DE68911412T2

DE68911412T2 - Verfahren zur Gas-Flüssig-Trennung und Filtration.

Info

Publication number: DE68911412T2
Application number: DE89307269T
Authority: DE
Inventors: Harry D Cordes
Original assignee: Pall Corp
Current assignee: Pall Corp
Priority date: 1988-07-19
Filing date: 1989-07-18
Publication date: 1994-04-28
Anticipated expiration: 2009-07-19
Also published as: JPH02111412A; GB8916384D0; EP0353903B1; US4941900A; GB2221168B; GB2221168A; DE68911412D1; CA1337474C; EP0353903A1; JPH0716573B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Vorrichtungen und Verfahren zur Filtration von Luft oder anderen gasförmigen Strömen, wobei diese Vorrichtung und dieses Verfahren besonders auf die Abscheidung flüssiger oder partikelförmiger Substanzen von den vorgenannten Strömen gerichtet sind.
In vielen Anwendungen ist es wünschenswert, als einen Speisestrom Luft oder ein anderes gasförmiges Gemisch zu verwenden, das im wesentlichen frei von irgendwelchen mitgenommenen Flüssigkeiten, wie Aerosole und partikelförmigen Substanzen, ist wobei das Vorhandensein dieser Verunreinigungen oft die Wirksamkeit einer Vorrichtung, die diesen Speisestrom verwendet, wesentlich beeinträchtigt. Man betrachte beispielsweise einen Sauerstoffkonzentrator, eines der Hauptelemente in einem Sauerstofferzeugungssystem, das an Bord eines Flugzeugs verwendet wird. Wenn die Luft, die in diesen Konzentrator eintritt, mit flüssigen Aerosolen kontaminiert ist, kann die Konzentratorwirksamkeit um bis zu 30% herabgesetzt sein. Flüssige Aerosole stehen auch im Verdacht, die Zersetzung des Molekular-Siebes, das in Sauerstoffererzeugungsschichtungen verwendet wird, zu verursachen, das zu einem früheren Systemausfall führt.
In Hinblick auf die Probleme, die angetroffen werden können, wenn flüssige Aerosole vorhanden sind, ist es allgemeine Praxis geworden, ein Abscheiden flüssiger Aerosole zu versuchen, indem zuerst die Verwendung eines Separators eingesetzt wird, wobei diese Vorrichtung die Fähigkeit hat, den Großteil der flüssigen Aerosole, die in dem eintreffenden Luft- oder Gasstrom mitgenommen werden, abzuscheiden. Die feineren Aerosole, die den Stromlinien des Gases folgen und nicht wirksam auf diese Weise abgeschieden werden. werden zu einem coalescierenden Medium geführt. Der Coalescer ist typischerwiese tn einem variierenden Abstand stromabwärts vom Separator angeordnet. Bei Kontakt mit dem Coalescer bilden die feinen Aerosole Tröpfchen auf dem Medium. In dem Ausmaß, in dem irgendwelche dieser Tröpfchen groß genug werden, um durch Gravitationskräfte beeinflußt zu werden, fallen solche Tröpfchen in einen Sumpf, der bei Bedarf entleert werden kann.
Es ist ebenso allgemein in Flugzeugsystemen, ein ultra-feines Filtermedium, wie einen HEPA-Filter, zum Abscheiden von Partikeln zu haben, der stromabwärts von dem coalescierenden Medium angeordnet ist. Diese Typen von Filtern werden auch ausfallen oder bei einem reduzierten Wirksamkeitsniveau arbeiten, wenn sie mit flüssigen Aerosolen kontaminiert sind. Um eine mögliche Kontaminierung auszuschließen, gibt es eine minimale empfohlene räuniliche Trennung, die zwischen dem Coalescer und dem HEPA-Filter verwendet werden soll. In alternativer Weise haben Andere zwei HEPA-Filter in Reihe angeordnet und so beabstandet, um einen Flüßigkeitsübertrag durch den Luftstrom zu verhindern.
Darüberhinaus können die vorher beschriebenen Probleme in Zusammenhang mit dem Vorhandensein flüssiger Aerosole verschärft werden, wenn das Gas, das von dem Separator zu dem coalescierenden Medium geleitet wird, auf eine Umgebung trifft, die das Gas auf seinem Taupunkt abkühlt. Diese Abkühlung kann nicht nur zur Bildung zusätzlicher Aerosole führen, sondern kann auch dazu führen, daß flüssige Aerosole durch das coalescierende Medium treten, während sie noch in der flüssigen Phase sind, ein Effekt, der bei bestimmten Anwendungen, wie die vorher beschriebene Flugzeugumgebung, unerwünscht ist.
Beim Vergleichen der Probleme die in der oben beschriebenen Herangehensweise ,ind in diesen Systemen evident sind. sind Raum- und Gewichtseffizieiiz von besonderer Wichtigkeit bei Flugzeuganwendungen.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Gas/Flüssigkeit-Trenn- und -Filtervorrichtung bereit, die aufweist: ein Gehäuse, wobei das Gehäuse einen separaten Gaseinlaß hat; eine Einrichtung zur Gas/Flüssigkeit-Trennung, die innerhalb des Gehäuses angeordnet ist; eine Einrichtung zum Entfernen der abgetrennten Flüssigkeit aus dem Gehäuse; eine ringförmige Trenn- und Filtervorrichtung stromabwärts von der Trenneinrichtung und innerhalb des Gehäuses, die eine Verdampfung coalescierter Flüssigkeit von dem coalescierenden Element in dadurch hindurchfließendes ungesättiges Gas fördert; einen Partikelfilter in enger Nähe und stromabwärts von dem coalescierenden Element; und einen Gasauslaß in dem Gehäuse stromabwärts von der ringförmigen Filter- und Trennvorrichtung.
Die Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren zum Gas/Flüssigkeit-Trennen und -Abscheiden von partikelförmigen Substanzen von einem Gas/Flüssigkeit-Partikelgemisch, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Abtrennen im wesentlichen aller flüssigen Aerosole oberhalb erwa 25 µm Durchmesser aus dem Gemisch in einem Separator; Entleeren der Abgetrennten flüssigen Aerosole aus dem Separator; Führen des verbleibenden Gemischs zu einem coalescierenden Element; Coalescieren der verbleibenden flüssigen Aerosole mit dem coalescierenden Element; Verdampfen von Flüssigkeit von dem coalescierenden Element in das dadurch fließende ungesättigte Gas; Führen des verbleibenden Gas/Partikelgemischs zu eiiieni Partikelfilter; und Filtern der partikelförmigen Substanzen aus dem Gasstrom mit dem Partikelfilter.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung erlauben das Abscheiden aller flüssigen Aerosole, die in einem Luftstrom enthalten sind, mit einem extrem hohen Grad an Wirksamkeit, wobei nicht nur der erforderliche Einbauraum einer Vorrichtung, die die Erfindung verkörpert, minimiert wird sondern auch das Gewicht der Vorrichtung. Insbesondere können Ausführungsbeispiele der Erfindung flüssige Aerosole auf einen ssolchen Grad abscheiden, um die Anordnung eines coalescierenden Mediums in der Nähe eines Partikelfiltermediums zu erlauben, wobei diese Anordnung Raum spart, ohne irgendeine Flüssigkeitsabscheidungswirksamkeit aufzugeben. Ausfühungsbeispiele der Erfindung können auch eine Reduzierung in der Trockenkugel-Temperatur eines Gasstroms (oder eine Erhöhung in der relativen Feuchtigkeit) erlauben, die angetroffen wird, wenn ausfließendes Gas oder Luft von einem Separator zu einem coalescierenden Medium geführt wird.
Figur 1 ist eine Draufsicht eines Trägheitsseparators, der Trenneinrichtung, die in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird;
Figur 2 zeigt eine Schnittansicht des bevorzugten Ausführungsbeispiels, genommen entlang der Linie 2--2 von Figur 1;
Figur 3 ist eine vergrößerte Teilansicht der Abdecküngs-Besfestigungseinrichtung; und
Figur 4 veranschaulicht eine Schnittansicht des coalescierenden Mediums, des Partikelfilters und der perforierten Stützkernanordnung, genommen entlang Linie 4-4 von Figur 2.
Obwohl die Strukturen, mit denen sich diese Erfindung beschäftigt, in vielen verschiedenen räumlichen Orientierungen betrieben werden können, wird aus Gründen der Zweckmäßigkeit und Klarheit der Beschreibung hiernach bezuggenommen auf die Oberseite oder die Unterseite der verschiedenen strukturellen Elemente, wobei die Oberseite und die Unterseite gemeint sind, wie sie in Figur 2 orientiert sind. Während die Vorrichtung zur Trennung und Filtration von Flüssigkeiten von irgendseinem gasförmigen Strom nützlich ist, verwirklicht die vorliegende Erfindung auch ihren größten Vorteil bei der Trennung und Filtration eines Luft/Wasser-Stroms, und daher wird das bevorzugte Ausführungsbeispiel als solches beschrieben werden. Es sollte jedoch bemerkt werden, daß die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt sein soll.
Ganz im Gegenteil sollen alle Alternativen, Modifikationen und Äquivalente abgedeckt sein, die innerhalb des Geistes und des Schutzbereichs der Erfindung, wie sie durch die angehängten Ansprüche festgelegt ist, enthalten sein können.
Zunächst bezugnehmend auf Figur 2 ist eine Luft/Wasser-Trenn- und -Filtervorrichtung gezeigt, die die vorliegende Erfindung verkörpert und ein Gehäuse mit einem separaten Lufteinlaß 11 und Luftauslaß 12 aufweist, sowie innerhalb dieses Gehäuses eine ringförmige coalescierende und filternde Vorrichtung, die ein coalescierendes Medium 14, einen Partikelfilter 15, einen perforierten Stützkern 16 und eine Einrichtung zum Abscheiden der coalescierten Flüssigkeit von dem Gehäuse aufweist. Das Gehäuse besteht aus einem Körper 20 und einer Basis 21. Die Basis 21 ist abnehmbar an dem Körper durch Befesügungseinrichtungen, z.B. ein V-Band und Bolzen 22, befestigt.
Der Körper 20 ist in zwei Hauptkammern, eine obere Kammer 30 und eine untere Kammer 31, aufgeteilt. Die obere Kammer 30 hat einen Lufteinlaß 11, der tangential zur Seitenwand der Kammer 30 angeordnet ist. Die zwei Kammern sind über einen Durchgang 26 verbunden, der innerhalb des Körpers 20 angeordnet ist.
Die obere Kammer 30, gezeigt in Figur 1, ist im wesentlichen zylindrisch, wobei sie durch die obere Wand, die Seitenwand 24 und die Kammertrennwand 28 festgelegt ist. Diese Trennwand besteht aus dem vorgenannten Durchgang 26, wobei der Rest aus einem Material besteht, das für Luft und Flüssigkeiten undurchläßig ist. Innerhalb dieser Kammer 30 ist ein Trägheitsseparator bekannter Konstruktion und bekannten Aufbau untergebracht. Die Abmessungen der Kammer 30 sind abhängig von den Konstruktionsparametern des Separators und allgemeiner von der Konstruktion des Umgebungssteuersystems selbst. Eine Einrrichtung zum Entleeren der abtrennten flüssigen Aerosole 29 von der oberen Kammer ist ebenso bereitgestellt. Die getrennte Luft verläßt die obere Kammer durch den Durchgang 26 und fließt in die untere Kammer 31. Die untere Kammer ist ähnlich zylindrisch im Aufbau. Der Inhalt dieser Kammer besteht aus einem coalescierenden Medium 14, einem Partikelfilter 15 stromabwärts von und in enger Nähe des coalescierenden Mediums 14 und aus einem perforierten Stützkern 16.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das coalescierende Element zylindrisch geformt und angeordnet, um so einen ringförmigen Raum zwischen seiner äußeren Oberfläche und der inneren Wand der unteren Kammer 34 zu bilden. Das bestimmte, ausgewählte coalescierende Medium ist für die Erfindung nicht wesentlich, jedoch ist daran gedacht, daß das Medium sowohl hydrophob als auch oieophob ist, so daß es einem Benetzen widersteht. Ein Beispiel eines solchen Mediums wäre ein Profile -Medium mit abgestuften Poren, das die oben beschriebenen Eigenschaften aufweist.
Der Partikelfilter 15 ist auch zylindrisch geformt und ist in enger Nähe des coalescierenden Mediums 14 angeordnet. Der Ausdruck "in enger Nähe" ist für die Zwecke dieser Erfindung definiert als Anordnen des Filters 15 benachbart zum Coalescer 14 oder bei irgendeinem Abstand von dem Coalescer bis zu und einschließlich der minimalen empfohlenen räumlichen Trennung zum Verhindern von Flüssigkeitsübertrag. Bezüglich der Zusammensetzung des Filters 15 verwendet das bevorzugte Ausfüh-5rungsbeispiel ein HEPA-Medium, wobei dies die Abkürzung für High Efficiency Particulate Air Filter (hochwirksame Partikelluftfilter) ist. Dieser Typ von Filter kann z.B. eine Glasfasermembran sein, die innig verteilte Poren aufweist, die zum Filtern großer Volumina aus partikelförmigen Substanzen von dadurch hindurchtretender Luft fähig sind. Es ist daran gedacht, daß das Medium für eine hohe Abscheidungs- und Betriebswirksamkeit bei großer Oberfläche gefaltet ist. Ein alternativer Typ von Filter, der erfolgreich bei dieser Anwendung verwendet werden kann, ist ein Profile -Element mit abgestuften Poren.
Der perforierte Stützkern 16 ist stromabwärts von dem Partikelfilter 15 angeordnet und fugt strukturelle Stabilität dem Filter und dem Coalescer zu. Obwohl es keine wesentlichen Beschränkungen der Perforationsgröße gibt, müssen die Perforationen ausreichend sein, um den Luftstrom durch den Filter mit coalescierendem Medium und ohne irgendeinen wesentlichen Druckabfall zu erlauben, wobei er immer noch als eine Stützvorrichtung funktioniert. Obwohl die vorgesehene Zusammensetzung des Kerns 16 Metall ist, kann irgendein Typ eines Materials mit ausreichender Festigkeit dafür eingesetzt werden.
Der obere Abschnitt dieser Anordnung mit Coalescer, Filter und Stützkein ist durch eine Endkappe 40 abgedichtet. Antivibrationsflügel 41, die sich radial von der Oberseite dieser Anordnung zu der inneren Wand der unteren Kammer 34 erstrecken, helfen, um die Anordnung an ihrem Platz zu halten.
Ein Strömungsmodifizierer 42, der in der Lage ist, den Luftstrom, der in die untere Kammer 31 eintritt, in den ringförmigen Raum, der durch die äußere Oberfläche des coalescierenden Mediums 14 und die inneren Wand der unteren Kammer 34 festgelegt ist, zu richten, ist oberhalb der Anordnung angeordnet. Dies erlaubt Luft, die in die untere Kammer 31 durch den Durchgang 26 eintritt, in die ringförmige Kammer gerichtet zu werden, um mit dem coalescierenden Medium 14 in Kontakt zu kommen. Die Luft tritt dann durch den Partikelfilter 15, den perforlerten Stützkern 16 und in eine zentrale Kammer 50, wobei diese Kammer durch die Endkappe 40 und die innere Wand des perforierten Stützkerns 16 festgelegt ist. Die vollständig behandelte Luft verläßt dann die Kammer 50 und das Gehäuse über eine Luftauslaß 12. Eine Einrichtung zum Entleeren irgendeiner coalescierten Flüssigkeit, die nicht in die Luft verdampft wurde, ist an der Unterseite des ringförmigen Raums 17 angeordnet. Um ein hochwirksames Abscheiden irgendwelcher verbleibender Flüssigkeiten zu bewirken, sollte die Entleerungseinrichtung in einer Position an der Vorrichtung angeordnet sein, die es ihr erlauben wird, an ihrem untersten Punkt zu sein, wenn das Flugzeug oder ein anderer Aufbau, in dem die Vorrichtung installiert ist, normalerweise in Ruhe ist.
Die zwei Kammern, die die Trenneinrichtung 30 und das coalescierende Medium 31 aufnehmen, sind innerhalb des gleichen Gehäuses angeordnet, wodurch irgendwelche Temperaturänderungen ausgeschaltet werden, die den Flüssigkeits-Dampf-Gehalt des Luftstroms beeinträchtigen könnten, wenn er von der Trenneinrichtung zu dem coalescierenden Medium läuft. Ein Fachmann wird die Tatsache anerkennen, daß dies im wesentlichen ein Abscheiden der Flüssigkeit nur in der Trenn- oder oberen Kammer 30 oder in der rlngförinigen, coalescierenden oder unteren Kammer 31 ermöglicht, wodurch das unerwünschte Ergebnis von Systemem des Standes der Technik eliminiert wird, die ein Abscheiden der Flüssigkeit erlaubten, während die Luft vom Separator zum Coalescer befördert wurde. Mit anderen Worten es ist nun möglich, das Feuchtigkeitsniveau der Luft auf einem konstanten Niveau zu halten, während sie von dem Separator zu dem coalescierenden Medium geführt wird.
Die Betriebsvorteile der offenbarten Vorrichtung an der Oberfläche des coalescierenden Mediums sind auch signifikant. Die feinen flüssigen Aerosole, die nicht von dem Luftstrom durch die Trägheitstrenneinrichtung abgeschieden werden, werden praktisch vollständig durch das coalescierende Medium abgeschieden. Es ist jedoch festgestellt worden, daß das Abscheiden nicht vollständig durch das bekannte Verfahren des Coalescierens erreicht wird, sondern teilweise durch Verdampfen der coalescierten Flüssigkeit aus dem Medium in die Luft. Um diesen Prozeß zu erleichtern, sollte die Luft, die in die untere Kammer 31 eintritt, in einem unterkühlten Zustand sein, bevor sie das coalescierende Medium erreicht. Nach Kontakt mit dem Medium werden die Flüssigkeiten zuerst coalescieren, dann in die ungesättige Luft verdampfen, wodurch die Feuchtebeladung oder die Feuchtigkeit der Abflußluft erhöht wird. Obwohl der gesamte Feuchtegehalt der Luft der gleiche bleiben kann, wird eine Phasenänderung in der F]üssigkeit festgestellt. Dies hat den Effekt das praktisch vollständige Abscheiden flüssige Aerosole zu versichern, wobei die Redundanz, die von Systemen des Standes der Technik im Bereich des Flüssigkeitsabscheidens verwendet wird, unnötig gemacht wird.
Durch Erklären des vorher beschriebenen Phänomens von der Perspektive einer Strömungsrate sollte, um zu versichern, daß coalescierte Flüssigkeit stromabwärts als ein Dampf strömt, die Rate flüssiger Aerosole, die an dem Coalescer abgelagert werden, gleich der Rate von Wasser sein, das durch den ungesättigten Luftstrom verdampft wird. Dies erkennend, kann die Rate einer Ablagerung der flüssigen Aerosole an dem coalescierenden Medium gesteuert werden, indem das Medium mit einer ausreichenden Oberfläche versehen wird, um zu verursachen, daß weniger als eine Schwellenmenge von Flüssigkeit pro Einheitsfläche pro Einheitszeit gesammelt wird. Indem der Coalescer so entworfen wird, um die Menge von Flüssigkeit, die auf ihn abgelagert wird, unter diesem Schwellwert zu halten, wird der Partikelfilter nicht von irgendwelchen mitgenommenen Flüssigkeiten kontaminiert werden.
Die zuvor erwähnte Eliminierung flüssiger Aerosole durch das coalescierende Medium erlaubt auch, den Partikelfilter 15, wie ein HEPA-Medium, in enger Nähe des coalescierenden Mediums 14 anzuordnen, und zwar ohne einen Bedarf nach Redundanz wegen Flüssigkeitsübertrag. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der HEPA-Filter 15 benachbart zum Coalescer 14 angeordnet, eine sehr raumeffiziente Konfiguration. Darüberhinaus wird die Redundanz, die in Systemen des Standes der Technik angetroffen wird, durch Eliminieren des Bedarfs nach separaten Gehäusen für den Coalescer und für den HEPA-Filter reduziert, was sowohl zu Gewichts- als auch Raumeinsparungen führt.
Die Konfiguration der Strömung von außen nach innen der Anordnung aus Coalescer, Partikelfilter und perforiertem Stützkern, wie beschrieben im bevorzugten Ausführungsbeispiel, spart auch Raum gegenüber Systemen des Standes der Technik.

Claims

1. Gas-Flüssig-Trenn- und -Filtervorrichtung, die aufweist:

a) ein Gehäuse, wobei das Gehäuse einen separaten Gaseinlaß (11) hat;

b) eine Einrichtung (30) zur Gas-Flüssig-Trennung, die innerhalb des Gehäuses angeordnet ist;

c) eine Einrichtung (29) zum Entfernen der abgetrennten Flüssigkeit aus dem Gehäuse;

d) eine ringförmige Trenn- und- Filtervorrichtung stromabseitig von der Trenneinrichtung und innerhalb des Gehäuses, aufweisend:

i) ein coalescierendes Element (14) mit einer Oberfläche, die ein Verdampfen coalescierter Flüssigkeit aus dem coalescierenden Element in das da hindurchfließende ungesättigte Gas fördert;

ii) einen Partikelfilter (15) in der Nähe und stromabseitig von dem coalescierenden Element; und

e) einen Gasauslaß (12) in dem Gehäuse stromabseitig von der ringförmigen Trenn- und- Filtervorrichtung.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die ringförmige Filtervorrichtung ein coalescierendes Element (14) als ihr äußeres Element und den Partikelfilter (15) als ihr inneres Element hat.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Einrichtung zum Luft- Flüssig-Trennen ein Trägheitsseparator (30) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Partikelfilter ein HEPA- Filter (15) ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das coalescierende Element (14) ein Profile-Element mit abgestuften Poren ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der HEPA-Filter (15) ein Profile-Element mit abgesluften Poren ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, die weiterhin eine Einrichtung (19) zum Entfernen coalescierter Flüssigkeit aufweist, die an der Vorrichtung in einer Lage angeordnet ist, die es ihr erlauben wird, an ihrem untersten Punkt zu sein, wenn der Aufbau, an dem die Vorrichtung installiert ist, normalerweise in Ruhe ist.

8. Verfahren zum Gas-Flüssig-Trennen und Entfernen von partikelartigem Material aus einem Gas-Flüssig-Partikel-Gemisch. wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

a) Trennen im wesentlichen aller flüssigen Aerosole über 25 µm Durchmesser von dem Gemisch in einem Separator;

b) Entfernen der abgetrennten flüssigen Aerosole aus dem Separator;

c) Führen des verbleibenden Gemischs zu einem coalescierenden Element;

d) Coalescieren der verbleibenden flüssigen Aerosole mit dem coalescierenden Element;

e) Verdampfen von Flüssigkeit von dem coalescierenden Element in den da hindurchfließenden ungesättigten Gasstrom;

f) Führen des verbleibenden Gas-Partikel-Gemisches zu einem Partikelfilter; und

g) Filtern des partikelartigen Materials aus dem Gasstrom mit dem Partikelfilter.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Trennschritt (a) unter Verwendung des Trägheitsseparators ausgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Filtrationsschritt (g) unter Verwendung eines HEPA-Filters ausgeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das coalescierende Element ein Profile-Element mit abgestuften Poren ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei nach Schritt (e) irgendeine coalescierte Flüssigkeit, die nicht verdampft ist, aus der Vorrichtung entfernt wird.