DE4343754B4

DE4343754B4 - Verfahren zum Trennen einer unmischbaren Flüssigkeit/eines Flüssigkeitsgemisches und eine Vorrichtung dafür

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Publication number: DE4343754B4
Application number: DE4343754A
Authority: DE
Inventors: Kenneth M. Williamson; Scott A. Whitney; Alan A. Rausch; Thomas C. Welch
Original assignee: Pall Corp
Current assignee: Pall Corp
Priority date: 1992-12-23
Filing date: 1993-12-21
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2013-12-22
Also published as: JP2831254B2; GB9323027D0; DE4343754C5; GB2273669B; FR2699420B1; CA2110026C; ITTO930972A0; JPH07707A; ITTO930972A1; GB2273669A; CA2110026A1; DE4343754A1; FR2699420A1; IT1261384B

Abstract

Flüssigkeitsreinigungssystem, das zum Trennen einer ersten Flüssigkeit aus einer zweiten Flüssigkeit in der Lage ist, in der die erste Flüssigkeit vollständig oder teilweise unmischbar ist und eine diskontinuierliche Phase mit der zweiten, eine kontinuierliche Phase bildenden Flüssigkeit bildet, aufweisend:
ein Gehäuse;
einen Fluideinlass in dem Gehäuse;
mindestens eine koaleszierende Anordnung zum Koaleszieren der ersten Flüssigkeit mit mindestens einem darüber angeordneten Fluideinlass;
mindestens eine Trennanordnung zum Trennen von Tröpfchen der ersten Flüssigkeit aus der zweiten Flüssigkeit, wobei die mindestens eine koaleszierende Anordnung in übereinander angeordneter fluidkommunizierbarer Beziehung oberhalb der mindestens einen Trennanordnung angeordnet ist;
einen ersten Flüssigkeitsauslass in dem Gehäuse, wobei der erste Flüssigkeitsauslass ein Flüssigkeitsauslass für die kontinuierliche Phase ist; und
einen zweiten Flüssigkeitsauslass in dem Gehäuse, wobei der zweite Flüssigkeitsauslas ein Flüssigkeitsauslass für die diskontinuierliche Phase ist.

Description

Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren zum Trennen kleiner Mengen einer ersten Flüssigkeit, die unmischbar sind, jedoch in einer zweiten Flüssigkeit suspendiert sind, und auf ein System gerichtet, das dafür verwendet wird. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Trennen und Entfernen einer diskontinuierlichen flüssigen Phase aus einer kontinuierlichen flüssigen Phase und auf ein koaleszierendes/trennendes System gerichtet, das dafür verwendet wird.

Viele industrielle Prozesse und Vorrichtungen sowie Haushaltsgeräte beziehen sich auf die Trennung einer flüssigen Phase aus einer anderen Phase. In einigen Fällen, insbesondere wenn Wasser die Phase ist, die in kleinen Mengen vorhanden ist, können chemische Mittel verwendet werden, um das Wasser aus den anderen Bestandteilen zu entfernen. Derartige Mittel zum Entfernen von Feuchtigkeit benötigen jedoch das Ersetzen und/oder die Regenerierung der in dem Prozeß verwendeten Reagenzien. Die verwendeten Reagenzien und die gebildeten Produkte rufen häufig Komplikationen hervor bezüglich Handhabung und Entsorgung. Wegen der damit verbundenen Kosten, und in einigen Fällen der mit derartigen Prozessen zusammenhängenden Nachteile sind physikalische Verfahren und Vorrichtungen gegenüber chemischen Mitteln zum Entfer nen kleiner Mengen einer flüssigen Phase aus anderen Phasen bevorzugt worden.

Ein Verfahren zum Koaleszieren einer unmischbaren Flüssigkeit, die in einer anderen Phase suspendiert ist, und eine koaleszierende Vorrichtung, die häufig als "Koaleszer" bezeichnet wird, haben eine weit verbreitete Anwendung zum Entfernen einer Flüssigkeit aus sowohl der gasförmigen Phase, wie z. B. in Aerosolen, als auch aus Suspensionen einer Flüssigkeit in einer anderen Flüssigkeit gefunden. Derartige Vorrichtungen sind besonders effektiv, wenn das Volumen einer entfernten Flüssigkeit klein ist im Vergleich zu dem Volumen der Phase, aus der sie entfernt wird. Typischerweise neigt die Ausrüstung, die zum Entfernen eines flüssigen Aerosols aus einem Gas notwendig ist, dazu, weniger kompliziert zu sein als die, die verwendet wird, um zwei flüssigen Phasen zu trennen, in denen eine erste flüssige Phase unmischbar ist und in einer zweiten flüssigen Phase suspendiert ist. Das trifft im allgemeinen zu, weil in Luft/Flüssigkeitssuspensionen Gravitationswirkungen dazu tendieren, signifikanter zu sein, während die Oberflächenenergie. Oberflächenspannung oder die Grenzflächenspannungswirkungen dazu neigen, weniger signifikant als bei Flüssigkeiten/Flüssigkeitssuspensionen zu sein.

Das Spektrum von Anwendungen, bei denen Koaleszer zum Entfernen kleinerer Mengen einer ersten flüssigen Phase, die als eine "diskontinuierliche Phase" oder "suspendierte Phase" bekannt ist, aus einer zweiten flüssigen Phase verwendet worden sind, in der sie suspendiert ist, die als die "kontinuierliche Phase" bekannt ist, deckt einen beträchtlichen Bereich von Situationen ab. Zum Beispiel sind Koaleszer oft verwendet worden zum Entfernen oder Trennen kleiner Mengen von Feuchtigkeit aus Kunststoffen auf der Basis von Erdöl, einschließlich Benzin, Diesel und Flugbrennstoffe, wie z. B. Kerosin; zum Entfernen von Feuchtigkeit aus reinigenden Fluiden; zum Trennen von Öl aus Kühlmitteln und Reinigungsmitteln für Teile; zum Entfernen von Ölverschmutzungen, die in natürlichen Wassermengen gefunden werden, zum Trennen unmischbarer Lösungsmittelsysteme, die bei Extraktionsprozessen verwendet werden, usw.

Zahlreiche Mechanismen und Modelle sind vorgeschlagen worden, um die Koaleszenz eines Tropfens der diskontinuierlichen Phase aus der kontinuierlichen Phase und die Leichtigkeit oder Schwierigkeit einer Trennung der unmischbaren Phasen zu beschreiben. Die Faktoren, die den Koaleszenzprozeß beeinflussen, schließen die physikalischen Eigenschaften der Phasen, wie z. B. Dichte, Viskosität, Oberflächenspannung und Grenzflächenspannung (IFT = Interfacial Tension) ein. Zusätzlich beeinflussen die Eigenschaften des Systems, wie z. B. Tropfengröße, Krümmung der Grenzfläche, Temperatur-, Konzentrationsgradienten und Schwingungen die Koaleszenz auch deutlich. Während bestimmte oder alle diese Faktoren signifikant in einer speziellen Situation sein können, scheinen die Eigenschaften, wie z. B. Dichte, Tropfengröße und Grenzflächenspannung unter den Faktoren zu sein, die höchste Signifikanz aufweisen und über die oft bei schwierigen Trennungen von zwei unmischbaren Flüssigkeiten die geringste Kontrolle ausgeübt werden kann. Wenn die Dichten von zwei Flüssigkeiten sich nur geringfügig unterscheiden und alle anderen Dinge gleich sind, wird eine Trennung somit schwieriger. Das trifft auch für die Grenzflächenspannungen der beteiligten Flüssigkeiten zu. In diesen Situationen, bei denen die Tröpfchen größer als zehn μm (Primäremulsionen) sind, ist eine Koaleszenz und eine Trennung oft viel leichter auszuführen mit der diskontinuierlichen Phase, die sich durch die Schwerkraft nach einer Koaleszenz absetzt, um eine heterogene Schicht zu bilden. Wenn die Tröpfchen kleiner als 10 μm sind, insbesondere kleiner als 1 μm im Durchmesser, ergeben sich Sekundäremulsionen oder Sekundärtrübungen, aus denen die diskontinuierliche Phase viel schwieriger zu koaleszieren ist. Letzteres tritt häufig auf, wenn die Emulsion durch starkes Rühren oder das Verwenden einer oberflächenaktiven Substanz gebildet worden ist. Wenn eine Emulgierung zur Bildung der Sekundärtrübung nur durch mechanische Mittel auftritt, kann eine Koaleszenz viel leichter durch konventionelle Koaleszenzverfahren und Vorrichtungen verwirklicht werden. Wenn die Sekundärtrübung von oberflächenaktiven Materialien resultiert, die die Grenzflächenspannungen der Flüssigkeiten beeinflussen, wird eine Trennung schwieriger.

Der Typ des verwendeten Koaleszers hängt von der Schwierigkeit einer Trennung oder Koaleszenz ab, die durch die oben genannten Faktoren beeinflußt werden. Somit kann in gewissen Situationen die Ausrüstung sehr einfach sein, wie z. B. die, die Trennbleche anwendet, und bis zu komplexeren Vorrichtungen reichen, die verschiedene Typen von Packungen enthalten. Die Art der häufig getrennten Fluide bestimmt die verwendete Packung. Somit beeinflussen sowohl die Form des Packungsmaterials als auch seine Zusammensetzung den Wirkungsgrad einer Koaleszierung und einer Trennung. Zum Beispiel enthält die Koalesziervorrichtung, die zum Trennen von Öl und Wasser verwendet wird, typischerweise Röhren, Platten, Scheiben, Lanzen, Stäbe, Fasern oder andere innere Strukturen, die zum Abfangen von Öl vorgesehen sind. Konventionellerweise ist Glas das am meisten verwendete Packmaterial, und während in einigen Fällen Membranen in Koaleszern angewendet worden sind sowie in den oben angewendeten Packungen, sind Fasern die bevorzugte Form einer Packung gewesen. Gegenwärtig haben Glasfasern offensichtlich die am weitesten verbreitete Anwendung in Koaleszern gefunden.

In jüngsten Jahren haben sowohl Haushalts- als auch Industrieanforderungen zu der Nachfrage nach reineren Flüssigkeiten geführt, und zwar einschließlich für Trinkwasser, Lösungsmittel, Flüssigkeiten, die in industriellen Prozessen verwendet werden, und Brennstoffe. Um die strengeren Spezifikationen zu erfüllen, die für derartige Materialien benötigt werden, sind die Anforderungen bezüglich der Effektivität, des Wirkungsgrades und der Kapazität der zum Reinigen dieser Flüssigkeiten verwendeten Ausrüstung angestiegen. Hersteller derartiger Ausrüstungen haben sich auch bemüht, eine größere Haltbarkeit und längere Intervalle zwischen einer Instandhaltung, Regenerierung oder dem Ersatz von Komponenten zu schaffen. Auf dem Gebiet einer Flüssigkeits/Flüssigkeits-Trennung hat man von Koaleszern häufig erwartet, daß sie eine Filtrationsfunktion zum Entfernen von partikelförmigen Substanzen zusätzlich zu Ihrer Primärfunktion des Koaleszierens einer diskontinuierlichen Phase ausführen.

W. Ringström: "Emulsionsspaltung und Phasentrennung flüssig-flüssig mit einem Filter/Abscheider" in Chem. Techn., 33 Jg., Heft 5, Mai 1981, Seiten 240 bis 241 offenbart einen Separator, bei dem ein Fluid über eine untere Kammer durch eine Koaleszerpatrone und weiter durch eine Separatorpatrone strömt und durch die obere Kammer abgeführt wird.

GB 933 852 offenbart einen Separator für unvermischbare Fluide, der Separatorpatronen aufweist, die über Koaleszierpatronen angeordnet sind.

GB 2 007 520 offenbart eine Vorrichtung zum Entfernen von suspendierten Feststoffen und einer zweiten dispergierten Flüssigkeit von einer ersten Flüssigkeit, die einen Filter und einen Koaleszer aufweist.

Eine typische konventionelle Koaleszier-Trennvorrichtung ist in 1 dargestellt. Die Koalezser-Separatoreinheit 10 weist ein Gehäuse 12 mit einer unterteilten Basis auf. Ein Einlaß 14 ist vorgesehen, um eine verschmutzte Flüssigkeit durch das Gehäuse einzuführen, die Flüssigkeit dann durch eine Einlaßkammer 16 und danach durch einen Koaleszereinlaß 18 in eine Koaleszerpatrone 20 zu leiten. Nach einem Leiten in einer Strömungsrichtung von innen nach außen durch eine geeignete Packung, die die Wände 22 der Koaleszerpatrone definiert, gelangt das Fluid in den Körper des Gehäuses und danach durch die Wände 32 der Separatorpatrone in einen Strömungsweg von außen nach innen. Die äußere Oberfläche der Wände des Separators ist mit einem Material versehen, das eine derartige Oberflächenenergie besitzt, daß wegen der Oberflächenspannungen der kontinuierlichen und der diskontinuierlichen Phasen die die kontinuierliche Phase bildende Flüssigkeit durch die Wände des Separators und in den Separatorkörper gelangen kann, während verhindert wird, daß die Flüssigkeit, die unmischbar damit ist, in den Separatorkörper eintritt. Tatsächlich wird die die diskontinuierliche Phase bildende Flüssigkeit, die in größere Tröpfchen durch den Koaleszer koalesziert wird, in der Nähe der Separatorwand 32 zurückgestoßen. Die kontinuierliche Phase, die durch die Separatorwand 32 in die Separatorpatrone 30 eintritt, gelangt danach durch den Separatorauslaß 28 in die Auslaßkammer 26 und schließlich heraus aus dem Gehäuseauslaß 24. Die koaleszierten Tropfen der Flüssigkeit, die ursprünglich in der diskontinuierlichen Phase waren, strömen zu dem Boden oder der Basis 36 der Gehäuseeinheit, die über der Einlaßkammer 16 und der Auslaßkammer 26 angeordnet ist, und heraus aus dem Auslaß für die diskontinuierliche Phase oder dem Ablaß 34.

In einigen Industriebereichen haben die Forderungen nach einer erhöhten Kapazität zu einer erhöhten Größe der Koaleszereinheiten geführt. 2 stellt eine Draufsicht des Inneren einer konventionellen Koaleszier-Trennvorrichtung dar, die für eine Großkapazität zur Trennung einer diskontinuierlichen Phase vorgesehen ist. Man kann feststellen, daß, obwohl die Vorrichtung nur zwei Separatorelemente aufweist, zahlreiche Koaleszereinheiten vorgesehen sind. In dieser Anordnung tritt Fluid in den Einlaß 14 des Gehäuses 12 ein, wo es dann durch separate Wege in die Einlässe (nicht gezeigt) der unterschiedlichen Koaleszereinheiten und danach durch die Packung jeder Koaleszereinheit 20 in das Gehäuse strömt. Die Flüssigkeit gelangt dann in den Abschnitt des Gehäuses, der die Separatorelemente 30 enthält, wo das Fluid, aus dem im großen Maße die diskontinuierliche Phasenflüssigkeit entfernt wurde, durch die Wände 32 der Separatoreinheiten in den Körper der Separatoreinheiten gelangt, und gelangt danach durch den Auslaß jeder der Separatoreinheiten und heraus aus dem Gehäuseauslaß 24. Während die Kapazität der in 2 gezeigten Vorrichtung im Vergleich mit dem in 1 gezeigten Typ erhöht worden ist, führt eine derartige Anordnung zu einer ungleichmäßigen Strömungsverteilung. Das heißt, es existiert ein Fluidströmungs- oder Geschwindigkeitsgradient zwischen den unterschiedlichen Bereichen innerhalb des Gehäuses. In der in 2 gezeigten Anordnung existiert der Gradient als ein Gradient von Seite zu Seite, bei der die Reihe der Koaleszereinheiten, die am dichtesten zu den Separatoren sind, mehr Fluid verarbeiten, als die verbleibenden Koaleszereinheiten es tun. Gleichermaßen weisen die Separatoreinheiten eine ungleichmäßige Strömungsverteilung um ihre Umfänge wegen ihrer Nähe zu den Koaleszereinheiten auf.

Wie oben angedeutet, stellen Sekundäremulsionen oder -trübungen eines der schwierigsten Trennprobleme dar, wenn physikalische Verfahren ausschließlich verwendet werden, um die diskontinuierliche oder dispergierte Phase zu trennen und zu entfernen. Während Koaleszer-Trennvorrichtungen mit variierenden Erfolgsgraden verwendet worden sind, um die kontinuierliche Phase bei derartigen Anwendungen zu reinigen, sind das Verfahren und die Vorrichtung mit verschiedenen Nachteilen behaftet. Als erstes erweist sich eine 100-%ige Koaleszierung und -Entfernung der diskontinuierlichen Phase als schwierig, und zwar einfach wegen der sehr kleinen Tröpfchengröße der dispergierten Phase, die selbst teilweise durch das Vorhandensein einer oberflächenaktiven Substanz bewirkt werden kann. Zweitens erschwert in diesen Situationen, bei denen ein oberflächenaktives Material vorhanden ist, was eine übliche Situation ist, die Änderung der Oberflächenspannung, die den oberflächenaktiven Substanzen zugeschrieben wird, ein Koaleszieren, ein geringes Entfernen dieser oberflächenaktiven Substanzen vor einer Koaleszierbehandlung. Drittens nimmt man an, daß nach einer Gebrauchsperiode die oberflächenaktiven Substanzen, die in vielen dieser chemisch erzeugten Emulsionen gefunden werden, die aktiven Oberflächen der Koaleszerpackung überziehen, die gegenwärtig meistens Glasfasern sind, was den Koaleszer "entschärft" oder ineffektiv macht. Aus diesen Gründen liefern die Koaleszer-Trennvorrichtungen nicht den Grad an Reinheit, den man bei Flüssigkeiten sucht, die derartige oberflächenaktive Substanzen enthalten und/oder ein häufiges Wechseln der Koaleszerelemente benötigen.

Diese Art von Problem tritt häufiger in Industriebereichen auf, die mit Brennstoffen zu tun haben. Brennstoffe auf der Basis von Erdöl neigen dazu, Feuchtigkeit aufzunehmen, insbesondere bei einer Lagerung. Filter-Koaleszer-Trenn-Vorrichtungen sind konventionellerweise verwendet worden, um aufgenommenes Wasser aus derartigen Brennstoffen zu entfernen. In jüngsten Jahren sind jedoch Additive, insbesondere oberflächenaktive Substanzen in zunehmenden Mengen in derartigen Brennstoffen verwendet worden. Um dieselben minimalen Konzentrationen an Feuchtigkeit zu erzielen, erforderten Behandlungen zum Entfernen von Feuchtigkeit nach einem Mischen, Transportieren und einer Lagerung derartiger Brennstoffe ein häufigeres Wechseln der Koalesziereinheiten. Obwohl das Einbeziehen von Phenol- oder Acrylharzen, die primär als Bindemittel für Glasfaserpackungen wirken, einen Nebeneffekt hatte, das Entschärfen etwas zu reduzieren, tritt Entschärfen dennoch bei Flüssigkeiten auf, die einen hohen Gehalt an oberflächenaktiven Substanzen aufweisen.

Die vorliegende Erfindung ist auf eine Koaleszer-Trennvorrichtung gerichtet, die viele der Nachteile der konventionellen Koaleszervorrichtungen überwindet. Wegen der verbesserten Strömungsverteilung, die von der vorliegenden Erfindung herrührt, wird die Lebensdauer der verwendeten Koaleszereinheiten deutlich erhöht, und eine effektive Trennung einer diskontinuierlichen Phase, wie z. B. Wasser, das typischerweise in Brennstoffen auf der Basis von Erdöl gefunden wird, wird stark erhöht. Zusätzlich wegen der Anordnung der Baugruppen der vorliegenden Erfindung kann eine kompaktere Einheit hergestellt werden, die dasselbe oder ein verbessertes Niveau der Leistungsfähigkeit im Vergleich mit größeren konventionellen Einheiten erzielt.

Um diese Ergebnisse zu erzielen, wird ein Fiüssigkeitsreinigungssystem durch die vorliegende Erfindung geschaffen, das mindestens eine Koaleszierbaugruppe enthält, von denen jede mindestens ein koaleszierendes Element oder eine Koalesziereinheit zum Koaleszieren der diskontinuierlichen oder suspendierten (anstelle einer gelösten) Phase eines Gemisches von unmischbaren Flüssigkeiten in Tropfen und mindestens eine Separierbaugruppe aufweist, von denen jede mindestens ein Element oder eine Einheit zum Trennen der koaleszierten Tröpfchen aus der kontinuierlichen Phase aufweist. In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Koaleszierbaugruppen und/oder das bzw. die Elemente) und die Separierbaugruppen und/oder das bzw. die Elemente) in einer gestapelten oder übereinander angeordneten Beziehung angeordnet. Typischerweise sind das bzw. die Koaleszierelement(e) und das bzw. die Separierelement(e) innerhalb eines Gehäuses eingeschlossen, das Fluid-, insbesondere Flüssigkeits-, Einlaß- und Auslaßdurchgänge aufweist. Das Gehäuse schließt einen Auslaß für die Flüssigkeit ein, die ursprünglich die kontinuierliche Phase bildete, und gewöhnlicherweise einen Auslaß für die Flüssigkeit, die ursprünglich die diskontinuierliche flüssige Phase bildete.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein System zum Trennen von zwei teilweise oder vollständig unmischbaren Flüssigkeiten, das mindestens ein Koaleszierelement und mindestens ein Trennelement aufweist, bei dem das bzw die Koaleszierelement(e) ein poröses Material aufweist, das eine Oberflächenenergie (oder eine kritische Benetzungsoberflächenspannung) aufweist, die größer als die Oberflächenspannung der kontinuierlichen flüssigen Phase ist, jedoch kleiner als die Oberflächenspannung der diskontinuierlichen flüssigen Phase.

Vorzugsweise weist das Material, das den Phasentrennbereich des Koaleszers bildet, eine fasrige Konfiguration auf.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Trennen einer diskontinuierlichen Phasenflüssigkeit, wie z. B. Wasser, aus einer kontinuierlichen Phasenflüssigkeit, insbesondere eine organische Flüssigkeit, wie z. B. ein Brennstoff. Das Verfahren schließt ein Einführen eines Gemisches der diskontinuierlichen und der kontinuierlichen Phasenflüssigkeit in mindestens ein Koaleszierelement ein, das ein Packungsmaterial mit einer kritischen Benetzungsoberflächenenergie aufweist, die zwischen der kritischen Benetzungsoberflächenspannung der diskontinuierlichen und der kontinuierlichen Phasenflüssigkeit liegt, um Tröpfchen der diskontinuierlichen Phase zu bilden. Danach werden das Gemisch der kontinuierlichen Phasenflüssigkeit und der Tröpfchen der diskontinuierlichen Phasenflüssigkeit zu mindestens einem Trennelement geleitet, das einen Durchgang der kontinuierlichen Phasenflüssigkeit zuläßt, jedoch im wesentlichen einem Durchgang der diskontinuierlichen Phasenflüssigkeitströpfchen widersteht oder ihn verhindert, wodurch die kontinuierliche Phasenflüssigkeit von den Tröpfchen der diskontinuierlichen Phasenflüssigkeit getrennt wird.

1 veranschaulicht einen Aufrißschnittansicht mit einem teilweisen Freischnitt eines konventionellen Koaleszer-Separator-Flüssigkeitstrennsystem.

2 zeigt eine Draufsicht des Inneren eines konventionellen Koaleszer-Separator-Flüssigkeitstrennsystems mit einer Vielzahl von Trennelementen und einer Vielzahl von Koaleszerelementen.

3a stellt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar, in dem Koaleszerelemente über Trennelementen angeordnet sind.

3b ist eine Schnittansicht des Ausführungsbeispiels von 3a entlang der Linie III-III.

4 stellt ein weiteres Trennsystem dar, bei dem Trennelemente über Koaleszerelementen angeordnet sind.

Wie oben angedeutet, ist die vorliegende Erfindung auf ein Koaleszier- und Trennsystem für eine unmischbare Flüssigkeit/Flüssigkeit gerichtet, das im Vergleich mit konventionellen Flüssigkeits-Koaleszier-Trenn-Systemen eine längere nutzbare Lebensdauer der Koaleszerelemente schafft, als eine kleinere Einheit als ein ähnliches konventionelles System einer vergleichbaren Kapazität und Leistungsfähigkeit ausgebildet sein kann und wegen der Anordnung der Elemente zu einer verbesserten Strömungsverteilung führt, die effektiver beim Trennen von Flüssigkeitskomponenten ist.

Beim Beschreiben der vorliegenden Erfindung sind Begriffe wie z. B. "Koaleszer", "koaleszierendes Element", "koaleszierende Einheit" und ähnliche Begriffe sowohl im Singular als auch im Plural verwendet worden, um die Vorrichtung oder den Gegenstand zu beschreiben, der die diskontinuierliche oder mehrfachgeteilte Phase eines Gemisches von unmischbaren Flüssigkeiten koalesziert, um Tröpfchen zu bilden. Unabhängig von dem verwendeten Begriff tritt der koaleszierende Schritt, der eine derartige Vorrichtung anwendet in derselben Art und Weise auf. Während der Begriff "Koaleszer" als ein allgemeiner Begriff eine der artige Vorrichtung beschreibt und der Begriff "koaleszierendes Element" eine Komponenteneinheit oder eine Patrone eines Systems beschreibt, das mehrere koaleszierende und trennende Einheiten enthält, kann die vorliegende Erfindung aufgefaßt werden als eine, die für eine Vielzahl derartiger Einheiten nur eine Koaleszereinheit in einem Koaleszer-Trennsystem enthält. Außerdem können derartige Koalesziereinheiten befestigt und nicht entfernbar sein (ohne einen signifikanten Schaden dem System zuzufügen), oder können vorzugsweise leicht entfernbare und ersetzbare Elemente enthalten. In einer ähnlichen Art und Weise haben Begriffe wie z. B. "Separator", "separierendes bzw. Trennelement", "Separator- bzw. Trenneinheiten" und ähnliche Begriffe Bedeutungen, die einander ähnlich sind, und zwar wie jene, die sich auf Koaleszer, wie oben beschrieben, beziehen.

Wenn eine Flüssigkeit in Kontakt mit der stromaufwärtigen Oberfläche eines porösen Mediums kommt und eine kleine Druckdifferenz angelegt wird, kann eine Strömung in und durch das poröse Medium auftreten oder auch nicht. Ein Zustand, bei der keine Strömung auftritt, ist der, bei dem die Flüssigkeit das Material nicht benetzt, aus dem die poröse Struktur hergestellt ist.

Eine Reihe von Flüssigkeiten kann erzeugt werden, jeweils mit einer Oberflächenspannung von etwa 3 dyn/em höher im Vergleich mit der vorhergehenden. Ein Tropfen von jeder Flüssigkeit kann dann auf einer porösen Oberfläche angeordnet und beobachtet werden, um zu bestimmen, ob er rasch absorbiert wird oder auf der Oberfläche verbleibt. Wendet man z. B. diese Technik auf ein poröses 0,2 μm Polytetrafluorethylen-(PTFE)-Filterblatt an, so beobachtet man ein sofortiges Benetzen bei einer Flüssigkeit mit einer Oberflächenspannung von 26 dyn/cm. Die Struktur bleibt jedoch unbenetzt, wenn eine Flüssigkeit mit einer Oberflächenspannung von 29 dyn/cm angewendet wird.

Ein ähnliches Verhalten wird für poröse Medien beobachtet, die unter Verwendung anderer synthetischer Harze hergestellt wurden, wobei die Benetzungs-/Unbenetzungswerte prinzipiell abhängig von den Oberflächencharakteristiken des Materials sind, aus dem das poröse Medium hergestellt ist, und zweitens von den Porengrößencharakteristiken des porösen Mediums. Zum Beispiel wurden fasrige Polyester, speziell Polybutylenterephthalat-(hier nachfolgend "PBT" genannt)-Blätter, die Porendurchmesser kleiner als etwa 20 μm aufwiesen, durch eine Flüssigkeit mit einer Oberflächenspannung von 50 dyn/cm benetzt, sie wurden jedoch durch eine Flüssigkeit mit einer Oberflächenspannung von 54 dyn/cm nicht benetzt.

Um dieses Verhalten eines porösen Mediums zu charakterisieren, ist der Begriff "kritische Benetzungsoberflächenspannung" (CWST = Critical Wetting Surface Tension), wie oben beschrieben, definiert worden. Die CWST eines porösen Mediums kann bestimmt werden, indem individuell auf seine Oberfläche, vorzugsweise tropfenweise, eine Reihe von Flüssigkeiten mit Oberflächenspannungen aufgebracht werden, die um 2 bis 4 dyn/cm variieren, und durch Beobachten der Absorption oder Nicht-Absorption jeder Flüssigkeit. Die CWST eines porösen Mediums und zwar in Einheiten von dyn/cm, wird definiert als der Mittelwert der Oberflächenspannung der Flüssigkeit, die absorbiert wird, und der einer Flüssigkeit mit benachbarter Oberflächenspannung, die nicht absorbiert wird. Somit sind die CWST-Werte in den Beispielen der zwei vorhergehenden Absätze 27,5 bzw 52 dyn/cm.

Beim Messen der CWST wurde eine Reihe von Standardflüssigkeiten zum Testen mit Oberflächenspannungen erzeugt, die in einer sequenziellen Art um etwa 2 bis 4 dyn/cm variierten. 10 Tropfen von jeder der mindestens zwei Standardflüssigkeiten mit sequentieller Oberflächenspannung werden unabhängig auf entsprechenden Abschnitten des porösen Mediums angeordnet, und man läßt sie 10 Minuten lang dort stehen. Nach 10 Minuten wird die Beobachtung durchgeführt. Benetzen wird definiert als Absorption in oder offensichtliches Benetzen des porösen Mediums durch mindestens 9 der 10 Tropfen innerhalb von 10 Minuten. Nicht-Benetzen wird definiert durch Nicht-Absorption oder Nicht-Benetzen von mindestens 9 der 10 Tropfen in 10 Minuten. Der Test wird fortgesetzt, indem Flüssigkeiten von nachfolgend höherer oder niedriger Oberflächenspannung verwendet werden, bis ein Paar identifiziert worden ist, von denen eins benetzend und eins nicht-benetzend ist, die in der Oberflächenspannung am dichtesten beabstandet sind. Die CWST ist dann innerhalb dieses Bereiches, und aus Zweckmäßigkeitsgründen wird der Mittelwert der zwei Oberflächenspannungen als eine einzige Zahl verwendet, um die CWST zu spezifizieren.

Geeignete Lösungen mit einer variierenden Oberflächenspannung können in einer Vielzahl von Arten hergestellt werden, die bei der Entwicklung des hier beschriebenen Produktes verwendet wurden, waren jedoch: TABELLE 1

Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf ein Koaleszier-Trennsystem gerichtet, das sowohl eine Koaleszierbaugruppe, die mindestenps ein Koaleszierelement einschließt, als auch eine Trennbaugruppe aufweist, die mindestens ein Trennelement aufweist, in der die Koaliszierbaugruppe oder das -Element bezüglich der Separierbaugruppe oder des -Elementes in einer gestapelten oder übereinander angeordneten Beziehung ist. Wenn zylindrische Koaleszier- und Trennelemente angewendet werden, sind die Achsen der zylindrischen Elemente im wesentlichen vertikal angeordnet. In ihrer einfachsten Form kann die vorliegende Erfindung ein einziges koaleszierendes Element oder einen Koaleszer und ein einziges Trennelement oder einen Separator einschließen. Diese Anordnung könnte für Koaleszer und Separatoren verwendet werden, die aus irgendeinem geeigneten Medium ausgebildet sind, wobei die Medien in irgendeiner geeigneten Konfiguration angeordnet sind. In seiner einfachsten Form kann das Medium, das als der Koaleszer dient, in Blattform vorgesehen sein und in naher, jedoch beabstandeter Beziehung zu dem Separator angeordnet sein, der auch in Blattform sein kann. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel kann sowohl das Koaliszierelement als auch das Trennelement, und zwar unabhängig voneinander, entweder als flache Blätter oder als gefaltete oder gewellte Blätter ausgebildet sein, bei denen die Spitzen und Täler jedes Blattes in Ebenen liegen, die parallel zueinander sind. Die bevorzugte Konfiguration des Koaleszers und des Separators ist zylindrisch, bei denen der funktionelle Abschnitt des Koaleszers und des Separators (d.h. der Abschnitt des Koaleszers oder des Separators führt die Koaleszier- beziehungsweise Trennfunktion aus) in unabhängiger Weise als ein Zylinder um die Achse des Elementes ausgebildet ist. In jedem Fall kann der funktionelle Abschnitt des Elementes als ein zylindrisches Blatt oder eine zylindrische Matte, ein zylindrisches gefaltetes Blatt oder eine zylindrische gefaltete Matte oder ein schraubenförmig oder spiralförmig gewickeltes Blatt oder eine schraubenförmig oder spiralförmig gewickelte Matte sein, wobei letztere insbesondere zu Koaleszern gehören. Im Fall von Separatoren kann der funktionelle Abschnitt des Elementes eine Bahn oder vorzugsweise ein Sieb sein.

Die Koaleszer und Separatoren oder Koaleszer- und Trennelemente der vorliegenden Erfindung können als eine einzige Einheit mit einer oder mehreren Koaleszierstufen oder Abschnitten und einer oder mehreren Trennstufen oder Abschnitten hergestellt sein. Am bevorzugtesten sind die Koaleszier- und Trennelemente als separate Einheiten hergestellt und montiert. In der Praxis erlaubt dies eine Entfernung und einen Ersatz der separaten Elemente.

3a stellt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar, bei dem eine Vielzahl von Koaleszierelementen 20 individuell über einer Vielzahl von Trennelementen 30 angeordnet ist. Die Koaleszierelemente 20 und die Trennelemente 30, die in dem Ausführungsbeispiel von 3a dargestellt sind, sind innerhalb des Gehäuses 12 angeordnet. Ein Flüssigkeitseinlaß ist in einer Wand des Gehäuses zum Einführen von Flüssigkeit vorgesehen, und zwar bei diesem Ausführungsbeispiel über den Koaleszerelementen. Flüssigkeitseinlässe 18 sind in dem oberen Ende jedes zylindrischen Koaleszerelementes 20 zum Einführen einer ver schmutzten Flüssigkeit dort hinein vorgesehen. Jedes Koaleszerelement hat eine Packung, die die zylindrische Wand 22 des Koaleszerelementes definiert. Die Packung enthält ein Material, das eine kritische Benetzungsoberflächenenergie aufweist, die zwischen den Oberflächenspannungen der Flüssigkeiten liegt, die die kontinuierliche und diskontinuierliche Phasen bilden.

In einer ähnlichen Art weist jedes Trennelement eine perforierte Wand 32 auf, die aus einem Material gebildet ist, oder eine äußere Oberflächenbeschichtung davon aufweist, das eine Flüssigkeit der diskontinuierlichen Phase abstößt (oder durch sie nicht benetzt wird), das als "das diskontinuierliche Phasen-Barrierematerial" bezeichnet wird. ein derartiges Material sollte nicht mit irgendeiner Flüssigkeit oder einer anderen Substanz, die in dem Gemisch von unmischbaren Flüssigkeiten vorhanden ist, reagieren. Wenn ein derartiges Material als Beschichtung auf der Wand des Separators verwendet wird, sollte es im wesentlichen darauf immobilisiert bleiben. Typischerweise wird die kritische Benetzungsoberflächenenergie dieses Materials so ausgewählt, daß ein Durchgang der Flüssigkeit, die die kontinuierliche Phase darstellt, durch die kleinen Poren des Materials, das die Wand des Trennelementes definiert, zugelassen wird, und wenn der Separator ein zylindrisches Element ist, wie in 3a gezeigt, daß dadurch ein Eintritt von dieser Flüssigkeit zu dem Separator zugelassen wird, daß jedoch ein Eintritt der Flüssigkeit, die die diskontiunierliche Phase bildet, zurückgestoßen oder verhindert wird. Zum Beispiel werden bei Systemen, bei denen Wasser die diskontinuierliche Phase ist, Materialien als die Wand des Separators ausgewählt oder auf der Wand beschichtet, die eine kritische Oberflächenenergie oder eine CWST unter der Oberflächenspannung von Wasser haben. Bei Anwendungen, bei denen Wasser oder eine Flüssigkeit mit einer ähnlichen Oberflächenspannung die diskontinuierliche Phase dar stellt, schließen Materialien, die für eine Anwendung als das diskontinuierliche Phasenbarrierematerial zum Bilden der Trennelementwand oder ihrem Beschichten bevorzugt sind, Silikone ein, wie z.B. silikonbehandeltes Papier, und vorzugsweise Fluorpolymermaterialien, von denen Fluorkohlenwasserstoffe oder Perfluorkohlenwasserstoffe oder Perfluoroharze besonders bevorzugt sind. Beispiele von bevorzugten Materialien zur Verwendung als die Packung oder Beschichtung in dem Separator stellen Polytetrafluoroethylen (PTFE) oder andere polyfluorinierte Polymere dar, wie z.B. fluorinierte Ethylenpropylen-(FEP)-Harze.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel weist eine Beschichtung von einem dieser Materialien auf einem nicht-rostenden Stahlsieb oder einer gefalteten Papierpackung auf. Andere geeignete Materialien umfassen jene, die in dem an Miller et al. ausgegebenen U.S.-Patent 4,759,782 beschrieben sind, die hier unter Bezugnahme speziell eingearbeitet wurde. Im allgemeinen wird der funktionelle Abschnitt oder der Abschnitt des diskontinuierlichen Barrierematerials, der auch der kontinuierliche Phasenflüssigkeits-durchgehende Abschnitt ist, des Separators so ausgewählt, daß er Poren aufweist, die kleiner als eine wesentliche Größe der Tröpfchen der Flüssigkeit sind, die ursprünglich die diskontinuierliche Phase bildete. Typischerweise wird die Porengröße des funktionellen Teils der Separatorwand so ausgewählt, daß sie etwa 5μm bis etwa 140μm, vorzugsweise etwa 40μm bis etwa 100μm ist. Am bevorzugtesten und insbesondere, wenn die diskontinuierliche Phase Wasser ist, ist die Porengröße etwa 80μm.

Andere Medien, die zur Verwendung als der funktionelle Abschnitt oder der Abschnitt des diskontinuierlichen Phasenbarrierematerials des Trennelementes geeignet sind, sind poröse, fasrige Fluorkohlenwasserstoff-Strukturen des in dem U.S.-Patent 4,716,074 von Hurley et al. beschriebenen Typs, das unter Bezugnahme hier speziell eingearbeitet wurde. Derartige Materialien sind poröse fasrige Strukturen mit einer guten strukturellen Integrität, die Fluorkohlenwasserstoff-Polymerfasern und ein Fluorkohlenwasserstoffbinder einschließen. Derartige Medien sind bei einer Eignung zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung hauptsächlich als Stütz- und Ablaßschichten in Filtrationspatronen vorgesehen.

Obwohl sie gewisse Ähnlichkeiten bezüglich der durch Hurley et al beschriebenen Strukturen im Hinblick auf Aufbau und Herstellung aufweisen, ist das am meisten in der vorliegenden Erfindung bevorzugte Medium eine kalandrierte poröse fasrige Fluorkohlenwasserstoffstruktur, die PTFE-Fasern in einem Fluorkohlenwasserstoffbinder, vorzugsweise einem FEP-Binder aufweist. Die verwendeten Fasern sind gebleichte und wassergewaschene PTFE-Fasern mit Durchmessern im Bereich von bis zu etwa 70μm, vorzugsweise von 54 bis etwa 70μm. Am bevorzugtesten sind PTFE-Fasern mit einem nominellen Durchmesser von etwa 65μm. Dieses Material wird so hergestellt, daß man ein Blattgewicht von etwa 15 bis etwa 35g/ft², vorzugsweise etwa 15 bis etwa 25g/ft² hat. Am bevorzugtesten ist ein Medium mit einem Blattgewicht von etwa 21,5g/ft².

Obwohl Ähnlichkeiten in sowohl in der Herstellung als auch dem Aufbau zwischen den verwendeten bevorzugten porösen, fasrigen Fluorkohlenwasserstoffmedien als das diskontinuierliche Phasenbarrierematerial der vorliegenden Erfindung und den Medien existieren, die in dem U.S.-Patent Nr. 4,716,074 beschrieben sind, existieren, wie oben angedeutet, Hauptunterschiede auch zwischen diesen Materialien. Somit wird das Material, das am bevorzugtesten bei der gegenständlichen Anwendung ist, auf eine Dicke von etwa 50 bis etwa 90%, vorzugsweise etwa 75% seiner ursprünglichen Dicke kalandriert. Ein derartiges Kalandrieren gibt sowohl ΔP als auch die Blasenpunkte der Medien an und erzeugt ein effizienteres Trennmedium, das eine im wesentlichen gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit senkrecht zu und in Kontakt mit allen Bereichen der stromaufwärtigen Oberfläche erzielt. Demgegenüber weist ein nicht-kalandriertes Material sowohl eine hohe Querströmung (Bewegung oder Diffussion in einer Kanten-zu-Kanten-Richtung anstelle einer Oberflächen-zu-Oberflächen-Richtung) als auch einen im wesentlichen nicht wahrnehmbaren Widerstand gegenüber der Fluidströmung in einer Stromaufwärts-zu-Stromabwärts-Richtung durch das Medium. Durch derartige Medien hindurchgehende Fluide nehmen im wesentlichen den Weg des geringsten Widerstandes und können nicht alle Bereiche des Mediums kontaktieren. Somit schafft der Prozeß des Kalandrierens des Mediums die für das Medium der vorliegenden Erfindung wünschenswerten Eigenschaften, während es ein derartiges Medium als eine Stütz- und Ablaßschicht im wesentlichen ungeeignet macht. In ähnlicher Weise ist ein Material, das eine gute Eignungsfähigkeit als eine Stütz- und Ablaßschicht demonstriert, häufig nicht besonders wirksam als ein diskontinuierliches Phasenbarrierematerial.

Dieses bevorzugte Medium, das eine mittlere Dicke vor dem Kalandrieren von etwa 0,015 bis etwa 0,025 Inch, vorzugsweise etwa 0,018 bis etwa 0,022 Inch und am bevorzugtesten etwa 0,019 Inch aufweist, wird auf eine Dicke von etwa 0,004 bis etwa 0,009 Inch, vorzugsweise etwa 0,005 bis etwa 0,007 Inch und am bevorzugtesten auf etwa 0,006 Inch kalandriert. Das Kalandrieren wird bei Umgebungstemperatur unter einem Druck ausgeführt, der geeignet ist, ein Zusammendrücken und eine Reduzierung in der Dicke zu erzielen, um den gewünschten ΔP und Blasenpunkt zu erzeugen. Das kalandrierte Produkt hat einen ersten Blasenpunkt (der die Größe der größten Pore reflektiert) der in Ethylalkohol von etwa 0,5 bis etwa 4 Inch Wassersäule (etwa 1,3 bis etwa 10,2 cm Wassersäule) vorzugsweise etwa 2 bis etwa 3,5 Inch Wassersäule (etwa 5,1 bis 8,9 cm Wassersäule), vorzugsweise etwa 2,75 Inch Wassersäule (etwa 7 cm) gemessen wurde. Das kalandrierte Medium hat auch einen mittleren Porenblasenpunkt, der in Ethylalkohol von etwa 2 bis etwa 10 Inch Wassersäule (etwa 5,1 bis etwa 25,4 cm Wassersäule), vorzugsweise etwa 3,5 bis etwa 6 Inch Wassersäule (etwa 8,9 bis etwa 15,2 cm) gemessen wurde. Am bevorzugtesten ist der mittlere Porenblasenpunkt etwa 4,5 Inch Wassersäule (11,4 cm). Das kalandrierte Blatt von PTFE Fasern, das mit einem FEP-Binder gebunden wurde, hat einen Druckverlust über das Medium (ΔP), wie er mit einer Flächengeschwindigkeit von Luft bei 28 ft/min gemessen wurde, von etwa 0,5 bis etwa 12 Inch Wassersäule (etwa 28 bis etwa 1,17 Frazier-Zahl oder etwa 1,3 bis etwa 1,3 bis etwa 30,5 cm Wassersäule), vorzugsweise etwa 1 bis etwa 5 Inch Wassersäule (etwa 14 bis etwa 2,8 Frazier-Zahl oder etwa 7,6 is etwa 12,7 cm Wassersäule) und am bevorzugtesten 1,4 Inch Wassersäule (etwa 10 Frazier-Zahl oder etwa 3,5 cm Wassersäule).

Nach einem Hindurchleiten in den Separator 30 durch die Wand 32 in einer Richtung von außen nach innen gelangt die die kontinuierliche Phase bildende Flüssigkeit aus dem Separtorauslaß 28 heraus und in die Auslaßkammer 26 hinein. Danach gelangt die Flüssigkeit, die ursprünglich die kontinuierliche Phase gebildet hat, aus der Vorrichtung durch den Auslaß 24 heraus. Die Flüssigkeit, die die diskontinuierliche Phase in dem ursprünglichen Flüssigkeitsgemisch gebildet hat, sammelt sich an dem Boden oder der Basis 36 und wird aus der Vorrichtung durch den diskontinuierlichen Phasenauslaß oder Ablaß 34 entfernt.

Im Betrieb wird ein Gemisch von nicht-mischbaren Flüssigkeiten in das Gehäuse 12 durch den Einlaß 14 für eine unmischbare Flüssigkeit eingeführt. Nach einem Eintreten in das Gehäuse strömt das Gemisch in die Richtung der in den 3a und 4 gezeigten Pfeile. Flüssigkeit strömt nämlich in jedes Koaleszierelement durch den Einlaßabschnitt 18 in einer der Endkappen, und, da die andere Endkappe die Einheit vollständig abdichtet, strömt Flüssigkeit durch die poröse Packung, die die Wand 22 jedes Koaleszierelementes bildet. Jedes Koaleszierelement ist in einer festen Position bezüglich eines anderen benachbarten Koaleszierelementes und/oder der Gehäusewand. Das kann durch eine spezielle Anordnungs- und/oder Befestigungsvorrichtung (nicht gezeigt) oder, in alternativer Weise mindestens zum Teil durch Verwenden von Flüssigkeitsbarrieren 38a, die zwischen Elementen angeordnet sind, oder durch Flüssigkeitsbarrieren 38b erreicht werden, die zwischen Elementen und der inneren Wand angeordnet sind. Diese Barrieren können in separaten Abschnitten oder als eine einzige Einheit ausgebildet sein. Diese Flüssigkeitsbarrieren wirken hauptsächlich als flüssigkeitsabdichtende Elemente und sichern, daß die Flüssigkeit, die in das Gehäuse unter der Schwerkraft oder durch einen zusätzlichen Druck strömt, nur zu dem Boden des Gehäuses strömen kann, und zwar indem sie zuerst in den Einlaßabschnitt 18 jedes der Koaleszierelemente eintritt und durch die Wände der Koaleszierelemente strömt. Nach einem Hindurchgehen durch die Wand des Koaleszierelementes in einer Richtung von innen nach außen strömt die Flüssigkeit in jedes Trennelement durch einen Wandabschnitt 32 in eine Richtung von außen nach innen. Infolge des Aufbaus, aus dem die äußere Wand des Trennelementes ausgebildet ist, oder auf der ein Überzug angeordnet ist, strömt nur die kontinuierliche Phase in das Trennelement, was viele der Tropfen der diskontinuierlichen Phasenflüssigkeit zurückläßt, die durch das Koaleszierelement gebildet werden, um zu der Trennung oder Boden 36 zu fallen, der zwischen und unter den Trennelementen (in dem Ausführungsbeispiel in 3a gezeigt) angeordnet ist. Diese Flüssigkeit wird dann aus dem Gehäuse durch den diskontinuierlichen Phasenauslaß oder den Ablaß 34 entfernt. Die kontinuierliche Phasenflüssigkeit gelangt aus jedem Trennelement heraus durch den Auslaß 28 in die Auslaßkammer 26, wo sie von dem Gehäuse durch den kontinuierlichen Phasenauslaß 24 strömt.

Die 3a und 3b veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das eine Anordnung von sieben Flüssigkeits-Koaleszierelementen aufweist, die übereinander in einer Anordnung von sieben Flüssigkeitsseparatoren angeordnet sind. Während das ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel und eine bevorzugte Ausführungsform ist, ist die vorliegende Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt, und andere Ausführungsbeispiele und Variationen sind möglich. Die besondere Anzahl und Anordnung von Trenn- und Koaleszierelementen hängt von dem speziellen zu trennenden Gemisch ab. Die in 3a gezeigte Anordnung ist am besten geeignet und ist bevorzugt für unmischbare Flüssigkeitsgemische, in denen die diskontinuierliche Phase dichter ist als die kontinuierliche Phase, wie z. B. ein Gemisch, bei dem Wasser in einen Brennstoff auf der Basis von Erdöl suspendiert ist. Bei einer derartigen Situation würde die dichte diskontinuierliche Phase dazu neigen, sich in die Richtung der Trennelemente 30 nach einem Hindurchgehen durch die Koaleszierelemente 20 zu bewegen. Wenn die diskontinuierliche Phase weniger dicht als die kontinuierliche Phase ist, z.B. bei in CCl₄ suspendiertem Wasser, ist es bevorzugt, Trennelemente über Koaleszierelementen anzuordnen. Ein Ausführungsbeispiel, wie z.B. dieses, ist in 4 dargestellt. Während das zuvor Genannte bevorzugte Anordnungen darstellt, wo die diskontinuierliche Phase bei sehr niedrigen Einlaßkonzentrationen vorhanden ist, z. B. Konzentrationen von etwa bis zu 0,02, ist gezeigt worden, daß die umgekehrte Orientierung von 4 relativ effektiv ist, selbst wenn die diskontinuierliche Phase dichter ist. Außerdem kann anstelle eines einzigen Koaleszierelementes, das in einer übereinander angeordneten Beziehung bezüglich jedes Trennelementes angeordnet ist, eine Koaleszieranordnung, die aus einer Vielzahl von Koaleszierelementen besteht, übereinander in Reihe bezüglich jedes Trennelementes angeordnet sein.

Die Reihenbeziehung könnte eine Vielzahl von Formen annehmen. In diesen Ausführungsbeispielen, bei denen eine Vielzahl von Koaleszierelementen für jedes angewendete Trennelement verwendet wird und mehr als ein Trennelement verwendet werden kann, sind die Koaleszierelemente z.B. innerhalb einer Anordnung angeordnet, und zwar in paralleler Beziehung zueinander und gruppenmäßig in Reihe und einer übereinander angeordneten Beziehung bezüglich des einen oder der mehreren angewendeten Trennelemente. Bei dieser Anordnung wäre ein parallel zueinander angeordneter Stapel von Koaleszierelementen über oder unter einem oder mehreren Trennelementen angeordnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine derartige Anordnung nicht benötigt, obwohl ein Koaleszierelement koaxial bezüglich jedes angewendeten Trennelementes angeordnet sein kann.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die Koaleszier(C)- und die Trenn(S)-Elemente in wechselnden Reihen und vorzugsweise koaxial in einer Kopf-Schwanz-Anordnung (d.h. C-S-C-S) angeordnet. Eine derartige Anordnung könnte bei Gemischen verwendet werden, die schwierig zu trennen sind. Bei einer derartigen Anordnung wird die Flüssigkeit, die ursprünglich in der diskontinuierlichen Phase vorhanden war, die nicht ausreichend koalesziert wurde, um durch die Wände des Separators zurückgestoßen zu werden, zu dem nächsten Koaleszor in der Reihe weitergeleitet, deren Flüssigkeitströpfchen aus der diskontinuierlichen Flüssigkeit gebildet wurden, die in Größe nach einem Hindurchgehen durch jede nacheinanderfolgende Stufe wachsen.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, einem, das bevorzugt wird, ist eine Koaleszieranordnung aus einer Vielzahl von Koaleszierelementen aufgebaut, die in einer übereinander angeordneten, gestapelten und koaxialen Anordnung in Reihe zueinander angeordnet sind und gruppenförmig in Reihe mit einem Trennelement angeordnet sind ( z.B. C-C-C-S). Weitere Details einer derartigen Anordnung sind nachfolgend angedeutet.

Während 3b sechs übereinander angeordnete Koaleszier-Trennelemente zeigt, die radial um ein zentrales Trenn-Koaleszierelement angeordnet sind, kann die Anzahl von radial angeordneten Trenn- und Koaleszierelementen in übereinander angeordneter Beziehung erhöht oder verringert werden, und zwar genauso wie die zentral angeordneten Trenn- und Koaleszierelemente. Obwohl die radial angeordneten Elemente zu der kompaktesten Flüssigkeitsreinigungsvorrichtung mit der besten Strömungsverteilung führt, können andere Anordnungen, wie z.B. eine lineare oder rechtwinklige Anordnung für spezielle Zwecke verwendet werden.

In diesen Fällen, bei denen die Koaleszier- und Trennelemente als separate Einheiten hergestellt sind, können die Blind- oder geschlossenen Endkappen der Koaleszier- und Trennelemente so ausgelegt sein, daß sie miteinander verriegelt sind. In alternativer Weise können Einrichtungen zum Anordnen jedes Elementes innerhalb des Gehäuses derart vorgesehen sein, daß sie in übereinander angeordneten Positionen bleiben. Wenn eine Vielzahl von Koaleszierelementen für jedes verwendete Trennelement angewendet wird, können die Koaleszierelemente in Reihen zueinander angeordnet werden (C-C-C-S), vorzugsweise in einer gestapelten oder übereinander angeordneten Anordnung. Bei einer derartigen Anordnung können die Koaleszierelemente in einer Reihe von Arten untereinander verbunden sein. Zum Beispiel können die Koaleszierelemente, die zuerst das eintretende Gemisch von unmischbaren Flüssigkeiten aufnehmen, mit nachfolgenden stromabwärtigen Koaleszierelementen in einer Kopf-Schwanz-Anordnung durch Leitungen verbunden werden, die einen Auslaßabschnitt jedes Koaleszierelementes (was sich von den Blindendkappen der Koaleszierelemente der 3a und 4 darin unterscheidet, daß sie Fluidauslässe in den stromabwärtigen Endkappen aufweisen) mit dem nächsten stromabwärtigen Element verbinden. Bei einer derartigen Anordnung wäre das Auslaßende jeder Leitung mit dem Einlaßabschnitt des Koaleszierelementes, das am nächsten in Reihe angeordnet ist, verbunden sein, und alle Koaleszierelemente in Reihe würden sowohl Einlaß- als auch Auslaßabschnitte haben, jedoch mit der Ausnahme der letzten Koaleszierelemente in jeder Reihe, die in einer gestapelten Beziehung bezüglich der Trennelemente angeordnet sind, und würden nur einen Fluideinlaß haben. Diese letzten oder Koaleszierelemente am Ende der Reihe würden im wesentlichen so sein, wie in 3a gezeigt, mit einer Endkappe mit einem Einlaß und einer Blind- oder abgedichteten Endkappe an dem anderen Ende des Koaleszierelementes. In einer alternativen Anordnung kann anstelle der Verwendung von Leitungen zwischen nacheinander folgenden Koaleszierelementen der Fluidauslaßabschnitt eines Koaleszierelementes so aufgebaut sein, daß er den Einlaßabschnitt des stromabwärtigen Koaleszierelementes in dichtender Weise ergreift.

In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei dem eine Vielzahl von Koaleszierelementen für jedes Trennelement verwendet wird, könnten die Koaleszierelemente, entweder individuell oder als Anordnungen einer Vielzahl von Koaleszierelementen, übereinander in Reihe, vorzugsweise gestapelt, jedoch voneinander beabstandet angeordnet sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel würden alle Koaleszierelemente Einlaßabschnitte 18 und Blindendkappen an dem gegenüberliegenden Ende jedes Elementes aufweisen, und zwar derart, wie die in den 3a und 4 gezeigte. Anstelle daß eine Strömung kontinuierlich von einem Koaleszierelement zu dem nächsten stromabwärtigen Koaleszierelement in der Reihe durch die Mitte jedes Elementes und heraus durch die Packung strömt, die die Wände des letzten Koaleszierelementes definiert, wie bei dem unnmittelbar zuvor diskutierten Ausführungsbeispiel, könnte jedes Koaleszierelement mit einer geschlossenen oder abgedichteten Endkappe versehen sein, und eine Flüssigkeit würde nur heraus durch die Wände jedes Koaleszierelementes und in den Einlaßabschnitt des nächsten nacheinander folgenden stromabwärtigen Koaleszierelementes strömen. In einem solchen Fall wäre es bevorzugt, mehrfache Barrieren zu verwenden, wie z.B. 38a und 38b, um jedes nacheinander folgende Koaleszierelement oder einen Stapel von Koaleszierelementen zu trennen, um eine Flüssigkeitsströmung, die durch die Wände des Koaleszierelementes in diesem Stapel oder der Anordnung hindurchgeht, zum Einlaß des Koaleszierelementes in dem nächsten stromabwärtigen Stapel zu richten.

3a stellt eine Vorrichtung dar, bei der der Flüssigkeitsgemischeinlaß 14 in der Wand des Gehäuses unmittelbar über den Koaleszerelementen angeordnet ist, während der Auslaß 24 für die gereinigte kontinuierliche Phasenflüssigkeit in dem Boden des Gehäuses angeordnet ist, der mit der Auslaßkammer 26 in Verbindung steht. Obwohl dies bevorzugte Anordnungen sind, können die Einlässe und die Auslässe irgendwo in dem Gehäuse angeordnet werden. Zum Beispiel kann bei der in 3a gezeigten Ausführungsform der Einlaß 14 im Oberteil des Gehäuses 38 angeordnet sein, während der Flüssigkeitsauslaß 24 in der Wand des Gehäuses angeordnet sein könnte. Im letzteren Fall hätte die Vorrichtung vorzugsweise einen flachen Boden anstelle des sphärischen Bodens, der in 3a dargestellt ist, und der Auslaß 24 würde dicht an der Basis der Vorrichtung angeordnet sein. In Trennsystemen bei denen die Trennelemente wie in 4 über den Koaleszierelementen angeordnet sind, können die relativen Positionen der Einlässe und der Auslässe von denen für das Ausführungsbeispiel gemäß 3a beschriebenen umgekehrt werden. Zum Beispiel ist der Flüssigkeitsgemischeinlaß 14 in dem unteren Teil des Gehäuses unter den Koaleszierelementen angeordnet, während der Auslaß 24 für die kontinuierliche Phasenflüssigkeit an dem oberen Teil des Gehäuses angeordnet ist.

Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, in denen die Koaleszierelemente und/oder Trennelemente für eine leichte Entfernung aus der Vorrichtung zum Ersetzen oder Regenerieren vorgesehen sind, ist das Gehäuse derart ausgelegt, daß entweder das Oberteil oder das Unterteil des Gehäuses entfernbar ist. Da am häufigsten die Koaleszierelemente ausgebaut und ersetzt werden, weist das bevorzugte System für den Typ des in 3a dargestellten Ausführungsbeispiels, bei dem Koaleszierelemente über Trennelementen angeordnet sind, ein Gehäuse mit einem entfernbaren Oberteil oder Deckelabschnitt 38 auf. Am bevorzugtesten ist, daß das Oberteil ein hochschwingender Deckel ist, das Oberteil könnte jedoch in alternativer Weise ein Gewinde oder Stifte zum Eingreifen in ein entsprechendes Gewinde oder einen Bajonettgrundabschnitt in der Gehäusewand 42 aufweisen oder könnte ein federbelasteter, gegenbelasteter, Scharnierdeckel sein, wie er durch Miller et al. in dem US. Patent 4,419,234 beschrieben ist. In diesen Systemen, in denen die Trennelemente über den Koaleszierelementen angeordnet sind, kann das Gehäuse so aufgebaut sein, daß es einen entfernbaren Boden aufweist.

In einigen Fällen kann eine unter Druck stehende Zufuhr verwendet werden. Demgemäß kann die Wand des Gehäuses mit Ablaßöffnungen und Überdruckventilen sowie Paßstücke für Einlaß- und Auslaß-Drucksensoren versehen sein.

Während in vielen Fällen eine Trennung durch Verwenden von Koaleszierelementen und Trennelementen in gleicher Anzahl erhalten werden kann, um eine möglichst kompakte Einheit mit dem kleinstmöglichen Gehäusevolumen zu schaffen, sowie eine adäquate Trennung und zufriedenstellende Kapazität im Hinblick auf die Strömungsraten, ist es, wie oben angegeben, in vielen Situationen wünschenswert, das Verhältnis der Anzahl von Koaleszierelementen der angewendeten Trennelemente zu erhöhen. Während er im wesentlichen der gleiche Parameter ist wie das Verhältnis von Koaleszierelementen zu Trennelementen in vielen Situationen, ist der passendere Parameter das Verhältnis der effektiven Oberflächenfläche der Koaleszierelemente zu der effektiven Oberflächenfläche der Trennelemente. Im gewissen Maße hängt dies von der Größe, der Form und der Konfiguration der funktionell effektiven Abschnitte der Koaleszier- und Trennelemente ab. In den meisten Situationen entspricht dies der ebenen Oberflächenfläche oder zylindrischen Oberflächenfläche (die Höhe × dem Umfang des funktionell effektiven Abschnittes), auch als die "vorstehende Oberflächenfläche" bekannt, des zylindrischen Elementes. Wenn ein gefaltetes Element entweder in dem Koaleszierelement oder dem Trennelement verwendet wird, ist die "effektive Oberflächenfläche" eine passendere Messung. Diese Messung der Oberflächenfläche weicht etwas von der Messung der Ebenen oder zylindrischen Oberflächenfläche ab, da sie die tatsächliche Fläche des Materials ist, wie sie gemessen wird. wenn die Faltungen oder Wellen entfernt werden und das Material ausgestreckt wird (oder die Höhe × der Anzahl Faltungen × der Tiefe der Falten × 2). Diese Messung der Oberflächenfläche ist größer als die zylindrische Oberflächenfläche. Das kann berücksichtigt werden beim Bestimmen der effektiven Oberflächenfläche.

In diesen Fällen, in denen die Größe, Form und Konfiguration von sowohl den Trennelementen als auch den Koaleszierelementen die gleichen sind, ist es nur notwendig, das Verhältnis der Oberflächenflächen als das Verhältnis der Anzahl von Einheiten auszudrücken. Wenn die Konfiguration und der Durchmesser von sowohl den Trennelementen als auch den Koaleszierelementen die gleichen sind, kann es in alternativer Weise nur notwendig sein, die Höhe des Koaleszierelementes mit der des Trennelementes zu vergleichen.

Wie oben vorgeschlagen, variiert das Verhältnis der effektiven Oberfläche des Koaleszier- oder koaleszierenden Elementes zu der des Trenn- oder trennenden Elementes mit der zu bewirkenden Trennung. Die zu berücksichtigenden Faktoren bei der Bestimmung des entsprechenden Verhältnisses sind die Natur der Flüssigkeiten, die die suspendierte oder diskontinuierliche Phase und die suspendierende oder kontinuierliche Phase bilden, die Natur der Packung und der diskontinuierlichen Phasenflüssigkeitsbarriere und das Volumen und/oder die Strömungsrate des Flüssigkeitsgemisches. Diese Faktoren berücksichtigen die chemischen und physikalischen Eigenschaften von sowohl den Flüssigkeiten als auch den gelösten Materialien (wie z.B. oberflächenaktive Substanzen) und den funktionellen Abschnitt der Koaleszier- und Trennelemente sowie ihre Wechselwirkung miteinander. Für die meisten Zwecke reicht dieses Verhältnis jedoch von etwa 0,25:1 bis etwa 10:1. Wenn Wasser die diskontinuierliche Phase bildet und die Flüssigkeit, die die kontinuierliche Phase bildet, eine hohe Viskosität aufweist, ist das Verhältnis vorzugsweise etwa 5:1 bis etwa 10:1. In alternativer Weise ist das Verhältnis vorzugsweise etwa 0,25:1 bis etwa 4:1, wenn die Flüssigkeit in der kontinuierlichen Phase eine niedrige Viskosität hat. Wie hier zur Diskussion der vorliegenden Erfindung verwendet, bedeutet, "hohe Viskosität" etwa 50 cp oder größer und "niedrige Viskosität" bezieht sich auf weniger als etwa 5 cp.

In der gestapelten Koaleszier-Trennanordnung der vorliegenden Erfindung, kann irgendeine Packung angewendet werden, um die Koaleszierwand auszubilden, durch die das unmischbare Gemisch von Flüssigkeiten hindurchgeht, das chemisch nicht mit irgendeiner Komponente des Flüssigkeitsgemisches reagiert oder irgendeine der Komponenten des Flüssigkeitsgemisches absorbiert. Typischerweise würde das Materialien, wie z.B. Glas, Kork und Nylon einschließen. Andere Materialien, wie z.B. die, die in dem US-Patent 3,266,442 von Pall et al. aufgeführt sind, das hier unter Bezugnahme spezifisch eingearbeitet wurde, könnten in der gestapelten Anordnung der vorliegenden Erfindung verwendet werden.

Ein besonderer Aspekt der vorliegenden Erfindung, die nicht auf die übereinander angeordnete Anordnung von Koaleszer und Separator beschränkt ist, die jedoch vorzugsweise damit verwendet wird, um noch weitere Vorteile zu schaffen, wird ein Packungsmaterial für den Koaleszer ausgewählt, das spezifische Oberflächenenergie-Eigenschaften aufweist.

In diesem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Packung unter Berücksichtigung des Gemisches von zu trennenden Flüssigkeiten ausgewählt. Insbesondere wird die Oberflächenenergie oder die CWST des Packungsmaterials so ausgewählt, daß sie kleiner als die Oberflachenspannung der diskontinuierlichen Phasenflüssigkeit ist und größer als die Oberflächenspannung der kontinuierlichen Phase. Geeignet zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung als Packungsmaterialien für das Koaleszierelement sind die mit einer Porengröße im Bereich von etwa 0,5 μm bis etwa 25 μm, vorzugsweise etwa 0,5 μm bis etwa 3 μm (insbesondere für Flüssigkeiten mit niedrigen IFT) und am bevorzugtesten etwa 3 μm. Das wird besonders bevorzugt als die Porengröße des bevorzugten Packungsmaterials, das nachfolgend diskutiert wird. Im allgemeinen kann die effektive Porengröße auf Basis der Beziehung μm = 50/B.P ausgewählt werden, wobei μm = die effektive Porengröße in μm ist und B.P = der Blasepunkt des offenen Endes des Materials in Inch Wassersäule ist, indem eine ethanol-enthaltende Flüssigkeit verwendet wird (die Konstante wird bestimmt zum Teil durch die Dicke und die Natur des verwendeten Materials und die Meßbedingungen und ist bekannt als der "Fangwirkungsgrad". Für das als die Packung in der vorliegenden Erfindung bevorzugte Material ist der Wert 50. Für Glasfaserpackungen wäre dieser Wert typischerweise 150). In vielen Situationen und insbesondere in jenen Situationen, bei denen Wasser als die diskontinuierliche Phase vorhanden ist, sind Polyester, insbesondere Polycarbonate als das Packungsmaterial bevorzugt. Unter den bevorzugten Polyestern sind Polyethylen Terephthalat und Polybutylen Terephthalat bevorzugt, wobei letzteres am bevorzugtesten ist. Wegen Kostenüberlegungen und dem Druckabfall über die Packung (ΔP) werden diese Materialien vorzugsweise in Faserform verwendet, obwohl in einigen Fällen Membranen verwendet werden können. Die Fasern können als gewebte Matten verwendet werden, nichtverwebte Matten werden im allgemeinen jedoch bevorzugt. Man hat gefunden, daß Materialien mit den oben beschriebenen, kritischen Benetzungsoberflächenspannungen und insbesondere Polyester viel weniger leicht entschärft werden als konventionelle Materialien, und ihre Verwendung führt zu einer ausgedehnten Lebensdauer für die Koaleszierelemente. Zusätzlich sind derartige Materialien wirksam beim Trennen von Flüssigkeiten mit sehr niedrigen IFT, typischerweise bei oder unter 20 dyn/cm und vorzugsweise unter 10 dyn/cm.

Als die bevorzugten fasrigen Matten, die als Packung in den Koaleszierelementen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, können Matten, die gleichmäßige Faserdurchmesser enthalten, sowie Matten verwendet werden, die abgestufte oder graduierte Faserdurchmesser über die Tiefe der Matte aufweisen (d.h. von einer Oberfläche zu der gegenüberliegenden, parallelen Oberfläche). Bevorzugt werden nichtverwebte Matten, die zumindest eine teilweise abgestufte Faserdurchmesserstruktur aufweisen, und am bevorzugtesten sind Matten, die in zylindrischen Faserstrukturen mit einer abgestuften Faserdurchmesserstruktur in mindestens einem Abschnitt der Struktur in der radialen Richtung aufweist. Es wird auch bevorzugt, daß eine derartige Struktur ein im wesentlichen konstantes Hohlraumvolumen über mindestens einen wesentlichen Abschnitt der Struktur aufweist, und zwar auch, wie oben erwähnt, in der radialen Richtung. Eins der bevorzugten Ausführungsbeispiele weist konstante Faserdurchmesser in dem stromabwärtigen Abschnitt auf, wobei der stromaufwärtige Abschnitt von dem Faserdurchmesser des stromabwärtigen Abschnittes bis zu einem größeren Durchmesser profiliert ist. Die zum Herstellen derartiger Matten angewendeten Fasern sind vorzugsweise im wesentlichen frei von Faser-zu-Faser-Bondierungen, sind aber zueinander befestigt durch mechanisches Miteinander-Verschlingen oder Untereinander-Verweben. Die zum Herstellen der nichtverwebten Matten verwendeten Fasern sind vorzugsweise synthetische Polymermikrofasern, am bevorzugtesten thermoplastische der Natur nach. Beispiele derartiger thermoplastischer Mikrofasern schließen Polyolefine, Polyamide und Polyester ein. Ein derartiges Packungsmaterial und zylindrische Strukturen, die mit derartigen Materialien versehen sind, sind verfügbar von der Pall Corporation und sind beschrieben in den Patentschriften U.S. 4,594,202 und 4,726,901, die speziell hier eingearbeitet sind. Typischerweise sind die Hohlraumvolumen derartiger Materialien im Bereich von etwa 60-95 %, am bevorzugtesten von etwa 75 % bis etwa 85 %. Sie weisen typischer weise auch Ringdicken von etwa 0,4 bis etwa 1 Inch (1,0-2,5 cm) auf. Der Faserdurchmesser reicht von etwa 1,5 μm oder weniger bis zu etwa 20 μm oder mehr. Wenn das Produkt hergestellt wird, um ein Hohlraumvolumen im Bereich von etwa 75 % bis etwa 85 % zu erhalten, werden die Faserdurchmesser vorzugsweise so ausgewählt, daß sie unter etwa 20 μm liegen. Die Packung kann auch eine "Endkoaleszierschicht" von feinen Fasern mit Durchmessern aufweisen, die nicht größer als 5 μm und vorzugsweise etwa 3 μm bis etwa 5 μm sind. Diese feinen Koaleszierfasern sind in einer stromabwärtigen Schicht mit einer Dicke von etwa 0,1 bis etwa 0,5 Inch (etwa 2,5 bis etwa 12,7 mm) vorhanden. Jedes Koaleszierelement kann mit einem stromaufwärtigen oder stromabwärtigen Stütz- und/oder Ablaßmaterial versehen sein. Da die meisten zylindrischen Koaleszierelemente in Situationen angewendet werden, bei denen eine Strömung in einer Richtung von innen nach außen erfolgt, müssen im allgemeinen Vorkehrungen getroffen werden, die stromabwärtige Oberfläche der Packung vor einer Beschädigung und vor einer ungemäßen Kompression zu schützen, die durch erhöhte Drücke oder turbulente Strömungsbedingungen hervorgerufen werden.

Um die strukturelle Integrität und die freie Strömung einer Flüssigkeit zuzulassen, wird deshalb ein Kunststoff (z.B. PVC-beschichtetes Glas) oder ein nicht-rostender Stahl angeordnet oder um die Packung gewikkelt. Stromabwärtig von der Packung kann ein genadelter Filz oder eine luftgelegte Faserpacklage, vorzugsweise aus Polyester gebildet, angeordnet sein. Dieses Element, das sehr große Poren aufweist, d.h. deutlich größer als die der Packung, wird vorgesehen, um eine Turbulenz zu reduzieren und die Fluidströmung zu orientieren oder "zu glätten". Wahlweise kann ein "Überzug" oder eine äußere Muffe, die aus Remay Orlon oder Baumwolle ausgebildet ist, stromabwärts von der Turbulenz reduzierenden Schicht angeordnet sein, um ein Faserauswandern von der letzteren Schicht zu verhindern. Zusätzlich kann ein stromaufwärtiges Filtermaterial vorgesehen sein, um partikelförmiges Material zu fangen, bevor es die Packung des Koaleszierelementes kontaktiert. Vorzugsweise ist dies ein Tiefenfilter mit effektiven Porengrößen, die deutlich größer als das Packungsmaterial des Koaleszers sind, um so nicht eine Strömung in den Koaleszern zu behindern. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wie das oben diskutierte, kann die in dem Koaleszierelement verwendete Packung ein Profiltyp mit abgestuften Poren sein, die sich von der stromaufwärtigen Oberfläche zu der stromabwärtigen Oberfläche verjüngen. Dieser Typ einer Struktur funktioniert so, daß Schmutz oder partikelförmiges Material in den größeren Poren gefangen wird und eine Koaleszierfunktion in den stromabwärtigen engeren Poren ausgeführt wird. Alle diese zylindrisch konfigurierten Schichten sind innerhalb von Endkappen eingeschlossen.

Die Endkappe, der Kern und irgendwelche Stützelemente können aus Materialien hergestellt sein, die bezüglich der zu behandelnden Flüssigkeit inert sind. Typischerweise werden diese aus Glasfaser, einem Metall, wie z.B. nicht rostender Stahl oder vorzugsweise aus Kunststoff ausgebildet sein.

Der Separator kann Elemente einschließen, die ähnlich jenen der Koaleszierelemente sind, wie z.B. Endkappen, ein Kern, und in geringerem Maße Stütz- und Ablaßschichten. Diese können auch aus den gleichen Materialien ausgebildet sein, die verwendet werden, um ähnliche Elemente in den Koaleszierelementen auszubilden. Der Separator kann als eine poröse Packung ausgebildet sein oder diese einschließen oder als ein beschichtetes Element, das eine freie Strömung der kontinuierlichen Phasenflüssigkeit zuläßt, jedoch die Flüssigkeit, die ursprünglich die diskontinuierliche Phase gebildet hat, zurückstößt. Vorzugsweise ist das ein nicht-rostendes Stahlsieb, z.B. ein 100 × 100 Drahtmaschensieb, das mit PTFE beschichtet ist. Am bevorzugtesten ist der funktionelle Abschnitt des Trennelementes aus dem oben beschriebenen Medium ausgebildet, und zwar einer kalandrierten Bahn von PTFE-Fasern. und einem FEP-Binder. Das Trennelement kann mit einem stromabwärtigen Metall- oder Kunststoffkern versehen sein. Jeder Kunststoff der inert ist, oder hochwiderstandsfähig gegenüber behandelten Flüssigkeiten und irgendwelchen Additiven oder Verschmutzungsstoffen, die in den Flüssigkeiten gefunden werden, und der eine ausreichende Festigkeit und Steifigkeit aufweist, kann verwendet werden, um den Kern zu bilden. Beispielhaft sind Polyester, einschließlich Polycarbonate wie z. B. Lexan, Polyamide und Delrin. Genau wie bei den Koaleszerelementen können die Trennelemente mit einer Muffe mit offenen Poren versehen sein, um eine Fluidströmungsverteilung längs der Höhenabmessung der Einheit zwischen der diskontinuierlichen Phasenbarriere oder zurückweisenden Schicht und dem Kern zu unterstützen. Bevorzugt ist ein gefaltetes Material, das als Epocel^® (das von der Pall Corporation verfügbar ist) bekannt ist, das aus Zellulose und einem Phenol-Binder aufgebaut ist. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wendet, indem man in einer Stromaufwärts-zu-Stromabwärtsrichtung verfährt, eine Muffe eines kalandrierten Mediums an, das aus PTFE-Fasern und einem FEP-Binder (wie oben beschrieben), einer Polymer- oder Metallmaschenstützmuffe und einem Metallstützkern aufgebaut ist.

Bei der vorliegenden Erfindung ist die kritische Oberflächenenergie oder die CWST des funktionellen Teils der Separatur-Packung oder -Beschichtung geringer als die Oberflächenspannung der diskontinuierlichen Phase. In Situationen, bei denen Wasser vorhanden ist, ist die vorliegende Erfindung somit hauptsächlich effektiv, um Wasser in einer diskontinuierlichen Phase aus einer anderen Flüssigkeit mit einer Oberflächenspannung, die niedriger als die von Wasser ist, zu entfernen. Wenn Wasser in der kontinuierlichen Phase ist und die zu entfernende Flüssigkeit die diskontinuierliche oder suspendierte Phase darstellt und eine Oberflächenspannung aufweist, die niedriger als die von Wasser ist, wäre im allgemeinen ein Separator mit einer Packung oder einer Beschichtung mit einer Oberflächenenergie unter der Oberflächenspannung von Wasser uneffektiv, da er den Durchgang von Wasser verhindern würde, jedoch eine Strömung der Flüssigkeit in der diskontinuierlichen Phase durch die Wände des Separators erlauben würde, ohne deren Koaleszenz zu verbessern. Ein Anwenden einer Beschichtung mit einer Oberfächenenergie, die höher als die Oberflächenspannung von Wasser ist, würde es zulassen, daß sowohl die kontinuierlichen als auch die diskontinuierlichen Phasenflüssigkeiten durch den Separator hindurchgehen würden, d. h. sich auch als ineffektiv erweisen würde.

Das nachfolgende Beispiel zeigt die Art und Weise, in der die vorliegende Erfindung verwendet wird. Die Erfindung sollte jedoch nicht als in irgendeiner Weise darauf begrenzt angesehen werden.

Ein Koaleszer-Separator-System der vorliegenden Erfindung wurde für eine Entfernung von Wasser aus Benzin getestet. Eine Vorrichtung wurde aufgebaut, wie oben beschrieben. Ein Gehäuse enthält ein einziges Koaleszerelement, das in koaxialer Anordnung über einem einzigen Trennelement angeordnet ist. Das Vsrhältnis der effektiven Oberflächenfläche des Koaleszerelementes zu dem Trennelement war etwa 3 : 1. Die Packung, die die Wände des Koaleszerelementes definierte, wurde aus einer profilierten Polybutylen Terephthalat-Fasermatte gebildet, in der die stromaufwärtigen etwa 0,10 Inch aus groben Fasern (etwa 40 – 60 μm) ausgebildet waren, und der stromabwärtige verbleibende Abschnitt der Matte wurde aus feinen Fasern, etwa 3 bis etwa 5 μm mit einer effektiven Porengröße von etwa 3 μm und einem Hohlraumvolumen von etwa 75 % ausgebildet. Das Koaleszerelement wurde mit Endkappen versehen. die aus nicht-rostendem Stahl und einem nicht-rostendem Stahlkern mit 1,815" Innendurchmesser ausgebildet. Ein Stützkäfig ist aus einem Glasfasersieb gebildet, das mit Polyvinylchlorid überzogen ist und mit einer Nylon-Heißschmelzbörderlung versehen ist, die stromabwärts von dem Element und stromaufwärts von einer luftgelegten Polyesterpacklage angeordnet ist. Die Trennelemente enthielten eine Barriere für die diskontinuierliche Phasenflüssigkeit aus einem Teflon-beschichteten, nichtrostenden Stahlsieb von 100 × 100. Der Separator wies dieselben Endkappen und denselben Kern wie der Koaleszer auf. Eine gewellte Epocel^®-Packung wurde stromabwärts von dem Teflon-Überzug des Separators vorgesehen.
Das Koaleszer-Separatorgehäuse wurde verbunden mit einem 500 Gallonen Benzin-Lagertank mittels eines geschlossenen Schleifensystems, das mit Ventilen (Kugelventil und konventionelles Ventil), Strömungssteuereinrichtungen (Kates) und Strömungspumpen zum Steuern des Druckes und der Strömungsrate der Flüssigkeit in dem System sowie zum Schaffen einer Brennstoff- und Brennstoff-Wasser-Emulsion versehen war. Das System war auch mit einer Aqua-Glo-Vorrichtung (die von der Gammon Technical Products Company verfügbar ist) zum Bestimmen der Konzentration von Wasser in dem System vorgesehen.
Das in den Tests verwendete Benzin enthielt ein kommerzielles Additiv-Gemisch, das u.a. ein oberflächenaktives Mittel oder ein Motordetergenz enthielt. Die Additiv-Zusammensetzung wurde mit einem Hochtestbenzin mit einer dreimal so hohen typischen Konzentration wie für ein kom merziell verfügbares Benzin gemischt, um einen extremen entschärfenden Prozeßstrom zu schaffen.
Nach einem Einleiten des Benzinstromes in das System und Ablassen von Luft von einem Ablaßventil in dem Gehäuse wurde die Strömungsrate des Brennstoffes durch das System auf 5 Gallonen pro Minute eingestellt. Wasser wurde dann zu dem System eingeführt und mittels eines Rotamessers eingestellt. Nach Erreichen des Gleichgewichts (bestimmtdurch ein konstantes ΔP), und nachdem sich Wasser zu sammeln begann, wurden stromabwärtige Wasserkonzentrationen mit dem Aqua-Glo bestimmt. Die stromaufwärtige Konzentration des Wassers wurde dann erneut eingestellt auf etwa 10-minütige Intervalle, und die Prozedur wurde wiederholt. Die Konzentration von Wasser wurde von 2 – 7 % (Vol.%) auf Werte angehoben, die in der Tabelle 2 unten angegeben und mit den Ergebnissen gezeigt sind. Stromaufwärtige und stromabwärtige Brennstoffproben wurden für eine Clear- and Bright-Analyse entnommen.
TABELLE 2

Claims

Flüssigkeitsreinigungssystem, das zum Trennen einer ersten Flüssigkeit aus einer zweiten Flüssigkeit in der Lage ist, in der die erste Flüssigkeit vollständig oder teilweise unmischbar ist und eine diskontinuierliche Phase mit der zweiten, eine kontinuierliche Phase bildenden Flüssigkeit bildet, aufweisend: ein Gehäuse; einen Fluideinlass in dem Gehäuse; mindestens eine koaleszierende Anordnung zum Koaleszieren der ersten Flüssigkeit mit mindestens einem darüber angeordneten Fluideinlass; mindestens eine Trennanordnung zum Trennen von Tröpfchen der ersten Flüssigkeit aus der zweiten Flüssigkeit, wobei die mindestens eine koaleszierende Anordnung in übereinander angeordneter fluidkommunizierbarer Beziehung oberhalb der mindestens einen Trennanordnung angeordnet ist; einen ersten Flüssigkeitsauslass in dem Gehäuse, wobei der erste Flüssigkeitsauslass ein Flüssigkeitsauslass für die kontinuierliche Phase ist; und einen zweiten Flüssigkeitsauslass in dem Gehäuse, wobei der zweite Flüssigkeitsauslas ein Flüssigkeitsauslass für die diskontinuierliche Phase ist.
Flüssigkeitsreinigungssystem gemäß Anspruch 1, wobei die mindestens eine koaleszierende Anordnung mindestens ein koaleszierendes Element enthält und wobei die mindestens eine Trennanordnung mindestens ein Trennelement enthält.
Flüssigkeitsreinigungssystem gemäß Anspruch 2, wobei das mindestens eine koaleszierende Element einen Fluideinlass auf seiner Oberseite besitzt.
Flüssigkeitsreinigungssystem gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem mindestens ein koaleszierendes Element ein Packungsmaterial mit einer kritischen Benetzungsoberflächenspannung aufweist, die zwischen den Oberflächenspannungen der ersten und der zweiten Flüssigkeit liegt.
Flüssigkeitsreinigungssystem gemäß Anspruch 4, wobei das Packungsmaterial ein Polyester aufweist.
Flüssigkeitsreinigungssystem gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei das Packungsmaterial Polybutylen-Terephthalat aufweist.
Flüssigkeitsreinigungssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die mindestens eine koaleszierende Anordnung mindestens ein koaleszierendes Element mit einem funktionellen Abschnitt aufweist und wobei die mindestens eine Trennanordnung mindestens ein Trennelement mit einem funktionalen Abschnitt aufweist, wobei das Verhältnis des effektiven Oberflächengebiets des funktionellen Abschnittes jeder der mindestens einen koaleszierenden Anordnung zu dem effektiven Oberflächengebiet des funktionellen Abschnittes jeder der mindestens einen Trennanordnung im Bereich von etwa 0,25:1 bis etwa 10:1 liegt.
Flüssigkeitsreinigungssystem gemäß Anspruch 7, wobei das Verhältnis etwa 5:1 bis etwa 10:1 ist.
Flüssigkeitsreinigungssystem gemäß Anspruch 7, wobei das Verhältnis etwa 0,25:1 bis etwa 4:1 ist.
Flüssigkeitsreinigungssystem gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei jedes des mindestens einen koaleszierenden Elementes koaxial bezüglich jedes des mindestens einen Trennelementes angeordnet ist.
Flüssigkeitsreinigungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei jedes des mindestens einen koaleszierenden Elements in übereinander gestapelter Beziehung bezüglich jeden des mindestens einen Trennelements angeordnet ist.
Flüssigkeitsreinigungssystem gemäß einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei das mindestens eine Trennelement eine kalandrierte, poröse, fasrige Struktur einschließt, die Polytetrafluorethylenfasern und einen Fluorkohlenwasserstoffbinder aufweist.
Flüssigkeitsreinigungssystem gemäß Anspruch 12, wobei die Fasern Durchmesser bis zu etwa 70μm haben.
Flüssigkeitsreinigungssystem gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei der Binder ein fluoriertes Ethylenpropylen ist.
Flüssigkeitsreinigungssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, das mindestens ein koaleszierendes Element, in der mindestens einen koaleszierenden Anordnung aufweist und das einen funktionellen Abschnitt und mindestens ein Trennelement in der mindestens einen Trennanordnung hat und die einen funktionellen Abschnitt aufweist, wobei das mindestens eine koaleszierende Element koaxial bezüglich des mindestens einen Trennelementes angeordnet ist und ein Packungsmaterial aufweist, das aus Polybutylen-Terephthalat gebildet ist, bei dem das Verhältnis seines effektiven Oberflächenflächengebiets zu der des funktionellen Abschnittes des mindestens einen Trennelementes im Bereich von etwa 0,25:1 bis etwa 10:1 liegt.
Flüssigkeitsreinigungssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die mindestens eine koaleszierende Anordnung ein koaleszierendes Element aufweist und wobei die mindestens eine Trennanordnung ein Trennelement aufweist.
Flüssigkeitsreinigungssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die mindestens eine koaleszierende Anordnung eine Mehrzahl von koaleszierenden Elementen aufweist.
Flüssigkeitsreinigungssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 oder 17, wobei die mindestens eine koaleszierende Anordnung eine Mehrzahl von koaleszierenden Elementen aufweist, von denen jedes innerhalb der mindestens einen koaleszierenden Anordnung in paralleler Beziehung angeordnet ist.
Flüssigkeitsreinigungssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 oder 17, wobei die mindestens eine koaleszierende Anordnung eine Mehrzahl von koaleszierenden Elementen aufweist, von denen jedes innerhalb der mindestens einen koaleszierenden Anordnung in einer Reihenbeziehung angeordnet ist.
Flüssigkeitsreinigungssystem gemäß einem der Ansprüche 2 bis 15 oder 17, wobei das mindestens eine koaleszierende Element eine Mehrzahl von koaleszierenden Elementen zum Koaleszieren der ersten Flüssigkeit aufweist, mit jeweils einem Fluideinlass auf ihrer Oberseite und wobei das mindestens eine Trennelement eine Mehrzahl von Trennelementen aufweist, wobei die Mehrzahl der koaleszierenden Elemente und die Mehrzahl der Trennelemente übereinander und in einer alternierenden Weise in dem Gehäuse angeordnet sind, wobei jedes koaleszierende Element über einem Trennelement angeordnet ist.
Verfahren zum Entfernen von Wasser aus einem flüssigen organischen Brennstoff, in dem es im wesentlichen unmischbar ist, aufweisend: (a) Einführen eines Gemisches von Wasser und flüssigem organischen Brennstoff in mindestens eine koaleszierende Anordnung, die mindestens ein koaleszierendes Element mit einem Packungsmaterial mit einer kritischen Benetzungsoberflächenspannung aufweist, die zwischen den Oberflächenspannungen von Wasser und dem flüssigen organischen Brennstoff liegt, um ein Gemisch aus Wassertröpfchen und dem flüssigen organischen Brennstoff zu bilden; (b) Leiten des Gemisches von Wassertröpfchen und flüssigem organischen Brennstoff zu mindestens einer Trennanordnung, die mindestens ein Trennelement aufweist, das einen Durchgang des flüssigen organischen Brennstoffes zulässt, jedoch im wesentlichen einem Durchgang der Wassertropfen widersteht oder ihn verhindert, wodurch der flüssige organische Brennstoff von den Wasertröpfchen getrennt wird und wobei die mindestens eine koaleszierende Anordnung in übereinander angeordneter Beziehung über der mindestens einen Trennanordnung angeordnet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 21, wobei das Packungsmaterial ein Polyester ist.
Verfahren gemäß Anspruch 22, wobei das Polyester-Packungsmaterial eine Struktur aufweist, die aus einer Masse nichtgewebter Mikrofasern besteht, die im wesentlichen frei von Faser-zu-Faser-Bindungen sind und die aneinander durch mechanische Verflechtung befestigt sind, wobei die Struktur ein im wesentlichen konstantes Hohlraumvolumen über mindestens einen wesentlichen Abschnitt der Struktur aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 23, wobei die Polyesterstruktur abgestuft ist, gemessen in der radialen Richtung.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 24, wobei das Packungsmaterial Polybutylen-Terephthalat ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 25, wobei der Brennstoff eine hohe Konzentration an oberflächenaktiven Substanzen aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 26, wobei der Brennstoff ein Brennstoff auf Basis von Erdöl ist.
Trennelement zur Verwendung in einem System nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 20 zum Trennen einer ersten Flüssigkeit aus einer zweiten Flüssigkeit, in der die erste Flüssigkeit vollständig oder teilweise unmischbar ist und eine diskontinuierliche Phase mit der zweiten, eine kontinuierliche Phase bildenden Flüssigkeit bildet, aufweisend eine kalandrierte, poröse, fasrige Struktur, die Polytetrafluorethylenfasern mit Durchmessern bis zu etwa 70 μm und Fluorkohlenwasserstoffbinder umfasst.
Trennelement gemäß Anspruch 28, das weiterhin eine Polymer- oder Metallsieb-Stützmuffe und einen Metallstützkern aufweist, jeweils aus der fasrigen Struktur, wobei die Stützmuffe und der Stützkern eine zylindrische Konfiguration und eine konzentrische Beziehung aufweisen, und Endkappen in dichtender Art und Weise an der Faserstruktur der Stützmuffe und dem Stützkern befestigt sind.
Trennmedium zur Verwendung in einem System nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 20, das eine kalandrierte, poröse, fasrige Struktur aufweist, die Polytetrafluorethylenfasern mit Durchmessern bis zu 70 μm und einen Fluorkohlenwasserstoffbinder umfasst.