CN117101266A - 三聚氰胺类泡沫过滤介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于从连续气相中分离分散流体相的过滤介质(10)，其中所述过滤介质(10)包括三聚氰胺类泡沫(11)，其具有至少0.3m2的有效过滤面积。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于从连续气相中分离分散流体相的过滤介质。
背景
在各种技术领域中，希望从其中流体相的液体例如作为气溶胶分散的气相中除去流体相。
例如，在金属加工工业中，冷却润滑剂用于在机械加工或成形过程中润滑和冷却工件。由这些机械加工和成形过程产生冷却润滑剂排放物。该排放物特别以气溶胶、蒸气和烟雾的形式出现。因此，需要从环境空气中除去这些排放物。
通常，为此使用玻璃纤维类过滤介质。但是，释放的纤维对健康有害。因此，在这些纤维过滤介质的操作和运输过程中必须特别小心。此外，纤维类过滤介质表现出显著的压力损失，因此需要相当大的功率以将空气吹过纤维过滤介质。
US 2018/0171093 A1公开了一种金属化开孔三聚氰胺甲醛泡沫作为防静电过滤器，或用于分离例如油和水的混合物。特别地，可以从燃料中分离水(例如从煤油、汽油或柴油中分离水)或者可以从水中分离燃料。
US 2012/0288758 A1公开了一种充当基体材料的树脂模制体，如三聚氰胺泡沫。在该树脂模制体的表面上形成薄导电铝层。可以通过分解除去树脂模制体以得到导电铝多孔体。铝多孔体可用于各种过滤器的应用，如油雾分离器和油脂过滤器。
本发明的一个目的是改进将分散流体从气相中分离。
这通过根据权利要求1的过滤介质、根据权利要求9的过滤元件、根据权利要求11的过滤系统以及根据权利要求14的过滤介质的用途实现。在从属权利要求和说明书中给出有利的实施方案。
发明公开
根据本发明，提供一种用于从连续气相中分离分散流体相的过滤介质。换言之，该过滤介质适于从在使用过程中流过该过滤介质的气体混合物中分离分散液体。
该过滤介质包含三聚氰胺类泡沫，其具有至少0.3m2的有效过滤面积。优选地，在使用过程中气相通过其可接触的有效过滤面积为至少0.5m2、1m2、1.5m2或1.55m2，特别优选至少2m2。与传统玻璃纤维类过滤介质的相同有效面积相比，根据本发明的有效过滤面积有利地提供可接受的穿过过滤介质的压降。
根据本发明的过滤介质具有各种优点和有益效果。
三聚氰胺类泡沫方便易得。此外，三聚氰胺类泡沫极其轻质。重量小于1千克的过滤介质可以实现与10-20千克玻璃纤维过滤介质相同的过滤功能。
使用三聚氰胺类泡沫能够构造具有低流阻的过滤介质，特别与玻璃纤维类过滤介质相比，从而有助于上文提到的有利压降。这使得能够节省能量，因为将带有分散流体的气相输送通过过滤介质需要较少功率。特别地，中等风扇速度足以将该气体吹过过滤介质。
过滤介质可以由单一材料构成；因此，其不需要分离处置。特别地，三聚氰胺类泡沫可以容易地焚化。
由于该泡沫的吸声特性，该过滤介质可充当消声器，其降低带有该过滤介质的过滤系统的噪声水平。
该材料提供隔热，且因此可有利于降低能量成本。
三聚氰胺类泡沫材料具有高耐火性。特别地，该泡沫可以达到根据DIN EN13501-1：2018的B级或C级评级。
由于该泡沫不含任何纤维，其不牵涉由纤维释放引起的任何刺激作用，且因此在操作和运输过程中不需要额外的安全措施。
该过滤介质可用于许多应用。过滤介质的一个重要应用是从环境空气中过滤冷却润滑剂及其作为气溶胶、蒸气、烟雾和微粒污染物的排放物。该过滤介质还可用于其它过滤器应用，如HVAC(采暖、通风和空调)、发电、洁净室、家庭和工业空气净化系统。
优选地，该过滤介质包含开孔泡沫。在将带有分散流体的气体引导通过过滤介质时，将微观气溶胶如油收集在泡沫中，例如泡沫的原始侧(raw side)。分散在气相中的流体在泡沫的泡孔表面上汇合和聚结，以形成大液滴或液膜。在达到一定重量后，液滴或膜在重力作用下通过该介质和/或沿泡孔表面下落。这种排出效果导致自清洁式过滤介质。
所公开的泡沫可提供为块体，例如，以长方体的形状。该泡沫可适于增加气相流过的有效过滤面积。该泡沫可适于实现所公开的有效过滤面积。该泡沫块可适于产生类似于手风琴风箱的形状。可以除去泡沫块的一部分，以产生风箱或褶裥结构或具有多个V形和/或U形的结构。该过滤介质可包含成型为风箱或褶裥或多个V形和/或U形的三聚氰胺类泡沫。可以布置该泡沫以使V形或U形的开口面向气相的流动方向。
可以认识到，气相在穿透泡沫或进入泡沫的泡孔之前可填充风箱的空隙或谷。泡沫的厚度描述了气相为了从原始侧通过过滤介质到达清洁侧而必须穿过泡沫的最小距离。可以调整过滤介质以使泡沫的厚度为至少10mm，优选至少20mm。这提高过滤介质的过滤效率。通常，较高的泡沫厚度带来较高的微粒过滤效率。但是，较高的泡沫厚度可导致压降的较高增加，也就是说，将带有分散流体的气相输送通过过滤介质所需的压力可较高。在一个实例中，该过滤介质可布置为使得泡沫的厚度为约10mm至约100mm、或约10mm至约80mm、或约10mm至约60mm、或约20mm至约100mm、或约30mm至约100mm、或约20mm至约80mm、或约20mm至约60mm。
优选地，根据ISO16890：2016，该过滤介质具有至少50％的微粒过滤效率ePM10。这意味着至少50％的小于10μm的粒子被捕获在过滤介质中。特别地，根据ISO16890：2016，ePMx是指空气净化装置，如所公开的过滤介质、过滤元件或过滤系统的降低光学直径在0.3μm至xμm之间的粒子的质量浓度的百分比效率。
约或至少20mm的泡沫厚度可提供根据ISO16890：2016的50％或更高的对直径10μm或更小的粒子的微粒过滤效率，例如ePM2.5。在更进一步优选的实例中，约或至少30mm的厚度可提供根据ISO16890：2016的＞80％的微粒过滤效率ePM1。由于上述自清洁效果，30mm厚的过滤介质可实现根据ISO 16890：2016的大于80％的微粒过滤效率ePM1，其中24小时后的压降增加小于20％。
过滤介质的深度描述了被过滤介质通常沿气相的主要流动方向占据的体积空间的一个维度。通常，初始泡沫块的维度形成被过滤介质占据的体积空间维度的基础。初始泡沫块的维度可最终形成过滤元件的维度的基础。因此，过滤介质的深度可以是过滤块的一个维度，例如长度。在过滤介质改装为风箱的情况下，深度可以是从风箱的端头(tip)到风箱的口部的垂直距离。过滤介质的深度可为约或至少50mm、100mm、150mm或优选约或至少200mm。这能够在提供大有效面积的同时实现紧凑构造。深度通常沿主要流动方向测量。
优选地，三聚氰胺类泡沫是三聚氰胺甲醛缩合产物。这种材料对于从空气中分离油特别有效。
合适的泡沫可作为G+获自BASF。
该泡沫的比密度可为至少3kg/m3，优选至少10kg/m3。比密度可为最多100kg/m3，优选最多75kg/m3。
该泡沫在一个维度如长度、厚度、深度或宽度上可具有至少50个泡孔/25mm，优选至少100个泡孔/25mm，和/或最多300个泡孔/25mm，优选最多200个泡孔/25mm。具有这种单位维度的泡孔数(即相应的平均泡孔尺寸)的泡沫已被证明对于在保持有限流阻的同时从气相中过滤分散流体是特别有效的。
该泡沫可以热成形。这可以导致过滤介质的更加刚性结构。由此简化将过滤介质安装到框架或过滤系统中。
本发明还涉及一种过滤元件。该过滤元件包括如上所述的根据本发明的过滤介质和保持过滤介质的框架。通常，框架包围过滤介质。泡沫可以被适配到框架中。优选地，过滤介质被胶粘到框架。框架可以由塑料或金属制成。框架可包括至少一个排出口，以除去收集在过滤介质底部的聚结流体。
本发明进一步涉及一种过滤系统。该过滤系统包括壳体和多个过滤级。至少一个过滤级包括如上所述的根据本发明的过滤元件。通常，壳体包括入口以允许包含分散流体相的气体混合物的连续相进入过滤系统，和出口以允许基本不含分散流体相的连续气相离开过滤系统。过滤系统可包括通风机，以例如通过正压或负压将气相输送通过过滤系统。
优选地，该过滤系统包括三个过滤级。
过滤级中的一者，优选(在流动方向上的)第一过滤级可包括聚结过滤元件。或者，第一过滤级可包括根据本发明的过滤元件。
第二过滤级通常包括根据本发明的过滤元件。
过滤级中的一者，优选第三过滤级，可包括精细过滤元件。优选地，精细过滤元件是HEPA过滤元件。
所公开的过滤系统可以例如通过管道流体连接到生成微观气溶胶如油雾的机器的提取或排气室。
最后，本发明涉及如上所述的根据本发明的过滤介质用于从连续气相中分离分散流体相的用途。根据本发明，发现具有至少1m2的有效过滤面积的三聚氰胺类泡沫特别可用于从气相中除去分散液体。
该流体相可含有油。特别地，油可以是冷却润滑剂。根据本发明的过滤介质已被证明对于从气流中除去油是特别有效的。
附图简述
从参照显示重要细节的附图对本发明的实施方案的以下描述中以及从权利要求书中，将理解本发明的其它优点和特征。如上文描述或如下文解释的各个特征可以各自单独实现，或者在本发明的变体中以任何有用的组合一起实现。
图1以示意性透视图显示根据本发明的第一过滤介质；
图2以示意性截面图显示图1的过滤介质；
图3以示意性透视图显示根据本发明的第二过滤介质；
图4以示意性截面图显示图3的过滤介质；
图5以示意性截面图显示根据本发明的过滤系统，该过滤系统具有三个过滤级，第二过滤级配备有根据本发明的过滤元件，该过滤元件包括框架和根据本发明的过滤介质。
图6显示实施例的样品#1至#5的微粒过滤效率的记录结果。
图7显示穿过实施例的样品#1至#5的压降的记录结果。
详述
图1和图2显示第一过滤介质10。过滤介质10包括三聚氰胺类泡沫11。在此，该泡沫是三聚氰胺甲醛缩合产物。该泡沫可具有约50个泡孔至约300个泡孔/25mm泡沫材料。该泡沫具有例如100个开孔/25mm泡沫材料，即平均泡孔尺寸可为0.25mm。该泡沫的比密度可为例如30kg/m3。
过滤介质10具有整体块形，在此为长方体的形式。沿主要流动方向12，过滤介质10具有例如300mm的深度14。过滤介质10的总体积可为约0.1m3，因为在垂直于过滤介质10的深度14或主要流动方向12的两个方向上的宽度15a、15b在此为约600mm。
从上游面18向泡沫材料中切出几个(在这一实施方案中为七个)凹槽16。从下游面20向过滤介质10的泡沫材料中切出几个(在此为六个)另外的凹槽22。在图1和图2中所示的实施方案中，凹槽16和22是V形的。
泡沫11的上游表面在所述多个凹槽16处限定过滤介质10的有效过滤面积。换言之，有效过滤面积由过滤介质10在原始侧23上的总表面限定。原始侧23上的总表面积包括气相经其通过过滤介质10到达下游表面20和下游凹槽22并在该过程中被过滤的任何表面。例如，气相在通过泡沫10到达相关的下游凹槽22之前可接触凹槽16的表面和泡沫10的泡孔的形成凹槽16的表面。因此，在所描绘的实施方案中，总表面积可包括上游表面18的表面积、凹槽16的表面积以及与上游表面18和凹槽16相关的泡沫泡孔的表面积。在所描绘的实施方案中，有效过滤面积为2.1m2(＝7个凹槽*0.3m2)，其中0.3m2包括凹槽和与该凹槽相关的上游面的总表面积。要指出，有效过滤面积在平面视图中明显超过上游面18的尺寸(在此600mm*600mm＝0.36m2)。
凹槽或褶裥i的有效过滤面积A可根据EN ISO 29461-1：2013(E)附录E.2由以下公式(I)测定：
Ai＝2×(H×W+t×W) (I)
其中H是过滤介质10的高度或深度14，W是过滤介质10的有效宽度15a、15b，且t是凹槽或褶裥端头宽度29。
总有效过滤面积由以下公式(II)测定：
Atot＝A1、A2...和AN的总和 (II)
其中N是褶裥总数。
泡沫11从上游凹槽16到下游凹槽22的厚度24在此为约30mm。
过滤介质10可具有根据ISO 16890：2016的80％的微粒过滤效率ePM1。
图3和图4显示第二过滤介质10。过滤介质10包括三聚氰胺类泡沫11。该泡沫是如第一实施方案中的三聚氰胺甲醛缩合产物。该泡沫具有例如125个开孔/25mm泡沫材料，即平均泡孔尺寸可为0.2mm。该泡沫的比密度可为例如40kg/m3。
过滤介质10具有整体块形，在此为长方体的形式。沿主要流动方向12，过滤介质10具有例如280mm的深度14。过滤介质10的总体积可为约0.1m3，因为在垂直于过滤介质10的深度14或主要流动方向12的两个方向上的宽度15a、15b在此为约620mm。
从上游面18向泡沫材料中切出几个(在这一实施方案中为六个)凹槽16。从下游面20向过滤介质10的泡沫材料中切出几个(在此也为六个)另外的凹槽22。在图3和图4中所示的实施方案中，凹槽16和22是U形的，在它们的短腿和长腿之间具有矩形过渡。
泡沫11的上游表面在所述多个凹槽16处限定过滤介质10的有效过滤面积。在所描绘的实施方案中，有效过滤面积为1.8m2(＝6个凹槽*0.3m2)。要指出，有效过滤面积在平面视图中明显超过上游面18的尺寸(在此620mm*620mm＝0.38m2)。
泡沫11从上游凹槽16到下游凹槽22的厚度24在此为约32mm。从上游面18到下游凹槽22之一的厚度26或从上游凹槽16之一到下游面的厚度28也可为32mm。
过滤介质10可具有根据ISO 16890：2016的85％的微粒过滤效率ePM1。
图5显示过滤系统30。过滤系统30包括壳体32。在壳体32上形成入口34和出口36。包含含分散流体相(例如油，特别是冷却润滑剂)的气体混合物(例如空气)的连续相的原始流38在入口34处导到过滤系统30的壳体32中。在出口36处，包含连续气相并且基本不含分散流体相的过滤流40从壳体32离开。管道系统(未描绘)可以在入口34和出口36处附接到壳体32。
过滤系统30包括三个过滤级42、44、46。将料流连续引导通过所有三个过滤级42、44、46。
第一过滤级42具有聚结过滤元件48。聚结器介质(coalescer medium)50通过框架52密封式保持到壳体32上。
第二过滤级44具有三聚氰胺类泡沫过滤元件54。过滤元件54包含例如如图1和图2或图3和图4中描绘的过滤介质10。过滤介质10附接于框架56上。框架56可由塑料制成。在此，将过滤介质10胶粘到框架56上。框架56密封式保持到壳体32上。过滤介质10为例如如图1和图2或图3和图4中描绘的风箱形式，其中风箱16的开口面向流动方向，由此增加有效表面积。分散流体相在与离开第一过滤级42的料流邻近的原始侧上聚结在风箱16上。在某个时刻，聚结的流体在重力作用下滴落并收集在框架56的底部。框架56具有至少一个排出口(未示出)以从过滤系统30中除去收集的流体。
第三过滤级46具有精细过滤元件58，在此为HEPA过滤元件。精细过滤介质60，在所描绘的实施方案中为HEPA过滤介质，通过框架62密封式保持到壳体32上。
总之，本发明涉及一种由三聚氰胺类泡沫制成的过滤介质。为了高效过滤携带分散流体的气流，该料流在过滤介质的上游侧上被引导至的有效过滤面积为至少1m2。该流体可以是油，如冷却润滑剂。通常，该流体以小液滴的形式分散在连续气相，如空气中。通过三聚氰胺类泡沫过滤介质从气相中分离出流体。
将基于以下非限制性实施例更详细地描述过滤介质。
来自BASF的G+块体用作泡沫11。如图1至图4中所示，在各泡沫块中切出凹槽以产生风箱结构。各样品的尺寸显示在下表1中。
[表1]
类似于图5，将上述样品安置在试验装置中，以测量在油雾分离中的压降和效率。根据以下程序进行试验：
·测量干净的试验样品的重量。
·将试验样品安装在试验装置的第二过滤级44中。在第一过滤级42中没有安装过滤器。也就是说，将试验样品安装在第二过滤级44中，而在第一过滤级42中没有任何预过滤器。将HEPA过滤元件安装在第三过滤级46中。
·启动风扇并将空气流量调节至1600m3/h。
·在入口34处提供粒子刮削器(particle shaver)以引入直径0.4μm的粒子。启动用于粒子计数和取样的控制系统。使用Grimm 1.109粒子计数器，其是光学气溶胶光谱仪。
·打开加压空气阀。粒子用空气以1∶100的系数稀释100倍。
·在入口34处提供油雾发生器。启动油雾发生器的油泵。以2.1L/h的预定泵容量，将矿物油(来自Statoil的BACH XNF 28)泵入试验装置。通过油雾发生器的喷嘴将油喷洒到在200-210℃下加热的加热金属板上。在这种配置下的油雾浓度在50mg/m3的范围内。
·开始过滤器的油加载约40小时。在加载过程中进行至少五次效率测量并记录测试样品的压降。对于0.4μm粒子的效率测量，计算如下：
效率＝(入口34处的粒子计数-出口36处的粒子计数)/(入口34处的粒子计数)x100％
·当试验结束时，将受试样品称重并记录重量。
效率的记录结果显示在图6中。压降的记录结果显示在图7中。可以看出，比较样品#1、#2和#3，较高的泡沫厚度提高效率，但伴随着压降的轻微增加。样品#4表明，有效过滤面积的减小极大地增加压降，尽管其较高的厚度提高效率。将样品#5与其余样品比较，传统玻璃纤维类过滤介质的效率在14小时后急剧下降，而泡沫的效率随时间轻微下降，或在样品#2的情况下甚至提高，这可能是由于自清洁作用。尽管在这些实施例中进行的试验和计算的效率不是根据ISO16890：2016，但是计算的效率提供了通过所公开的过滤介质、过滤元件或过滤系统可实现的根据ISO16890：2016的微粒过滤效率的代表。
附图标记
过滤介质10
泡沫11
主要流动方向12
深度14
宽度15a、15b
上游凹槽16
上游面18
下游面20
下游凹槽22
原始侧23
厚度24、26、28
褶裥端头宽度29
过滤系统30
壳体32
入口34
出口36
原始流38
过滤流40
过滤级42、44、46
聚结过滤元件48
聚结器介质50
框架52
三聚氰胺类泡沫过滤元件54
框架56
精细过滤元件58
精细过滤介质60
框架62
Claims (15)
1.适于从连续气相中分离分散流体相的过滤介质(10)，其中所述过滤介质(10)包括成型为风箱的三聚氰胺类泡沫(11)，其具有至少0.3m2的有效过滤面积。
2.根据权利要求1所述的过滤介质(10)，其中所述有效过滤面积为至少1m2或至少1.55m2，优选至少2m2。
3.根据前述权利要求中任一项所述的过滤介质(10)，其中所述泡沫(11)的厚度(24、26、28)为至少10mm，优选至少20mm，且最多100mm，优选最多60mm。
4.根据前述权利要求中任一项所述的过滤介质(10)，其中所述过滤介质(10)的深度(14)为至少50mm，优选至少200mm。
5.根据前述权利要求中任一项所述的过滤介质(10)，其中所述三聚氰胺类泡沫(11)是三聚氰胺甲醛缩合产物。
6.根据前述权利要求中任一项所述的过滤介质(10)，其具有根据ISO16890：2016的至少50％的微粒过滤效率ePM10。
7.根据前述权利要求中任一项所述的过滤介质(10)，其中所述泡沫(11)的比密度为至少3kg/m3和/或最多100kg/m3。
8.根据前述权利要求中任一项所述的过滤介质(10)，其中所述泡沫(11)具有在所述泡沫的一个维度上的至少50个泡孔/25mm和/或所述泡沫的一个维度上的最多300个泡孔/25mm。
9.过滤元件(54)，其包括根据前述权利要求中任一项所述的过滤介质(10)和保持所述过滤介质(10)的框架(56)。
10.根据权利要求9所述的过滤元件(54)，其中所述框架(56)由塑料或金属制成。
11.过滤系统(30)，其包括壳体(32)和多个过滤级(42、44、46)，其中所述过滤级中的至少一个过滤级(44)包括根据权利要求9或10所述的过滤元件(54)。
12.根据权利要求11所述的过滤系统(30)，其中所述过滤级中的至少一个过滤级(42)包括聚结过滤元件(48)。
13.根据权利要求11或12所述的过滤系统(30)，其中所述过滤级中的至少一个过滤级(46)包括精细过滤元件(58)，特别是HEPA过滤元件。
14.根据权利要求1至8中任一项所述的过滤介质(10)用于从连续气相中分离分散流体相的用途。
15.根据权利要求14所述的用途，其中所述流体相含有油，特别是冷却润滑剂的形式。
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