方式】中，连续相是水，并且分散相是烃类液体。 在另一方面的【具体实施方式】中，连续相是气体，并且分散相是液体。
[0012] 所述聚结介质可包括相对于连续相中的分散相是不可润湿的单层介质材料，以便 利在介质材料上游表面的分散相的聚结。优选地，介质材料的上游表面(或面)是相对光滑 的(例如，使表面受到碾压）以便利分散相的聚结液滴的排出。
[0013] 所述单层有平均孔径M，它通过气孔计测定。通常，单层的平均孔径小于混合物的 分散相的平均小液滴尺寸。单层的平均孔径可以有优选尺寸。在某些【具体实施方式】中，〇.2μ M < M < 12..ΟμΜ < M < 10.ΟμΜ, .ΟμΜ < M < 8.ΟμΜ) 有最大孔径Μμ。优选地，单层有最大孔径Mm，并且I < Μμ/Μ < 3，或更优选地，I < Μμ/Μ < 2。
[0014] 介质材料的单层有毛细管压力Ρ。所述层的毛细管压力可被定义为：
[0016] 其中，P =层的局部毛细管压力；
[0017] γ=界面张力；
[0018] Θ =在层上的连续相中的分散相的液滴的接触角；以及
[0019] M =层的孔径。
[0020] 介质材料的单层相对于连续相中的分散相是不可润湿的。在某些【具体实施方式】 中，在介质材料上的连续相中的分散相的液滴的接触角Θ不小于90°，并且优选地不小于 120° (更优选地不小于135°)。
[0021] 介质材料的单层有孔隙率ε。优选地，孔隙率ε不小于0.8。在某些【具体实施方式】中， 介质材料的单层包括具有平均直径在〇 · 〇7μπι至3 · Ομπι之间（优选地，在0 · 15μπι至1 · 5μπι之间） 的相对细的纤维层，所述相对细的纤维层被支持在相对粗的纤维的基底，相对粗的纤维具 有大于相对细的纤维的平均直径的平均直径(例如，其中相对粗的纤维具有大于大约IOym 的平均直径，优选地，大于大约20μπι)。在其他【具体实施方式】中，单层包括包含相对细的纤维 和相对粗的纤维的非均匀混合物，相对细的纤维具有在0.07m至3. Ομπι之间的直径(优选 地，在0.15μπι至1.5μπι之间），并且相对粗的纤维具有大于相对细的纤维的平均直径的直径 (例如，其中相对粗的纤维具有大于大约IOym的平均直径，优选地，大于20μπι)。
[0022] 单层优选地具有适合聚结连续相中的分散相的厚度。在某些【具体实施方式】中，单 层具有从上游到下游测量（针对流经所述层的）的在〇.〇5至0.4mm之间（优选地，0.1至 0.3mm)的厚度。
[0023] 在进一步的【具体实施方式】中，所披露的聚结介质包括至少两个从上游至下游依次 延伸的毗邻层，即至少第一层和至少第二层，其中第二层可能具有如上所述的单层的特点。 第一层具有平均孔径M 1,1^大于第二层的平均孔径M2,例如由气孔计测定的。在某些优选的
【具体实施方式】中，M 1至少比M2大大约2.5倍(优选地，至少比M2大大约5倍，或更优选地，至少 比此大大约10倍，甚至更优选地，至少比此大大约20倍）。第一层和第二层的平均孔径可具有 优选的尺寸。在某些【具体实施方式】中，1:可能不小于大约30μπι(优选地不小于大约180μπι)。 在其他【具体实施方式】中，〇. 2μΜ < M2 < 12.0μΜ(优选地2. ΟμΜ < M2 < 10. ΟμΜ，或更优选地4. ΟμΜ <Μ2<8.0μΜ)〇
[0024] 第一层和第二层进一步可分别具有最大孔径Μμ4ΡΜμ2。优选地，第二层具有最大孔 径Mm2，并且 I < Μμ2/Μ2 < 3。更优选地，I < Μμ2/Μ2 < 2。
[0025]在所披露的聚结介质中，第一层和第二层分别具有毛细管压力PjPP2。层的毛细管 压力可被定义为：
[0027]其中，P =所指定的层I的局部毛细管压力；
[0028] γ=界面张力；
[0029] Θ =在层上的连续相中的分散相的液滴的接触角；以及 [0030] M =所指定的层I的孔径。
[0031] 在本文所披露的聚结介质的某些【具体实施方式】中，P12 p2。
[0032] 在所披露的聚结介质中，与第二层相比，第一层包括介质材料，该介质材料相对连 续相中的分散相是相对可润湿的。并且相反地，与第一层相比，第二层包括介质材料，该介 质材料相对连续相中的分散相是相对不可润湿的。在某些【具体实施方式】中，在层一上的连 续相中的分散相的液滴的接触角S1不大于90°，并且优选地不大于45°。在进一步的具体实 施方式中，在层二上的连续相中的分散相的液滴的接触角θ 2不小于90°，并且优选地不小于 120° (更优选地不小于135°)。
[0033] 在所披露的聚结介质中，第一层和第二层包含分别具有孔隙率￡1和￡2的过滤介质。 优选地，第二层包含具有不小于0.8的孔隙率￡ 2的过滤介质（可选择地，纤维过滤介质）。在 某些【具体实施方式】中，第二层介质材料包括具有平均直径在0.07μπι至