一种气液聚结滤芯及应用和含有其的过滤装置的制作方法

本发明涉及一种滤芯，尤其涉及一种过滤气液混合物的滤芯，属于多相流分离技术领域。

背景技术：

天然气、煤层气等工业气体输送过程中以及压缩空气的使用过程，常常夹带着凝析液滴与颗粒，这些杂质会造成管路的腐蚀磨损、计量设备的测量失效、压缩机干气密封系统失效以及大型压缩机组的停工等严重问题。为去除杂质，气液过滤广泛应用于上述工业场所。其中，微小的液滴主要靠气液聚结滤芯的聚结分离作用进行去除。

气液聚结滤芯的工作原理：含液气体从滤芯内部经过聚结层、排液层。聚结层孔径小，纤维细，液滴容易被捕捉，并在纤维上聚结成为大液滴，在气体推动力以及亲水亲油的材料毛细力的作用下，在聚结层内进行层与层的传递。当液体运移至聚结层最后一层排气侧时，由于聚结层纤维与液滴之间的毛细力作用，液滴不容易排出，因此液体会在表面累积并形成一层液膜。该液膜对气流的阻碍是压降过高的主要原因。当液滴的重力大于液滴与材料之间的毛细力时，液滴才会从排出。传统排液层的作用则是防止气体在通过液膜时造成二次夹带，进而提高过滤效率。

聚结层与排液层是气液聚结滤芯的过滤性能的关键所在，聚结层是由玻璃纤维、聚丙烯纤维构成孔径较小的滤材，而排液层常由聚酯纤维、聚丙烯纤维、芳纶纤维等构成孔径较大的滤材。聚结层的主要作用是将小液滴拦截并聚结成为大液滴排出，排液层的主要作用是提供排液通道，防止二次夹带。气体又内而外依次经过滤芯聚结层与排液层。

在管路输送气体的过程中，液滴不断被滤芯拦截，滤芯压降不断升高，这不仅使得气体处理量变小，同时压降过高很容易造成滤芯弯折破损失效，进而导致大量液滴进入过滤器下游，对管路、设备造成损害，严重时导致停机维修。为保证核心设备正常运行，沿途压气站一般会设置多个过滤分离器和聚结分离器组合，虽然处理量大，但滤芯越多，所产生的压降就越高，进而能耗较大，滤芯成本以及能耗成本均随之上升。

值得注意的是：在气液聚结过滤领域，压降和效率是最为关注的两个指标。低阻高效的滤芯一直是开发的最终目的。既要促进纤维对液滴的吸收拦截，提高效率，又要同时做好加强材料在吸收拦截液体之后的液体的排出，防止材料在提高拦截效率的同时累积过多液体，后续气流夹带出较多液滴，造成效率下降，同时材料内过多的液体会造成压降的进一步升高。这样就失去了原本提高效率、降低压降的意义。

现有的气液聚结过滤器一般通过增加滤芯层数、过滤层孔径梯度排布、增加排液层等方式可以使得效率提高，但压降方面并没有很好的表现。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种过滤气液的滤芯，该滤芯在提高过滤效率的同时，能够显著降低滤芯的过滤压降。

本发明的另一目的在于提供一种上述滤芯的应用。

本发明的又一目的在于提供一种过滤装置，该过滤装置含有本发明的上述滤芯。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种气液聚结滤芯，该气液聚结滤芯沿气流方向包括依次设置的预分离层，聚结层和排液层；

其中，预分离层的孔径为8μm-12μm，预分离层的厚度为1mm-2mm，预分离层为异形纤维形成，预分离层整体具有疏水疏油性；

其中，聚结层的孔径为3μm-8μm，聚结层的厚度为0.4mm-0.6mm，聚结层为异形纤维形成，并且，聚结层沿周长方向分为间隔设置的疏水疏油区与亲水亲油区；

其中，排液层的孔径为10μm-20μm，排液层的厚度为2mm-3mm，排液层为异形纤维形成，排液层沿厚度方向分为亲水亲油区和疏水疏油区，进气侧为亲水亲油区，排气侧为疏水疏油区。

本发明的气液聚结滤芯采用异形纤维，通过异形纤维的较大比表面积发挥较好的拦截液滴能力，通过异形纤维较强的液体芯吸能力加强吸收和传递液体的能力，同时配合特定的疏水疏油区和亲水亲油区的设置，防止液体在滤芯内大量累积，使滤芯既能较好的提高效率、吸收液体又能排出液体，即在提高过滤效率的同时，能够显著降低滤芯的过滤压降。

本发明的气液聚结滤芯包含异形纤维预分离层、异形纤维聚结层、异形纤维排液层。

其中，本发明采用的疏水疏油的异形纤维预分离层可以针对大颗粒进行有效的拦截。特定厚度的预分离层可降低预分离效果或者增加额外阻力。整体进行疏水疏油改性处理后，液滴可以快速排出，不易在其内部累积。

在本发明的一具体实施方式中，在预分离层中，异形纤维采用的原料可以为聚酯纤维、聚丙烯纤维或近似粗细的亲油型纤维(包括改性处理得到的亲油型纤维)。采用的异形纤维的纤维形状为非圆形，比如十字型、三角形或三叶型(图1所示)；优选为十字型。预分离层采用的异形纤维的直径(外接圆直径)为12μm-18μm，优选为15μm-16μm。

在本发明的一具体实施方式中，预分离层为单层结构。比如，预分离层可以由亚分离层组成；预分离层由一层或两层以上亚分离层组成。优选地，预分离层由1层亚分离层组成。

在本发明的一具体实施方式中，预分离层可以由异形纤维通过针刺或水刺等方式得到。

其中，本发明采用的具有亲水亲油区和疏水疏油区的异形纤维聚结层，采用特定直径以及孔径的异形纤维，可以很好的发挥纤维与液滴之间的过滤、聚结作用，实现过滤效率与过滤压降共同影响的过滤性能最高。异形纤维较大的比表面积可有效增加液滴拦截效率，同时，异形纤维自身较强的液体芯吸能力可加速液体的吸收与运移。

在本发明的一具体实施方式中，聚结层中，异纤纤维的原料为以玻璃纤维或近似粗细的亲油型纤维(包括改性处理得到的亲油型纤维)。采用的异形纤维的纤维形状为非圆形，比如十字型、三角形或三叶型(图1所示)；优选为十字型。聚结层采用的异形纤维的直径(外接圆直径)为3μm-5μm。

在本发明的一具体实施方式中，聚结层为包括多层亚聚结层的多层结构。比如，聚结层由一层或两层以上的聚结层形成。优选地，聚结层由3层-5层(4层)亚聚结层组成。

在本发明的一具体实施方式中，聚结层可以由异形纤维通过分散疏解、打浆等方式得到。

在本发明的一具体实施方式中，本发明的聚结层的疏水疏油区的竖截面为正立梯形，梯形结构充分利用了可能存在的液体纵向分布的特点，底部较大的疏水疏油区更有利于液体的累积与排出，如在液体含量较小的工况下，设计成长方形亦可；多个疏水疏油区等间隔排列；优选地，聚结层周长为5πcm-12πcm，聚结层的包括4-8个疏水疏油区。当设计滤芯周长直径小于或大于该范围，则应相对减少或增加疏水疏油区。更优选地，疏水疏油区的竖截面正立梯形的上底长与下底长之比大于等于1/3小于1，优选为1/3-3/4。

本发明的聚结层可使液体分布改变，促进液滴从疏水疏油区至亲水亲油区、从上至下排出，同时疏水疏油部分减少了在滤芯内部积累的液体，克服了在异形纤维吸收液体能力较强的同时会造成难以排液的问题，进而降低压降。

其中，本发明采用的异形纤维排液层具有疏水疏油区和亲水亲油区，疏水疏油区，防止液滴二次夹带。特定孔径的排液层可以更好的吸收聚结层排出的液体，并不引起自身压降升高。特定厚度的排液层同时具有一定储存液体的能力。

在本发明的一具体实施方式中，在排液层中，异形纤维的原料为聚酯纤维、聚丙烯纤维或近似粗细的亲油型纤维(包括改性处理得到的亲油型纤维)。采用的异形纤维的纤维形状为非圆形，比如十字型、三角形或三叶型(图1所示)；优选为十字型。排液层采用的异形纤维的直径(外接圆直径)为12μm-18μm，优选为15μm-16μm。

在本发明的一具体实施方式中，排液层为单层结构。比如，排液层由亚排液层组成；排液层由一层或两层以上的亚排液层组成；优选地，排液层由1层亚排液层组成。

在本发明的一具体实施方式中，排液层可以由异形纤维通过针刺、水刺等方式得到。

在本发明的一具体实施方式中，排液层的疏水疏油区的厚度为排液层总厚度的1/3-2/3，优选为1/2。

本发明的排液层保证了异形纤维自身吸收液体能力较强，促进聚结层聚结后液体的排出，同时，保证了液体不会在排液层内部累积，造成压降的二次上升和液滴的二次夹带，有效的提高效率，降低压降。

在本发明的一具体实施方式中，该气液聚结滤芯还包括支撑骨架，支撑骨架外包裹预分离层、聚结层和排液层。

在本发明的一具体实施方式中，支撑骨架可为金属或聚丙烯等非金属材料，用于支撑外层过滤材料，气流从骨架内侧沿径向向外流出。

本发明的疏水疏油区和亲水亲油区，可以是现有的疏水疏油材料和亲水亲油材料，可以是现有的异形纤维材料经过改性后得到的。涉及到的疏水疏油改性处理，可采用化学试剂浸泡与涂抹或低压等离子体处理等方法使纤维表面具有疏水疏油特性。所述疏水疏油特性为按照国际标准进行测试，其中疏油特性至少达到2级(iso14419-2010，纺织品疏油测试标准)，疏水特性达到100分(aatcc22-2010，疏水测试标准)。

本发明的气液聚结滤芯在提高过滤效率的同时，能够显著降低滤芯的过滤压降。该滤芯可以用于气液分离。该滤芯对0.1μm左右的粒子的累积效率为99.48％-99.78％，穿透粒子数下降30％，对于0.3μm以上的大粒子的累积效率为99.83％-99.99％，过滤压降下降2kpa左右。

本发明还提供了一种过滤装置，其中，该过滤装置含有的本发明的上述气液聚结滤芯。该装置包括但不限于气液聚结过滤器。

具体可以是滤芯的三层结构分别依次紧密缠绕在过滤器骨架上，经过与上下金属密封端盖的胶粘密封，形成异形纤维气液聚结过滤器。

本发明的气液聚结滤芯的各个组成部分(预分离层、聚结层、排液层)均采用具有异形横截面的纤维，异形纤维较传统圆形纤维相比，拥有较大的比表面积，并且一定程度上改变纤维周围的流场，增加拦截效率，对于带有沟槽的异形纤维，沟槽的存在可以存储更多被过滤下来的杂质，并防止二次夹带。同时众多沟槽增加了毛细作用，更有利于液体的吸收和转移，更多的液体排走有效的减少了压降和运行成本。

其中，异形纤维预分离层，加强了对大颗粒、液滴的拦截作用，提高效率，并且较大的孔径保证了预分离层内部不被颗粒、液体堵塞；异形纤维聚结层，提高了小液滴与纤维的聚结能力，提高效率，同时液体在聚结层内部更快的运输和转移；异形纤维排液层，特定的孔径，提高了对聚结层排出液体的吸收能力，有效降低压降，解决了由于液体在聚结层累积造成的压降过高的问题，同时又保证了液滴不被二次夹带。

本发明的气液聚结滤芯分别对预分离层、聚结层、排液层设置特定的疏水疏油区和亲水亲油区，使得大液滴更容易从预分离层脱落，不容易在层内积累影响压降与后续聚结层；对于聚结层来说，亲水亲油区和疏水疏油区的图案化分布，亲、疏油部分引导液体运移，液体分布改变，同时亲疏间隔的梯形条纹更有利于液体在亲油区累积并从上至下排出，有效减少液体在聚结层内的累积；对于排液层来说，在保证较强的吸收液体能力的同时，排气侧为疏水疏油区可以有效的减少累积在排液层内的液体含量，防止液滴二次夹带，提高过滤效率。

本发明的气液聚结滤芯将每层结构连续缠绕即可，加工简便，外形紧凑，方便安装。同时，通过将异形纤维与合理设置亲水亲油区和疏水疏油区的协同作用，使滤芯具有了异形纤维的比表面积大、拦截能力强、液体吸收转移能力强等优异特性，同时，合理的改性解决异形纤维带来的液体在滤芯内部累积、易造成压降二次升高和液滴夹带等问题。两者相互作用，使得滤芯效率提高，压降降低。

本发明的气液聚结滤芯可在不改动站场现有过滤分离装置的情况下，直接采用本发明的异形纤维滤芯，使滤芯在不同入口气体含液量的工况(即含液量波动工况)下，压降、能耗显著降低，在相同工况下，可延长滤芯使用寿命3倍以上，节省运行成本30％以上。

附图说明

图1为异形纤维的纤维形状示意图。

图2a为实施例1的气液聚结过滤器的正视结构示意图。

图2b为实施例1的气液聚结过滤器的俯视结构示意图。

图3为实施例1的异形纤维聚结层的图案化处理示意图。

图4为实施例1的异形纤维排液层的改性深度示意图。

图5为实施例1的异形纤维滤芯与传统滤芯的压降对比曲线。

图6为实施例1的异形纤维滤芯与传统滤芯的过滤效率对比曲线。

主要附图符号说明：

1、支撑骨架；2、异形纤维预分离层；3、异形纤维聚结层；4、异形纤维排液层。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

相关术语解释

气液聚结滤芯：一般由内层金属支撑骨架和外层纤维过滤材料(包括内层的聚结层和外层的排液层)组成，含有液滴的气体通过过滤器内部时，液滴被纤维捕集，小液滴之间发生聚并而逐渐变成较大液滴，最后在重力作用下沿过滤器外侧表面向下排出，从而达到气液分离的目的，一般为立式放置，气流方向内进外出。各部分作用如下：

密封端盖：密封固定滤芯，防止气体泄漏。

支撑骨架(过滤器骨架)：增加滤芯的刚度与强度，实现高压、液体润湿造成的滤纸变软以及气体冲击等情况下滤芯的稳固。

预分离层：用于提前除去气体中夹带的固体颗粒与大液滴。

聚结层(滤材)：聚结滤芯的核心元件。气体中的小液滴在聚结层纤维上聚结成为大液滴。

排液层：该部件对过滤效率有着显著影响。排液层促进聚结后的大液滴排出，同时减少液滴的二次夹带。

气体含液浓度：每立方米气体中含有的液滴个数。

二次夹带：聚结过滤器已经捕集的液滴由于气流的作用再次进入下游气流，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。

表面改性处理：通过化学试剂使材料表面性质发生变化，如亲水亲油表面变为疏水疏油表面。

实施例1

本实施例提供了一种气液聚结过滤器，结构如图2a和图2b所示，该过滤装置含有过滤器骨架1，以及缠绕在支撑骨架1表面的滤芯。其中，异形纤维预分离层2缠绕在过滤器骨架1表面，缠绕圈数为1圈；异形纤维聚结层3沿异形纤维预分离层2继续缠绕，缠绕圈数为4圈；异形纤维排液层4沿异形纤维聚结层3继续缠绕，缠绕圈数为1圈。

其中，异形纤维预分离层2的平均孔径为10μm，厚度为1.5mm，采用的异形纤维的纤维形状为十字型。采用的异形纤维的直径(外接圆直径)为15μm。预分离层以聚酯纤维作为异形纤维的原料。预分离层为通过针刺等方式对异形纤维进行整体改性得到疏水疏油的异形纤维。

异形纤维的比表面积(单位长度、单位质量纤维所具有的总面积)要高于传统的圆形纤维。较大的比表面积有利于增加纤维与颗粒、液滴的拦截，从而提高效率，同时，对于亲油性纤维，较大的比表面积以及纤维表面沟槽加速了毛细作用，液体会更快的被吸收转移，通过对滤材、纤维进行部分改性处理，引导液体运移，促进液体排出，防止液体被吸收后在滤芯内部大量累积。

其中，异形纤维聚结层3的平均孔径为5μm，厚度为0.5mm，采用的异形纤维的纤维形状为十字型，异形纤维的直径(外接圆直径)为4μm。聚结层以玻璃纤维作为异形纤维的原料。聚结层为通过分散疏解、打浆等一系列方式对异形纤维进行图案化改性得到的部分疏水疏油的异形纤维。

具体的方式是沿聚结层的周长度方向，沿聚结层的周长方向，聚结层周长为5cm，聚结层的包括4个疏水疏油区；聚结层缠绕方向的总长为50mm，正立梯形的上底长为13mm，正立梯形的下底长为26mm，如图3所示。

其中，异形纤维排液层4的平均孔径为15μm，厚度为2mm，采用的异形纤维的纤维形状为十字型，异形纤维的直径(外接圆直径)为15μm。排液层以聚酯纤维作为异形纤维的原料。排液层为通过针刺等方式对异形纤维进行部分改性得到的部分疏水疏油的异形纤维。

具体是对异形纤维排液层的排气侧表面进行疏水疏油改性处理，厚度方向上，排液层的厚度为2mm，排液层的疏水疏油改性厚度为2/3mm，如图4所示。

选用本实施例的异形纤维气液聚结过滤器与传统气液聚结过滤器进行对比实验，本实施例的过滤性能较传统气液聚结过滤器具有明显的提升。

实验参数如下：滤芯内表面表观气流速度为0.1m/s，采用国际测试标准en779中规定的油液(癸二酸二辛酯，dehs)发生气溶胶，入口气溶胶中液滴粒径范围为0.3-20μm，浓度为480-520mg/m³。

实验结果如下：与传统过滤器相比，压降上升较为平缓，稳态压降显著降低，降低2kpa，约25％(见图5)，过滤器底部在过滤过程中有较多液体排出，被捕集的液体不会堵塞气流通道，有利于提高运行寿命；同时(见图6)，效率方面，最易穿透粒径(0.1μm)附近的累积效率从99.68％提高至99.78％，穿透粒子数下降30％，同时，对于0.3μm以上的大粒子的累积效率为99.95％-99.99％，说明有效的减少了液滴二次夹带。

实施例2

将实施例1中预分离层、聚结层、排液层的异形纤维的形状为三叶型，其余参数不变。实验结果压降降低幅度为10％，效率方面最易穿透粒径附近的累积效率从99.48％提高至99.82％。

实施例3

将实施例1中，选用平均孔径为3μm的聚结层，其余参数不变。实验结果压降降低幅度为15％，效率方面最易穿透粒径附近的累积效率从99.48％变化至99.85％。

对比例1

将实施例1中，聚结层不进行改性处理，其余参数不变。实验结果压降降低幅度为10％，效率方面最易穿透粒径附近的累积效率为99.60％。

对比例2

将实施例1中，选用平均孔径为7μm的排液层，其余参数不变。实验结果压降升高5％，效率方面最易穿透粒径附近的累积效率为99.58％。

对比例3

将实施例1中，选用平均孔径为25μm的排液层，其余参数不变。实验结果压降下降5％，效率方面最易穿透粒径附近的累积效率为99.60％。

对比例4

将实施例1中，排液层不进行改性处理，其余参数不变。实验结果压降降低20％，效率方面最易穿透粒径附近的累积效率下降至99.50％，且出现0.3μm以上大液滴，即出现二次夹带现象。