CN101432056A - 混合型过滤元件和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于过滤含杂质的气体或液体流的设备，并且涉及用于这种设备中的过滤元件。该设备包括封闭的容器，该容器具有一个纵向延伸的长度以及一个初始时开放的内部，入口接口位于其一端而出口接口位于其相反一端。设在容器内部的分隔件将容器内部划分成第一级和第二级。在分隔件中设有至少一个开口。在容器内设有在第一级中延伸的过滤元件。过滤元件由被保护性深度过滤介质所围绕的炭块过滤介质所制成。

Description

混合型过滤元件和方法
技术领域
本发明涉及过滤元件以及过滤容器，其用于过滤气体和液体流，例如天然气流，天然气工艺液体流，工业化学品流等等。
背景技术
很多分离工艺使用液体溶剂以从气体或液体中物理地或者化学地吸附或吸收各种化学物质。这些溶剂从流(stream)中去除特定的污染物(在这一点处它们被称为“富”的)并且随后通过温度或者其它手段使得物质从溶剂中剥离而再生。此时“贫”的溶剂可以与工艺流产生接触。这使得溶剂被富化然后又剥离需被去除的物质从而形成连续回路。这些溶剂工艺用于通过去除污染物来净化工艺流，或者用于回收和/或浓缩存在于工艺流中的物质。
存在很多工业工艺的例子，其中应用上述步骤的某些变化方式。一种广泛采用的例子是使用胺或者乙二醇从天然气流中去除污染物。由于这些系统在连续回路中运行，需要从这些溶剂流中去除污染物以保护在回路中的设备并保持去除效率。在过去使用固体过滤器以从液态溶剂流中去除固体污染物。然而，碳氢化合物以及其它非固体污染物也少量地存在并最终会累积起来，其将对工艺性能造成有害影响。活性炭在去除这些非固体污染物方面被证明是非常有效的。目前使用的普通类型的炭是粒状活性炭(Granular Activated Carbon，缩写为GAC)。这种GAC以两种方式被置于溶剂流中：或者作为设置在壳体内的过滤筒罐(cartridgecanister)的一部分，或者位于设置在壳体内的固定床中。
这种类型的活性炭工作非常有效，然而却受到某些局限。首先，由于允许通过炭的流率有限，炭过滤器必须非常之大以适应总溶剂流。这将导致实际上在一个过程中仅仅能处理部分溶剂，亦即，使用滑流(slipstream)。滑流的使用减小了所需的炭容器的尺寸，然而与使用完全流(fullflow)过滤器相比，其处理溶剂的有效性较低。现有技术容器的情况的另一个局限涉及这样一种事实，在过滤操作时，GAC会释放炭颗粒进入工艺流中，这需要在炭过滤器的下游设置另外的固体过滤器。
这种当前实践的结果是需要三个串联设置的过滤器以从溶剂流中去除所有需要去除的污染物。溶剂必须为了(滤除)固体而被过滤，而这总是需要伴随着溶剂以完全流的方式通过该过滤器而进行。然后，炭过滤器连同下游的固体过滤器设置在溶剂流中。这可以采用下列任一种方式来进行：采用溶剂通过这些过滤器的完全流，或是如上所述，这些过滤器可以布置成使它们仅仅接受总溶剂流的一部分或者滑流。
在过去的几年中，为了提高性能，引入了一些新的溶剂，这些溶剂甚至比以往的溶剂还要易于受到固体或液体污染物的影响。这使得在溶剂流中的过滤系统的性能变得尤为关键。
因此，在上述类型的过滤元件以及过滤工艺中，存在连续地改进以提高过滤效率的需要。
对于这种改进的过滤元件和容器，还存在的一个需要是：取消在所述类型的过滤工艺中使用多个过滤容器壳体。
对于这种改进的过滤元件，还存在的一个需要是：在绝大多数情况下，该改进的过滤元件都具备过滤完全工艺流(full process stream)的能力。
发明内容
鉴于上述，本发明的一个目的是提供一种系统，该系统能够免除在上述类型的过滤工艺中使用多个过滤容器壳体的需要，采用单一壳体来取代多个壳体。
本发明的另一个目的是不但能实现免除上述类型的多个过滤壳体，还要提高所实现的总体过滤效果，同时还要能在几乎所有情况下都具备过滤完全工艺流的能力。
本发明的优选过滤元件包括过滤元件本体，该过滤元件本体具有一个长度和在其相对的端部之间延伸的中心孔。该中心孔被炭块过滤介质所围绕，该炭块过滤介质又被保护性深度过滤介质所围绕。该保护性深度过滤介质可以包括在相关产业中已知的各种深度过滤介质。
优选地，保护性深度过滤介质由数个无纺织物(non-woven fabric)的片材(sheet)构成，该无纺织物由基体和结合剂材料的混合物构成，该混合物被压缩以形成选定孔隙度的片材，该片材形成由多个片材构成的螺旋缠绕管，每一片材被加热并压缩以结合基体纤维形成多孔过滤元件。
优选的炭块过滤介质以如下方式形成：提供一定数量的结合剂材料第一颗粒。一定数量的活性炭第二颗粒(该活性炭的软化温度基本大于结合剂材料的软化温度)与第一数量的颗粒结合以形成均匀的混合物。将基本均匀的颗粒混合物从挤出机料筒挤出而进入模具中。加热颗粒混合物，达到基本高于结合剂材料的软化温度的温度但是低于所述主要材料的软化温度的温度，所加热的混合物然后被转变成基本均质的复合材料。快速冷却复合材料到结合剂材料的软化温度之下以生产复合材料。然后从模具中挤出该复合材料作为炭块过滤器形状的挤出固体复合材料产品。
在本发明的一种特别优选的方式中，保护性深度过滤介质包括：
无纺织物，该无纺织物包括由基体纤维和结合剂材料构成的基本均质的混合物，该混合物被压缩以形成选定孔隙度的第一无纺织物条带(strip)；
第一无纺织物条带绕其自身螺旋地缠绕成多个重叠层以形成具有选定径向厚度的第一带体(band)；
第二无纺织物，该第二无纺织物包括由基体纤维和结合剂纤维构成的基本均质的混合物，该混合物被压缩以形成选定孔隙度的第二无纺织物条带；
第二无纺织物条带绕其自身螺旋地缠绕成多个重叠层以形成具有选定径向厚度的第二带体；
第一和第二带体被重叠并结合以形成多孔的、自支承的过滤元件。
本发明还包括一种用于过滤液体流(liquid stream)的设备，该液体流例如是包含乙二醇和胺的天然气工艺液体流。该设备包括封闭的容器，该容器具有一个长度以及一个初始时开放的内部。容器内部设有分隔件。分隔件分别具有平面内侧和平面外侧，将容器内部划分成第一级和第二级。在分隔件中设有至少一个开口。设有与第一级流体连通的入口接口。还设有与第二级流体连通的出口接口。在容器内设有至少一个管状过滤元件，该管状过滤元件在第一级中密封地延伸。如上所述，过滤元件由被保护性深度过滤介质所围绕的炭块过滤介质构成。
本发明的上述的以及附加的目的、特征以及优点将通过以下描述而更为显明。
附图说明
图1是可以采用本发明的改进过滤元件类型的液体过滤容器的将局部剖切出去的简化立体图。
图2是采用粒状活性炭作为过滤介质类型的现有技术过滤容器的部分侧视示意图。
图3是本发明的过滤元件的立体图，出于方便表达的考虑而将局部剖切出去。
具体实施方式
应用本发明的改进过滤元件的具体类型的过滤容器可以采用各种构造。例如，通晓油气(oil and gas)制造产业的人士将会熟知下述过滤容器：其包含用于过滤干气流(dry gas stream)以及用于从包含污染物的气流中分离固体颗粒和液体的过滤元件。这些类型的容器通常安装在气体管线中，以发挥它们的过滤功能。颁布于1999年7月6日的美国专利No.5,919,284以及颁布于2001年1月2日的美国专利No.6,168,647，其申请人均为Perry，Jr.并都转让给本发明的受让人，这两项专利揭示了使用分别的过滤元件来分离固体颗粒、过滤液体、以及聚结(coalesce)液体的过滤容器。前述的多级容器，以及在产业中使用的诸多其它类似过滤容器采用实心或者空心芯体(hollow core)管状元件，该管状元件通常至少部分地由多孔过滤介质所构成。例如，可用于上述类型的过滤容器中的多孔过滤元件的类型与在颁布于1998年10月27日的美国专利No.5,827,430中所描述的类型基本相同，其申请人为Perry，Jr.等人，并转让给本发明的受让人。
本发明使用了在上述Perry，Jr.等人的专利中描述的类型的多孔过滤元件技术，并结合了另一个相当新的技术，该技术在此称为挤出的“炭块过滤介质”(carbon block filter media)。对炭块技术的一般介绍可以下列的已颁布美国专利(还有其它文献可用)：申请人为Koslow、颁布于1993年2月23日的美国专利No.5,189,092；申请人为Koslow、颁布于1994年7月19日的美国专利No.5,331,037；以及申请人为Koslow等人、颁布于1999年7月13日的美国专利No.5,922,803。这些专利描述了从供给混合物连续地挤出复合固体产品的方法和装置，所述供给混合物由颗粒粘结剂材料和颗粒主要材料基本均匀地混合制成，该颗粒主要材料一般为活性炭。供给混合物被驱使通过具有基本均匀的截面的挤出模具(extrusion die)。颗粒供给混合物经受热、压力和冷却从而使混合物得以固化(consolidate)，从而它以固体复合产品的形态从模具中产出。可以采用所述工艺和设备而构成适于广泛的过滤应用领域的活性炭颗粒的固体过滤元件。出于避免逐一重复其论述的考虑，本发明将涉及炭块过滤技术的上述已颁布专利的教导以参考的形式结合于此。
还存在其它为本领域技术人员熟知的用于制造炭块过滤介质的途径。例如，通过在适当的模型(mold)中对材料加压并加热，可以用与那些所描述的初始材料类似的材料来制造炭块。
上述类型的技术在1990年代早期得以发展，并且实质上取代了用于炭过滤器的GAC的使用，该使用多见于家庭类型的应用方式中。与GAC相比，炭块过滤介质的优点是多方面的。最为显著的优点中的三个优点是：动力学优势；炭块既能够作为固体过滤器又能够作为吸附装置；以及炭块不会向被过滤的工艺流中散发炭微粒这一事实。
活性炭通过在分子水平上把碳氢化合物和其它污染物吸附到炭表面上而去除它们。如何快速发生这种反应的一种方法在下面的有关工艺“动力学”特征的论述中有所述及。炭块由于接触紧密并且炭颗粒更小，其动力学特征处于比使用GAC作为过滤介质时更大的量级上。作为结果，驻留时间(其中流动体必须与炭保持接触的时间)大大缩短了。这允许增大通过炭的流率，而且处理给定流(given stream)所需的容器尺寸得以显著减小。
虽然炭块过滤器的优点在各个产业领域中都是已知的，它们的功能的某些方面限制了它们在本发明所涉及的类型的工业工艺中的使用。例如，炭块也是一种非常好的过滤器这一事实使得有可能用炭块去除固体以及所吸附的液体。然而，这带来的一个挑战是，炭块可能被过早地被固体所阻挡，而在炭的吸附容量完全使用之前被阻塞。这还可能意味着，与仅仅吸附时所需要的相比，必须更为频繁地停工并且更换出过滤器。炭块的这种固体过滤容量在它的许多当前用途中都不是一个问题，例如饮用水领域，其中固体污染物，如果存在的话，是非常少量的。然而，在工艺流这一方面，固体污染物会是非常大量的。作为结果，上文描述类型的炭块技术，据申请人所知，并未被广泛地应用于工业工艺流过滤技术中。
申请人的发明克服了上述在炭块技术的使用中固有的缺点，从而有利于在工业工艺流过滤应用领域中使用炭块技术。该目标是通过将在先描述的炭块技术与一种保护性的多孔深度过滤介质围绕层(surroundinglayer of protective porous depth filtration media)加以紧密结合来实现的。这种围绕的深度过滤外层例如可以是申请人的专利技术PEACH
Figure A200780015050D0012132213QIETU
，其描述于1998年10月27日颁布的已颁布美国专利No.5,827,430、以及1999年4月13日颁布的美国专利No.5,893,956中。
在一些应用中，多孔深度过滤介质可以包括，例如，熔喷(meltblown)的或者纺粘的(spunbond)过滤介质，玻璃纤维的玻璃过滤介质，等等。这些深度过滤介质将会包括结合在一起的纤维以构成过滤系统，用以去除那些可能过早地阻塞过滤器的固体污染物。纺粘或者熔喷是通过加热例如聚丙烯的聚合物来形成纤维基体(fiber matrix)，然后将它通过小孔挤出以产生非常细的纤维的基体，然后这些纤维被铺设到一起以产生具有特定性能特征的过滤筒(filter cartridge)或者过滤介质。玻璃纤维管使用细玻璃纤维，这些细玻璃纤维被铺设成厚的垫，厚垫然后围绕自身缠绕并且用某些类型的树脂结合剂(binder)进行结合。
本发明构思的另一种实施方式将包括使用过滤介质的“褶皱包封”(pleat pack)，该包封将被设置于炭块上。褶皱包封在本工业领域中是已知的，并且为相关领域技术的人员所熟悉。虽然褶皱介质能够去除固体污染物，然而对于去除任何液体污染物而言，它的效果较差。
参看图1，其中示出本发明的过滤容器，该容器用标记13概括性地指代，为用于过滤工业工艺中的流体流的那种类型。表述“流体”在本文中的意思是“液体”和/或“气体”。在图1中具体示出的过滤容器13是液体过滤器。所示出的一般类型的过滤容器可以应用于例如油气分离工艺以及类似的工业环境。虽然图1示出了液体过滤容器的一个实施方式，本领域技术人员应当理解的是，被本发明所涵盖的过滤元件可以被应用于在工业中使用的各种这样的容器。例如，本发明的过滤元件可以被应用于从气流中同时地过滤固体、分离液体、预聚结液体、以及聚结液体的那些容器。过滤元件还可以被应用在用于聚结和分离两种液体并用于从液体中过滤固体的容器。另外，虽然图1中所示的容器示出了安装在容器内的容器分隔件上的四个基本可见的过滤元件，应当理解的是，某些容器设计将采用变化数量的元件，亦即，根据过滤容器的终端用途的不同，元件的数量可多可少。
仍然参看图1，应当理解的是，虽然所示的容器13呈现大致竖直的构造，大致同样类型的其它容器也可以采用大致水平的实施方式来构造。容器13具有大致管状的壳体15，该壳体构成封闭的容器，该封闭的容器具有一个长度以及一个初始时开放的内部17。容器具有入口14和出口16。壳体15在其上端通过封闭部件来封闭，该封闭部件在目前情况下是流体密封的法兰。壳体15在底端23被焊接的底部永久地封闭。带法兰的密封件19相对于入口14提供紧密的流体密封，并提供到达过滤元件的途径。在图1的实施方式中，四个过滤元件25通过容器分隔件27而被支承在容器的开放内部17中。容器13优选采用满足公开的压力容器标准的钢材料制造，该标准例如ASME Boiler and Pressure Vessel Code，Section VIII，Division 1(“ASME锅炉和压力容器标准”，第八部分，第一分册)。
将容器的内部划分为第一过滤腔室和第二过滤腔室的分隔件27分别具有相反的平面内侧和平面外侧29、31。对于需要被安装在分隔件上的每个过滤元件，在分隔件27中设有一开口。如在相关领域中的技术人员将能知晓的那样，在每一个分隔件开口之上典型地如通过焊接安装有竖直地延伸的立管(riser)来接纳过滤元件的一端，以支承在分隔件上的过滤元件。管状的过滤元件25设置在容器中以在第一腔室中密封地延伸，并且通过相关的立管以及与其相关的在分隔件27中的开口连通到容器的第二腔室内。液体流经过入口接口14，经过第一腔室，经过立管内部，进入过滤元件25的中空内部并从其侧壁流出，并且经过第二腔室到达出口16。液体流的方向在图1中用箭头表示。
每一过滤元件25(图3)具有管状本体，该本体具有大致圆柱形的侧壁35。过滤元件具有内部孔37，第一端部开口39，以及相对布置的第二端部开口41。端部开口39、41分别被端盖43、45所围绕，端盖可以由例如金属或者硬塑料来制造。在所示出的装置的实施方式中，端盖45终止于出口部件47，该出口部件具有外部O形圈密封区域49。
过滤元件的内部孔37被炭块过滤介质51所围绕，该炭块过滤介质围绕中心孔37形成大致圆柱形的层。炭块过滤介质51包括在先前作为参考的已颁布美国专利中描述的材料，尤其是：申请人为Koslow、颁布于1993年2月23日的美国专利No.5,189,092；申请人为Koslow、颁布于1994年7月19日的美国专利No.5,331,037；以及申请人为Koslow等人、颁布于1999年7月13日的美国专利No.5,922,803。美国专利No.5,189,092的“示例1”描述了如下的例示性工艺：
一种可用作高性能水过滤元件的挤出活性炭过滤器，其去除沉淀物、氯、味道、异味、挥发性有机化合物、例如铅的重金属、硫化氢以及可溶解的金属成分，并且具有大约0.84gm/cm3的密度，其可以通过包括下述内容的工艺来挤出：
a)以重量计大约50％至大约60％的活性炭颗粒；
b)以重量计大约27.5％至大约37.5％的、微粉化的、至少大约-100筛网尺寸(mesh size，或称为“目数尺寸”)的二氧化锰颗粒，以及
c)以重量计大约12.5％至22.5％的结合剂颗粒，具有的直径在大约0.1至大约250微米之间。
并且该挤出活性碳过滤器优选用包括如下组分的组合物挤出：
a)以重量计大约55％的、筛网尺寸为大约50乘以200的活性炭颗粒；
b)以重量计大约30％的微粉化的二氧化锰颗粒，以及
c)以重量计大约15％的聚乙烯结合剂颗粒。
由以重量计55％的Barnaby Sutcliffe椰子壳活性炭50-200目数颗粒、以重量计30％微粉化的Mn2-400目数颗粒以及以重量计15％的510级聚乙烯结合剂颗粒(量子化学公司(Quantum Chemical Corporation)的USI分部)组成的供给混合物以600磅一批在犁式混合器(S.Howers，Silver Creek，N.Y.)中混合大约五小时，直至获得基本均匀稳定的聚合混合物。然后将混合物供给进入挤出机。2.5″OD(外径)、1.25″根部的螺旋式挤出机螺杆以3rpm(每分钟转数)旋转。挤出机料筒保持在大约20℃的环境室温之下，第一模具加热区域保持在340℉(173℃)，第二模具加热区域保持在380℉(194℃)，而冷却区域保持在95℉(44℃)。模具为4140不锈钢模具，外径2.5″，总长度18″，加热和冷却区域中每一区域的长度均为6″。挤出机螺杆配备有直径为1.25″、光滑的、4140不锈钢的中心杆，该中心杆旋入螺杆的尖端，中心杆延伸进入模具的中心，从而挤出2.5″外径、1.25″内径的圆筒形过滤元件。使用环状背压装置来提供足够的背压以使得供给混合物固化形成产品，产品以每分钟大约2″的速率生产并且具有大约0.84gm/cm3的密度。
在已颁布美国专利No.5,189,092中所述工艺中的上述说明，仅仅用于表示在炭块过滤介质的技术领域中的一般技术情况。
围绕炭块过滤介质51的是保护层53(图3)，该保护层由多孔深度过滤介质构成。多孔深度过滤介质的结构可以根据过滤容器的具体终端用途而进行变化。深度过滤介质53可以预期由任何在本领域中常规使用的材料构成，包括在先描述的熔喷或者纺粘过滤介质，玻璃纤维的玻璃过滤介质，等等。然而，优选的深度过滤介质层是由申请人为Perry，Jr.等人、于1998年10月27日颁布的已颁布美国专利No.5,827,430中所揭示的方式以及材料而构造成的。这种过滤元件以商标由德克萨斯州Mineral Wells的Perry Equipment公司在市场上售出。出于避免逐一重复其论述的考虑，上述已颁布美国专利的教导以参考的形式结合于此。
用于本发明的过滤元件的深度过滤介质的典型制造工艺的一个示例在已颁布美国专利No.5,827,430的第13栏第66行以及之后的内容中给出，如下所述：
四种不同的纤维从N.C.的Hoechst Celanese of Charlotte购得，这些纤维以纤维标号“252”、“121”、“224”和“271”出售。“252”纤维是“芯和壳”类型的，而“121”、“224”和“271”纤维是纯单一组分类型的。“252”纤维的丹尼尔(denier)数是3并且其长度为1.500英寸。“121”纤维的丹尼尔数是1并且其长度为1.500英寸。“224”纤维的丹尼尔数是6并且其长度为2.000英寸。“271”纤维的丹尼尔数是15并且其长度为3.000英寸。第一纤维混合物由“121”纤维和“252”纤维制造，每一类型纤维以重量计各占50％。第二纤维混合物由“224”纤维和“252”纤维制造，每一类型纤维以重量计各占50％。第三纤维混合物由以重量计占25％的“121”纤维和以重量计占25％的“224”纤维以及以重量计占50％的“252”纤维制造。第四纤维混合物由“271”纤维和“252”纤维制造，每一类型纤维以重量计各占50％。“252”纤维为“芯和壳”类型的纤维，在所述每一种混合物中作为结合纤维。每一种纤维的混合物都形成为织网状物(web)，该织网状物的厚度为大约1/2英寸。由于以每分钟大约40,000立方英尺在400华氏度的温度下进行饱和蒸汽空气循环，在空气牵伸炉(air draft oven)中大约九十秒钟的驻留时间内，每一织网状物的厚度减小大约50％以形成垫(mat)。横跨空气牵伸炉中的垫存在6英寸水(柱)(6 inches water)的压力差。在离开空气牵伸炉之后，每一垫被供给到两个不锈钢圆柱形辊子之间，这些辊子将每一垫的厚度压缩掉大约50％，以形成宽度为大约37英寸的无纺织物(nonwoven fabric)的片材(sheet)。每一37英寸宽的无纺织物片材被切割成6英寸宽的条带13、15、17、19。每一无纺织物片材的基本重量被确定并且在每平方英尺0.5至1.2盎司的范围中。无纺织物条带13、15、17、19然后被装载到辊子支承75的辊子支承轴79上，在缠绕机器71的每一级有一个辊子。然后这些条带被形成为由多个片材构成的螺旋缠绕的管子，每一片材被加热并压缩以将基体纤维结合成多孔过滤元件。
上述具体类型的材料、结构丹尼尔数、缠绕层的数量等等的示例仅仅用于举例说明可用于本发明的实践中的一种类型的多孔深度过滤元件。丹尼尔数、缠绕数量等等将根据所要采用的过滤用途的性质而被容易地确定。
现在描述本发明的操作。首先参看图2，图中示出一种现有技术的粒状活性炭过滤容器55，其主要设计用于净化乙二醇和胺流。图2中的具体容器55具有入口57，入口分配器59以及出口61。过滤物质支承床63位于底部排出口62的上方，其支承一定数量的粒状活性炭(GAC)65。图2中示出的具体容器55还具有清空接口64。这种类型的容器通常被安装在完全流类型的固体过滤器的下游，以吸附从乙二醇和胺系统中分解的碳氢化合物、脂肪酸完全抑制剂(fatty acid well inhibitor)以及某些降解化合物。适当的过滤系统降低起沫、结垢以及腐蚀问题，并保持一贯的溶解效率。如同业已简要解释的那样，设计良好的乙二醇脱水或者胺处理系统在进入气流上结合有效的过滤器/分离器以阻止自由液体和固体颗粒进入接触塔。在乙二醇再生工艺中，吸附剂过滤单元一般位于完全流过滤器的下游并且去除那些并非设计成由完全流过滤器去除的杂质。
申请人的发明用图1和图3中所示出的过滤元件来代替容器55的GAC材料。如先前所述，本发明的过滤元件采用被多孔深度过滤介质所围绕的炭块过滤介质51，所述多孔深度过滤介质例如是过滤介质。通过使用多孔深度过滤介质的围绕层，固体颗粒污染物在流体与炭块接触之前就被去除。可以制造一种过滤管并将其设置在炭块之上并且与炭块的炭块外径紧密接触。深度过滤介质的外部保护层消除了固体颗粒过早地阻塞内部炭块的趋势。如此结合的滤筒可以被设计为使得固体颗粒去除容量和液体污染物吸附容量可以相互匹配。作为一个例子，在一个试验中，炭块的污物保持容量提高了四倍。
在本发明的混合型过滤系统中起作用的去除机制实际上有两种。在第一种机制中，固体颗粒去除是基于动力学作用、筛滤作用、冲击，等等，该功能由深度过滤介质、亦即
Figure A200780015050D00181
管来执行。第二种去除机制是通过炭块过滤介质来去除非固体颗粒的物质。第二种机制是基于在炭块基体的高表面积颗粒与流体污染物之间的化学结合(吸附)，其中的污染物例如是碳氢化合物或者分解的化学物质，例如氯等等。在本发明的混合型过滤元件中发生的“匹配”可以被理解为是由于元件的两部分的调配(sizing，或者说“尺寸设置”)从而使得两个工艺在同样速率下进展。在与过滤元件的炭块部分的吸附能力被耗尽时几乎相同的时间，过滤元件的
Figure A200780015050D00182
部分将被固体颗粒阻塞并从而到达其可用的寿命期限。
Figure A200780015050D00183
深度过滤层保护炭块免于因为被固体颗粒阻塞而失效，因而极大地延长了炭块的使用寿命。
炭块过滤介质非常有效地去除固体颗粒。这是深度设计以及炭被集合成块的方式的结果。这意味着，如果流(stream)中存在有固体颗粒，在炭的吸附容量用尽之前炭块可能被固体颗粒阻塞。在这种情形下，混合型过滤器将不是“匹配”的。这种固体颗粒引发的阻塞将导致高的压力差并且导致需要更换炭块，虽然该炭块仍然具有吸附更多污染物的容量。这就是
Figure A200780015050D00184
过滤层对炭块作用的完善之处。混合型设计的深度过滤介质具有高的污物保持容量，并且挡住固体颗粒，从而在固体颗粒去除方面的炭块寿命得以延长，而且还提供了去除更多所吸附的污染物的机会。
从实际应用追踪中，申请人还得知，基体实际上会约束(tieup)工艺流中的碳氢化合物污染物。由于该作用发生于宏观水平(macrolevel)，这将极大地增强总体系统的吸附容量。
所得出的是一种去除系统，其设计成以相互促进的方式使用
Figure A200780015050D00191
技术和炭块技术。过滤管层去除大量的固体颗粒以及一些液体污染物，随后炭块吸附剩余的液体污染物并且提供最终的完全固体颗粒过滤。在本发明的混合型系统中存在的另外的固有优点在于，炭块介质不存在向工艺流中散发微粒的倾向。因此，在本发明的过滤系统的下游不需要设置附加的固体颗粒过滤器。
作为一个例子，假设炭块设计用于在包含2ppm碳氢化合物、氯或者其它污染物的工艺中去除痕量污染物。10英寸长的元件可以被估测为在其吸附容量用尽之前能处理一定容积的液体。对于炭块构造的合理数量可以是例如每60英寸长度的炭块78,000加仑。其在5至10微米范围内还有过滤效能。这样，它将去除大于5至10微米的固体污染物。假设流中大于10微米大小的固体污染物为6ppm，在先前描述的78,000加仑的水中将会有大约4磅的固体颗粒。在炭块中的孔阻塞并且在炭块中的压力差过高从而需要更换出来该炭块之前，炭块本身仅仅能够处理这些固体颗粒中的一磅或者更少。在这种情况下，炭块在处理不足20,000加仑流体时就需要被更换，而这才是其容量的四分之一。以这种方式使用炭块将会导致其费用达到单独吸附时所需费用的四倍。通过将炭块与深度过滤元件相结合，系统的固体颗粒吸附容量能够提升至四倍，这使得滤筒的更换频率变为原先频率四分之一，并且炭块的吸附容量被完全利用。
而且，如同已简要提及的那样，需要被吸附的液体污染物的大的结块在其与炭块接触之前能够被约束在
Figure A200780015050D00192
中或者深度基体中。这减轻了炭的负担，使得它不必吸附该污染物，并且延长了炭块的寿命。
通过适当地掌握流体中污染物的种类，围绕炭块的管或深度管可以被设计为使得固体颗粒去除容量与系统的吸附容量相匹配。该“匹配”为流体的总体污染物问题创造出一种优异的并且尤其是节省费用的解决方案。该工艺也可以采用仅仅一个过滤容器来实施。
下述实验记录取自于真实的历史事例并且仅仅用于例示本发明的原理：
完成于2006年4月24日的测试的实验报告
项目编号：#CE060411-105-3
样本：
来自EOG Resources，Big Piney，WY的使用过的过滤元件“CB500-7-20L”。
要求的测试：
粒径分布、微观、污染物识别、数字成像。
结果：
对过滤元件作肉眼检验，发现它处于良好的状态中。两个端部密封都是完好的，所有的构件都是完整的，这是指底部O形圈和顶部手柄压块。一个小的代表性样本被从元件中取出以便检验。设计用于保护内部炭块的外部
Figure A200780015050D00201
套筒在其外侧是相对清洁的，而看起来是碳氢化合物的厚重荷载被捕获于中间层中。套筒的外层包含测得尺寸为从5至大约220微米的固体颗粒。还观察到一些测得尺寸高至600微米的结块。套筒的外层并不包含大量固体颗粒。
套筒的中间层包含测得尺寸为从2至60微米的固体颗粒。这些固体颗粒看起来大多是铁生成物，存在一些沙粒。看起来是碳氢化合物的厚重层存在于这些中间层中。大约80％的中间层包含捕获的碳氢化合物，而大约50％这些中间层包含固体颗粒。
用棉花擦拭炭块的上游和下游表面以取出固体颗粒用于测量尺寸。上游表面包含测得尺寸为从2至50微米的固体颗粒，而下游(芯)表面包含的固体颗粒中的绝大多数测得的尺寸小于5微米，并且微量固体颗粒(trace solids)的测得尺寸至多10微米。
本发明具有多种优点。本发明的过滤元件使得吸附与固体污染物去除相匹配，并且通过将碳氢化合物或其它污染物捕获在深度过滤基体中而显示出扩展系统的吸附容量的能力。本发明的过滤元件和过滤工艺提供了一种系统，该系统能够用单一壳体取代多个壳体从而免除多个过滤壳体的需要。免除多个壳体得以实现，并且还能够提高所实现的总体过滤效率，还能够在绝大多数情况下提供过滤完全工艺流的能力。所实现的完全流过滤改善了仅仅采用滑流的当前设计的性能。当流仍然很大从而来自滑流的流不能被免除时，通过滑流炭过滤器的总溶剂流的百分比可以极大地提高。
系统的总体过滤容量与现有实践中存在的容量相比有极大的提高。这个优点可以从两个视角来看：设计和安装新系统的视角以及操作溶剂系统的视角。从设计和安装的视角来看费用和收益，存在极大的收益。仅仅需要一个容器就可以取代使用三个单独的容器以及与它们相连的独立的阀门和仪器仪表。本发明的单个过滤单元的尺寸小于当前在工业中使用的GAC炭容器的尺寸。作为结果，工业工艺的该部分的安装费用可以减少接近66％。
从操作的观点来看，也有巨大的收益。仅仅需要从一个容器中更换出滤筒和炭。更换本发明的滤筒远远比通常用于更换GAC炭(其设置于固定床中并且常常需要被挖掘出来)的方法简单。由于所提供的过滤得以改进，溶剂的总体性能得到提高。为三个过滤器装备三种不同类型的介质的需要被精简为仅需装备一种类型的替换滤筒。
虽然本发明仅仅示出了它的种种形式中的一种，但本发明并非局限于此，可以作出各种改变和修正而不脱离其精神。

Claims (16)

1.一种用于过滤流体工艺流的设备，该设备包括：
封闭的容器，该容器具有一个长度以及初始时开放的内部；
设置在容器内部的分隔件，该分隔件分别具有平面内侧和平面外侧，将容器内部划分成第一级和第二级；
在分隔件中的至少一个开口；
与第一级流体连通的入口接口；
与第二级流体连通的出口接口；
至少一个管状过滤元件，该管状过滤元件安装在分隔件开口周围并且设置在容器内以从第一级里面密封地延伸；
其中管状过滤元件具有一个长度和一个在其相对的端部之间延伸的中心孔，该中心孔被炭块过滤介质所围绕，该炭块过滤介质又被保护性深度过滤介质所围绕。
2.如权利要求1所述的设备，其中保护性深度过滤介质由数个无纺织物的片材构成，所述无纺织物由基体和结合剂材料的混合物构成，该混合物被压缩以形成选定孔隙度的片材，该片材形成由多个片材构成的螺旋缠绕管，每一片材被加热并压缩以将基体纤维结合成多孔过滤元件。
3.如权利要求1所述的设备，其中深度过滤介质选自由如下选项组成的组：熔喷过滤介质、纺粘过滤介质以及玻璃纤维玻璃过滤介质。
4.如权利要求1所述的设备，其中炭块过滤介质被褶皱过滤包封所围绕。
5.如权利要求1所述的设备，其中炭块过滤介质是挤出的固体复合材料产品，该产品通过如下工艺而形成：
提供一定数量的结合剂材料第一颗粒；
提供一定数量的活性炭第二颗粒，该活性炭的软化温度基本大于结合剂材料的软化温度；
将第一和第二数量的颗粒结合成基本均匀的混合物；
将基本均匀的混合物从挤出机料筒挤出而进入具有基本均匀横截面的模具中；
在模具中加热基本均匀的混合物，达到基本高于结合剂材料的软化温度的温度但是达到低于所述主要材料的软化温度的温度；
从模具的外部向模具内部的所加热的混合物施加充分的背压，以将所加热的混合物转变成基本均质的复合材料；
快速冷却该复合材料到结合剂材料的软化温度之下以生产复合材料；以及
从模具中挤出复合材料作为挤出固体复合材料产品。
6.一种用于过滤流体工艺流的过滤元件，该元件包括：
过滤元件本体，该过滤元件本体具有一个长度和在其相对的端部之间延伸的中心孔，该中心孔被炭块过滤介质所围绕，该炭块过滤介质又被保护性深度过滤介质所围绕；
其中保护性深度过滤介质由数个无纺织物的片材构成，该无纺织物由基体和结合剂材料的混合物构成，该混合物被压缩以形成选定孔隙度的片材，该片材形成由数个片材构成的螺旋缠绕管，每一片材被加热并压缩以将基体纤维结合成多孔过滤元件。
7.如权利要求6所述的过滤元件，其中炭块过滤介质通过如下工艺而形成：
提供一定数量的结合剂材料第一颗粒；
提供一定数量的活性炭第二颗粒，该活性炭的软化温度基本大于结合剂材料的软化温度；
将第一和第二数量的颗粒结合成基本均匀的混合物；
将基本均匀的混合物从挤出机料筒挤出而进入具有基本均匀横截面的模具中；
在模具中加热基本均匀的混合物，达到基本高于结合剂材料的软化温度的温度但是达到低于所述主要材料的软化温度的温度；
从模具外面向模具内部的所加热的混合物施加充分的背压，以将所加热的混合物转变成基本均质的复合材料；
快速冷却复合材料到结合剂材料的软化温度之下以生产复合材料；以及
从模具中挤出复合材料作为挤出固体复合材料产品。
8.如权利要求6所述的过滤元件，其中炭块过滤介质通过如下工艺而形成：
提供一定数量的结合剂材料第一颗粒；
提供一定数量的活性炭第二颗粒，该活性炭的软化温度基本大于结合剂材料的软化温度；
将第一和第二数量的颗粒结合成基本均匀的混合物；
在基本高于结合剂材料的软化温度的温度但是达到低于所述主要材料的软化温度的温度下，在模型中加热基本均匀的混合物并将它们压到一起，以在模型中将所加热的混合物转变成基本均质的复合材料；
冷却复合材料到结合剂材料的软化点之下以生产复合材料；以及
从模型中取出复合材料作为固体复合材料产品。
9.如权利要求6所述的过滤元件，其中保护性深度过滤介质包括：
无纺织物，该无纺织物包括由基体纤维和结合剂材料构成的基本均质的混合物，该混合物被压缩以形成选定孔隙度的第一无纺织物条带；
第一无纺织物条带绕其自身螺旋地缠绕成多个重叠层以形成具有选定径向厚度的第一带体；
第二无纺织物，该第二无纺织物包括由基体纤维和结合剂纤维构成的基本均质的混合物，该混合物被压缩以形成选定孔隙度的第二无纺织物条带；
第二无纺织物条带绕其自身螺旋地缠绕成多个重叠层以形成具有选定径向厚度的第二带体；
第一和第二带体被重叠并结合以形成多孔的、自支承的过滤元件。
10.如权利要求6所述的过滤元件，其中保护性深度过滤元件由下列部分构成：
无纺织物，该无纺织物包括由基体纤维和结合剂材料构成的基本均质的混合物，该混合物被热融合并压缩以形成选定孔隙度的第一无纺织物条带；
结合剂材料的至少表面具有的融化温度低于基体纤维的融化温度，基体纤维和结合剂材料在至少融化结合剂材料的所述表面的温度下被热融合以便当织物被冷却时结合基体纤维形成第一无纺织物条带；
第一无纺织物条带绕其自身螺旋地缠绕成多个重叠层以形成具有一选定径向厚度和一轴向长度的第一带体；
至少一个第二无纺织物，该第二无纺织物包括由基体纤维和结合剂纤维构成的基本均质的混合物，该混合物被热融合并压缩以形成选定孔隙度的第二无纺织物条带；
第二无纺织物的结合剂材料的至少表面具有的融化温度低于基体纤维的融化温度，基体纤维和结合剂材料在融化至少结合剂材料的所述表面的温度下被热融合以便当织物被冷却时结合基体纤维形成第二无纺织物条带；
第二织物条带绕其自身螺旋地缠绕成多个重叠层以形成具有选定径向厚度的第二带体；
第二织物条带沿着第一织物条带的轴向长度的至少一部分被重叠，并且在融化各无纺织物条带中的结合剂材料的至少表面的温度下再次被融合，以将第一和第二带体的基体纤维结合成多孔、自支承的过滤元件。
11.如权利要求6所述的过滤元件，其中第一和第二无纺织物条带具有不同的孔隙度。
12.如权利要求6所述的过滤元件，其中过滤元件由三个或更多的重叠带体构成，所述重叠带体由多个重叠的无纺织物条带形成。
13.如权利要求11所述的过滤元件，其中每一带体包括赋予该带体选定径向厚度的至少三个重叠层。
14.一种制造混合型过滤元件的方法，该方法包括下列步骤：
形成过滤元件本体，该过滤元件本体具有一个长度和在其相对的端部之间延伸的中心孔，该中心孔被炭块过滤介质所围绕，该炭块过滤介质又被保护性深度过滤介质所围绕；并且
其中炭块过滤介质具有已知的吸附容量，并且其中深度过滤介质的尺寸设定为将过滤元件的固体颗粒去除容量与炭块过滤介质的吸附容量相匹配。
15.如权利要求14所述的方法，其中保护性深度过滤介质由数个无纺织物的片材构成，该无纺织物由基体和结合剂材料的混合物构成，该混合物被压缩以形成选定孔隙度的片材，该片材形成由多个片材构成的螺旋缠绕管，每一片材被加热并压缩以将基体纤维结合成多孔过滤元件。
16.如权利要求14所述的方法，其中通过在固体污染物接触炭块过滤介质之前将该固体污染物捕获在保护性深度过滤介质中，而提高过滤元件的吸附容量。
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