CN113474072A - 流动优化过滤器 - Google Patents

Abstract

一种气体过滤系统，包括允许气体进入系统的入口、气体通过其离开系统的出口以及包括过滤介质的过滤器，该过滤介质限定中空内部区域，随着气体从入口流向出口，气体进入中空内部区域中。系统还包括设置在入口与中空内部区域之间的流动矫直器，使得在气体进入中空内部区域之前气体的流动路径穿过流动矫直器。流动矫直器可以在过滤器中或其上游。

Description

流动优化过滤器

相关应用的交叉引用

本申请要求在2019年8月30日提交的美国临时申请序列号No. 62/894088和2019年11月21日提交的英国申请No. 1917002.6的较早申请日的权益，其全部公开内容以引用的方式并入到本文中。

技术领域

示例性实施例涉及过滤器领域，并且尤其涉及使用气体如燃料气体的过滤器。在气体的移动和处理中，通常需要过滤或以其他方式清除气体中的污染物。污染物可以是液体或固体，两者都需要被移除。

背景技术

过滤器的用途很多。在一个示例中，为了移动天然气或其他流体，离心压缩机使用包含在壳体中的旋转盘或叶轮来增加过程气体的压力。盘/叶轮的旋转由外部马达驱动的旋转轴提供。轴可以与承载盘/叶轮的压缩机的转子配合。干气密封在转子进入壳体处或附近包围转子，以形成密封，该密封防止过程气体在该位置逸出。为了正确操作，这种密封需要被提供清洁、无污染的气体，并使用过滤器来帮助确保气体品质。

在干气密封的情况下以及其他情况下，为了减少或消除流体/污染物，可以提供分离过滤器，将液体从气体中分出来。

这种过滤器通常包括带有入口的外壳体，气体通过该入口被接收并被引导通过过滤介质。

发明内容

公开了一种气体过滤系统、过滤器和过滤气体的方法。公开的实施例可以用于气体要被过滤的任何情况。一个示例是过滤用于干气密封的气体。其他示例包括在任何碳氢化合物运输或精炼过程中过滤气体。

在一个实施例中，公开了一种气体过滤系统。该系统包括允许气体进入系统的入口、气体通过其离开系统的出口以及过滤器，该过滤器包括限定中空内部区域的过滤介质，随着气体从入口流向出口，气体进入中空内部区域中。系统还包括设置在入口与中空内部区域之间的流动矫直器，使得在气体进入中空内部区域之前气体的流动路径穿过流动矫直器。

在任何现有实施例的系统中，系统还可以包括设置在入口与过滤器之间的适配器，该适配器包括与过滤器配合的配合元件。

在任何现有实施例的系统中，流动矫直器位于适配器中。

在任何现有实施例的系统中，流动矫直器位于过滤器中。

在任何现有实施例的系统中，流动矫直器包括外周边和被外周边包围的流动矫直区域。在一个实施例中，流动矫直区域可以包括穿过其形成的多个流动矫直通道。

在任何现有实施例的系统中，多个流动矫直通道是蜂窝状的。

在任何现有实施例的系统中，流动矫直区域具有直径d和厚度t，并且t = 0.12d。

在任何现有实施例的系统中，外周边具有高度，并且流动矫直区域具有与该高度相同的厚度。

在任何现有实施例的系统中，外周边具有高度，并且流动矫直区域具有小于该高度的厚度。

在任何现有实施例的系统中，中空内部区域具有长度(L)，并且中空内部区域具有直径(D)，并且L与D的比(L/D)小于5。

在任何现有实施例的系统中，L与D的比(L/D)在4.2与4.6之间。

在一个实施例中，公开了一种用于气体过滤系统中的气体过滤器。过滤器包括过滤介质和流动矫直器，该过滤介质限定中空内部区域，随着气体从系统的入口流向出口，气体进入该中空内部区域中，该流动矫直器设置成使得在气体进入中空内部区域之前气体的流动路径穿过流动矫直器。

在任何现有实施例的过滤器中，流动矫直器包括：外周边和被外周边包围的流动矫直区域，流动矫直区域包括穿过其形成的多个流动矫直通道。

在任何现有实施例的过滤器中，多个流动矫直通道是蜂窝状的。

在任何现有实施例的过滤器中，流动矫直区域具有限定在流动矫直区域的两个相对侧部之间的厚度t。在一个实施例中，两个侧部限定平行平面。

在任何现有实施例的过滤器中，流动矫直区域具有直径d和厚度t，并且t =0.12d。

在任何现有实施例的过滤器中，外周边具有高度，并且流动矫直区域具有与该高度相同的厚度t。

在任何现有实施例的过滤器中，外周边具有高度，并且流动矫直区域具有小于该高度的厚度。

在任何现有实施例的过滤器中，其中中空内部区域具有长度(L)，并且中空内部区域具有直径(D)，并且L与D的比(L/D)小于5。

在任何现有实施例的过滤器中，其中L与D的比(L/D)在4.2与4.6之间。

还公开了一种过滤气体的方法。该方法包括：向气体过滤系统的入口提供气体，以允许气体进入该系统；将气体引导至过滤器，该过滤器包括限定中空内部区域的过滤介质；在流动进入过滤器的中空内部区域之前，使气体穿过设置在入口与中空内部区域之间的流动矫直器；以及将已经穿过过滤器的气体提供给气体密封装置。

在上述实施例中的任何实施例中，过滤器/适配器包括流动矫直器。任何现有实施例的矫直器可以具有在矫直器的流动矫直区域的两个相对侧部之间限定的厚度t。两个侧部可以基本上是平坦的，并限定平行的平面。这两个平行的侧部被分隔(例如，厚度t)以赋予期望的“矫直”量。在一个实施例中，t是(0.12)d。当然，其他比也可能存在。例如，t可以小于0.2d。在另一个实施例中，0.05d < t < 0.2d。

附图说明

以下描述不应被视为以任何方式进行限制。参考附图，相同的元件被标为相同的附图标记：

图1示出了可以包括一个或多个实施例的气体过滤系统的示例；

图2是根据一个实施例的适配器的透视图；

图3A示出了如果不实施本发明的实施例可能产生的示例涡流；

图3B示出了如果实施本发明的实施例可能产生的示例涡流；

图4A是根据一个实施例的流动矫直器的顶视图；

图4B是根据一个实施例的流动矫直器的剖视透视图；

图4C示出了可以在根据一个实施例的流动矫直器中实施的流动通道的示例；

图4D是根据一个实施例的流动矫直器的透视图；

图4E是图4D的流动矫直器的一部分的放大视图；

图5是根据一个实施例的过滤器的示例的截面图；和

图6A和6B示出了可以在一些实施例的过滤器中实施的梯形孔；

图7示出了可以应用于本文公开的任何类型的孔的圆孔之间的间距变化；和

图8和9分别示出了圆形和梯形孔的不同布置的过滤器。

具体实施方式

本文参考附图，通过示例而非限制的方式给出了所公开的设备和方法的一个或多个实施例的详细描述。

许多现有的过滤器组件包括一个或多个过滤器壳体，并且通常对于它们的预期目的工作良好。每个壳体包围从气体中移除液体的过滤元件。这些过滤元件可以包括由过滤介质包围的中空内部区域，过滤介质移除液体。然而，由于在气体流动路径进入过滤元件并且穿过过滤介质之前，气体流动路径中需要一个或多个转弯(例如，一个或多个90°转弯)。转弯(例如，流动转向)可能导致涡流的产生，并且可能在气体中产生局部湍流区域。这种涡流和局部湍流区域可能导致气体在过滤元件中和过滤介质上的不均匀分布。不均匀的流动会导致过滤元件上的压力损失，并且还会影响聚结效率，并增加过滤器下游液滴再次夹带的风险。

本文公开的实施例可以克服上述问题中的一个或多个问题。在一个实施例中，提供了过滤元件和进入过滤器(特别是进入过滤元件的中空内部区域)的路径的流动优化设计，这可以改进过滤元件中的流动分布。这不仅会降低过滤元件上的总压力损失，还会提高聚结效率，并降低液滴再次夹带到下游气流中的风险。

矫直器是一种可以改进流动的工具。在一个实施例中，流动矫直器是过滤元件入口的一部分并位于过滤元件入口处。如下文进一步讨论的，在另一个实施例中，过滤元件也可以位于与过滤元件配合的适配器中。

通过提供具有的长度/直径比低于工业中通常使用的长度/直径比的过滤介质，可以获得进一步的或替代的改进。特别地，该比可以在4.2与4.6之间，并且特别是约4.4或4.5。

无论比如何，通常，通过包括本文公开的流动矫直器，流动将被分布成使得其在过滤器的过滤介质的表面区域上具有更均匀的面速度分布。

为了进一步说明实施例，气体过滤系统(或过滤器组件)100在图1中示出。过滤器组件100包括两个过滤器壳体102、104。本文的实施例可以包括过滤器组件，该过滤器组件包括单个过滤器壳体或两个以上的过滤器壳体。当提供两个过滤器壳体时，过滤器组件100可以被称为双重过滤器组件。不管配置如何，过滤器组件包括入口106和出口108。在正常操作中，气体在入口106处进入过滤器组件100，并在出口108处离开过滤器组件100。随着气体从入口106传递到出口108，其将穿过过滤器壳体102、104中的至少一个。典型地，在操作期间，气体将仅穿过过滤器壳体102、104中的一个。当然，当穿过组件100时，气体将穿过过滤器壳体102、104中的任一过滤器的过滤介质。

虽然图1中没有具体示出，但过滤器组件100可以包括输送阀107，该输送阀选择气体穿过哪个过滤器壳体102、104。具有两个过滤器壳体102、104可以在过滤器壳体之一中替换过滤元件时允许过滤器组件100的不间断操作。也就是说，当过滤器壳体102(也称为第一过滤器壳体102)中的过滤元件被替换时，气体将穿过另一个过滤器壳体104(也称为第二过滤器壳体104)。

第一过滤器壳体102包括第一过滤器壳体入口120和第一过滤器壳体出口122。类似地，第二过滤器壳体104包括第二过滤器壳体入口130和第二过滤器壳体出口132。第一过滤器壳体入口120和第二过滤器壳体入口130与过滤器组件100的入口106流体连通。如上文所讨论的，分流阀将在操作期间把气体引导至第一过滤器壳体入口120和第二过滤器壳体入口130之一。第一过滤器壳体出口122和第二过滤器壳体出口132与过滤器组件100的出口108流体连通。

过滤器壳体102、104中的每一个包括设置在其中的过滤元件140。在操作中，从入口106流向出口108的气体将穿过过滤元件之一。

过滤元件140包括中空内部区域142。每个过滤器壳体102、104包括适配器，该适配器将相应的过滤器壳体入口120、130流体连接到包含在其中的过滤元件140。如图所示，第一过滤器壳体102包括第一适配器160，并且第二过滤器壳体104包括第二适配器162。如图所示，第一适配器160和第二适配器162被配置成彼此不同。在本文的包括两个过滤器壳体的任何实施例中，第一适配器和第二适配器可以是相同类型的。也就是说，在一个实施例中，第一过滤器壳体102和第二过滤器壳体104都可以包括第一适配器160，或者在另一个实施例中，两者都可以包括第二适配器162。

总体上如图1所示，适配器会使进入其中的流动A/B改变方向90°。转弯越急，可能产生的旋涡越多。因此，在一个实施例中，将选择第一适配器160，因为其具有更平缓的转弯。

图2示出了可以是第一适配器160或第二适配器162的适配器200的示例。图示的适配器200更接近地类似于图1中的第一适配器160，但是与适配器200相关的教导可以应用于第一适配器160或第二适配器162。

适配器200包括适配器入口201和适配器出口202。螺纹204或其他配合元件可以设置在适配器出口202处或附近，以允许连接到142过滤元件140。如图所示，适配器200包括设置在适配器出口202上的流动矫直器250。流动矫直器将在下面进一步讨论，但是应当理解，尽管在适配器200中示出，但是流动矫直器250可以是过滤元件140的一部分或者设置在过滤元件140中(图1)。

适配器200包括适配器入口201与适配器出口202之间的弯曲区域210，该弯曲区域210具有曲率半径R。可以选择半径来帮助减少适配器出口202处的涡流。适配器200可以通过不同的过程形成，包括添加制造过程或铸造过程。

图3A示出了气流A在其穿过入口106、进入适配器入口201并穿过适配器出口202时的示例。特定元件的位置参考图1和图2并且为了清楚起见用箭头指示。在穿过入口106之后，在离开适配器出口202之前，流动A形成两个成角度的转弯(例如，90°)，如位置302、304所示。转弯可以导致涡流区域306的产生。如上文所讨论的，这种流动可能降低过滤元件140的效率(图1)。

对比图3A和图3B，图3B示出了流动A在穿过流动矫直器250之后离开适配器出口202。如图所示，应该理解的是，随着流动A离开出口202，它完全穿过流动矫直器。流动矫直器可以在适配器200中或者在过滤元件140中(图1)。具体而言，应当注意的是，如附图标记320所示，随着流动离开适配器200，流动具有较小的锥形或涡流形状。

图4A示出了可以包括在图1的过滤器组件100中的流动矫直器250的顶视图。在一个实施例中，流动矫直器250位于过滤元件140中，而在另一个实施例中，位于第一适配器160和第二适配器162中的至少一个中。

不管位置如何，流动矫直器250包括外周边402。在一个实施例中，外周边402是圆形的，但是也可以预想其他形状。如图所示，外周边402包围矫直区域404，矫直区域404包括形成在其中的多个流动通道，并且可以被称为流动矫直通道。通道410通常包括由分隔壁界定的中空流动区域。随着气体流过流动矫直器250，气体中的旋动涡流模式被减少或消除。也就是说，流动A可以从图3所示的流动变换为图3B所示的流动。

外周边402包括内壁412，其限定了直径d，直径d限定了流动矫直器250的流动矫直区域404的直径。

如图4B所示，流动矫直器250的流动矫直区域404具有厚度t。在任一实施例的过滤器中，在流动矫直区域404的两个相对侧部450、452之间限定的厚度t。在一个实施例中，两个侧部450、452基本上是平坦的，并且限定了平行的平面。这两个平行的侧部间隔开(例如，厚度t)以赋予期望的“矫直”量。这不同于例如将具有非平侧部的交织金属丝网。

在一个实施例中，t是(0.12)d。当然，其他比也可能存在。例如，t可以小于0.2d。在另一个实施例中，0.05d < t < 0.2d。

在特定实施例中，d是31.5毫米，并且在一个实施例中，t是3.7毫米。

在图4B中，通道410是蜂窝状的。如图4C所示，蜂窝状通道410可以在相对侧部之间具有距离d_hc。在一个实施例中，d_hc约为2 mm。每个蜂窝状通道410可以具有壁厚wt。在一个实施例中，wt在0.15毫米与0.30毫米之间。在一个实施例中，wt约为0.25毫米。

在图4b中，外周边402包括高度h以及第一和向外突出部440、442。在一个实施例中，高度h可以被限制成使得其与流动矫直器250的矫直区域404的厚度t相同。这种流动矫直器250的一个示例在图4D中示出。从4D示出的实施例中，应当理解，在任何实施例中，向外突出部中的任一者或两者都是可选的。

在替代实施例中并且如图4E所示，不是具有蜂窝图案，而是矫直通道410可以是圆形的。在该实施例中，厚度t可以与直径具有如上文所描述的相同或相似的关系。在特定实施例中，t是3.7毫米。在一个实施例中，这些通道之间的壁430具有约0.1毫米的最大厚度。

不管如何形成，如上文所讨论的，流动矫直器250可以位于适配器160、162中的任一个中或者过滤元件140中。

图5示出了根据一个实施例的过滤元件140的示例。过滤元件140包括配合区域502，该配合区域502包括一个或多个配合元件504，以与前述适配器配合。如图所示，配合元件504是螺纹。在一个实施例中，配合区域由金属形成。

参考图1和图5二者，过滤元件140包括过滤介质144，该过滤介质144可以至少从过程气体中过滤流体。过滤介质144限定中空内部区域142，气体在向外穿过过滤介质144之前进入中空内部区域142(分别如箭头E和F所示)。

在该示例中，过滤元件140包括流动矫直器250。流动矫直器250可以是先前公开的流动矫直器或其修改中的任一个。流动矫直器250布置在过滤元件140中，使得进入中空内部区域142的任何气体首先穿过流动矫直器250。具体而言，流动矫直器250设置在中空内部区域142的“上游”，使得在操作期间，在气体可以进入中空内部区域或穿过过滤介质144之前，气体穿过流动矫直器250。如上文所讨论的，以这种方式操作改进了通过过滤元件140(即，在中空内部区域42中)的流动。这可以导致在所有区域中在过滤介质144内和穿过过滤介质144的改进的流动分布，而不仅仅导致在中空内部区域142的入口510(这里也称为过滤元件入口)附近的改进的流动分布。

中空内部区域142包括直径D和长度L。在一个实施例中，这两个值的比(L/D)低于5，并且特别是在4与5之间。在另一个实施例中，该比在4.2与4.6之间。这种比已经被建模以在中空内部区域的长度L上具有更均匀的流动分布。这与现有技术的方案不同，现有技术的方案中使用较小的直径和较大的相对长度来增加表面面积。也就是说，在现有技术中，L/D通常远大于5。

以上公开了具有蜂窝或圆孔的不同类型的过滤器配置。这些形状不是唯一可能的形状。例如，孔可以是任何几何形状，包括但不限于，如图6A所示的梯形孔602。相关地，该孔可以是梯形孔604，其包括如图6B所示的圆角。孔602、604都具有长侧602a、604a和短侧602b、604b。在每个图形中，长侧和短侧具有的长度分别为la/lb。当形成过滤器时，长侧602a、604a比短侧602b、604b更靠近外周边402。

应该进一步理解，在任何实施例中，随着孔从流动矫直过滤器250的中心进一步向外移动，孔的尺寸可以增加。这在图7中示出，其中每个连续径向向外的孔(例如，702a、702b、702c)具有更大的直径(da、db、dc)。在图7中，外周边402在图的左侧上，并且过滤器的中心总体上由中心点704示出。此外，连续径向向外的孔702之间的距离可以是恒定的、减小的或增加的。在图7中，间距是恒定的，但这并不意味着限制。相同的间距和尺寸调整可应用于本文所描述的所有类型的孔。在图7示出了一些具体的尺寸，这些尺寸仅是说明性的。

图8和图9分别示出了圆形和梯形孔的这些布置中的一些布置。

术语“约”旨在包括与基于提交申请时可用设备的特定量的测量相关联的误差程度。

本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本公开。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指出。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。

虽然已经参考一个或多个示例性实施例描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以进行各种改变，并且可以用等同物来替代其元件。此外，在不脱离本公开的基本范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本公开的教导。因此，本发明不限于作为实施本公开的最佳模式而公开的特定实施例，而是本公开将包括落入权利要求范围内的所有实施例。

Claims (21)

1.一种气体过滤系统，包括:

允许气体进入所述系统的入口；

气体通过其离开所述系统的出口；

过滤器，其包括过滤介质，所述过滤介质限定中空内部区域，随着气体从所述入口流向所述出口，气体进入所述中空内部区域中；和

流动矫直器，其设置在所述入口与所述中空内部区域之间，使得在气体进入所述中空内部区域之前所述气体的流动路径穿过所述流动矫直器，其中所述流动矫直器包括:

外周边；和

被所述外周边包围的流动矫直区域，所述流动矫直区域包括穿过其形成的多个流动矫直通道；

其中所述外周边具有高度，并且所述流动矫直区域具有小于所述高度的厚度(t)。

2.根据权利要求1所述的气体过滤系统，进一步包括:

设置在所述入口与所述过滤器之间的适配器，所述适配器包括与所述过滤器配合的配合元件。

3.根据权利要求2所述的气体过滤系统，其中所述流动矫直器位于所述适配器中。

4.根据权利要求2所述的气体过滤系统，其中所述流动矫直器位于所述过滤器中。

5.根据权利要求1所述的气体过滤系统，其中所述多个流动矫直通道是蜂窝状的。

6.根据权利要求1所述的气体过滤系统，其中所述流动矫直区域具有直径d并且t =0.12d。

7.根据权利要求1所述的气体过滤系统，其中所述流动矫直区域具有两个相对侧部，两个相对侧部基本上是平面的并且彼此平行，并且通过所述流动矫直区域的厚度(t)而彼此分隔。

8.根据权利要求1所述的气体过滤系统，其中t小于0.2d。

9.根据权利要求8所述的气体过滤系统，其中t大于0.05d。

10.根据权利要求9所述的气体过滤系统，其中所述中空内部区域具有长度(L)，并且所述中空内部区域具有直径(D)，并且所述L与D的比(L/D)小于5。

11.根据权利要求10所述的气体过滤系统，其中L与D的比(L/D)在4.2与4.6之间。

12.一种用于气体过滤系统中的气体过滤器，所述过滤器包括:

过滤介质，其限定中空内部区域，随着气体从所述系统的入口流向出口，气体进入所述中空内部区域中，其中所述中空内部区域具有长度(L)，并且所述中空内部区域具有直径(D)，并且L与D的比(L/D)小于5；和

流动矫直器，其设置成使得在气体进入所述中空内部区域之前所述气体的流动路径穿过所述流动矫直器。

13.根据权利要求12所述的过滤器，其中所述流动矫直器包括:

外周边；和

被所述外周边包围的流动矫直区域，所述流动矫直区域包括穿过其形成的多个流动矫直通道。

14.根据权利要求13所述的过滤器，其中所述多个流动矫直通道是蜂窝状的。

15.根据权利要求13所述的过滤器，其中所述流动矫直区域具有直径d和厚度t，并且t= 0.12d。

16.根据权利要求13所述的过滤器，其中所述流动矫直区域具有两个相对侧部，两个相对侧部基本上是平面的并且彼此平行，并且通过所述流动矫直区域的厚度(t)而彼此分隔。

17.根据权利要求13所述的过滤器，其中t小于0.2d。

18.根据权利要求17所述的过滤器，其中t大于0.05d。

19.根据权利要求12所述的气体过滤系统，其中L与D的比(L/D)在4.2与4.6之间。

20.一种过滤气体的方法，所述方法包括:

向气体过滤系统的入口提供气体以允许气体进入所述系统；

使所述气体穿过流动矫直器；

在使所述气体穿过所述流动矫直器之后，将气体引导至过滤器的内部中空区域，所述过滤器包括限定所述中空内部区域的过滤介质；

使所述气体在所述中空内部区域内穿过所述过滤器；和

将已经穿过所述过滤器的气体提供给气体密封装置。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述中空内部区域具有长度(L)，并且所述中空内部区域具有直径(D)，并且L与D的比(L/D)小于5。

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