專利名稱：具有高孔隙率內(nèi)層的多層聚結(jié)介質(zhì)及其用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域涉及用于聚結(jié)兩相，即連續(xù)相和分散相的混合物的聚結(jié)介質(zhì)，聚結(jié)系統(tǒng)，及方法。特別地，該領(lǐng)域涉及用于聚結(jié)分散相的滴狀物以從混合物中收集并移除分散相的聚結(jié)介質(zhì)，聚結(jié)系統(tǒng)，及方法。
背景技術(shù)：
聚結(jié)器廣泛用于從氣體或液體的連續(xù)相中移除不相溶的微滴，例如，用在曲軸箱通風(fēng)過濾，燃料和水的分離，及油和水的分離中。現(xiàn)有技術(shù)的聚結(jié)器設(shè)計(jì)通過用分級(jí)捕捉 (即降低纖維直徑，孔隙尺寸及/或聚結(jié)介質(zhì)中的孔隙率)或通過用厚深度聚結(jié)器而結(jié)合了加強(qiáng)的微滴捕捉原理及聚結(jié)原理。通常，現(xiàn)有技術(shù)的聚結(jié)介質(zhì)可具有更開放的層，該更開放的層在內(nèi)層的上游以增加聚結(jié)器的壽命或在內(nèi)層的下游以增加被釋放的滴狀物的尺寸。潤(rùn)濕性也被認(rèn)為會(huì)影響聚結(jié)器的性能(如可參見專利號(hào)為6，767，459的美國(guó)專利及公開號(hào)為 2007-0131235及2007_006觀87的美國(guó)公開的專利申請(qǐng))。專利號(hào)為5，443，724的美國(guó)專利公開了 為了改進(jìn)聚結(jié)器性能，所述介質(zhì)應(yīng)具有大于水的表面能(即，所述介質(zhì)應(yīng)可被聚結(jié)微滴及連續(xù)相這兩者優(yōu)先地潤(rùn)濕)。專利號(hào)為4，081，373的美國(guó)專利公開了 為了從燃料中移除水，聚結(jié)介質(zhì)應(yīng)為疏水的。公開號(hào)為2006-0對(duì)四33的美國(guó)公開的專利申請(qǐng)公開了一種油霧聚結(jié)器，其中過濾介質(zhì)為疏油的，由此使流體霧能聚結(jié)為微滴并從過濾介質(zhì)中排放。 此公開的申請(qǐng)還公開了 第二種介質(zhì)層可選擇性地為疏水的。至于從燃料中移除水，需要提高移除效率并相比以前移除更小的微滴，以保護(hù)高壓軌道燃料噴射系統(tǒng)。通過引入新燃料，包括與過去的燃料相比具有更低界面張力及不同添加劑包的超低硫柴油(ULSD)及生物柴油，此挑戰(zhàn)還會(huì)被放大。在具有更低界面張力的燃料中，分散的滴狀物的尺寸被減小，使滴狀物更難被移除。因此需要加強(qiáng)的聚結(jié)以迎接此挑戰(zhàn)。也期望有包括了改進(jìn)的聚結(jié)介質(zhì)的改進(jìn)的聚結(jié)器，因?yàn)樗鼈冇捎诟倪M(jìn)的聚結(jié)效率而允許使用更小的介質(zhì)包。在具有更低界面張力的燃料中，滴狀物的尺寸被減小，使滴狀物更難被移除。因此需要加強(qiáng)的聚結(jié)以滿足這些考驗(yàn)。也期望有包括了改進(jìn)的聚結(jié)介質(zhì)的改進(jìn)的聚結(jié)器，因?yàn)樗鼈冇捎诟倪M(jìn)的聚結(jié)效率允許使用更小介質(zhì)包。

發(fā)明內(nèi)容
本文所公開的是用于聚結(jié)兩相，即連續(xù)相和分散相的混合物的聚結(jié)介質(zhì)。所公開的介質(zhì)可被用在聚結(jié)器，系統(tǒng)，及方法中以從混合物中收集并移除分散相。所公開的聚結(jié)介質(zhì)配置為從分散相及連續(xù)相的混合物中捕捉分散相的微滴。所述混合物從上游向下游通過所述介質(zhì)且被捕捉的分散相的微滴在聚結(jié)介質(zhì)中聚結(jié)并增大至足夠尺寸，由此它們從聚結(jié)介質(zhì)被釋放。所述聚結(jié)介質(zhì)包括至少三個(gè)從上游方向向下游方向順次延伸的相鄰層，即第一層，第二層，及第三層。所述第一層，所述第二層，及所述第三層分別具有孔隙率ε2，及ε3，且￡1且ε3。在一些實(shí)施例中，如本文所考慮的聚結(jié)器或聚結(jié)器系統(tǒng)可包括容納在外殼中的所公開的聚結(jié)介質(zhì)。所述外殼可包括構(gòu)造為接收混合物的上游進(jìn)口，構(gòu)造為排出聚結(jié)后的混合物的第一下游出口，及構(gòu)造為排出被聚結(jié)的分散相的可選擇的第二下游出口。所公開的聚結(jié)器，聚結(jié)系統(tǒng)，及方法可用于聚結(jié)任意適合的包括連續(xù)相及分散相的混合物。在一些實(shí)施例中，連續(xù)相和分散相是不相溶的液體。例如，所公開的系統(tǒng)及方法可構(gòu)造或用于聚結(jié)分散在碳?xì)浠衔镆后w(如碳?xì)浠衔锶剂?，生物柴油燃料，或?rùn)滑，液壓，或傳輸油)中的水。在其他實(shí)施例中，所述連續(xù)相是水而所述分散相是碳?xì)浠衔镆后w。在另外的實(shí)施例中，所述連續(xù)相是氣體而所述分散相是液體。所公開的聚結(jié)介質(zhì)包括至少三個(gè)從上游向下游順次延伸的相鄰層，即第一層，第二層，及第三層。第二層具有大于第一層的孔隙率(ε D及第三層的孔隙率(ε 3)的孔隙率 (ε 2)。例如，在一些實(shí)施例中，ε 1 = 0. 88-0. 92 (或約 0.91) ； ε 2 = 0. 94-0. 96 (或約 0. 96)； 及 ε 3 = 0. 88-0. 92(或約 0. 92)。在其他的實(shí)施例中，ε = 0. 85-0. 88 ； ε 2 = 0. 89-0. 92 ； 及ε 3 = 0. 80-0. 84。這些層可以其密實(shí)度(其中特定層的密實(shí)度被限定為1減O作為特征。在一些實(shí)施例中，第二層的密實(shí)度不大于第一層的密實(shí)度的約75% (或不大于第一層的密實(shí)度的約50%)；且第二層的密實(shí)度不大于第三層的密實(shí)度的約75% (或不大于第三層的密實(shí)度的約50% )。在所述公開的聚結(jié)介質(zhì)中，所述第一層，所述第二層，及所述第三層分別具有平均流動(dòng)孔徑M1, M2,及M30較佳地，M2彡M1且M2彡Μ3。在一些實(shí)施例中，M2至少比M1大約1. 5 倍(較佳地至少比M1大約2倍)且M2至少比M3大約1. 5倍(較佳地至少比M3大約2倍)。 在另外的實(shí)施例中，M1可以是約1-30微米(或約5-12微米)；Μ2可以是約10-100微米(或約15-50微米)；且M3可以是約0. 1-10微米(或約3-9微米)。在所公開的聚結(jié)介質(zhì)中，所述第一層，所述第二層，及所述第三層分別具有厚度 T1,T2，及Τ3。厚度是指在混合物的流動(dòng)方向上通過所述介質(zhì)(或?qū)?的尺寸。較佳地T2 > T3且可選擇地T2 > 1\。在一些實(shí)施例中，T2可至少為約30微米。在另外的實(shí)施例中，例如，為了使壓降最小化，T1 > 1~2且1~2 > T30在其他另外的實(shí)施例中，T3可以是約0.01-0. 1 毫米(即10-100微米)。在所述聚結(jié)介質(zhì)的一些實(shí)施例中，所述第一層，所述第二層，及所述第三層可具有不同的孔隙率。例如，可選擇地，第二層可具有高于第一層的孔隙率；第二層可具有高于第三層的孔隙率；或第二層可具有高于第一層及第三層的孔隙率。在公開的聚結(jié)介質(zhì)中，所述第一層，所述第二層，及所述第三層分別具有毛細(xì)壓力 P1, P2，及ρ3。較佳地P2彡P(guān)3且可選擇地P2 SP1。層的毛細(xì)壓力可限定為其中P1 =所指示的層ι的局部毛細(xì)壓力；P-4^osei
‘M1y =界面張力；θ χ =在流體中的介質(zhì)上的滴狀物對(duì)所指示的層I的接觸角；及M1 =所指示層1的平均流動(dòng)孔徑。在以下的討論中，當(dāng)比較相鄰層的毛細(xì)壓力時(shí)，變量項(xiàng)Y將被抵消，因?yàn)閮蓚€(gè)層同時(shí)與相同的流體接觸。如此，一個(gè)層相對(duì)于相鄰層的毛細(xì)壓力可由式COS θ /M限定，其中，θ是連續(xù)相中的分散相的滴狀物在層上的接觸角，如下文所限定的，而M是層的平均流動(dòng)孔徑。在一些實(shí)施例中，所述第一層，第二層，第三層的，θ” θ2，及θ 3分別可以是如下的45° ^ θ^ 135° ；60° ^135° ；以及 θ 3 彡 90° (或者 θ3 彡 120° )。在
其他實(shí)施例中，130° 彡 θ ^ 160° ；130° 彡 θ2 ^ 160° ；及 130° 彡 θ 3 ^ 160°。所公開的聚結(jié)介質(zhì)具有至少三個(gè)從上游向下游順次延伸的相鄰層，即第一層，第二層，及第三層。在一些實(shí)施例中，所述三個(gè)相鄰的層可在軸向方向或線性方向(如聚結(jié)介質(zhì)構(gòu)造在線性聚結(jié)器元件中時(shí))上從上游向下游順次延伸，或者在其他實(shí)施例中，所述三個(gè)相鄰的層可在徑向方向(如聚結(jié)介質(zhì)構(gòu)造在圓柱形聚結(jié)器元件中時(shí))上從上游向下游順次延伸。所述聚結(jié)介質(zhì)還可構(gòu)造為平板或其他布置。倘若所述介質(zhì)包括至少一個(gè)與相鄰上游層及下游相鄰層相比具有相對(duì)高的孔隙率的層，如上所述，所述聚結(jié)介質(zhì)可包括附加的層。例如，在一些實(shí)施例中，所述聚結(jié)介質(zhì)可包括在所述第三層的下游的附加的第四層，所述第四層構(gòu)造為防止被聚結(jié)的滴狀物在離開第三層時(shí)的再乳化，其中再乳化可在第三層之后發(fā)生孔尺寸的突然變化時(shí)導(dǎo)致界面張力減小。為防止再乳化，所述第四層(1)可具有比所述第三層的孔尺寸和孔隙率大的孔尺寸和孔隙率；(2)可具有比層3的毛細(xì)壓力大的毛細(xì)壓力；及C3)可具有小于在靜止?fàn)顟B(tài)下從所述第三層釋放后形成的滴狀物的平均直徑的孔尺寸。在另外的實(shí)施例中，所述聚結(jié)介質(zhì)包括至少五個(gè)從上游向下游順次延伸的相鄰層，即前層，第一層，第二層，第三層(其中第一層，第二層，及第三層如上所述)，及后層。所述前層，所述第一層，所述第二層，所述第三層，及所述后層分別具有孔隙率ε Pre，ε” ε2, ε 3 及 ε Post,且較佳地 ε pre 彡 ε ε 2 ^ ε ε 2 ^ ε 3 且 ε Post 彡 ε 3。在所述聚結(jié)介質(zhì)包括至少五個(gè)相鄰層時(shí)，所述前層，所述第一層，所述第二層，所述第三層，及所述后層分別具有平均流動(dòng)孔徑MPm，M1, M2, M3,及MP。st。較佳地，Mpre ^ M1, M2 SMnM2 >M3，且 MP。st >M3。在所述聚結(jié)介質(zhì)包括至少五個(gè)相鄰層時(shí)，所述前層，所述第一層，所述第二層，所述第三層，及所述后層分別具有毛細(xì)壓力Ppw P1, P2, P3，及Pp。st。較佳地P2彡P(guān)3，且可選擇地？1彡P(guān)pre,P2彡P(guān)1，且Pp。st彡p3。如本文所討論的，一個(gè)層相對(duì)于相鄰層的毛細(xì)壓力可由式COS θ/M所限定，其中，θ是連續(xù)相中的分散相的滴狀物在所述層上的接觸角，如下文所限定的(例如，超低硫柴油燃料中的水的滴狀物在所述層上的接觸角)且，M是所述層的平均流動(dòng)孔徑。在一些實(shí)施例中，前層、第一層、第二層、第三層及后層的θΡΜ，θ” θ2， 03及eP。st分被可以限定如下彡45° ；45°彡O1^ 135° ；60°彡θ2 ^ 135° ； θ3^90° (如，θ 3彡120° )，及0^彡90° (如，9p。st> 120° )。在另外的實(shí)施例中， 所有層的θ都可彡90°。在其他實(shí)施例中，130°彡Opre^ 160° ；130°彡θ ^ 160° ； 130° ^ 160° ；130° ^ θ 160° ；130° ^ θ 160° 及 130° ^ θ Post ^ 160°。在一些實(shí)施例中，所公開的聚結(jié)介質(zhì)可構(gòu)造為用于聚結(jié)器，聚結(jié)系統(tǒng)，或聚結(jié)方法。所公開的聚結(jié)器，聚結(jié)系統(tǒng)，及聚結(jié)方法可包括或使用所公開的用于從分散相和連續(xù)相的混合物中聚結(jié)分散相的公開的聚結(jié)介質(zhì)?？蛇x擇地，所述聚結(jié)器，聚結(jié)系統(tǒng)，或聚結(jié)方法可包括或用附加的介質(zhì)。在一些實(shí)施例中，所述聚結(jié)器，聚結(jié)系統(tǒng)，或聚結(jié)方法還可包括或還可用用于移除水的碳?xì)浠衔锝橘|(zhì)，其中碳?xì)浠衔锝橘|(zhì)定位在聚結(jié)介質(zhì)的下游。所公開的聚結(jié)介質(zhì)可用在用于從連續(xù)相中移除分散相的聚結(jié)器，聚結(jié)系統(tǒng)，及聚
7結(jié)方法中。在一些實(shí)施例中，所述聚結(jié)介質(zhì)用于移除分散在碳?xì)浠衔锶剂?，生物柴油燃料，或?rùn)滑，液壓或傳輸油中的水的聚結(jié)器，系統(tǒng)，或方法中。較佳地，所述聚結(jié)介質(zhì)可用在用于移除分散在液體碳?xì)浠衔锶剂现械乃闹辽偌s93% (更較佳地分散在液體碳?xì)浠衔锶剂现械乃闹辽偌s95%，再更較佳地分散在液體碳?xì)浠衔锶剂现械乃闹辽偌s 97%，最佳地分散在液體碳?xì)浠衔锶剂现械乃闹辽偌s99% )的聚結(jié)器，系統(tǒng)，或方法中。在所述聚結(jié)器，聚結(jié)系統(tǒng)，或聚結(jié)方法的一些實(shí)施例中，連續(xù)相是水而分散相是碳?xì)浠衔镆后w。在所述聚結(jié)器，聚結(jié)系統(tǒng)，或聚結(jié)方法的其他實(shí)施例中，連續(xù)相是氣體而分散相是液體。在一些實(shí)施例中，聚結(jié)器用作兩級(jí)聚結(jié)系統(tǒng)的第一級(jí)元件，其中所述第一級(jí)元件如本文所述將微滴聚結(jié)為更大微滴，而第二級(jí)元件包括運(yùn)輸被聚結(jié)的較大微滴的無(wú)潤(rùn)濕障礙物。


圖1所示為現(xiàn)有技術(shù)的聚結(jié)介質(zhì)。圖2用圖解法示出現(xiàn)有技術(shù)的聚結(jié)介質(zhì)，所述聚結(jié)介質(zhì)包含三個(gè)層且包括內(nèi)層， 所述內(nèi)層具有相對(duì)低的孔隙率并與相鄰的上游層和下游相鄰層相關(guān)。圖3用圖解法示出如本文所考慮的聚結(jié)介質(zhì)的一個(gè)實(shí)施例，所述聚結(jié)介質(zhì)具有孔隙率不同的三個(gè)層，其中聚結(jié)的分散相的滴狀物表現(xiàn)出不同的速度。圖4示意性地示出如本文所考慮的聚結(jié)介質(zhì)的一個(gè)實(shí)施例，所述聚結(jié)介質(zhì)具有三個(gè)層。圖5示意性地示出如本文所考慮的聚結(jié)介質(zhì)的另一個(gè)實(shí)施例，所述聚結(jié)介質(zhì)具有五個(gè)層。圖6所示為用于決定分散滴在介質(zhì)相上的接觸角θ的方法。圖7提供了作為用于決定M作為d (纖維直徑)和ε的函數(shù)的模型的單元立方體， 如本文的進(jìn)一步討論。圖8用圖解法描述如本文所考慮的聚結(jié)介質(zhì)的一個(gè)實(shí)施例，所述聚結(jié)介質(zhì)具有孔隙率不同的六個(gè)層，即前層，層#1，層#2，層#3，層#4，及后層，其中聚結(jié)的分散相的滴狀物表現(xiàn)出不同的速度。
具體實(shí)施例方式所公開的是聚結(jié)介質(zhì)及用所公開的聚結(jié)介質(zhì)聚結(jié)兩相，即連續(xù)相和分散相的混合物的聚結(jié)器，系統(tǒng)及方法。所公開的聚結(jié)介質(zhì)可用于聚結(jié)器，系統(tǒng)，或方法以從混合物中收集并移除分散相。所述聚結(jié)介質(zhì)包含多個(gè)層，其中至少包括從上游方向向下游方向順次延伸的三個(gè)層，即第一層，第二層，及第三層。如本文所考慮，每層具有期望的孔隙率，密實(shí)度，流動(dòng)孔徑，及毛細(xì)壓力。術(shù)語(yǔ)“孔隙率”，“密實(shí)度”，“流動(dòng)孔徑”，及“毛細(xì)壓力”可指這些術(shù)語(yǔ)的“均等”或“平均”值(如，當(dāng)層被分級(jí)且“孔隙率”，“密實(shí)度”，“流動(dòng)孔徑”，及“毛細(xì)壓力，，被描述為被分級(jí)的層的均等孔隙率，均等密實(shí)度，平均流動(dòng)孔徑，及均等毛細(xì)壓力)。本文公開的聚結(jié)介質(zhì)可用于從連續(xù)相中存在分散相的混合物中聚結(jié)分散相。本文所考慮的混合物可包括疏水性液體(如，碳?xì)浠衔镆后w)及水基液體(如，水)的混合物。在一些實(shí)施例中，連續(xù)相可以是碳?xì)浠衔镆后w而分散相可以是水。在其他實(shí)施例中，連續(xù)相可以是水而分散相可以是碳?xì)浠衔镆后w。如本文所考慮，碳?xì)浠衔镆后w主要包括碳?xì)浠衔锊牧系部砂ǚ翘細(xì)浠衔锊牧?如，達(dá)到約1%，5%，10%，或20%的非碳?xì)浠衔锊牧?。圖1所示為現(xiàn)有技術(shù)的聚結(jié)介質(zhì)20，用于聚結(jié)具有兩個(gè)不相溶的相，即連續(xù)相M 和分散相26的混合物22。例如，連續(xù)相M可包括碳?xì)浠衔镆后w，分散相可包括水，如具有直徑約1微米及更小的微滴沈的細(xì)霧形式的水。連續(xù)相M從上游向下游流動(dòng)，即圖1中的從左至右。所述聚結(jié)介質(zhì)包括纖維材料觀，纖維材料觀捕捉分散相的微滴，使所述微滴聚結(jié)地增大為較大的滴狀物，例如30，32所示，其進(jìn)一步聚結(jié)并增大以形成更大的滴狀物， 如34，滴狀物34從介質(zhì)中釋放，如36處所示。在連續(xù)相M中，微滴沈可通過滴狀物至滴狀物的聚結(jié)而相互碰撞且尺寸增大。微滴進(jìn)入聚結(jié)介質(zhì)20后，通過撞擊，攔截，擴(kuò)散，靜電， 或其他過濾機(jī)理被捕捉。當(dāng)被捕捉及未被捕捉的微滴聚結(jié)以形成更大的滴狀物34時(shí)，微滴的尺寸增大。增大的滴狀物流動(dòng)通過纖維介質(zhì)的底層并如36處所示被釋放。所述介質(zhì)包括三個(gè)層(層#1，層#2，及層#3)。所述介質(zhì)包括內(nèi)層(層#2)，內(nèi)層(層#2)與相鄰的上游層(層#1)相比，具有相對(duì)低的孔隙率。可選擇地，所述內(nèi)層(層#2)與下游相鄰層(層 #3)相比，可具有相對(duì)低的孔隙率。如本文所討論及本技術(shù)中的理解，孔隙率由包括但不限于所述介質(zhì)的纖維直徑(d)及所述介質(zhì)的平均流動(dòng)孔尺寸(M)的參數(shù)所決定。圖2用圖解法示出了現(xiàn)有技術(shù)的聚結(jié)介質(zhì)，其具有用于分級(jí)捕捉的三個(gè)層(即層 #1，層#2，及層#3)。所述介質(zhì)包括內(nèi)層(層#2)，內(nèi)層(層#2)與相鄰的上游層(層#1)和下游相鄰層(層#3)相比，具有相對(duì)低孔隙率。本文公開的例如可用于從燃料(如碳水化合物燃料或生物柴油燃料)中移除水的聚結(jié)介質(zhì)包括纖維介質(zhì)或介質(zhì)層，纖維介質(zhì)或介質(zhì)層引起流體速度的變化及微滴表面面積的變化以加強(qiáng)分散相的聚結(jié)。本文公開的聚結(jié)介質(zhì)典型地具有至少三個(gè)從上游向下游的層，包括第一中速層，第二較低速層，及第三較高速層。分散相的滴狀物被阻擋在第二及第三層之間的結(jié)合處，所述滴狀物在所述結(jié)合處聚結(jié)。本文所公開的聚結(jié)介質(zhì)典型地包括內(nèi)層(見圖3的層#2)，在所述內(nèi)層中，聚結(jié)流體表現(xiàn)出比上游相鄰層(見圖3的層#1)及比下游相鄰層(見圖3的層#3)更低的速度。 內(nèi)層(見圖3的層#2)典型地具有比上游相鄰層(見圖3的層#1)及比下游相鄰層(見圖 3的層#；3)更高的孔隙率。所述內(nèi)層可被構(gòu)造為使通過所述層的聚結(jié)流體的流動(dòng)相對(duì)地低速，均勻，及平靜。先前經(jīng)過所述上游相鄰層的較小直徑的水滴可在其從內(nèi)層經(jīng)過而進(jìn)入所述下游相鄰層時(shí)聚結(jié)，克服乳化劑穩(wěn)定性的影響，乳化穩(wěn)定性可由聚結(jié)流體中的表面活性劑引起。聚結(jié)介質(zhì)的此構(gòu)造集中了滴并將它們置于內(nèi)層中緊密地互相靠近的位置，如果互相無(wú)實(shí)際接觸。然后，內(nèi)層中的在前面的微滴加速通過下游相鄰層中的較小孔，引起相鄰的微滴組合為單個(gè)的，更大的微滴。此外，當(dāng)在前面的微滴離開內(nèi)層并進(jìn)入下游相鄰層的較小孔時(shí)，它們的形狀可發(fā)生改變且它們的表面面積增加，引起界面張力的短暫增加，進(jìn)一步引起相鄰微滴組合為單個(gè)的，更大的微滴。選擇低速層和相鄰層的孔尺寸以將期望的水微滴直徑作為目標(biāo)(如，基于使用中的流體系統(tǒng)和泵及其他設(shè)備產(chǎn)生的預(yù)期的微滴尺寸)。上游相鄰層可構(gòu)造為引起更大的水微滴聚結(jié)，且可作為固體或半固體顆粒分離器以阻止內(nèi)層及下游層被殘?jiān)枞？苫谖锢硖匦詷?gòu)造每個(gè)層以引起它們的速度，例如基于層的孔隙率
9(O，層的平均流動(dòng)孔徑(M)，及層的毛細(xì)壓力(P)。也可基于物理特性構(gòu)造每個(gè)層以將具有被選擇的微滴尺寸的水微滴作為目標(biāo)。此外，可選擇介質(zhì)的滴狀物潤(rùn)濕特征以進(jìn)一步加強(qiáng)微滴聚結(jié)。圖4所示為本文所考慮的聚結(jié)介質(zhì)的一個(gè)實(shí)施例，其包括至少三個(gè)層。層#1具有相對(duì)中等的孔隙率S1及相對(duì)中等的平均流動(dòng)孔徑禮。經(jīng)過層#1的聚結(jié)的微滴表現(xiàn)出相對(duì)中等的速度。層#2具有相對(duì)高的孔隙率ε 2及相對(duì)高的平均流動(dòng)孔徑M2。經(jīng)過層#2的聚結(jié)的微滴表現(xiàn)出相對(duì)低的速度。層#3具有相對(duì)低的孔隙率ε 3及相對(duì)低的平均流動(dòng)孔徑Μ2。經(jīng)過層#3的聚結(jié)微滴表現(xiàn)出相對(duì)高的速度。在圖4中，包括連續(xù)相和分散相的混合物在層#1的上游面50進(jìn)入所述介質(zhì)且在分散相52中的微滴開始在層#1中聚結(jié)。聚結(jié)的微滴從層#1的下游面M經(jīng)過并進(jìn)入層#2 的上游面56。層#2中的微滴的速度比層#1中的微滴的速度更低。微滴在層#2和層#3的結(jié)合處58進(jìn)一步聚集及聚結(jié)。聚結(jié)的微滴進(jìn)一步從層#2的下游面60經(jīng)過并進(jìn)入層#3的上游面62。層#3中微滴的速度比層#2中微滴的速度更高。此外，層#3中單個(gè)微滴的表面面積比層#2中單個(gè)微滴的表面面積更高。微滴進(jìn)一步聚結(jié)并從介質(zhì)64中釋放。在優(yōu)選實(shí)施例中，本文考慮的聚結(jié)介質(zhì)包括滿足以下標(biāo)準(zhǔn)的至少三個(gè)相鄰層 ε 2且 E1S ε 2 ;Μ3 彡!^且虬 ;Ρ2 彡卩3且卩2 SP1 ；且 θ 3，θ 2，及 θ i 彡 90° (且
理想地θ 3，θ 2，及θ工> 135° )。滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的聚結(jié)介質(zhì)可用于如燃料和水的分離系統(tǒng)中，其中燃料具有Y <20達(dá)因/厘米或理想地γ ( 15達(dá)因/厘米。如本文所考慮，所述聚結(jié)介質(zhì)可包括在所述第三層的下游的附加的第四層(層 #4)，所述第四層構(gòu)造為防止經(jīng)聚結(jié)的滴狀物在離開第三層時(shí)的再乳化(見圖8)，例如，在第三層之后，當(dāng)發(fā)生孔尺寸的突然變化時(shí)，再乳化可導(dǎo)致低的界面張力的系統(tǒng)。為防止再乳化，所述第四層(1)可具有比所述第三層的孔徑和孔隙率大的孔徑和孔隙率；( 可具有比層3的毛細(xì)壓力大的毛細(xì)壓力；及C3)可具有小于在靜止?fàn)顟B(tài)下從所述第三層釋放時(shí)形成的滴狀物的平均直徑的孔尺寸。此被釋放的滴狀物的近似尺寸(D)可用用于決定表面張力的滴重法計(jì)算，由此被釋放的滴狀物的尺寸由下式給出
權(quán)利要求
1.一種聚結(jié)介質(zhì)，用于聚結(jié)兩相，即連續(xù)相和分散相的混合物，所述混合物從上游向下游流動(dòng)通過所述介質(zhì)，其中所述介質(zhì)配置為用于捕捉所述分散相的微滴并將所述微滴聚結(jié)地增大為更大的滴狀物，所述滴狀物進(jìn)一步聚結(jié)并增大至足夠的尺寸，由此它們從所述介質(zhì)中釋放，所述介質(zhì)包括從上游向下游順次延伸的至少三個(gè)相鄰層，即第一層，第二層，及第三層；其中所述第一層，所述第二層，及所述第三層分別具有孔隙率ε2，及ε3，且ε2>ε丄；且ε 2 > ε 3 ；且其中所述第一層，所述第二層，及所述第三層分別具有毛細(xì)壓力P1, P2,及P3 ;Ρ2 > P3 ；且可選擇地P2 > P^
2.權(quán)利要求1所述的聚結(jié)介質(zhì)，其中所述第一層，所述第二層，及所述第三層分別具有平均流動(dòng)孔徑M1, M2，及M3,且M2 > M1及M2 > Μ3。
3.權(quán)利要求1所述的聚結(jié)介質(zhì)，其中所述第一層，所述第二層，及所述第三層具有所述連續(xù)相中的所述分散相的滴狀物在各自的層上的接觸角θ3，θ2，及Q1 ;且θ3，θ2，及Q1 > 90°。
4.依照權(quán)利要求1所述的聚結(jié)介質(zhì)，其中所述連續(xù)相和所述分散相為不相溶的液體。
5.依照權(quán)利要求4所述的聚結(jié)介質(zhì)，其中所述連續(xù)相是碳?xì)浠衔镆后w而所述分散相是水。
6.依照權(quán)利要求4所述的聚結(jié)介質(zhì)，其中所述連續(xù)相是水而所述分散相是碳?xì)浠衔镆后w。
7.依照權(quán)利要求1所述的聚結(jié)介質(zhì)，其中所述連續(xù)相是氣體而所述分散相是液體。
8.依照權(quán)利要求1所述的聚結(jié)介質(zhì)，其中所述第一層，所述第二層，及所述第三層具有各自的密實(shí)度，所述第二層的密實(shí)度不大于所述第一層的密實(shí)度的約75%，且所述第二層的密實(shí)度不大于所述第三層的密實(shí)度的約75%。
9.依照權(quán)利要求1所述的聚結(jié)介質(zhì)，其中所述第一層，所述第二層，及所述第三層具有各自的密實(shí)度，所述第二層的密實(shí)度不大于所述第一層的密實(shí)度的約50%，且所述第二層的密實(shí)度不大于所述第三層的密實(shí)度的約50%。
10.依照權(quán)利要求1所述的聚結(jié)介質(zhì)，其中M2至少比M1大約1.5倍，且M2至少比M3大約1. 5倍。
11.依照權(quán)利要求10所述的聚結(jié)介質(zhì)，其中M2至少比M1大約2倍，且M2至少比M3大約2倍。
12.依照權(quán)利要求10所述的聚結(jié)介質(zhì)，其中M1約為5-10微米。
13.依照權(quán)利要求10所述的聚結(jié)介質(zhì)，其中M2約為15-50微米。
14.依照權(quán)利要求10所述的聚結(jié)介質(zhì)，其中M3約為1-5微米。
15.依照權(quán)利要求1所述的聚結(jié)介質(zhì)，其中所述第一層，所述第二層，及所述第三層分別具有厚度T1, T2，及T3 ;Τ2 > T3 ；且可選擇地T2 > T1。
16.依照權(quán)利要求15所述的聚結(jié)介質(zhì)，其中T2> 30微米。
17.依照權(quán)利要求1所述的聚結(jié)介質(zhì)，其中層的毛細(xì)壓力由式4γ cos θ /M限定，其中 Y為界面張力。
18.依照權(quán)利要求1所述的聚結(jié)介質(zhì)，其中θ3，θ2，及Q1>135°。
19.依照權(quán)利要求1所述的聚結(jié)介質(zhì)，其中所述聚結(jié)介質(zhì)為復(fù)合材料。
20.依照權(quán)利要求1所述的聚結(jié)介質(zhì)，其中所述聚結(jié)介質(zhì)通過獲得第一介質(zhì)材料，第二介質(zhì)材料，及第三介質(zhì)材料，并物理地或化學(xué)地將所述第一介質(zhì)材料，所述第二介質(zhì)材料， 及所述第三介質(zhì)材料連接在層里而形成。
21.依照權(quán)利要求1所述的聚結(jié)介質(zhì)，其中所述至少三個(gè)相鄰層中的至少一層包含尼龍。
22.依照權(quán)利要求1所述的聚結(jié)介質(zhì)，包含前層，第一層，第二層，第三層，第四層，及后層；其中所述前層，所述第一層，所述第二層，所述第三層，所述第四層，及所述后層分別具有孔隙率 ε pre，ε ε 2，ε 3，ε 4 及 ε p。st，且 ε pre 為 0· 90-0. 94 ; ε 丨為 0· 85-0. 88 ； ε 2 為 0. 89-0. 92 ； ε 3 為 0. 80-0. 84 ； ε 4 為 0. 85-0. 89 ；且 ε post 為 0. 70-0. 74。
23.依照權(quán)利要求1所述的聚結(jié)介質(zhì)，包含前層，第一層，第二層，第三層，第四層，及后層；其中所述前層，所述第一層，所述第二層，所述第三層，所述第四層，及所述后層分別具有毛細(xì)壓力Ppre，P1, P2, p3，P4及Pp。st，且Ppre彡-1. 5達(dá)因/厘米2 為_4. 0-—4. 4達(dá)因/厘米2 ;P2為_1. 7-_2. 1達(dá)因/厘米2 ；P3為_5. 6-_6. 0達(dá)因/厘米2 ；P4為_2. 3__2. 7達(dá)因/厘米2 ；且Ppost為_1. 3-_1. 7達(dá)因/厘米2。
24.依照權(quán)利要求1所述的聚結(jié)介質(zhì)，包含前層，第一層，第二層，第三層，第四層，及后層；其中所述前層，所述第一層，所述第二層，所述第三層，所述第四層，及所述后層分別具有平均流動(dòng)孔徑Mpre，M1, M2, M3, M4,及凡_，且Mpre彡15微米為5-12微米;M2為15-50微米；M3為3-9微米;M4為8-24微米；且Mpre彡15微米。
25.依照權(quán)利要求1所述的聚結(jié)介質(zhì)，包含前層，第一層，第二層，第三層，第四層，及后層；其中所述前層，所述第一層，所述第二層，所述第三層，所述第四層，及所述后層具有所述連續(xù)相中的所述分散相的滴狀物在各自層上的接觸角θρμ，Θ17 Θ2，Θ 3, Θ4，及ep。st，且 θ pre 為 130-160° J1Suo-Ieoa ； 92為 130-160° ； θ 3為 130-160° ； θ 4為 130-160° ； 且 θ p。st* 130-160°。
26.依照權(quán)利要求1所述的聚結(jié)介質(zhì)，包含前層，第一層，第二層，第三層，第四層，及后層；其中所述前層，所述第一層，所述第二層，所述第三層，所述第四層，及所述后層分別具有厚度 Tpre，T1, T2，T3，T4,及 Tp。st，且 Tpre 為 0. 1-0. 3 毫米 J1 為 0. 9-1. 3 毫米；T2 為 0. 20-0. 24 毫米；Τ3為0. 11-0. 15毫米；Τ4為0. 1-0. 3毫米；且Tp。st為0. 5-0. 7毫米。
27.依照權(quán)利要求1所述的聚結(jié)介質(zhì)，包含第一層，第二層，第三層，及可選擇地第四層；其中所述第一層，所述第二層，所述第三層，及所述第四層包含聚對(duì)苯二甲酸亞烷基酯，尼龍或其混合物。
28.—種聚結(jié)元件，包含依照權(quán)利要求1所述的聚結(jié)介質(zhì)。
29.權(quán)利要求28所述的聚結(jié)元件，其中所述聚結(jié)介質(zhì)容納在外殼中，所述外殼具有構(gòu)造為接收所述混合物的上游進(jìn)口及構(gòu)造為在所述分散相聚結(jié)后排出所述混合物的下游出
30.一種聚結(jié)系統(tǒng)，包含依照權(quán)利要求四所述的聚結(jié)元件。
31.依照權(quán)利要求30所述的聚結(jié)系統(tǒng)，配置為移除分散在碳?xì)浠衔锶剂现械乃?br> 32.依照權(quán)利要求31所述的聚結(jié)系統(tǒng)，還包含定位在所述聚結(jié)元件下游的用于移除水的疏水性介質(zhì)。
33.依照權(quán)利要求31所述的聚結(jié)系統(tǒng)，還包含定位在所述聚結(jié)元件下游的用于移除水的附加裝置，所述裝置從由重力分離器，離心分離機(jī)，沖擊器，薄片分離器，傾斜堆疊板，篩板，及靜止室等組成的組中選擇。
34.依照權(quán)利要求33所述的聚結(jié)系統(tǒng)，其中所述附加裝置不直接與所述聚結(jié)元件接觸。
35.一種移除分散在碳?xì)浠衔锶剂现械乃姆椒?，所述方法包含使所述碳?xì)浠衔锶剂辖?jīng)過權(quán)利要求1所述的聚結(jié)介質(zhì)，其中所述系統(tǒng)至少移除分散在所述碳?xì)浠衔锶剂现械乃鏊募s93%。
36.依照權(quán)利要求35所述的方法，其中所述系統(tǒng)至少移除分散在所述碳?xì)浠衔锶剂现械乃鏊募s96%。
37.依照權(quán)利要求35所述的方法，其中所述系統(tǒng)至少移除分散在所述碳?xì)浠衔锶剂现械乃鏊募s99%。
38.依照權(quán)利要求35所述的方法，其中所述碳?xì)浠衔锶剂暇哂笑?lt;20達(dá)因/厘米， 較佳地所述碳?xì)浠衔锶剂暇哂衁 < 15達(dá)因/厘米。
全文摘要
本文所公開的是用于聚結(jié)兩相，即連續(xù)相和分散相的混合物的聚結(jié)介質(zhì)。所公開的聚結(jié)介質(zhì)具有多個(gè)層，所述多個(gè)層有不同的特性，其中所述聚結(jié)介質(zhì)的內(nèi)層比緊鄰內(nèi)層的層具有更高的孔隙率。所公開的介質(zhì)可用在用于從混合物中移除分散相的聚結(jié)器，聚結(jié)系統(tǒng)，或聚結(jié)方法中。
文檔編號(hào)B01D46/00GK102170950SQ200980139561
公開日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2009年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月8日
發(fā)明者巴里·M·維德根, 薩魯·達(dá)沃, 馬克·T·維喬雷克 申請(qǐng)人:康明斯過濾Ip公司