分区流体分离的制作方法

分区流体分离的制作方法
【专利摘要】一种渗透蒸发元件，包括具有由沿整料的轴向长度延伸的多孔通道壁隔开的平行通道阵列的陶瓷整料和沿整料的轴向长度涂覆第一多个多孔通道壁的功能性膜。功能性膜用于将流体分离成保留部分和渗透部分。由功能性膜涂覆的多孔通道壁限定多个离散贯穿段，其中每个离散贯穿段由多个未涂覆的多孔通道壁彼此间隔开。进入离散贯穿段的流体分离成大部分穿过离散贯穿段流出的保留部分和径向向外穿过未涂覆的多孔通道壁并穿过整料皮流出陶瓷整料的渗透部分。
【专利说明】分区流体分离
[0001]本申请根据35U.S.C.§ 119要求2011年11月28日提交的美国临时申请第61/563860号的优先权益，本申请所依赖的内容以参见的方式纳入本文。
[0002]领域
[0003]本说明书通常涉及分区的陶瓷整料，且更具体地说，涉及用于将流体分离成组成成分的分区的陶瓷整料。
技术背景
[0004]通常，以汽油为燃料的内燃机在压缩冲程期间发出火花以点燃燃烧室中的汽化汽油。在某些运行条件下，由于在压缩冲程期间需要推迟火花定时以避免导致发动机爆震的燃料预燃，某些内燃机可能已减小功率输出。为了将火花定时提前，可使用具有较高抗爆震性能(用较高的研究法辛烷值(RON)表示)的燃料。然而，购买具有较高RON的燃料通常比具有较低RON的燃料更昂贵。高RON燃料的可用性还可能受到市场情况限制。
[0005]诸如美国专利第7，107，942号所述的燃料分离装置通过使合成燃料流经过燃料分离膜将燃料流分离成具有高RON成分和低RON成分的流股。然而，这种燃料分离装置可易于降低燃料的高RON部分和低RON部分的分离性能并可能成本高昂。
[0006]因此，存在对用于流体成分分离的具有改善性能的成本有效的分区的陶瓷整料的需求。


【发明内容】

[0007]根据各种实施例，渗透蒸发元件包括陶瓷整料，该陶瓷整料具有由沿整料的轴向长度延伸的多孔通道壁隔开的平行通道阵列，以及功能性膜，该功能性膜沿整料的轴向长度涂覆第一多个多孔通道壁。功能性膜用于将流体分离成保留部分和渗透部分。由功能性膜涂覆的多孔通道壁限定多个离散贯穿段，其中每个离散贯穿段由多个未涂覆的多孔通道壁彼此隔开。进入离散贯穿段的流体分离成保留部分，该保留部分大部分穿过离散贯穿段流出，以及渗透部分，该渗透部分径向向外穿过未涂覆的多孔通道壁、多孔整料本体并穿过整料的皮流出陶瓷整料。
[0008]根据另外实施例，车载燃料分离装置包括渗透蒸发元件、燃料加热器和燃料冷却器。渗透蒸发元件包括陶瓷整料，该陶瓷整料具有由沿整料的长度延伸的多孔通道壁隔开的平行通道阵列，以及聚合膜，该聚合膜沿整料长度涂覆多个多孔通道壁。渗透蒸发元件的聚合膜限定由多个涂覆的多孔通道壁组成的多个离散贯穿段。渗透蒸发元件的每个离散贯穿段由未涂覆的多孔通道壁彼此间隔开。
[0009]根据又一些实施例，渗透蒸发元件的陶瓷整料包括由沿整料的轴向长度延伸的多孔通道壁隔开的平行通道阵列。陶瓷整料还包括功能性膜，该功能性膜沿整料的轴向长度涂覆第一多个多孔通道壁，功能性膜用于将流体分离成保留部分和渗透部分。由功能性膜涂覆的多孔通道壁限定多个离散贯穿段，其中每个离散贯穿段由多个未涂覆的多孔通道壁彼此隔开。进入离散贯穿段的流体分离成保留部分，该保留部分大部分穿过离散贯穿段流出，以及渗透部分，该渗透部分径向向外穿过未涂覆的多孔通道壁并穿过整料的皮流出陶瓷整料。
[0010]以下将详细阐述各实施例的其它特征和优点，本领域的技术人员来说，其部分可从说明书中容易地理解到或通过本文所述的本发明的实践而认识到，说明书包括详细说明、权利要求书以及附图。
[0011]应予理解的是，上面的总体说明和下面的详细说明都描述了本发明的各实施例，并意在提供概况或框架以便理解如所要求保护的主体的性质和特征。包括附图以提供对各实施例的进一步理解，附图包括在说明书中并构成说明书的一部分。附图示出本发明的各实施例并与说明书一起用于解释本主题的原理和操作。

【专利附图】

【附图说明】
[0012]图1根据本文所述和所示的一个或多个实施例形象地示出具有分区的陶瓷整料的渗透蒸发元件的剖视图；
[0013]图2形象地示出图1所示的具有分区的陶瓷整料的渗透蒸发元件沿线A-A的局部侧首lJ视图;
[0014]图3形象地示出图1所示的具有分区的陶瓷整料的渗透蒸发元件的一个实施例沿线B-B的局部正剖视图；
[0015]图4形象地示出图1所示的具有分区的陶瓷整料的渗透蒸发元件的一个实施例沿线B-B的局部正剖视图；
[0016]图5形象地示出图1所示的具有分区的陶瓷整料的渗透蒸发元件的一个实施例沿线A-A的局部侧剖视图；
[0017]图6根据本文所述和所示的一个或多个实施例形象地示出面密封件的立体图；
[0018]图7A根据本文所述和所示的一个或多个实施例形象地示出面密封件的立体图；
[0019]图7B根据本文所述和所示的一个或多个实施例形象地示出面密封件的立体图；
[0020]图8根据本文所述和所示的一个或多个实施例形象地示出具有分区的陶瓷整料的渗透蒸发元件的局部侧剖视图；
[0021]图9根据本文所述和所示的一个或多个实施例形象地示出包括渗透蒸发元件的局部侧剖视图；以及
[0022]图10根据本文所述和所示的一个或多个实施例示意性地示出包括渗透蒸发元件的车载燃料分离装置。
[0023]图11根据本文所述和所示的一个或多个实施例示出使用分区的元件的分离段分离汽油的渗透蒸发性能。
[0024]图12根据本文所述和所示的一个或多个实施例提供了分区的元件的图片:A)全新的、B)具有一个用于通过渗透蒸发分离汽油的部分以及C)具有两个用于通过渗透蒸发分离汽油的部分。

【具体实施方式】
[0025]现参照图1，根据本文所述和所示的一个或多个实施例示意性地示出了包含分区的陶瓷整料的渗透蒸发元件。陶瓷整料是包括由多孔通道壁隔开的多个平行通道的蜂窝状结构。多个多孔通道壁沿整料的轴向长度涂有功能性膜。为了限定整料的离散贯穿段，功能性膜将流过整料的流体分离成保留部分和渗透部分。每个离散贯穿段由多个未涂覆的多孔通道壁彼此隔开。引入其中一个离散贯穿段的流体分离成沿离散贯穿段流动的保留部分和流动穿过涂覆和未涂覆的多孔通道壁的渗透部分。本文将更详细描述具体的渗透蒸发元件和制造渗透蒸发元件的方法。
[0026]术语“渗透蒸发”是指目标流体流动穿过在整料壁上的薄膜的能力。这种现象是溶液扩散过程，该溶液扩散过程的特征在于:进料成分吸附到薄膜(对于给定成分的溶解度，用Si表征)、扩散穿过薄膜(对于给定成分的扩散率，用Di表征)以及成分从薄膜的背面脱附到整料本体。S和D对于到组件的进料中的每个种类是不同的。这提供了给定材料的渗透性或渗透率Pi SDi X Sitj此外，种类的选择性α 在比例上由PiZiPj.给出。
[0027]详细参照图1,示出了渗透蒸发元件100的一部分。渗透蒸发元件100包括整料组件110，整料组件110包括陶瓷整料120、上游分段的端盖130和下游分段的端盖132。陶瓷整料120具有轴向长度123和特征周界或皮125。上游分段的端盖130和下游分段的端盖132沿陶瓷整料120的相反轴向端121布置。整料组件110定位在壳体组件140内，壳体组件140以剖切方式示出。壳体组件140包围整料组件110并提供流体入口端口 142、保留出口端口 144和渗透出口端口 146之间的流密连接。如以下将讨论的，引入陶瓷整料120的流体分离成两个流体流股。一个流体流股轴向流动穿过陶瓷整料120的多个平行通道122并通过保留出口端口 144流出渗透蒸发元件100。另一流体流股流动穿过陶瓷整料120的多个多孔通道壁124并通过渗透出口端口 146流出渗透蒸发元件100。
[0028]参照图1和3-4，多个平行通道122的横截面是大致圆形。然而，在可替代实施例中，本文中的多个通道可具有包括矩形、方形、椭圆形、三角形、八边形、六边形或其组合的其它横截面构型。
[0029]在本文所述实施例中，陶瓷整料120可由多达大约500个通道每平米英寸(cpsi)的通道密度组成。例如，在有些实施例中，陶瓷整料120可具有从大约70cpsi至大约400cpsi范围内的通道密度。在另一些实施例中，陶瓷整料120可具有从大约200cpsi至大约250cpsi或甚至从大约70cpsi至大约150cpsi范围内的通道密度。
[0030]在本文所述实施例中，陶瓷整料120的多孔通道壁124可具有大于大约10密耳(254微米)的厚度。例如，在某些实施例中，多孔通道壁124的厚度可在从大约10密耳至大约30密耳(762微米)的范围内。在另一些实施例中，多孔通道壁124的厚度可在从大约15密耳(381微米)至大约26密耳(660微米)的范围内。
[0031]在本文所述的渗透蒸发元件100的实施例中，陶瓷整料120的多孔通道壁124在任何涂料涂覆到陶瓷整料120之前可具有％ P ^ 35%的裸开孔孔隙率(即，在任何涂料涂覆到陶瓷整料120之前的孔隙率)。在某些实施例中，多孔通道壁124的裸开孔孔隙率可能是这样的P ( 60%。在另一些实施例中，多孔通道壁124的裸开孔孔隙率可能是这样的:25%彡％ P ( 40%。
[0032]通常，具有大于大约I微米的平均孔径的所生产的陶瓷整料使得很难在衬底上产生可行的薄膜涂层。因此，通常希望将多孔通道壁的平均孔径保持在大约0.01微米和大约0.80微米之间。
[0033]在本文所述实施例中，陶瓷整料120的蜂窝状本体可由诸如例如堇青石、莫来石、金刚砂、氧化铝、钛酸铝或适合用于高温颗粒过滤应用的任何其它多孔材料的陶瓷材料制成。
[0034]现参照图1和2，分段的端盖130、132包括多个开口 134，多个开口 134定位成暴露陶瓷整料120的多个平行通道122，同时覆盖和密封陶瓷整料120的多个其余平行通道。分段的端盖130、132用粘合剂136固定到陶瓷整料120的轴端，粘合剂136形成分段的端盖130、132和陶瓷整料120之间的流密密封。
[0035]参照图2，示出了整料组件110的一部分。陶瓷整料120包括由多孔通道壁124隔开的平行通道122阵列。多孔通道壁124沿陶瓷整料120的轴向长度延伸。多孔通道壁124允许流体渗透穿过相邻平行通道122之间的多孔通道壁124。多个多孔通道壁124涂有功能性膜126。功能性膜126对流体流股的某些部分可渗透而对其余部分不可渗透。通过使流体90通过整料组件110，功能性膜126将流体分离成流过多个平行通道122的保留部分90B和穿过涂覆的多孔通道壁124A的渗透部分90A。
[0036]在某些实施例中，多孔通道壁124涂有无机涂层127，无机涂层127是改善功能性膜126到多孔通道壁124的粘结性能的涂覆的中间层。实例包括美国专利公开第2008/0035557号所公开的无机膜和类似膜。
[0037]功能性膜126的实例包括二环氧-正辛烷-聚(丙二醇)双(2-氨基丙基醚)(MW200)
[0038](DEN0-D400)、交联有机聚合材料。在一个实例中，在固化到多孔介质上时，DEN0-D400允许诸如具有高RON的液态燃料和汽化燃料(例如，具有大于大约100的RON的燃料部分)的流体流股优先地通过固化的聚合物和多孔介质，同时限制具有低RON的液态燃料和汽化燃料通过固化的聚合物和多孔介质。因此，功能性膜126将燃料流分离成具有低RON的保留部分和具有高RON的渗透部分。功能性膜126的一个实例是DEN0-D400，但应该理解，可使用诸如例如美国专利第5，550，199号所述的聚酯聚酰亚胺和例如美国专利第8，119，006号和美国专利申请61/476，98所述的其它聚醚-环氧胺的其它功能性膜。
[0039]涂覆到多孔通道壁124上的功能性膜126的渗透能力可根据引到平行通道122的流体的温度变化。通常，随着流体的温度升高，功能性膜126的渗透速度增加。然而，随着功能性膜126的渗透速度增加，流体流股的渗透部分的平均RON会变化。可获得使平均RON与渗透速度平衡的最佳操作设定点。来自大多数市场汽油的从大约60至大约200°C在从大约200至大约100kPa的压力下、且较佳地从大约120至大约160°C在从大约400至大约600kPa的压力下引到渗透蒸发元件100的流体流股可提供具有大于95且较佳地大于大约100的RON的燃料渗透部分有用量。
[0040]如图2和3所示，陶瓷整料120的某些多孔通道壁124A涂覆功能性膜126，而陶瓷整料120的其余多孔通道壁124B未涂覆功能性膜126。如图2所示，定位在分段的端盖130的实心部分后面的多孔通道壁124未涂覆功能性膜126，而定位在分段的端盖130的开口 134后面的多孔通道壁124涂覆功能性膜126。
[0041]参照图3，示意性地示出了涂覆的多孔通道壁124A和未涂覆的多孔通道壁124B的位置布局的一个实例。涂覆的多孔通道壁124A限定多个离散贯穿段128，离散贯穿段128示出为接触名义边界129的或在名义边界129内的多孔通道壁124和平行通道122。每个离散贯穿段128由未涂覆的多孔通道壁124B彼此隔开，未涂覆的多孔通道壁124B示出为完全在名义边界129外的多孔通道壁124。在某些实施例中，多个未涂覆的多孔通道壁124B沿陶瓷整料120的皮125定位。沿特征周界125定位的未涂覆的多孔通道壁124B允许流体的渗透部分径向向外流动穿过皮125且通过壳体组件140捕集并排到渗透出口端口146 (图1)。
[0042]在本文所述实施例中，功能性膜126可使用各种涂覆方法涂到多孔通道壁124上。功能性膜126可如美国专利公开2008/0035557A1所述或者可替代地通过如美国专利申请61/476，988所述的滑涂技术涂到陶瓷整料120上。功能性膜126可如同液体乳胶涂覆一样涂到陶瓷整料120。液体乳胶涂覆可通过将陶瓷整料120至少部分浸入液体乳胶“池”引到陶瓷整料120。液体乳胶接着固化以将功能性膜126绕多孔通道壁124固化。该液体乳胶涂覆可与诸如液体滑涂的其它涂覆过程结合。
[0043]在另一实施例中，功能性膜126可通过“雾化”过程涂覆，其中形成功能性膜的未固化的渗透蒸发聚合材料的液滴喷入空气中以形成气溶胶。陶瓷整料120被引到雾化的渗透蒸发聚合材料且液滴在多孔通道壁124上形成冷凝物。冷凝物接着固化以将功能性膜126绕多孔通道壁124固化。
[0044]在将渗透蒸发聚合材料涂到陶瓷整料120之前掩蔽由未涂覆的多孔通道壁124B包围的平行通道122。在某些实施例中，分段的端盖130防止未涂覆的多孔通道壁124B被渗透蒸发聚合材料涂覆。在另一些实施例中，挡板防止未涂覆的多孔通道壁124B被渗透蒸发聚合材料涂覆。该挡板可以是易耗品或固定到用于涂覆衬底的设备。
[0045]固化形成功能性膜的渗透蒸发聚合材料以从大约I至大约10微米的厚度涂到多孔通道壁124。例如，在某些实施例中，功能性膜126具有从大约2至大约9微米的厚度。另外，对于包括涂在多孔通道壁124和功能性膜126之间的中间无机涂层127，无机涂层以多达大约5微米的厚度涂覆。无机涂层127通常降低多孔通道壁124的渗透率。
[0046]在陶瓷整料120用于燃料分离的实施例中，陶瓷整料120、功能性膜126和无机涂层127(若有的话)抵抗来自引到渗透蒸发元件100的任何燃料的化学侵蚀。汽油是具有宽沸点范围的芳烃和脂肪烃的复杂混合物，并包括各种成分和添加剂，添加剂包括但不限于抗氧化齐?、金属减活齐?、洗涤齐?、染料、甲基叔丁基醚、乙基叔丁基醚、甲醇、乙醇、正丁醇、四乙基铅和甲基环戊二烯三羰基锰。另外，可与燃料接触的渗透蒸发元件100的部件由抵抗来自引到渗透蒸发元件100的任何燃料的化学侵蚀的材料制成。例如，壳体组件140可由不锈钢制成。面密封件160可由Viton?氟橡胶制成。
[0047]参照图4，为陶瓷整料120考虑了涂覆的多孔通道壁124A和未涂覆的多孔通道壁124B的其它模式，例如，如图4所示，离散贯穿段128的数量通过改变涂覆的多孔通道壁124A和未涂覆的多孔通道壁124B的模式可改变。
[0048]再次参照图1-3，通常，流体作为液体和/或蒸汽引到其中一个离散贯穿段128的涂覆的多孔通道壁124A。在一个实施例中，流体是例如汽油的燃料。随着燃料流过陶瓷整料120，具有高RON成分的燃料部分优先渗透蒸发穿过涂覆的多孔通道壁124A并进入未涂覆的多孔通道壁124B。由于未涂覆的多孔通道壁124B具有与涂覆的多孔通道壁124A相比增强的渗透性，因此具有高RON的流过未涂覆的多孔通道壁124B的燃料部分可径向流出整料组件110并进入壳体组件140。具有富RON的燃料部分收集在渗透出口端口 146，燃料部分从渗透出口端口 146流出渗透蒸发元件100。
[0049]相反地，由于功能性膜126优先减少具有低RON的燃料部分渗透穿过涂覆的多孔通道壁124A，因此，燃料的低RON成分仅沿离散贯穿段128中的平行通道122的轴向长度流过陶瓷整料120。具有低RON的燃料部分保留在陶瓷整料120整个轴向长度上的离散贯穿段128内的平行通道122内部并引到保留出口端口 144，燃料部分从保留出口端口 144流出渗透蒸发元件100。
[0050]在分区的整料120用于燃料分离设备时，燃料分离设备的产率随时间降低。包含功能性膜126的燃料分离设备的产率受到由燃料的高沸点芳烃和添加剂种类成分污染膜的负面影响。为了提高在延长持续时间上提供的高RON燃料的产率，本公开的渗透蒸发元件100包括穿过陶瓷整料120的多个离散贯穿段128。燃料被引导穿过单一离散贯穿段128直到从该离散贯穿段128分离的高RON产率降至阈值下。一旦来自第一离散贯穿段128的产率降至阈值下，那该离散贯穿段128可归类为在次优的情况下进行。燃料接着被引导远离次优进行的离散贯穿段128并进入正常进行的离散贯穿段128，从而从同一整料组件110提供高RON燃料的所需产率。因此，单一陶瓷整料120的使用持续时间可通过将陶瓷整料120分成多个离散部分增加。
[0051]现参照图5和6，整料组件110定位在壳体组件140内，使得渗透蒸发元件100保持流密密封，该流密密封防止流体的渗透部分与流体的供应和保留部分混合。圆形O形环112可定位在整料组件110和壳体组件140之间，使得从陶瓷整料120径向向外流出的任何流体的渗透部分捕集在由整料组件110和壳体组件140之间的界面形成的流密区内。捕集在流密区中的流体的渗透部分在渗透出口端口 146引出渗透蒸发元件100。
[0052]在图5所示的实施例中，渗透蒸发元件100包括面密封件160，面密封件160接触整料组件110并在壳体组件140的耦合环147和整料组件110之间形成流密密封。面密封件160防止引入其中一个离散贯穿段128的流体进入离散贯穿段128中的另一个。如图5所示，面密封件160接触上游分段的端盖130并包括由壁部分164隔开的多个窗口 162。参照图6，面密封件160的某些实施例包括多个窗口 162，多个窗口 162具有通常对应于陶瓷整料120的离散贯穿段128的形状和大小的形状和大小(即，如图3所示)。如图5所示，耦合环147包括凹陷到耦合环147的接触面149中的密封压盖148。密封压盖148具有通常对应于密封面160的形状和大小，使得在整料组件110接触耦合环147的接触面149时，密封面160定位在密封压盖148内。密封压盖148给面密封件160提供支撑以防止面密封件160从与整料组件110接触离开且因此打破整料组件110和壳体组件140的耦合环147之间的流密密封。虽然上文已对面密封件160和密封压盖148的定位作了具体说明，但应该理解，密封压盖148可定位在渗透蒸发元件100的各种部件中。
[0053]现参照图7A和7B，示意性地示出了面密封件的可替代实施例。在这些实施例中，面密封件160具有与相应的整料组件110中的离散贯穿段128的数量相比数量减少的窗口162。例如，图7A示意性示出具有单一窗口 162的面密封件160。面密封件160的壁部分164在耦合环147和整料组件110之间形成流密密封并掩蔽整料组件110的未使用的离散贯穿段128以防止不想要的流体进入。因此，应该理解，图7A的面密封件160可用于隔离密封面160附连到其上的整料组件的单一贯穿段，从而将流体进入整料组件的入口端口限制到仅暴露于窗口 162的贯穿段并掩蔽其余的贯穿段。图7B示出了包括两个窗口 162的面密封件160，两个窗口 162隔离面密封件160附连到其上的整料组件的相应贯穿段。在该实施例中，面密封件160仅允许流体流入暴露于窗口 162的整料组件的贯穿段且防止流体流入由面密封件160掩蔽的贯穿段。
[0054]虽然图6、7A和7B分别示出了具有4个、I个和2个窗口的密封罩，但应该理解，密封罩可构造成具有任意数量的窗口以便于暴露和/或掩蔽所需数量的整料组件的贯穿段。使用密封罩来控制流体流入特定数量的贯穿段可用于控制渗透蒸发元件的产率、渗透蒸发元件的渗透/保留分离速度以及分离后的流体的渗透和保留部分中的挥发物浓度。例如，暴露的贯穿段的数量从2个(S卩，在使用图7A的密封罩时)减到I个(即，在使用图7B的密封罩时)使渗透蒸发元件的渗透率减半且还降低了分离速度。然而，该渗透可比来源于使用两个贯穿段的渗透蒸发元件的渗透具有更低的挥发物浓度。
[0055]渗透蒸发元件100的其它实施例包括不包含上游分段的端盖130和/或下游分段的端盖132的整料组件110。在这些实施例中，陶瓷整料120包括类似于图3和4所示模式的涂覆的多孔通道壁124A和未涂覆的多孔通道壁124B的模式，使得涂覆的多孔通道壁124A限定由多个未涂覆的多孔通道壁124B隔开的离散贯穿段128。在这些实施例中，然而，面密封件160接触陶瓷整料120的轴端121直接形成流密密封，该流密密封允许流体被引入其中一个离散贯穿段128中，而防止流体被引入多个未涂覆的多孔通道壁124B。
[0056]参照图8，示出了渗透蒸发元件100的可选入口端口增压室170。可选入口端口增压室170包括定位成将流体引到其中一个离散贯穿段128的多个流体通道172。每个流体通道172包括可选择性地定位成打开或关闭的阀门组件174。在其中一个流体通道172的阀门组件174打开时，可选入口端口增压室170与离散贯穿段128流体连通，使得引到流体入口端口 142的流体沿流体通道172引导并进入整料组件110的相应离散贯穿段128。在阀门组件174关闭时，可选入口端口增压室170与离散贯穿段128流体隔离，使得引到流体入口端口 142的流体转移离开对应于该关闭的阀门组件174的整料组件110的离散贯穿段128。因此，可选入口端口增压室可选择成与任何整料组件110的相应离散贯穿段128流体连通或流体隔离。
[0057]现参照图9，示出了包含多个喷射器本体182的渗透蒸发元件100的可选入口端口增压室170。整料组件110定位在壳体组件140内，使得每个喷射器本体182与整料组件110的其中一个离散贯穿段128流体连通。喷射器本体182可选择成控制流体流动使得流体被引到整料组件110的其中一个离散贯穿段128。
[0058]如上文所述，本文所述的渗透蒸发元件100可用于车辆中的车载燃料分离装置。参照图10，示出了包括渗透蒸发元件100的车载燃料分离装置200的示意图。燃料通过多条燃料管线212输送穿过车载燃料分离装置200。燃料管线212将车载燃料分离装置200的连接部件以彼此流密的构型放置。燃料通过车辆的驾驶员放置在油箱210中。燃料在升高的压力下从油箱210馈送到燃料加热器220，燃料温度在加热器220中增加。加热过的燃料接着引到渗透蒸发元件100，在渗透蒸发元件100中，燃料被引到可选入口端口增压室170并引入整料组件110的其中一个离散贯穿段128。随着燃料馈送穿过整料组件110，燃料分成具有高RON的渗透部分和具有低RON的保留部分。保留部分和渗透部分两者都引到燃料冷却器，燃料冷却器冷却燃料的保留部分和渗透部分，同时保持燃料流的两部分之间的分离。保留部分通过保留燃料管线212A馈送而渗透部分通过渗透燃料管线212B馈送。在冷却之后，燃料流的保留部分引回到油箱210或者引到发动机300。燃料流的渗透部分引到油箱210的渗透容纳容积210B，渗透部分存储在渗透容纳容积210B中直到发动机300需要。
[0059]现应该理解，涂有功能性膜的陶瓷整料可用于将流体分离成组成成分。一些多孔通道壁涂有功能性膜。功能性膜允许流体流股的某些成分径向地渗透过多孔通道壁，同时迫使其余成分在陶瓷整料内轴向流动。涂覆的多孔通道壁的多个区域可定位在陶瓷整料内并由多个未涂覆得多孔通道壁间隔开，使得这些区域相对于彼此流体隔离。流体可连续地引到这些区域直到流体的分离效率降至阈值水平下。用于分离流体的陶瓷整料可用在包括但不限于通过RON的流体分离、溶剂或水净化以及水/乙醇分离的各种应用中。
[0060]在第一方面中，本公开提供了一种渗透蒸发元件，该渗透蒸发元件包括:陶瓷整料，该陶瓷整料具有由沿整料的轴向长度延伸的多孔通道壁隔开的平行通道阵列；以及功能性膜，该功能性膜沿整料的轴向长度涂覆第一多个多孔通道壁，功能性膜用于将流体分离成保留部分和渗透部分，其中:
[0061]由功能性膜涂覆的多孔通道壁限定多个离散贯穿段；每个离散贯穿段由多个未涂覆的多孔通道壁彼此隔开；以及进入离散贯穿段的流体分离成大部分穿过离散贯穿段流出的保留部分和径向向外穿过未涂覆的多孔通道壁并穿过整料皮流出陶瓷整料的渗透部分。
[0062]在第二方面中，本公开提供了包括渗透蒸发元件、燃料加热器和燃料冷却器的车载燃料分离装置，其中:渗透蒸发元件包括陶瓷整料，该陶瓷整料具有由沿整料长度延伸的多孔通道壁隔开的平行通道阵列；以及聚合膜，该聚合膜沿整料长度涂覆多个多孔通道壁；渗透蒸发元件的聚合膜限定限定由多个涂覆的多孔通道壁组成的多个离散贯穿段；渗透蒸发元件的每个离散贯穿段由未涂覆的多孔通道壁彼此隔开。
[0063]在第三方面中，本公开提供了一种陶瓷整料，该陶瓷整料包括:由沿整料的轴向长度延伸的多孔通道壁隔开的平行通道阵列；以及功能性膜，该功能性膜沿整料的轴向长度涂覆第一多个多孔通道壁，功能性膜用于将流体分离成保留部分和渗透部分，其中:用功能性膜涂覆的多孔通道壁限定多个离散贯穿段；每个离散贯穿段由多个未涂覆的多孔通道壁彼此隔开；以及进入离散贯穿段的流体分离成大部分穿过离散贯穿段流出的保留部分和径向向外穿过未涂覆的多孔通道壁并穿过整料皮流出陶瓷整料的渗透部分。
[0064]在第四方面中，本公开提供了第一至第三方面中的任一方面的陶瓷整料，其中未涂覆的多孔通道壁定位在陶瓷整料的外周界的至少一部分上。
[0065]在第五方面中，本公开提供了第一、第二或第四方面中的任一方面的渗透蒸发元件，还包括定位在整料轴端的分段的端盖，分段的端盖具有定位成暴露多个离散贯穿段并覆盖多个未涂覆的多孔通道壁的多个开口，其中分段的端盖引导流体流入多个离散贯穿段。
[0066]在第六方面中，本公开提供了第五方面的渗透蒸发元件，还包括与分段的端盖接触的面密封件，面密封件具有由流密壁部分隔开的多个窗口，其中窗口定位成暴露相应多个离散贯穿段而流密壁部分保持多个窗口之间的流体隔离。
[0067]在第七方面中，本公开提供了第六方面的渗透蒸发元件，还包括定位成紧邻分段的端盖的耦合环，耦合环包括凹陷到接触面中的密封压盖，密封压盖具有基本上类似于面密封件的形状。
[0068]在第八方面中，本公开提供了第五方面的渗透蒸发元件，还包括与分段的端盖接触的面密封件，面密封件具有对应于整料的离散贯穿段的至少一个窗口，而流密壁部分将多个离散贯穿段的其余部分与至少一个窗口隔离。
[0069]在第九方面中，本公开提供了第八方面的渗透蒸发元件，还包括定位成紧邻分段的端盖的耦合环，耦合环包括凹陷到接触面中的密封压盖，密封压盖具有基本上类似于面密封件的形状。
[0070]在第十方面中，本公开提供了第一、第二或第四至第九方面中的任一方面的渗透蒸发元件，还包括壳体组件，多孔陶瓷整料定位在该壳体组件中，壳体组件包括:流体入口端口 ；保留流体出口端口 ；以及渗透流体出口端口。
[0071]在第十一方面中，本公开提供了第一、第二或第四至第九方面中的任一方面的渗透蒸发元件，还包括可选入口端口增压室，可选入口端口增压室将流体入口端口放置成与第一离散贯穿段流体连通。
[0072]在第十二方面中，本公开提供了第十一方面的渗透蒸发元件，其中可选入口端口增压室选择成将流体入口端口放置成与第二离散通道部分流体连通，并将流体入口端口放置成与第一离散通道部分流体隔离。
[0073]第十三方面中，本公开提供了第十一方面的渗透蒸发元件，还包括可选入口端口增压室，可选入口端口增压室将流体入口端口放置成与其中一个离散贯穿段流体隔离。
[0074]在第十四方面中，本公开提供了第一、第二或第四至第十三方面中的任一方面的渗透蒸发元件，还包括多个喷射器本体，其中每个喷射器本体与至少一个离散贯穿段流体连通。
[0075]在第十五方面中，本公开提供了第一至第十四方面中的任一方面的陶瓷整料，其中多孔通道壁抵抗来自液相和/或汽相汽油的化学侵蚀。
[0076]在第十六方面中，本公开提供了第一至第十四方面中的任一方面的陶瓷整料，其中功能性膜包括用于将液态汽油和汽态汽油分离成组成成分的聚合材料。
[0077]在第十七方面中，本公开提供了第一至第十五方面中的任一方面的陶瓷整料，其中功能性膜包括用于将液态汽油和汽态汽油分离成组成成分的有机涂料。
[0078]在第十八方面中，本公开提供了第一至第十五方面或第十七方面中的任一方面的陶瓷整料，其中功能性膜包括DEN0-D400。
[0079]在第十九方面中，本公开提供了第一至第十八方面中的任一方面的陶瓷整料，其中陶瓷整料包括莫来石。
[0080]在第二十方面中，本公开提供了第一至第十八方面中的任一方面的陶瓷整料，其中陶瓷整料包括堇青石。
[0081]在第二十一方面中，本公开提供了第一至第十八方面中的任一方面的陶瓷整料，其中陶瓷整料包括钛酸铝。
[0082]在第二十二方面中，本公开提供了第一至第二十一方面中的任一方面的陶瓷整料，还包括无机涂层，无机涂层沿整料长度涂覆多个多孔通道壁，其中无机涂层消散在多孔通道壁和功能性膜之间。
[0083]在第二十三方面中，本公开提供了第一至第二十二方面中的任一方面的陶瓷整料，其中陶瓷整料具有35%的孔隙率。
[0084]在第二十四方面中，本公开提供了第二方面的车载燃料分离装置，其中燃料加热器和燃料冷却器与渗透蒸发元件流体连通并分别定位在渗透蒸发元件上游和下游。
[0085]在第二十五方面中，本公开提供了第二方面或第二十四方面的车载燃料分离装置，其中渗透蒸发元件还包括可选入口端口增压室，且可选入口端口增压室将燃料流引入其中一个离散贯穿段。
[0086]在第二十六方面中，本公开提供了制造渗透蒸发元件的方法，方法包括:挤压包括由沿整料长度延伸的多孔通道壁隔开的平行通道阵列的陶瓷整料；掩蔽多个多孔通道壁；以及将渗透蒸发聚合材料涂到未掩蔽的多个多孔通道壁。
[0087]在第二十七方面中，本公开提供了第二十六方面的方法，其中渗透蒸发聚合材料用作液体涂料。
[0088]在第二十八方面中，本公开提供了第二十六方面或第二十七方面的方法，其中渗透蒸发聚合材料用作气溶胶。
[0089]在第二十九方面中，本公开提供了第二十六至第二十八方面中任一方面的方法，还包括将无机涂层涂到多个多孔通道壁。
[0090]在第三十方面中，本公开提供了第二十六至第二十九方面中任一方面的方法，还包括:将陶瓷整料插入壳体组件；以及将密封件插入保持多个离散贯穿段的壳体组件，由被渗透蒸发聚合材料涂覆的多孔通道壁限定的多个离散贯穿段通过由彼此流体隔离的未涂覆的多孔通道壁彼此分离。
[0091]在第三i^一方面中，本公开提供了将高RON燃料与低RON燃料分离的方法，包括:将具有高RON部分和低RON部分的燃料引到渗透蒸发元件，渗透蒸发元件包括具有由多孔通道壁隔开的平行通道阵列地陶瓷整料和涂覆多个多孔通道壁的功能性膜，其中用功能性膜涂覆的多个多孔通道壁限定多个离散贯穿段，以及每个离散贯穿段由多个未涂覆的多孔通道壁彼此隔开；使燃料流过渗透蒸发元件的一个或多个的多个离散贯穿段，使得具有低RON的燃料保留部分沿离散贯穿段或多个流动而具有高RON的渗透燃料流动穿过涂覆的多孔通道壁和未涂覆的多孔通道壁；以及引导燃料远离渗透蒸发元件的多个离散贯穿段的其余段。
[0092]在第三十二方面中，本公开提供了第三i^一方面的方法，还包括:加热具有高RON部分和低RON部分的燃料；以及冷却燃料的保留部分和燃料的渗透部分。
[0093]对本领域技术人员显而易见的是，可对本文所述实施例做出各种修改和变化而不偏离所要求保护的主题的精神和范围。因此，意味着，本说明书覆盖本文所述的各种实施例的修改和变化，只要这些修改和变化落入所附权利要求书及其等同物的范围内。
[0094]实例
[0095]实例I合成DEN0-D400预聚物
[0096]脂肪族环氧聚醚胺交联膜聚合物由近似当量数的47.0g的1，2，7，8_ 二环氧-正辛烷或DENO(Aldrich)和63.0g的400mw聚丙二醇双2-氨基丙基醚或D400 (Aldrich/Huntsman)制成。这些与12.0g的苯甲醇催化剂和331.2g甲苯在配有冷凝器和运行在250rpm下的搅拌器(Eurostar PffR CV81)的100ml的反应烧瓶结合且在100°C下反应2小时。该混合物允许在搅拌并监测转矩的同时冷却至60°C。在转矩增加通过nmr转换相当于54% (转矩读数=10)时，反应通过用甲苯稀释急冷成浓度25%的最终预聚物。最终环氧:NH的比值是1.05。产物在使用前在0°C下冷藏。
[0097]实例2分区的整料的涂覆
[0098]具有名义上1.8mm通道直径的名义上2.4”直径x8”长的多孔莫来石整料涂有一系列的金属氧化物微粒浆并如美国专利公开第2008/0035557号所述煅烧以获得具有标称0.01微米孔隙度的二氧化钛表面的多孔衬底。整料通过用陶瓷填充环氧树脂粘合剂固定和密封端环来分成四个扇形段。每个扇形段具有82个通道，通道具有0.087m2的表面积和
0.348m2的总面积。分区的陶瓷整料标示为2L2R-33M。
[0099]0.01微米孔隙度的分区的整料涂有如实例I所述制备的DEN0-D400聚合物前体并以类似于基于2011EM006实例4的临时美国专利申请所述的方式涂覆。需要几次涂覆(7)以获得不漏的聚合膜。前两次涂覆先在15kPa的氮气背压下用水润湿表面，随后排放并吹出通道且接着用12.5%预聚物的甲苯溶液填充通道。另外的涂覆通过稀释如表I所述的预聚物溶液进行。在150°C下固化12小时之后获得重2.31g的最终DEN0-D400聚合物。整料具有从-92kPa的10分钟12kPa的可接受真空损失。
[0100]表I分区的整料2L2R-33M的涂覆
[0101]
2.4” X 8”、莫来石、Ο.ΟΙμιη无机层、1.8 mm通道直径、82个通道/段全滑涂、DENO/D400、在甲苯中的Coming DENO-D400预聚物
背压/ 12.5%的预聚 1.抽吸到-52 kPa
水/滑涂物__3]g__
背压/ 12.5%的预聚 O, 抽吸到-74 kPa 水/滑涂物__70g__
[0102]
背压/ 6.25%的预聚 0.抽吸到-88 kPa
滑涂__^__09g__
背压/ 6.25%的预聚 0.抽吸到-92 kPa
滑涂__^__04g__
真空/ 3.125%的预 O真空损失:18
滑涂__聚物__02g__kPa/?Ο min_
真空/ 3.125%的预 0.真空损失:16
滑涂__聚物__Q8g__kPa/10 min_
真空/ 3.125%的预 0.真空损失:12
滑涂____07g kPa/?Ο min_
总聚合物增 2.__[M1_I 31 g _
[0103]实例3分区的整料的渗透蒸发测试
[0104]使用由45wt%正庚烧、45wt%甲苯和1wt %乙醇组成的典型进料来评价实例2的分区的膜整料的渗透蒸发性能。每个分区的膜通过封堵未使用的部分进行单独测试。使用
0.5g/s进料速度、145°C入口端口温度、400kPag和大约20kPa的渗透真空的测试条件。进料通过定位成分配进料的 WL1/2-90 Bete 喷嘴(Bete Fog Nozzles, Inc, Greenfield, MA)引到使用的部分。在相同产率下对比时，发现所有四个节段具有类似的通量行为和几乎相同的芳香族和乙醇选择性。
[0105]表22L2R-33M分区的膜整料的典型进料测试
[0106]
膜:在 Corning 2L2R-33M 整料上的 2.13 g DENQ-D400 聚合物条件:El OMF 0.5 g/s, 145°C, 400 kPag, 20 kPa 滓透 _
节段#__I__2__3__4
通量 g/s-m2__2.32.02.52.0
渗透率，wt%_ 40丨 35丨 43丨 34
[0107]
芳香族选择性__1.61.61.3__1.6
乙醇+芳香族的选择性__2,1__11__1.82.1
[0108]实例3分区的整料的汽油测试
[0109]如美国专利7，803，275B2所述，对来自实例3的分区的膜整料将汽油分离成较高和较低辛烷值成分作评价。整料垂直安装，具有在壳体顶部的入口端口和在下侧的保留和渗透出口端口。正规品级87AKI(92.6R0N)US ElO的汽油用作进料。通过0.35g/s的进料速度在400kPag和大约155°C入口端口温度下建立工艺条件。大约80%的汽油进料在这些条件下汽化。混合相进料通过分配进料的Bete WL1/2-90喷嘴(Bete FogNozzles, Inc, Greenfield, MA)馈送到所选节段的整料通道。未使用的部分用Viton面密封件(160)在整料的两端掩蔽，如前述及图6和7所示。膜组件是隔热的并被隔热地操作。真空通过 Fox0.031” 孔微型喷射器泵(Fox Valve Development Corp., Dover, NJ)使用在500kPag下供应的冷却渗透产物以产生在大约30kPa下的渗透蒸发产物保持在膜壳体的外圆周上。渗透和保留的样品通过气相色谱分析收集、称重和分析。
[0110]节段#2首先测试、随后检查并接着测试节段#1。每次测试持续大约100小时，产率在这期间减小，如图11所示。在节段#2的测试过程中，渗透率从65%降至39%。对节段#1重新启动测试给出与具有56%降至39%的最初渗透率的第一测试非常类似的性能，结果表明两个节段类似地并彼此独立地有效地作用。在每次测试结束获得的产品的分析证实了每个节段性能的相似性，如表3所示。高辛烷值乙醇通过低辛烷值的C6+非芳香族相应减少基本上集中在渗透液中。
[0111]表32L2R-33M分区的膜整料的汽油测试
[0112]
膜:在 Coming 2L2R-33M 整料上的 2.13 g DENO-D400 聚合物条件:ElO US RUL 0.35 g/s, 155°C, 400 kPag, 30 kPa 诗透节段林_进料 I_2_3_4_
汽油上的时间，总时数__192 94_未使用未使用
[0113]
汽油上的时间，时数/节91 94
______
通量 g/s-m2__1,6 1.6___
渗透率，wt%_IlOQ 丨38.9 丨38.5 __
渗透成分，wt%
C3-C5 HC__12,4 14.0 13.6___
C6+非芳香族__48.5 38.4 38.8___
芳香族__29.7 28.8 29.2___
乙醇_ 9.5 18.8 I 18.4 __
[0114]在每次测试后的分区的整料检查清楚地表明了:汽油进料使用过的节段的聚合物涂层颜色变深，而剩余未使用的节段颜色保持较浅。检查图片在图12a(未使用的分区的膜)、12b (节段#2使用之后)和12c (节段#2和#1都使用之后)中示出。在所有情况下，渗透产物保持无色，而保留产物具有比浅黄色的汽油进料更深的黄色。
【权利要求】
1.一种渗透蒸发元件,包括: 陶瓷整料，所述陶瓷整料具有由沿所述整料的轴向长度延伸的多孔通道壁隔开的平行通道阵列；以及 功能性膜，所述功能性膜沿所述整料的所述轴向长度涂覆第一多个所述多孔通道壁，所述功能性膜用于将流体分离成保留部分和渗透部分， 其中: 由所述功能性膜涂覆的所述多孔通道壁限定多个离散贯穿段； 每个所述离散贯穿段由多个未涂覆的多孔通道壁彼此隔开；以及 进入所述离散贯穿段的流体分离成大部分穿过所述离散贯穿段流出的保留部分和径向向外穿过所述未涂覆的多孔通道壁并穿过所述整料的皮流出所述陶瓷整料的渗透部分。
2.如权利要求1所述的渗透蒸发元件，其特征在于:所述未涂覆的多孔通道壁定位在所述陶瓷整料的外周界的至少一部分上。
3.如权利要求1所述的渗透蒸发元件，其特征在于:还包括定位在所述整料的轴端的分段的端盖，所述分段的端盖具有多个开口，所述多个开口定位成暴露所述多个离散贯穿段并覆盖所述多个未涂覆的多孔通道壁，其中所述分段的端盖引导所述流体流入所述多个离散贯穿段。
4.如权利要求3所述的渗透蒸发元件，其特征在于:还包括与所述分段的端盖接触的面密封件，所述面密封件具有由流密壁部分隔开的多个窗口，其中所述窗口定位成暴露相应多个离散贯穿段而所述流密壁部分保持所述多个窗口之间的流体隔离。
5.如权利要求4所述的渗透蒸发元件，其特征在于:还包括定位成紧邻所述分段的端盖的耦合环，所述耦合环包括凹陷到接触面中的密封压盖，所述密封压盖具有基本上类似于所述面密封件的形状。
6.如权利要求3所述的渗透蒸发元件，其特征在于:还包括与所述分段的端盖接触的面密封件，所述面密封件具有对应于所述整料的离散贯穿段的至少一个窗口，而流密壁部分将所述多个离散贯穿段的其余部分与所述至少一个窗口隔离。
7.如权利要求6所述的渗透蒸发元件，其特征在于:还包括定位成紧邻所述分段的端盖的耦合环，所述耦合环包括凹陷到接触面中的密封压盖，所述密封压盖具有基本上类似于所述面密封件的形状。
8.如权利要求1所述的渗透蒸发元件，其特征在于:还包括壳体组件，所述多孔陶瓷整料定位在所述壳体组件中，所述壳体组件包括: 流体入口端口； 保留流体出口 ；以及 渗透流体出口。
9.如权利要求8所述的渗透蒸发元件，其特征在于:还包括可选入口端口增压室，所述可选入口端口增压室将所述流体入口端口放置成与第一离散贯穿段流体连通。
10.如权利要求8所述的渗透蒸发元件，其特征在于:还包括可选入口端口增压室，所述可选入口端口增压室将所述流体入口端口放置成与其中一个所述离散贯穿段流体隔离。
11.如权利要求1所述的渗透蒸发元件，其特征在于:还包括多个喷射器本体，其中每个喷射器本体与至少一个所述离散贯穿段流体连通。
12.如权利要求1所述的渗透蒸发元件，其特征在于:所述多孔通道壁抵抗来自液相和/或汽相汽油的化学侵蚀。
13.如权利要求1所述的渗透蒸发元件，其特征在于:所述功能性膜包括用于将液态汽油和汽态汽油分离成组成成分的聚合材料。
14.如权利要求1所述的渗透蒸发元件，其特征在于:所述功能性膜包括用于将液态汽油和汽态汽油分尚成组成成分的有机涂料。
15.如权利要求1所述的渗透蒸发元件，其特征在于:所述功能性膜包括环氧化物和聚醚胺，所述环氧化物和聚醚胺选自但不限于由包括DEN0-D400的具有从大约230至大约4000范围内的Mn的聚(丙二醇)双(2-氨基丙基醚)和具有大约600的Mn的聚(丙二醇)_嵌段_(乙二醇)_嵌段-聚(丙二醇)双(2-氨基丙基醚)构成的组。
16.如权利要求1所述的渗透蒸发元件，其特征在于:所述陶瓷整料包括莫来石、堇青石、金刚砂或钛酸铝。
17.如权利要求1所述的渗透蒸发元件，其特征在于:还包括无机涂层，所述无机涂层沿所述整料长度涂覆多个所述多孔通道壁，其中所述无机涂层定位在所述多孔通道壁和所述功能性膜之间。
18.如权利要求1所述的渗透蒸发元件，其特征在于:所述陶瓷整料具有至少35%的孔隙率。
19.一种车载燃料分离装置，包括渗透蒸发元件、燃料加热器和燃料冷却器，其中: 所述渗透蒸发元件包括具有由沿整料的长度延伸的多孔通道壁隔开的平行通道阵列的陶瓷整料和沿所述整料长度涂覆多个所述多孔通道壁的聚合膜； 所述渗透蒸发元件的所述聚合膜限定由多个涂覆的多孔通道壁组成的多个离散贯穿段；以及 所述渗透蒸发元件的每个所述离散贯穿段由未涂覆的多孔通道壁彼此隔开。
20.如权利要求19所述的车载燃料分离装置，其特征在于:所述燃料加热器和所述燃料冷却器与所述渗透蒸发元件流体连通并分别定位在所述渗透蒸发元件上游和下游。
21.如权利要求19所述的车载燃料分离装置，其特征在于:所述渗透蒸发元件还包括可选入口端口增压室，且所述可选入口端口增压室将燃料流弓I入一个或多个所述离散贯穿段。
22.—种陶瓷整料，包括: 平行通道阵列，所述平行通道阵列由沿所述整料的轴向长度延伸的多孔通道壁隔开；以及 功能性膜，所述功能性膜沿所述整料的所述轴向长度涂覆第一多个所述多孔通道壁，所述功能性膜用于将流体分离成保留部分和渗透部分， 其中: 由所述功能性膜涂覆的所述多孔通道壁限定多个离散贯穿段； 每个所述离散贯穿段由多个未涂覆的多孔通道壁彼此隔开；以及进入所述离散贯穿段的流体分离成大部分穿过所述离散贯穿段流出的保留部分和径向向外穿过所述未涂覆的多孔通道壁并穿过所述整料的皮流出所述陶瓷整料的渗透部分。
【文档编号】B01D63/06GK104220150SQ201280068077
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2012年11月28日 优先权日:2011年11月28日
【发明者】K·J·德鲁里, D·L·邓宁, P·O·约翰逊, R·鲁彻斯, R·D·帕特里奇, B·T·斯特恩奎斯特 申请人:康宁股份有限公司