РАЗДЕЛЯЮЩАЯ СРЕДА И СПОСОБЫ, ОСОБЕННО ПРИМЕНИМЫЕ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОДНО-УГЛЕВОДОРОДНЫХ ЭМУЛЬСИЙ, ИМЕЮЩИХ НИЗКОЕ ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ НА ГРАНИЦАХ РАЗДЕЛА

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Варианты осуществления, описанные в данном документе, относятся в основном к разделяющей среде и способам для разделения водно-углеводородных эмульсий. В особенно предпочтительных формах варианты осуществления, описанные в данном документе, относятся к отделению воды от эмульсии воды и углеводородного топлива (например, дизельного топлива).

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Потребность в разделении эмульсий воды и углеводородов является повсеместной; с ней постоянно сталкиваются во множестве различных отраслей промышленности. Разделение водно-углеводородных эмульсий обычно включает системы, которые основаны на одном или нескольких элементах, новых режимах течения, успокоительных камерах, параллельных металлических пластинах, ориентированных нитях, механизмах введения газа и электростатическом заряде. Баланс систем разделения улучшает элемент, который содержит волокнистую, пористую коалесцирующую среду, через которую эмульсия пропускается и разделяется. Независимо от конструкции системы, все системы разделения водно-углеводородных эмульсий имеют целью приведение эмульгированных капель в близкое расположение, чтобы содействовать коалесценции. Коалесценция и последующее разделение вследствие разности в плотности между водой и углеводородами представляет собой механизм, на котором основаны все системы разделения.

Обычная известная волокнистая, пористая коалесцирующая среда вызывает разделение эмульсии в проточных видах применения посредством того же самого общего механизма, независимо от природы эмульсии. Коалесцирующая среда предоставляет дисперсной фазе эмульсии поверхность, энергетически отличную от непрерывной фазы. В качестве таковой поверхность среды используется, чтобы конкурировать с непрерывной фазой эмульсии в отношении дисперсной, или капельной, фазы эмульсии. Когда эмульсия приходит в соприкосновение с коалесцирующей средой и проходит через нее, капли распределяются между твердотельной поверхностью и непрерывной фазой. Капли, адсорбированные на поверхности твердотельной среды, перемещаются вдоль поверхностей волокон и, в некоторых случаях, увлажняют поверхность волокна. По мере того как эмульсия протекает через среду, адсорбированная дисперсная фаза сталкивается с другими каплями, связанными со средой, и происходит их коалесценция. Процесс миграции-коалесценции капель продолжается, пока эмульсия перемещается через среду.

Коалесцирующая среда поэтому обычно рассматривается как являющаяся функционально успешной для разрушения данной эмульсии, если дисперсная фаза предпочтительно адсорбируется или отталкивается, и если капельная фаза в месте выхода из среды была коалесцирована в виде капель, которые являются достаточно большими, чтобы обеспечить возможность их отделения от непрерывной фазы. Типично, капли отделяются от непрерывной фазы как функция разности плотностей между вовлеченными жидкостями. Напротив, коалесцирующая среда рассматривается как являющаяся функционально безуспешной для разрушения эмульсии, если капли остаются довольно малыми в месте выхода из среды, так что они остаются увлеченными непрерывной фазой и не могут быть отделены.

Известны обычные волокнистые, пористые коалесцирующие среды, которые эффективно удаляют более 90 масс.% эмульгированной воды из углеводорода, когда углеводород имеет поверхностное натяжение (γ) более 25 дин/см на границе раздела с водой. Если углеводород проявляет поверхностное натяжение на границе раздела углеводород-вода менее 25 дин/см (что в разговорной речи называется как «углеводороды с поверхностным натяжением ниже 25»), водно-углеводородная эмульсия является существенно более прочной, и способность известных сред для разделения эмульсии к удалению эмульгированной воды уменьшается значительным образом до такого уровня, что 40-100 масс.% эмульгированной воды допускается к прохождению до конечного назначения без удаления.

Уменьшение поверхностного натяжения углеводорода на границе раздела происходит, когда к углеводороду добавлены поверхностно-активные вещества. В связи с этим одной из причин, вызывающей неспособность волокнистой, пористой коалесцирующей среды известного уровня техники к отделению углеводородов с поверхностным натяжением ниже 25, является наличие увеличенной поверхностной активности. В случаях углеводородов с поверхностным натяжением ниже 25 разделение эмульсии требует более комплексных систем, которые часто включают встроенные гофрированные элементы, регуляторы пути протекания, спиральные элементы и успокоительные камеры. Известный уровень техники изобилует примерами комплексных систем, спроектированных, чтобы справляться с трудностями при разделении водно-углеводородных эмульсий. Поэтому ясна потребность в универсальной среде, способной к разделению эмульсии независимо от поверхностного натяжения на границе раздела углеводород-вода или содержания поверхностно-активного вещества перед лицом такой комплексности.

Роль деактивации поверхностно-активным веществом обычной волокнистой, пористой коалесцирующей среды включает размер капель, стабильность капель и поверхности. Поверхностно-активные вещества представляют собой молекулы, которые содержат как гидрофильные, так и гидрофобные части. При наличии в смеси углеводород-вода поверхностно-активных веществ они присоединяются на поверхностях раздела к гидрофильным головным группам, связанным с водной фазой, и гидрофобная часть вытянута в масляную фазу. Это является формой с наиболее низкой энергией поверхностно-активного вещества, и это приводит к пониженному поверхностному натяжению на границе раздела углеводород-вода. В результате пониженного поверхностного натяжения на границе раздела заданное увеличение энергии, подводимой к смеси углеводород-вода, будет приводить к увеличенной площади поверхности раздела в присутствии поверхностно-активного вещества. Площадь поверхности раздела обратно пропорциональна размеру капель дисперсной фазы. Соответственно, в присутствии поверхностно-активного вещества заданное увеличение подводимой энергии будет приводить к меньшему распределению капель дисперсной фазы по размеру, чем при отсутствии поверхностно-активного вещества. В этом отношении все среды для разделения смесей топливо-вода основаны на физическом взаимодействии между каплями воды и средой, чтобы обусловить эффект разделения. Поверхностно-активные вещества создают довольно малые капли воды, которые могут проходить через среду без столкновения с ней. Поверхностно-активные вещества также стабилизируют эмульсию в отношении ее разделения, так что капли, которые сталкиваются со средой, с меньшей вероятностью отделяются от топлива на среде. Сходным образом, капли, которые сталкиваются с другими каплями, противостоят коалесценции в капли большего размера, которая необходима для успешного разделения. В заключение, поверхностно-активные вещества связываются с поверхностями среды и каплями воды и препятствуют специфическим поверхностным взаимодействиям между средой и водой, которые дестабилизируют воду внутри топлива и делают возможным ее отделение. В итоге, результатом примешивания поверхностно-активных веществ в углеводород является деактивация волокнистой, пористой коалесцирующей среды известного уровня техники и прохождение воды в конечный продукт.

Потребность в волокнистой, пористой коалесцирующей среде, которая удаляет воду независимо от поверхностного натяжения углеводорода на границе раздела, стала существенно более ярко выражена при принятии законодательных норм в отношении качества дизельного топлива. В нормах для тяжелых дизельных транспортных средств 2007 г. (2007 Heavy Duty Highway Diesel Rule) Управлением по охране окружающей среды (EPA) предписано соответствующее снижение эмиссий взвешенных частиц (PM2,5) и оксида азота (NOx) до 90% и 92% при удовлетворении снижения NOx дополнительно на 3% в 2010. Во время публикации предписаний считалось, что содержание серы в выхлопных газах после обработки должно отвечать показателям выбросов 2007 г. В результате этого нормы 2007 Highway Rule также требуют снижения уровней содержания серы в дизельном топливе на 97% до 15 млн^-1. Результирующее дизельное топливо с ультранизким содержанием серы (ULSD) было лишено своей природной маслянистости и требует добавления поверхностно-активного вещества, чтобы отвечать требованиям в отношении контроля износа двигателя. Дизельное топливо с ультранизким содержанием серы (ULSD) соответственно проявляет поверхностное натяжение ниже 25 на границе раздела углеводородов с водой. Требования в отношении дизельного топлива, принятые Управлением по охране окружающей среды (EPA), будут распространяться на дизельное топливо для транспортных средств повышенной проходимости, топлива для железнодорожного транспорта и судового топлива в качестве части многоуровневого подхода управления по охране окружающей среды (EPA) в отношении контроля выбросов, что указывает на то, что все небензиновые виды топлива для транспортных средств и производства электроэнергии будут сводиться со временем к видам с поверхностным натяжением на границе раздела ниже 25 дин/см.

В дополнение к этому, различные органы государственного регулирования в Соединенных Штатах начали предоставлять средства поощрения или просто делать обязательными минимальные требования в отношении компонентов смесей биодизельного топлива в качестве топлив для коммерческих перевозок. Биодизельное топливо представляет собой смесь сложных метиловых эфиров жирных кислот, производных от катализированной каустической содой эстерификации метанолом триглицеридов растительного и животного происхождения. Биодизельное топливо является поверхностно-активным веществом, и топливные смеси, содержащие всего лишь 2% биодизельного топлива, имеют поверхностное натяжение на границах раздела гораздо ниже 25 дин/см. В результате, топливный фонд, имеющийся в наличии в качестве небензиновых видов топлива для транспортных средств и производства электроэнергии, является быстро переходящим в область поверхностного натяжения на границе раздела, в которой среда известного уровня техники для разделения топливно-водяной эмульсии не в состоянии удалять воду из углеводорода.

Несмотря на изменения в поверхностном натяжении топлива на границе раздела, вода остается компонентом, загрязняющим топливо, с точки зрения коррозии стальных деталей двигателя и стимулирования роста микроорганизмов. Все небензиновые двигатели обладают способностью к разделению топлива и воды, встроенной в топливную систему. Кроме того, соответствие выхлопных газов двигателя нормам EPA 2007 Highway Rule в значительной степени зависит от оборудования для впрыскивания топлива под высоким давлением, которое чрезвычайно чувствительно к воде. Это увеличивает важность обезвоживания топлива для систем, спроектированных, чтобы отвечать нормам 2007 EPA в отношении выхлопных газов, что порождает систематическое изменение в качестве топлива. Требования в отношении пробега в милях на галлон израсходованного топлива и вмешательства оператора для двигателей обусловливают потребность в небольших, легких и простых в эксплуатации системах для отделения воды. Эти потребности часто не удовлетворяются комплексными системами разделения, которые являются общеизвестными. В результате, законодательные нормы в отношении качества топлива создали четко определенную потребность в волокнистой, пористой коалесцирующей среде, которая удаляет воду независимо от поверхностного натяжения углеводорода на границе раздела.

Примеры новой коалесцирующей среды описаны в одновременно рассматриваемой заявке на патент США № 12/014864 совместного использования, поданной 16 января 2008 г. и озаглавленной «Coalescence Media for Separation of Water-Hydrocarbon Emulsions» (полное содержание которой в явной форме включено в данный документ посредством ссылки, и которая ниже будет называться как «заявка на патент США 864»). Эти среды достигают высокой величины площади поверхности с помощью необходимой структуры пор и проницаемости и эффективно разделяют прочные эмульсии воды и углеводородов, содержащих поверхностно-активное вещество, таких как смеси биодизельного топлива с ультранизким содержанием серы (ULSD), без применения комплексных систем разделения. Среды предшествующего уровня техники часто требуют несколько слоев, чтобы влиять на единственную функцию разделения водно-углеводородных эмульсий, без гарантии успешного разделения в случае высокого содержания поверхностно-активного вещества и низкого поверхностного натяжения на границе раздела углеводородов. В противоположность этому в заявке на патент США № 12/014864 описана среда, сформированная как одиночный сухой слой способом мокрой выкладки при использовании гомогенно распределенных мокрой выкладкой волокнистых материалов, включающих целлюлозу или целлюлозные волокна, синтетические волокна, фибриллированные волокна с большой площадью поверхности, стеклянное микроволокно и синтетический материал с увеличенной площадью поверхности, которая успешно выполняет единственную функцию отделения воды с помощью единственного слоя фильтрующей среды при низком поверхностном натяжении на границе раздела углеводородов.

Типично для любой волокнистой, пористой коалесцирующей среды являться частью структуры многослойной среды, в которой некоторые из слоев выполняют иные функции, чем разделение эмульсии. В таких случаях слои могут быть или могут не быть ламинированы вместе. Причины использования нескольких слоев могут быть обусловлены соображениями в отношении целостности среды и/или необходимостью фильтрации. В отношении целостности среды, несколько слоев используются, чтобы поддерживать волокнистую, пористую коалесцирующую среду или составную структуру, чтобы защищать волокнистую, пористую коалесцирующую среду от высокоскоростных вращательных плиссировочных машин и чтобы предотвращать возможное перемещение волокон из других слоев среды к месту конечного назначения. В отношении необходимости фильтрации, несколько слоев используется, чтобы добавить возможность фильтрации, такой как удаление частиц, удержание грязи или адсорбция примесей, к выполнению коалесцирования. Примеси могут состоять из асфальтенов, органических веществ, солей, ионов или металлов. Для того чтобы отвечать целям фильтрации, а также чтобы защищать целостность среды, требуется слой со стороны нижнего течения коалесцирующей среды в мультифункциональной фильтрующей среде.

Включение коалесцирующей среды в многослойную, мультифункциональную структуру коалесцирующей среды со слоем со стороны нижнего течения коалесцирующего слоя создает возможность отказа среды в случае углеводородов с высоким содержанием поверхностно-активного вещества (т.е. с поверхностным натяжением ниже 25) вследствие повторного эмульгирования первоначально коалесцированных капель. В этом отношении, коалесцированные капли воды должны быть достаточно большими, чтобы выделяться из углеводородного потока вследствие разности в плотности, в противном случае они будут выводиться из устройства для разделения вместе с осушенным углеводородом и повторно эмульгироваться в нем. Коалесцирующая среда должна поэтому функционировать таким образом, чтобы увеличивать капли воды микронного размера, находящиеся в водно-углеводородных эмульсиях с высоким содержанием поверхностно-активного вещества, до коалесцированных капель воды миллиметрового размера, которые могут под действием силы тяжести выделяться из потока сухого углеводорода.

По причинам, указанным выше, в случае углеводородов с высоким содержанием поверхностно-активного вещества эффективность любого коалесцирующего слоя в многослойных средах может быть значительно уменьшена средой, которая обычно используется на стороне нижнего течения коалесцирующего слоя. Более конкретно, обычные среды, расположенные на стороне нижнего течения коалесцирующего слоя, включают среды мокрой выкладки из целлюлозы, насыщенной фенольной смолой, материалы, полученные аэродинамическим распылением расплава полиэстера, нетканые материалы и композиты материалов, полученных аэродинамическим распылением расплава, и нетканых материалов, а также нетканый нейлоновый материал. Такие обычные среды могут уменьшать и существенно уменьшают способность к коалесцированию коалесцирующей среды в случае углеводородов с высоким содержанием поверхностно-активного вещества. Например, снижение эффективности, которое может быть обнаружено при использовании такой обычной среды в нижнем течении коалесцирующего слоя, может составлять от примерно 50 до 100% эмульгированной воды, остающейся в углеводороде и, соответственно, проходящей к месту конечного назначения углеводорода вследствие уменьшения размера капель воды, коалесцированных перед этим.

Поэтому является желательным, если могли бы быть предоставлены новые среды, служащие в качестве слоев, размещенных на стороне нижнего течения коалесцирующей среды, которые выполняют требуемые функции поддержки и защиты, а также проявляют довольно большую площадь поверхности для адсорбции воды, чтобы минимизировать повторное эмульгирование. В этом отношении, было бы особенно желательно, если бы среда, служащая в качестве слоя в нижнем течении коалесцирующего слоя, выполняла не только традиционные роли поддержки и защиты, но также и предоставляла увеличенную площадь поверхности для адсорбции воды по сравнению с коалесцирующим слоем. Такой слой в нижнем течении может служить, чтобы расширять путь протекания, доступный для воды, и, в соответствии с этим, будет вызывать эффект Вентури и уменьшать скорость воды по сравнению с углеводородом. Такое снижение скорости, в свою очередь, будет уменьшать давление воды в слое на стороне нижнего течения, соответственно принуждая выведение углеводорода из слоя. Эти факторы будут служить для дополнительного отделения воды от углеводорода и, тем самым, способствовать дополнительной коалесценции воды. Это является весьма желательным для видов применения с отделением углеводородов, содержащих поверхностно-активное вещество. Поэтому, кроме того, желательно разрабатывать среды, способные к выполнению функций поддержки и защиты, требуемых для сред, размещаемых на стороне нижнего течения коалесцирующего слоя в многослойной коалесцирующей среды, которые предоставляют увеличенную площадь поверхности для адсорбции воды по сравнению с той, что доступна внутри коалесцирующего слоя.

Данное изобретение направлено на удовлетворение таких желательных требований.

СУЩНОСТЬ ТИПИЧНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

В соответствии с одним из аспектов, варианты осуществления, описанные в данном документе, предоставляют разделяющую среду для отделения воды от водно-углеводородной эмульсии, содержащую коалесцирующий слой волокнистого нетканого материала для приема водно-углеводородной эмульсии и коалесцирования воды, присутствующей в ней в качестве дисперсной фазы, таким образом, чтобы коалесцированные капли воды имели размер 1 мм или более, и слой волокнистого нетканого материала для удерживания капель в нижнем течении коалесцирующего слоя, имеющий большую площадь поверхности по БЭТ, по меньшей мере 90 м²/г или более, достаточную для поддержания размера коалесцированных капель воды, чтобы обеспечить возможность их отделения от углеводорода.

В некоторых предпочтительных формах слой для удерживания капель разделяющей среды будет иметь большую площадь поверхности по БЭТ, по меньшей мере 95 м²/г, более предпочтительно по меньшей мере 100 м²/г или более.

Слой для удерживания капель может содержать смесь волокон, имеющих большую площадь поверхности по БЭТ, и волокон, имеющих небольшую площадь поверхности по БЭТ, и/или может содержать связующую смолу. Если предоставляется связующая смола, то она предпочтительно включает полярную химическую группу.

В соответствии с определенными вариантами осуществления, разделяющая среда может содержать по меньшей мере один дополнительный слой, расположенный между коалесцирующим слоем и слоем для удерживания капель. Например, по меньшей мере один дополнительный слой может быть расположен в верхнем течении и/или в нижнем течении слоя для удерживания капель, чтобы предоставлять разделяющую среду с желательными физическими свойствами.

Могут быть предоставлены модули для отделения воды от водно-углеводородной эмульсии, имеющие корпус, снабженный впускным отверстием для эмульсии и соответствующими выпускными отверстиями для воды и обезвоженного углеводорода, данный корпус снабжен разделяющей средой, размещенной внутри него. Разделяющая среда, предоставленная в корпусе, предпочтительно содержит коалесцирующий слой волокнистого нетканого материала для приема водно-углеводородной эмульсии и коалесцирования воды, присутствующей в ней в качестве дисперсной фазы, таким образом, чтобы коалесцированные капли воды имели размер 1 мм или более, и слой волокнистого нетканого материала для удерживания капель в нижнем течении коалесцирующего слоя, имеющий большую площадь поверхности по БЭТ, по меньшей мере 90 м²/г или более, достаточную для поддержания размера коалесцированных капель воды, чтобы обеспечить возможность их отделения от углеводорода.

В соответствии с еще одним аспектом, варианты осуществления, описанные в данном документе, предоставляют способы отделения воды от водно-углеводородной эмульсии посредством пропускания водно-углеводородной эмульсии через коалесцирующий слой волокнистого нетканого материала для того, чтобы коалесцировать воду, присутствующую в ней в качестве дисперсной фазы, таким образом, чтобы коалесцированные капли воды имели размер 1 мм или более, и последующего пропускания углеводорода и коалесцированных капель воды через слой для удерживания капель, находящийся в нижнем течении и имеющий большую площадь поверхности по БЭТ, по меньшей мере 90 м²/г или более, достаточную для поддержания размера коалесцированных капель воды. Коалесцированные капли воды могут затем быть отделены от углеводорода (например, посредством разницы в их плотности). Предпочтительно по меньшей мере 90 масс.% воды в эмульсии коалесцируется в капли, имеющие размер 1 мм или более, посредством коалесцирующего слоя.

В предпочтительных вариантах осуществления углеводород имеет поверхностное натяжение на границе раздела (γ) менее чем 25 дин/см (т.е. является углеводородом с поверхностным натяжением ниже 25). Углеводород может, соответственно, быть жидким топливом (например, биодизельным топливом), которое содержит поверхностно-активное вещество.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СОПРОВОДИТЕЛЬНЫХ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и другие отличительные признаки и преимущества будут лучше и более полно поняты посредством ссылок на представленное ниже подробное описание типичных неограничивающих иллюстративных вариантов осуществления совместно с чертежами, где:

фиг.1 представляет собой схематический вид поперечного сечения системы для разделения воды и углеводорода, которая реализует разделяющую среду данного изобретения; и

фиг.2 представляет собой увеличенный схематический вид поперечного сечения типичного варианта осуществления разделяющей среды, в соответствии с данным изобретением, вдоль линии 2-2 на фиг.1.

ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Как использовано в данном описании и в прилагаемой формуле изобретения, термины, приведенные ниже, предполагают следующие определения.

«Водно-углеводородная эмульсия» представляет собой эмульгированную смесь несмешивающихся воды и жидких углеводородов.

«Волокно» означает волокнистую или нитевидную прядь наибольшей или неопределенной длины.

«Штапельное волокно» означает волокно, которое было нарезано на определенные, сравнительно короткие сегменты заданной индивидуальной длины.

«Волокнистый» означает материал, который состоит в основном из волокна и/или штапельного волокна.

«Нетканый» означает совокупность волокон и/или штапельных волокон в полотне или мате, которые случайным образом механически соединены и/или спутаны одни с другими.

«Синтетическое волокно» и/или «искусственное волокно» относится к химически произведенному волокну, изготовленному из веществ для формирования волокон, включающих полимеры, синтезированные из химических соединений, и модифицированный или трансформированный природный полимер. Такие волокна могут быть изготовлены обычным формованием из расплава, формованием из раствора и подобными методами изготовления волокон.

«Натуральное волокно» представляет собой волокно, которое имеет животное, минеральное или растительное происхождение.

«Площадь поверхности по БЭТ» означает площадь поверхности (м²) на единицу массы (g) твердотельного материала, рассчитанную в целом, в соответствии с методологией Брунауэра-Эмметта-Теллера (БЭТ), как описано более подробно в статье S. Brunauer et al, J. Am. Chem. Soc, 1938, 60, 309 (полное содержание которой в явной форме включено в данный документ посредством ссылки), за исключением того, что был использован водяной пар при 21°C. (См. также описание методов испытаний в Примерах ниже).

«Большая площадь поверхности по БЭТ» означает материал, имеющий площадь поверхности по БЭТ 90 м²/г или более, более предпочтительно площадь поверхности по БЭТ 95 м²/г или более и наиболее предпочтительно площадь поверхности по БЭТ 100 м²/г или более.

«Малая площадь поверхности по БЭТ» означает материал, имеющий площадь поверхности по БЭТ менее чем 90 м²/г.

«Углеводород с поверхностным натяжением ниже 25» представляет собой жидкий углеводород, имеющий поверхностное натяжение на границе раздела (γ) менее чем 25 дин/см.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Прилагаемая фиг.1 схематически показывает типичный модуль 10, который воплощает в себе данное изобретение. При этом модуль 10 снабжен корпусом 12, имеющим впускное отверстие 12-1, через которое может быть введен жидкостной поток эмульсии топлива и воды. Корпус 12 также включает выпускные отверстия 12-2 и 12-3, чтобы обеспечить возможность выпуска потоков обезвоженнного (сухого) топлива и воды, соответственно, из корпуса после разделения.

Корпус 12 включает внутреннее пространство 12-4 для поддержания разделяющей среды 14. В изображенном варианте осуществления разделяющая среда 14 находится в форме в основном цилиндрической структуры, содержащей ряд продольных складок. Конечно, являются возможными другие структурные формы разделяющей среды 14, например спирально смотанные листы. Эмульсия топливо/вода, соответственно, поступает в сердцевину 14-1 среды 14 и затем проходит через нее. Как хорошо известно, вследствие разности плотности коалесцированная вода собирается на дне корпуса и выпускается из него через выпускное отверстие 12-3. Обезвоженное (сухое) топливо выпускается, в свою очередь, через выпускное отверстие 12-2.

Как это, пожалуй, лучше показано на прилагаемой фиг.2, разделяющая среда 14 представляет собой многослойную структуру, состоящую из по меньшей мере коалесцирующего слоя 16 волокнистого нетканого материала, расположенного в верхнем течении слоя 18 волокнистого нетканого материала для удерживания капель. Коалесцирующий слой 16 и слой для удерживания капель могут быть расположены при непосредственном примыкании одного к другому и могут, если это желательно, быть физически ламинированы или физически соединены один с другим (например, посредством любого подходящего метода, известного в данной области техники, такого как прошивка иглой, соединение адгезивами, сцепление воздушной струей и т.п.). В качестве альтернативы, один или несколько промежуточных слоев 20 могут быть опционально размещены между коалесцирующим слоем 16 в верхнем течении и слоем 18 для удерживания капель в нижнем течении. Различные слои 16, 18 и опционально 20 могут подобным образом быть физически соединены один с другим или могут быть ламинированы или соединены иным образом один с другим посредством любого подходящего метода, известного в данной области техники.

В дополнение к этому (или в качестве альтернативы) один или несколько лицевых слоев 22 могут быть предусмотрены в верхнем течении коалесцирующего слоя 16 наряду с тем, что один или несколько тыльных слоев 24 могут быть предусмотрены в нижнем течении слоя 18 для удерживания капель. Слои 20, 22 и 24 выбираются для различных функциональных свойств и необязательно должны быть неткаными структурами. Естественно, такие дополнительные слои 20, 22 и/или 24 не должны оказывать неблагоприятного влияния на функциональные возможности по удерживанию капель слоем 18.

Слой коалесцирующей среды может быть единственным слоем или многослойной структурой. Предпочтительным вариантом осуществления является трехслойная структура, имеющая слой в верхнем течении, коалесцирующий слой в промежуточном положении и слой для удерживания капель в нижнем течении. Слой для удерживания капель может быть ламинирован со слоем коалесцирующей среды с образованием единого листа разделяющей среды. Слой в верхнем течении может быть фильтрующим слоем или вторым слоем коалесцирующей среды. Слой в верхнем течении среды предоставляется предпочтительно для отфильтровывания частиц и/или для поддержки структуры, и/или для физической защиты слоя 18 для удерживания капель. Испытания показали, что природа нетканого материала в верхнем течении оказывает некоторое влияние на коалесцирующие свойства композита. Результаты, сообщающиеся здесь, включают образцы, содержащие пять отдельных слоев поддерживающих вышерасположенных слоев. Слои в верхнем течении были выбраны для максимизированного размера коалесцированных капель и определенной необходимости в фильтрации, такой как способность к удержанию грязи, адсорбции асфальтенов и эффективность удаления частиц.

Коалесцирующий слой 16 разделяющей среды 14 может быть любого подходящего типа. При этом коалесцирующий слой выбирается, чтобы коалесцировать водную дисперсную фазу эмульсии топлива и воды порядка 0,01-500 микрометров в дискретные капли воды, которые имеют размеры по меньшей мере примерно 1 миллиметр вплоть до примерно 10 миллиметров. Эта коалесценция водной дисперсной фазы в дискретные капли воды происходит, когда эмульсия проходит через коалесцирующий слой 16.

Коалесцирующий слой 16 предоставляет большую площадь поверхности для адсорбции воды, создавая более длинный путь прохождения для воды по сравнению с другими компонентами эмульсии. Эта разница в длине пути приводит к различию во временах элюирования для воды и других компонентов эмульсии, в результате чего происходит увеличение фазы и коалесценция воды. Отделение воды от эмульсии происходит, когда коалесцированные водяные капли под действием силы тяжести выделяются из потока при его выпуске со стороны нижнего течения среды. Отделение происходит, потому что вода имеет более высокую плотность, чем углеводороды. Для того чтобы эффективно выделяться в проточной системе, коалесцированные капли воды часто должны преодолевать поток очищенного углеводорода, который во многих случаях противоположен перемещению капель. Как таковой, размер капель воды имеет важное значение для успешной коалесценции среды. Успешному отделению способствует увеличенный размер капель воды. Одна из особенно предпочтительных сред, которая может быть удовлетворительным образом использована в качестве коалесцирующего слоя 16, описана в вышеупомянутой заявке на патент США 864.

Слой 18 для удерживания капель представляет собой волокнистый нетканый материал, который предоставляет большую площадь поверхности по БЭТ, а именно, площадь поверхности по БЭТ, которая составляет по меньшей мере 80% от 90 м²/г или более, более предпочтительно площадь поверхности по БЭТ 95 м²/г или более и наиболее предпочтительно площадь поверхности по БЭТ 100 м²/г или более. Основным назначением слоя для удерживания капель является предотвращение повторного эмульгирования коалесцированных капель воды, полученных коалесцирующим слоем 16 в верхнем течении, особенно для углеводородов с поверхностным натяжением ниже 25. Соответственно, после прохождения через слой 18 для удерживания капель коалесцированные капли воды будут сохранять свой коалесцированный размер, составляющий по меньшей мере 1 мм или более. Другими словами, слой 18 для удерживания капель будет предотвращать уменьшение размера коалесцированных капель воды, достигнутого посредством коалесцирующего слоя 16.

При этом слой для удерживания капель может быть сформирован, в принципе, из любого волокна, которое обладает, или может быть модифицировано, чтобы обладать большой площадью поверхности по БЭТ. Особенно предпочтительными для применения в качестве волокон для формирования слоев для удерживания капель являются природные волокна, такие как целлюлоза или волокна на базе целлюлозы (например, древесные или растительного происхождения), хлопковые волокна, шерстяные волокна, шелковые волокна, вискозные волокна и т.п. Синтетические волокна, сформированные из волокнообразующих полимерных материалов, также могут быть использованы, например, волокна, сформированные из полиэфиров, полиамидов (например, нейлона 6, нейлона 6,6, нейлона 6,12 и т.п.), полиолефинов, политетрафторэтилена и поливинилового спирта.

В некоторых вариантах осуществления слой 18 для удерживания капель может быть смесью волокон, имеющих большую площадь поверхности по БЭТ, и волокон, имеющих небольшую площадь поверхности по БЭТ. В таких вариантах осуществления предпочтительно, чтобы волокна с большой площадью поверхности по БЭТ присутствовали в количестве по меньшей мере примерно 59 масс.%, более предпочтительно по меньшей мере примерно 65 масс.% волокон с большой площадью по БЭТ, остальное - волокна с небольшой площадью поверхности по БЭТ. Соответственно, слой 18 для удерживания капель будет содержать примерно от 59 масс.% до 100 масс.%, предпочтительно примерно от 65 масс.% до 100 масс.% волокон с большой площадью поверхности по БЭТ. Однако будет понятно, что такие интервалы относятся к представленным здесь предпочтительным вариантам осуществления данного изобретения, поскольку, в принципе, удовлетворительным образом может быть использована любая смесь волокон с большой и с небольшой площадью поверхности по БЭТ при условии, что нетканая среда в целом проявляет свойства большой площади поверхности по БЭТ.

Слой 18 для удерживания капель может быть опционально снабжен связующей смолой, чтобы придать увеличенную механическую прочность, при условии, что смола не оказывает отрицательного влияния на площадь поверхности по БЭТ нетканого слоя 18 для удерживания капель. Если связующая смола применяется, то предпочтительно, чтобы смола была такой, которая имеет полярную химическую группу, чтобы способствовать адсорбции воды и, соответственно, отделять воду от эмульсии. Подходящие связующие смолы, которые могут быть удовлетворительным образом использованы в слое для удерживания капель, включают, однако, не ограничиваются ими, фенолформальдегидные смолы, поликарбонатные смолы, полиакриловые смолы, полиметакриловые смолы, полиоксидные смолы, полисульфидные смолы, полисульфоновые смолы, полиамидные смолы, полиэфирные смолы, полиуретановые смолы, полиимидные смолы, поливинилацетатные смолы, смолы на базе поливинилового спирта, поливинилхлоридные смолы, поливинилпиридиновые смолы, поливинилпирролидоновые смолы, а также их сополимеры и комбинации или смеси.

Слой для удерживания капель может быть снабжен отверстиями или структурирован в виде заданного рисунка (быть тисненым) при использовании методов, хорошо известных специалистам в данной области техники. В качестве альтернативы или в дополнение, слой для удерживания капель может быть обработан другими подходящими методами, чтобы достичь формы, подходящей для вида его целевого конечного применения. В качестве примера, слой для удерживания капель может быть гофрированным, крепированным, каландрированным, тисненым, обжатым (машиной Micrex) и т.п.

Плотности коалесцирующего слоя 16 и слоев для удерживания капель не являются критическими. Соответственно, коалесцирующий слой 16 и/или слой 18 для удерживания капель могут иметь плотность по меньшей мере примерно 15 граммов на квадратный метр (г/м²), более предпочтительно по меньшей мере примерно 35 г/м², вплоть до примерно 300 г/м². Некоторые варианты осуществления коалесцирующего слоя 16 могут иметь плотность от примерно 35 вплоть до примерно 110 г/м².

Опциональный(е) промежуточный(е) слой(и) 20 и лицевые слои 22, 24 могут быть любыми листовыми материалами, которые выбраны для выполнения требуемых функций. Например, слои 20, 22 и/или 24 могут быть выбраны таким образом, чтобы обеспечивать отфильтровывание частиц (например, чтобы улавливать свободные волокна и другие загрязняющие вещества в виде твердых частиц, присутствующие в жидкой эмульсии), в дополнение или в качестве альтернативы к предоставлению опоры и/или защиты коалесцирующего слоя 16 и/или слоя 18 для удерживания капель. Слои 20, 22 и/или 24 поэтому необязательно должны быть образованы формованием волокнистого материала, а могут быть полимерными или металлическими листами или сетками, которые выполняют требуемые функции. Достаточно сказать, что специалисты в данной области техники могут представить различные многослойные структуры, которые обладают требуемыми функциональными свойствами для вида их целевого конечного применения, при условии, что вода может быть отделена от водно-топливной эмульсии.

Данное изобретение будет также проиллюстрировано представленными ниже неограничивающими примерами его осуществления.

ПРИМЕРЫ

Методы испытаний

Изотермы адсорбции, используемые для применения метода БЭТ, определяли с помощью гравиметрического измерения водопоглощения каждым слоем в нижнем течении при использовании следующей процедуры.

1. Внутреннее пространство камеры с инертной атмосферой была приведена в равновесное состояние с постоянной относительной влажностью посредством выставления насыщенного раствора соли с известным относительным давлением насыщенного пара при постоянной температуре 21°C. Баланс с миллиграммовой чувствительностью поддерживали внутри камеры.

2. Образцы слоев в нижнем течении вводили в камеру и взвешивали ежедневно до тех пор, пока не наблюдалось отсутствия изменений в весе. Это обычно занимало 1-2 недели. Конечные значения веса образцов регистрировали.

3. Насыщенный раствор соли заменяли новым раствором с другой известной относительной влажностью и повторяли процесс приведения в равновесное состояние/взвешивания.

4. Всего использовали пять насыщенных растворов солей, которые указаны вместе с соответствующей относительной влажностью внутри камеры в таблице ниже.

5. При окончании измерений для пятой соли образцы слоя в нижнем течении извлекали из камеры и сушили в печи при 175°C в течение пяти минут и взвешивали.

6. Массу воды, адсорбированной на каждом образце при каждой относительной влажности, рассчитывали из разности веса образца внутри камеры при каждой относительной влажности и веса образца, высушенного в печи.

7. Стадии 1-6 выполняли три раза для каждого из образцов слоя в нижнем течении.

8. Во всех случаях данные, полученные с хлоридом калия, имели нелинейность на графике БЭТ и были исключены из использования в расчетах площади поверхности.

Испытание разделяющей среды

В качестве разделяющей среды для отделения воды от жидкой эмульсии воды и углеводородного топлива испытывали трехслойные композиты, которые содержали слой в верхнем течении (UL), коалесцирующий слой (CL) и слой в нижнем течении (DL), расположенные в указанном порядке по отношению к направлению протекания эмульсии. Среды, использованные в качестве слоя в верхнем течении (UL), коалесцирующего слоя (CL) и слоя в нижнем течении (DL) в Примерах различаются посредством кодов, представленных ниже в таблицах 1, 2 и 3, соответственно.

Слои, использованные в испытанных трехслойных композитах, также выбирали для одного или нескольких функциональных назначений, которые идентифицированы функциональными кодами в таблице 4 ниже:

Образцы испытывали в стендовой испытательной установке с плосколистовым топливно-водяным сепаратором, которая моделирует испытание Общества автомобильных инженеров (Society of Automotive Engineers (SAE)) J1488. Испытательная установка состоит из эмульгирующего контура и испытательного контура. 0,25% (2500 млн^-1) дистиллированной деионизованной воды эмульгировали при 26-30°C в топливе при использовании механически связанного центробежного насоса Goulds 1MC1E4CO 0,75 кВт (3,18×2,54×13,18 см), дросселированного до расхода 7,6 л/мин. Результирующая топливно-водяная эмульсия протекала через эмульгирующий контур, который пропускал эмульсию через теплообменник и группу очистных фильтров перед возвратом сухого топлива назад в резервуар. При испытаниях, проводимых с B40 (40% биодизельного топлива/60% дизельного топлива с ультранизким содержанием серы (ULSD)), топливо было осушено до содержания воды 500-1500 млн^-1 при использовании группы из четырех обычных фильтров-влагоотделителей, расположенных последовательно.

Часть потока эмульсии протекала из эмульгирующего контура в испытательный контур. В испытательном контуре эмульсия пропускалась через держатель плоского листового образца при скорости набегающего потока 1,22 см/мин. Выходной поток из держателя образца возвращался в эмульгирующий контур в верхнем течении теплообменника. Все линии для передачи эмульсии в верхнем течении имели достаточно малый диаметр, чтобы превышать целевые скорости SAE J1488. Испытание выполняли в течение 90 или 150 минут при протекании образцов в верхнем течении/в нижнем течении и в резервуар поочередно с интервалами 10 минут.

Эмульсия, использованная при испытаниях в примерах, являлась дизельным топливом с ультранизким содержанием серы (ULSD) типа 2D от BP Products, NA, Naperville, IL. Биодизельное топливо являлось метиловым эфиром соевого масла, полученным от Renewable Energy Group, Ralston, IA. Использованная смесь представляла собой 40 массовых процентов биодизельного топлива в дизельном топливе с ультранизким содержанием серы (ULSD). В соответствии с промышленной номенклатурой результирующая смесь идентифицируется как B40. Дистиллированная вода, 3,4 микромо/см, являлась бутилированной дистиллированной водой Great Value, не содержащей соды, свободно доступной для приобретения в Wal-Mart USA.

Образцы эмульсии гомогенизировали в течение по меньшей мере одной минуты в ультразвуковой ванне Cole Parmer Model#08895-04. Содержание воды определяли с помощью титратора Карла Фишера Mettler Toledo Model D39 и указывали его в частях на миллион (млн^-1). Измерительную линейку внутри испытательной камеры в нижнем течении использовали для определения размера капель воды, выходящих из среды.

Два показателя эксплуатационных качеств были использованы для определения способности коалесцирующей среды к отделению воды, концентрации воды в нижнем течении и размера капель коалесцированной воды. Концентрация воды в нижнем течении определяется титрованием по Карлу Фишеру образцов топлива, отобранных в приемники потока со стороны нижнего течения многослойной среды. При этом определяется количество воды в топливе в нижнем течении коалесцирующего слоя в частях на миллион (млн-1) в расчете на массу. Очевидно, что более низкие уровни содержания воды, определенной титрованием, соответствуют лучшим характеристикам удаления воды. В отношении характеристик слоя в нижнем течении, однако, концентрация воды в нижнем течении была менее важным показателем эксплуатационных качеств. Это обусловлено тем, что слой в нижнем течении функционировал в B40 с применением чрезвычайно эффективного коалесцирующего слоя. Концентрации воды 400-600 млн^-1 являются типичными в смесях B40 при этом коалесцирующем слое. Нетканый слой в нижнем течении не будет существенно увеличивать концентрацию воды, ожидаемую для этого коалесцирующего слоя. Кроме того, результаты титрования по Карлу Фишеру в смесях биодизельного топлива проявляли значительную вариабельность. Обычно слой в нижнем течении рассматривался как оказывающий отрицательное влияние на концентрацию воды в нижнем течении, когда концентрация, определенная титрованием, увеличивалась выше 800 млн^-1. Концентрации воды в нижнем течении измеряли на 10-й минуте и 90 минутах 90-минутных испытаний, представленных в данном документе.

Успешное действие любого коалесцирующего слоя зависит от выпадения коалесцированных капель воды под действием силы тяжести из встречного потока топлива на стороне нижнего течения среды. Множество коалесцирующих фильтрующих элементов создают высокоскоростной поток топлива на стороне нижнего течения коалесцирующего элемента. Коалесцированные капли воды должны быть достаточно большими, чтобы отделяться от высокоскоростного потока; в противном случае они будут переноситься в приемники и повторно вовлекаться в топливо. Это повторное вовлечение обусловливает неспособность среды к коалесценции воды, когда вода обнаруживается при титровании по Карлу Фишеру в образцах топлива в нижнем течении. Как таковые среды, которые предоставляют капли размером 1,0 мм, лучше коалесцирующих сред, которые образуют 0,1 мм капли. Кроме того, среды, которые создают капли размером 3,0 мм, лучше тех сред, что создают капли 1,0 мм. В заключение, среды, которые не создают капель, однако образуют поток воды, стекающий с поверхности среды или из центральной части среды, считаются наилучшими, поскольку отсутствуют капли, которые могут быть вовлечены в высокоскоростной поток топлива. Капли, которые имеют диаметр менее 1,0 мм, называются «росой» в видах применения с топливной струей. Присутствие такой росы на «сухой стороне» коалесцирующего элемента для топливной струи является признаком нарушения нормальной работы элемента.

Коалесцирующая среда так же, как было найдено, образует пену на стороне нижнего течения. Образование пены вредно для отделения воды. Пена состоит из воды, обогащенной топливом, и является менее плотной и более объемной, чем вода. В результате, она противодействует уплотнению и оседанию, необходимым для успешного удаления воды. Пена заполняет пространства в нижнем течении и, в конечном счете, легко переносится в топливные приемники, повторно вовлекая воду в топливо.

Целевой размер капель в 1,0 мм и более был установлен для трехслойных ламинированных сред, протестированных в соответствии с примерами. Этот предел был основан на размерах капель коалесцированной воды 1,0-1,7 мм нормальным образом образуемых коалесцирующими слоями, использованными в примерах, при отсутствии слоя в нижнем течении. Постоянное появление капель размером <1,0 мм и образование пены рассматривались как неудачные характеристики. Отсутствие капель и образование потока воды, стекающего с поверхности среды, рассматривалось как подходящая характеристика, поскольку отсутствовали капли, поступающие в приемники. Размер капель воды измеряли при визуальном осмотре на 10-й минуте и 90 минутах при 90-минутных испытаниях, использованных в примерах.

Результаты испытаний представлены в таблице 5 ниже.

Таблица 5 Описание композитной среды Характеристики композитной среды в плосколистовом сепараторе по SAE J1488 Удельная поверхность по БЭТ слоя в нижнем течении (м2/г) Направление протекания эмульсии Способ ламини-рования4 Размер капель (мм) во время тестирования Концентрация воды (млн-1) во время тестирования Поток воды Наличие слоя для удерживания капель Слой UL1 Функция2 1, 2 Слой CL3 Функция 3 Слой DL5 Функция 1, 4, 5, 6 10 минут 90 минут 10 минут 90 минут UL2 CL2P нет 1 Неприменимо 1,0-1,77 499 530 нет, только капли Непри-менимо неприменимо UL2 CL2P BH 1 0,1-0,88 0,1-0,8 315 381 нет, только капли - 89 UL1 CL1 A 1 0,1-0,8 0,1-0,8 484 655 нет, только капли - 85 UL1 CL2 E 1 0,1-0,8 0,1-0,8 644 1053 нет, только капли - 3

Как показывают данные в таблице 5, те среды слоя в нижнем течении (DL), которые имели большую площадь поверхности по БЭТ, проявляли функциональные характеристики слоя для удерживания капель. А именно, среды слоя в нижнем течении (DL), имеющие площадь поверхности по БЭТ по меньшей мере 90 м²/г или более, были способны удерживать капли воды размером 1 мм или более, коалесцированные коалесцирующим слоем (CL).

Несмотря на то что данное изобретение было описано в отношении того, что в настоящее время рассматривается как наиболее практичный и предпочтительный вариант осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничивается описанным вариантом осуществления, а, напротив, включает различные модификации и эквивалентные устройства, в соответствии с сущностью и объемом изобретения.