ES2828604T3 - Medios compuestos para corrientes de combustible - Google Patents
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Abstract
Material de filtro (100, 200) para su uso en la separación de combustible-agua que comprende: una capa de filtración de partículas (110, 210) que comprende sustancialmente fibras aglutinantes y fibras de medio; y una capa de coalescencia (120, 220) aguas abajo de la capa de filtración de partículas (110, 210) y acoplada a la capa de filtración de partículas (110, 210), comprendiendo la capa de coalescencia (120, 220) al menos el 70% de fibras de vidrio en peso, en el que el material de filtro (100, 200) está configurado para eliminar por filtración materiales particulados y coalescer agua libre en una corriente de combustible, en el que cada una de la capa de filtración de partículas (110, 210) y la capa de coalescencia (120, 220) tiene una permeabilidad al aire, y en el que una razón de la permeabilidad al aire de la capa de filtración de partículas (110, 210) con respecto a la permeabilidad al aire de la capa de coalescencia (120, 220) oscila entre 3:1 y 15:1.
Description
DESCRIPCIÓN
Medios compuestos para corrientes de combustible
Campo de la tecnología
La presente tecnología está relacionada generalmente con medios de filtro y, más particularmente, con medios de filtración particulados y coalescentes para corrientes de combustible.
Antecedentes
La filtración de combustibles líquidos para su uso en motores de combustión interna es a menudo esencial para un rendimiento apropiado del motor. Por ejemplo, diversos motores diésel usan actualmente filtros de combustible con el objetivo del agua y las partículas que pueden encontrarse en el combustible diésel. Esta eliminación de agua y partículas es necesaria para proporcionar un rendimiento favorable del motor así como para proteger los componentes del motor del daño. El agua libre, que existe como una fase separada en el combustible, puede ser una preocupación seria ya que provoca diversos problemas incluyendo daño en los componentes del motor a través de cavitación y corrosión, y promoción del crecimiento microbiológico. El agua libre se diferencia del agua disuelta, que existe como una fase continua y es de poca preocupación para el rendimiento del motor. El agua libre puede estar suspendida como gotitas de diversos tamaños, que pueden clasificarse como agua gruesa y/o emulsionada, donde agua gruesa se refiere generalmente a gotitas de agua mayores de 60 micrómetros de diámetro y agua emulsionada se refiere generalmente a gotitas de agua por debajo de 60 micrómetros de diámetro. Aunque algunas tecnologías de filtración de combustible existentes intentan coalescer el agua libre atrapada en el combustible para dar gotitas más grandes, haciendo de ese modo que el agua sea más fácil de separar del combustible, algunos aditivos de combustible que se usan comúnmente pueden estabilizar las gotitas de agua, haciendo de ese modo difícil coalescer el agua libre.
Los contaminantes particulados también pueden crear problemas significativos en el rendimiento del motor y pueden dar como resultado daño en el motor. La contaminación particulada puede incluir residuos de partículas duras tales como polvo y suciedad, así como productos de contaminación de combustible (FCP) incluyendo productos de degradación de combustible (FDP), y contaminantes tales como ceras, asfaltenos, glucósidos de esterol, glucósidos de esterilo y glicósidos de esterol. Para complicar aún más las cosas, la contaminación particulada interfiere con la capacidad de un medio de coalescencia para coalescer eficazmente el agua libre. Aunque algunas tecnologías intentan resolver este problema usando un medio que tiene una capa de filtración de partículas aguas arriba seguido por una capa de medio de coalescencia, la eficacia de la capa de coalescencia se limita generalmente al ciclo de vida de la capa de filtración de partículas. Como tales, son deseables medios de filtro mejorados para filtrar materiales particulados y coalescer el agua atrapada de la corriente de combustible a lo largo de toda la vida de servicio del medio. Un material de filtro conocido se da a conocer en el documento US 8021457 B2.
Sumario
Un material de filtro según la presente invención se define en la reivindicación independiente 1. La tecnología dada a conocer en el presente documento se refiere generalmente a un material de filtro para su uso en la separación de combustible-agua que tiene una capa de filtración de partículas y una capa de coalescencia aguas abajo de, y acoplada a, la capa de filtración de partículas. La capa de filtración de partículas está construida sustancialmente de fibras aglutinantes y fibras de medio. La capa de coalescencia tiene al menos el 70% de fibras de vidrio en peso. En algunas realizaciones de ejemplo, un material de filtro para combustibles líquidos tiene una capa de filtración de partículas y una capa de coalescencia aguas abajo de la capa de filtración de partículas. La capa de filtración de partículas tiene fibras aglutinantes y fibras de medio y está sustancialmente libre de materiales soplados por fusión. La razón de permeabilidad al aire de la capa de filtración de partículas con respecto a la permeabilidad al aire de la capa de coalescencia oscila entre aproximadamente 3:1 y aproximadamente 15:1.
Este sumario es una visión general de algunas de las enseñanzas de la presente solicitud y no pretende ser un tratamiento exclusivo o exhaustivo de la presente materia. Se encuentran detalles adicionales en la descripción detallada y las reivindicaciones adjuntas. Otros aspectos resultarán evidentes para los expertos en la técnica tras la lectura y comprensión de la siguiente descripción detallada y la observación de los dibujos que forman una parte de la misma, cada uno de los cuales no debe tomarse en un sentido limitativo.
Breve descripción de los dibujos
Los ejemplos pueden entenderse más completamente en relación con los siguientes dibujos.
La figura 1 es una vista en sección transversal esquemática de la construcción de un medio consecuente con algunas realizaciones de la tecnología descrita actualmente.
La figura 2 es una vista esquemática en sección transversal de la construcción de otro medio consecuente con algunas realizaciones de la tecnología descrita actualmente.
Aunque las realizaciones en el presente documento son susceptibles a diversas modificaciones y formas alternativas, se han mostrado detalles de las mismas a modo de ejemplo y dibujos, y se describirán en detalle.
Descripción detallada
La figura 1 representa un material de filtro 100 de ejemplo consecuente con la tecnología dada a conocer en el presente documento. El material de filtro 100 está configurado generalmente para su uso para la separación de combustibleagua. El material de filtro 100 está también configurado para su uso para filtrar partículas de un combustible, en una variedad de realizaciones. El material de filtro 100 está configurado generalmente para eliminar por filtración materiales particulados y coalescer agua libre en una corriente de combustible. El material de filtro 100 tiene generalmente una capa de filtración de partículas 110, una capa de coalescencia 120 aguas abajo de la capa de filtración de partículas 110 y una capa de soporte 130 aguas abajo de la capa de coalescencia 120.
La capa de filtración de partículas 110 está construida sustancialmente de fibras aglutinantes y fibras de medio en una variedad de realizaciones. El término “sustancialmente construida de” o “que comprende sustancialmente” se usa en el presente documento queriendo decir que el material en cuestión tiene al menos el 95% en peso de los componentes especificados. En una variedad de realizaciones, la capa de filtración de partículas 110 está sustancialmente libre de material soplado por fusión. La capa de filtración de partículas puede construirse tal como se da a conocer, por ejemplo, en la publicación estadounidense n.° 2012/0234748, presentada el 16 de marzo de 2012 o, en otro ejemplo, la patente estadounidense n.° 7.314.497, concedida el 1 de enero de 2008 o, en otro ejemplo, la patente estadounidense n.° 9.056.268, concedida el 16 de junio de 2015.
Fibra de medio
La fibra de medio es la fibra que proporciona propiedades de filtración primaria a los medios, tales como tamaño de poro controlable, permeabilidad y eficiencia. La fibra de medio puede ser, por ejemplo, fibra de vidrio, fibra de carbono, fibras cerámicas, poliéster o celulosa. Puede usarse una proporción sustancial de fibra de vidrio en algunas implementaciones de ejemplo de la capa de filtración de partículas. La fibra de vidrio proporciona control del tamaño de poro y coopera con las otras fibras en el medio para obtener un medio de velocidad de flujo sustancial, alta capacidad, eficiencia sustancial y alta resistencia a la humedad.
El término “fuente” de fibra de vidrio significa una composición de fibra de vidrio caracterizada por un diámetro promedio y una razón de aspecto que está disponible como una materia prima distinta. Medios adecuados pueden ser tipos de vidrio conocidos por las designaciones: A, C, D, E, boro cero E, ECR, AR, R, S, S-2, N, y similares, y generalmente, cualquier vidrio que pueda convertirse en fibras o bien mediante procesos de estirado usados para fabricar fibras de refuerzo o bien procesos de hilatura usados para fabricar fibras de aislamiento térmico. Tal fibra se usa normalmente como un diámetro de aproximadamente 0,1 a 10 micrómetros y una razón de aspecto (longitud dividida entre diámetro) de aproximadamente 10 a 10.000. Estas fibras comercialmente disponibles se dimensionan de manera característica con un recubrimiento de dimensionamiento. Las fibras de vidrio generalmente adecuadas deben tener un diámetro promedio de menos de 15 micrómetros, más deseablemente menos de 10 micrómetros y preferiblemente menos de 5 micrómetros. Las fuentes comerciales de materiales de vidrio adecuados incluyen las siguientes: Lauscha International, Evanite, Johns Manville, Owen Corning, y otras.
Además de fibras de vidrio, fibras alternativas adecuadas en algunas implementaciones para la fibra de medio comprenden fibras de carbono, fibras de celulosa y/o fibras de poliéster. En algunas realizaciones, las fibras de medio son fibras cortadas. Generalmente, las fibras de carbono adecuadas deben tener un diámetro promedio de menos de 25 micrómetros, más deseablemente menos de 15 micrómetros y preferiblemente menos de 10 micrómetros. Las fuentes comerciales de materiales de carbono adecuados incluyen las siguientes: Unitika, Kynol, y otras.
En realizaciones, la capa de filtración de partículas contiene fibras de vidrio en una cantidad correspondiente a de aproximadamente el 10% al 90% en peso de los sólidos totales en la capa de filtración de partículas, o de aproximadamente el 20 al 80% en peso de los sólidos totales en la capa de filtración de partículas, o de aproximadamente el 25% al 75% en peso de los sólidos totales en la capa de filtración de partículas, o aproximadamente el 50% en peso de los sólidos totales en la capa de filtración de partículas. En algunas realizaciones, se emplea una combinación de más de una fuente de fibra de vidrio, en las que la combinación de más de una fuente de fibra de vidrio se emplea para formar el porcentaje en peso total de fibra de vidrio en la capa de filtración de partículas. En algunas de tales realizaciones, la combinación de fuentes de fibra de vidrio se selecciona para controlar la permeabilidad de la capa de filtración de partículas. Por ejemplo, en algunas realizaciones, la combinación de fibras de vidrio de más de una fuente de fibra de vidrio que tiene un diámetro de fibra promedio de aproximadamente 0,3 a 0,5 micrómetros, fibra de vidrio que tiene un diámetro de fibra promedio de aproximadamente 1 a 2 micrómetros, fibra de vidrio que tiene un diámetro de fibra promedio de aproximadamente 3 a 6 micrómetros, fibra de vidrio con un diámetro de fibra de aproximadamente 6 a 10 micrómetros y fibra de vidrio con diámetro de fibra de aproximadamente 10 a 100 micrómetros en proporciones variables, incluyendo combinaciones de dos o más de las mismas, aumenta la permeabilidad de la capa de filtración de partículas. En algunas de tales realizaciones, las combinaciones de fibra de vidrio se seleccionan para conferir un tamaño de poro controlado, dando como resultado una permeabilidad definida, a una capa de filtración de partículas.
Fibra aglutinante
La fibra aglutinante está configurada generalmente para proporcionar soporte para la fibra de medio, y también puede añadir manipulación, fuerza y resistencia a la compresión mejoradas a la fibra de medio. En ciertas implementaciones, la fibra aglutinante también proporciona procesabilidad mejorada durante la formulación de la materia prima, la formación de láminas o capas y el procesamiento aguas abajo (incluyendo ajuste del grosor, secado, corte y formación de elementos de filtro).
La fibra aglutinante puede ser, por ejemplo, una fibra bicomponente. Tal como se muestra en el presente documento, “fibra bicomponente” significa una fibra formada a partir de un material termoplástico que tiene al menos una porción de fibra con un punto de fusión y una segunda porción termoplástica con un punto de fusión inferior. La configuración física de estas porciones de fibra es normalmente en una estructura de lado a lado o de corteza-núcleo. En la estructura lado a lado, las dos resinas se extruyen normalmente en una forma conectada en una estructura de lado a lado. Otras morfologías útiles incluyen fibras bicomponentes lobuladas, en las que las puntas de las fibras tienen lóbulos que están formados a partir de un polímero de punto de fusión inferior que el resto de la fibra.
El uso de la fibra bicomponente permite la formación de una capa de filtración de partículas sin aglutinante de resina separado o con cantidades mínimas de un aglutinante de resina que reduce o impide sustancialmente la formación de película a partir de la resina de aglutinante y también previene la falta de uniformidad en el medio o elemento debido a la migración de la resina a una ubicación particular de la capa de medio. El uso de la fibra bicomponente puede permitir una compresión reducida, una solidez mejorada y una resistencia a la tracción aumentada en el medio de filtro y mejora la utilización de fibra de medio tal como fibra de vidrio y otros materiales de fibra submicrométricos que se añaden a la capa de medio o elemento de filtro.
Las fibras de medio y fibras aglutinantes se combinan en diversas proporciones para formar un material de resistencia relativamente alta que tiene una capacidad de filtración, permeabilidad y vida útil de filtración sustanciales. Un medio de este tipo puede fabricarse con fibras secundarias opcionales y otros materiales de aditivo. Estos componentes se combinan para formar un material de alta resistencia que tiene una capacidad de flujo, permeabilidad y alta resistencia sustanciales.
Pueden usarse diversas combinaciones de polímeros para la fibra bicomponente, pero generalmente el primer componente de polímero se funde a una temperatura inferior a la temperatura de fusión del segundo componente de polímero y normalmente por debajo de 205°C. Además, las fibras bicomponentes normalmente se mezclan de manera integral y se dispersan uniformemente con las fibras de medio, tales como fibras de vidrio. La fusión del primer componente de polímero de la fibra bicomponente es necesaria para permitir que las fibras bicomponentes formen una estructura esquelética pegajosa, que tras enfriarse, captura y se une a muchas de las fibras de medio, así como se une a otras fibras bicomponentes. En la estructura de corteza-núcleo, el material termoplástico de bajo punto de fusión (por ejemplo, de aproximadamente 80 a 205°C) se extruye normalmente alrededor de una fibra del material de punto de fusión superior (por ejemplo, de aproximadamente 120 a 260°C).
En uso, las fibras bicomponentes tienen normalmente un diámetro de fibra de aproximadamente 5 a 50 micrómetros, a menudo de aproximadamente 10 a 20 micrómetros y normalmente en una forma de fibra tienen generalmente una longitud de 0,1 a 20 milímetros o tienen a menudo una longitud de aproximadamente 0,2 a aproximadamente 15 milímetros. Tales fibras pueden fabricarse a partir de una variedad de materiales termoplásticos incluyendo poliolefinas (tales como polietilenos, polipropilenos), poliésteres (tales como poli(tereftalato de etileno), poli(tereftalato de butileno), poli(tereftalato de ciclohexilendimetileno)), náilones incluyendo nailon 6, nailon 6,6, nailon 6,12, etc.
Las fibras bicomponentes son útiles en la formación de medios de filtración permeables mecánicamente estables, pero fuertes, que puedan soportar el estrés mecánico del paso de aire cargado de residuos a alta velocidad y que puedan mantener la carga de residuos durante el uso, así como soportar ciclos de lavado y secado repetidos entre las cargas. Las fibras bicomponentes útiles en la tecnología actual son de una morfología de núcleo/vaina (o forrada), morfología de lado a lado, morfología de islas en el mar o morfología lobulada. Las fibras bicomponentes están constituidas por al menos dos materiales termoplásticos que tienen puntos de fusión diferentes. En algunas realizaciones, los polímeros termoplásticos útiles en la formación de o bien el núcleo o bien la corteza de las fibras bicomponentes útiles en la capa de filtración de partículas incluyen poliolefinas tales como polietileno, polipropileno, polibutileno, poli-a-octeno, y copolímeros de los mismos incluyendo baja densidad lineal, baja densidad, alta densidad, densidad ultra alta y otras designaciones morfológicas y de composición; politetrahaloetilenos tales como politetrafluoroetileno y policlorotrifluoroetileno; poliésteres tales como poli(tereftalato de etileno), poli(tereftalato de butileno) o poli(naftalato de etileno); poli(acetato de vinilo), poli(alcohol vinílico), y copolímeros de los mismos; poli(haluros de vinilo) tales como poli(cloruro de vinilo), poli(haluros de vinilideno) tales como poli(cloruro de vinilideno), poli(fluoruro de vinilideno), y similares y copolímeros de los mismos; poliacetales tales como polivinilbutiral, resinas acrílicas (poliacrilatos) tales como ésteres de poli(acrilato de metilo) y ésteres de poli(metacrilato de metilo) y copolímeros de los mismos incluyendo copolímeros de ácido acrílico y sales de los mismos; poliamidas tales como nailon 6, nailon 66, nailon 6,10, nailon 46, y similares y copolímeros de los mismos; poliestireno y copolímeros del mismo; poliuretanos; poliureas; resinas celulósicas, concretamente nitrato de celulosa, acetato de celulosa, acetato-butirato de celulosa, etilcelulosa, y similares; copolímeros de cualquiera de los materiales anteriores, tales como copolímeros de etileno-acetato de vinilo, copolímeros de etileno-ácido acrílico, copolímeros de bloque de estireno-butadieno, cauchos KRATON®, y similares.
En realizaciones, se emplea una fibra bicomponente de corteza/núcleo de poliolefina/poliéster mediante lo cual la corteza de poliolefina se funde a una temperatura inferior a la del núcleo de poliéster. En otras realizaciones, se emplean como núcleo y corteza dos poliolefinas, o dos poliésteres, dos poli(haluros de vinilo), dos poli(haluros de vinilideno), dos polímeros de poliamida u otros dos cualesquiera polímeros que son similares o idénticos químicamente, en los que las diferencias de composición (por ejemplo, la mezcla de composición de monómeros particular usada para sintetizar el polímero, o la disposición en bloques de la concentración de monómero en un copolímero), peso molecular o diferencias morfológicas tales como el grado de ramificación o grado de cristalización de la cadena lateral y similares proporcionan materiales de polímero de fusión o ablandamiento superior e inferior.
En algunas realizaciones, se emplea el componente de punto de fusión inferior de las fibras bicomponentes como corteza en una morfología de núcleo/corteza (o vaina en una morfología de núcleo/vaina), como lóbulos en una morfología lobulada, como las “islas” en una morfología de islas en el mar o como un lado de una morfología de lado a lado. El componente de fusión inferior proporciona una capacidad de fundirse por fusión al paquete de medio de filtro formado, en el que las bandas depositadas en húmedo o depositadas por aire no tejidas se calientan hasta una temperatura por encima del punto de fusión o la temperatura de transición vítrea del componente de fusión inferior y por debajo del punto de fusión o temperatura de transición vítrea del componente de fusión superior. En realizaciones, la fundición por fusión se logra cuando los componentes de fibra fundidos o ablandados entran en contacto con otras fibras bicomponentes, así como cualesquiera otras fibras y aditivos dentro de la capa de filtración de partículas depositada en húmedo o depositada por aire formada.
En tales realizaciones, cuando la temperatura se reduce posteriormente hasta o por debajo de la temperatura de uso final prevista, las fibras bicomponentes se han fundido por fusión al menos parcialmente en virtud de la corteza (o lóbulo o lado), al tiempo que se conservan sustancialmente las características no tejidas de espesor, permeabilidad, porosidad, gramaje, grosor, y similares conferidas por el proceso de deposición por aire y deposición en húmedo empleado para formar la capa de filtración de partículas. Estas características no tejidas se retienen en virtud del núcleo de fusión superior o lado de la fibra bicomponente que conserva su morfología fibrosa durante la fundición por fusión. Además, la fibra bicomponente fundida por fusión confiere propiedades deseables, incluyendo compresión reducida y resistencia a la tracción aumentada; la fibra bicomponente fundida por fusión mejora además la utilización y retención de fibra de vidrio y otras fibras secundarias y/o materiales de aditivo en la capa de filtración de partículas.
En algunas realizaciones, fibras bicomponentes de núcleo/corteza conocidas como Advansa 271P disponibles de E. I. Dupont Nemours, Wilmington DE son útiles en la formación de medios de filtro de alto espesor y bajo espesor útiles en la capa de filtración de partículas. Otras fibras bicomponentes útiles incluyen la serie T-200 de fibras de núcleo/corteza concéntricas disponibles de Fiber Innovation Technology, Inc. de Johnson City, TN; Kuraray N720, disponible de Engineered Fibers Technology, LLC de Shelton, CT; Nichimen 4080, disponible de Nichimen America Inc. de Nueva York, NY; y materiales similares. Todas estas fibras demuestran las características de fundición por fusión tal como se describió anteriormente.
En algunas realizaciones, una capa de filtración de partículas tiene aproximadamente el 50% en peso de fibra bicomponente Advansa 271P (disponible de E. I. Dupont Nemours, Wilmington DE) y aproximadamente el 50% en peso de microfibra de vidrio Lauscha B50 (disponible de Lauscha Fiber Intl. de Summerville, SC). La capa de filtración de partículas se forma mediante un proceso de tipo fabricación de papel o deposición en húmedo para dar como resultado un medio que tiene un gramaje de aproximadamente 60 g/m2 a 70 g/m2, un grosor de capa de 0,5 mm a 0,65 mm a 0,86 kpa (0,125 psi) psi, una compresibilidad del 15% al 20% entre 0,86 kpa (0,125 psi) y 1,5 psi, y una solidez del 6-7% a 0,86 kpa (0,125 psi).
Propiedades de la capa de filtración de partículas
Las propiedades de rendimiento de la capa de filtración de partículas se ven afectadas al controlar atributos relacionados con el tamaño de fibra, estructura de poro, solidez y compresibilidad de la capa de filtración de partículas. Generalmente, el uso de un medio que tiene relativamente baja solidez y baja compresibilidad, al tiempo que también tiene un tamaño de poro de flujo medio relativamente pequeño pero un tamaño de poro de flujo máximo relativamente grande, da como resultado una construcción de medio de ejemplo que puede eliminar materiales particulados sin taponamiento prematuro. En algunas realizaciones, la capa de filtración de partículas es hidrófila en aire, lo que significa que una gotita de agua, en aire, tiene un ángulo de contacto con la superficie de la capa de filtración de menos de 90 grados, cuando se mide usando un dispositivo de medición del ángulo de contacto convencional tal como el instrumento de ángulo de contacto First Ten Angstroms. La hidrofilia de la capa de filtración de partículas 110 puede distinguirse de materiales soplados por fusión tradicionales que pueden usarse para la filtración de partículas en combustibles, que tienden a ser hidrófobos en aire. “Hidrófobo en aire” significa generalmente que una gotita de agua, en aire, tiene un ángulo de contacto con la superficie de un medio que es mayor de 90 grados.
En general, la fibra de medio tiene un diámetro más pequeño que la fibra aglutinante. En realizaciones de ejemplo, la fibra de medio tiene un diámetro promedio de menos de 5 micrómetros, mientras que la fibra aglutinante tiene un diámetro promedio de más de 5 micrómetros. Más normalmente, la fibra de medio tendrá un diámetro promedio de desde 0,1 hasta 20 micrómetros, y opcionalmente desde 0,1 hasta 15 micrómetros. En algunas implementaciones, la fibra de medio tendrá un diámetro promedio de desde 0,4 hasta 12 micrómetros, y en algunas implementaciones desde 0,4 hasta 6,5 micrómetros. A menudo son deseables fibras de medio con un diámetro promedio de menos de 10
micrómetros, menos de 7,5 micrómetros, menos de 6,5 micrómetros y menos de 5 micrómetros. La fibra aglutinante tendrá normalmente un diámetro de desde 5 hasta 40 micrómetros, más normalmente desde 7 hasta 20 micrómetros y a menudo desde 10 hasta 14 micrómetros. Obsérvese que el diámetro de tanto las fibras de medio como las fibras aglutinantes puede ser variable. En algunos casos, los diámetros de las fibras variarán a lo largo de sus longitudes, aunque más comúnmente se incorporarán fibras de diferentes diámetros. Se entenderá que, tal como se usa en el presente documento, los diámetros de las fibras se basan en diámetros de fibra promedio para las fibras presentes en los medios.
Una característica adicional de la capa de filtración de partículas es que tiene normalmente un nivel de solidez relativamente bajo. Tal como se usa en el presente documento, la solidez es el volumen de la fibra sólida dividido entre el volumen total del medio de filtro en cuestión, habitualmente expresado como un porcentaje. En una implementación típica, la solidez de la capa de filtro de partículas es menor del 15 por ciento, más normalmente menor del 12 por ciento y más frecuentemente menor del 10 por ciento. En determinadas realizaciones, la solidez es menor del 9 por ciento, menor del 8 por ciento o menor del 7 por ciento. La capa de filtración de partículas tiene generalmente una permeabilidad al aire que oscila entre aproximadamente 22,86 cm3/cm2 min (45 cfm) y aproximadamente 101,6 cm3/cm2 min (200 cfm) donde la permeabilidad al aire es la permeabilidad de Frazier. Permeabilidad al aire se refiere a la cantidad de aire (0,503 cm3/cm2 min) o ft- min-1) que fluirá a través de un medio de filtro a una caída de presión de 0,5 pulgadas de agua. En general, la permeabilidad, tal como se usa el término, se evalúa mediante la prueba de permeabilidad de Frazier según la norma ASTM D737 usando un medidor de permeabilidad de Frazier disponible de Frazier Precision Instrument Co. Inc., Gaithersburg, Maryland o un instrumento TexTest 3300 o TexTest 3310 disponible de Advanced Testing Instruments Corp (ATI), Spartanburg, Carolina del Sur 29301.
Una característica adicional de la capa de filtración de partículas es que es relativamente incompresible, especialmente en relación con la solidez del medio. La compresibilidad es la resistencia (es decir) a la compresión o deformación en la dirección de flujo de fluido a través del medio. Una prueba adecuada para la compresión del medio es una prueba de fuerza de compresión frente a distancia, en la que un apilamiento de medio se comprime bajo una carga para determinar el porcentaje de compresión. Un ejemplo de una prueba de este tipo es tal como sigue: Se usan una sonda de 2,54 centímetros de diámetro y una célula de carga de 5 kg para comprimir un apilamiento de medio que tiene un grosor total de 25 mm. La prueba se realiza a una velocidad de 1 mm/s, con una distancia de inicio de 30 mm desde la parte inferior, y un activador de datos de 0,5 g. El objetivo de fuerza final es de 4.800 g. El tamaño de muestra de medio puede ser un círculo de 2,22 centímetros de diámetro, orientado con muestras de medio para formar un apilamiento directamente por debajo de la sonda de prueba. La presión sobre el medio en tales implementaciones es de aproximadamente 1,24 kg/cm2 El número de muestras apiladas usadas debe ser suficiente para tener un grosor total de 25 mm, por tanto el número total de muestras variará dependiendo del grosor individual del material de medio sometido a prueba. Los datos se analizan en cuanto a la siguiente ecuación:
porcentaje de compresión = x / t1
en la que ti = grosor desde la parte inferior de las muestras apiladas cuando la fuerza = 0,5 gramos, y t2 = grosor desde la parte inferior de las muestras apiladas cuando la fuerza = 4.800 gramos, con x igual a la distancia que se desplaza la sonda durante la prueba, que es la distancia t1 - t2. Los instrumentos adecuados para realizar esta prueba incluyen, por ejemplo, un analizador de textura TA.XT2i de Stable Micro Systems que utiliza el software Texture Expert Exceed versión 2.64.
La resistencia a la compresión de la capa de filtración de partículas debe ser suficiente como para mantener el grosor de un material y de ese modo mantener su estructura de poro y flujo de filtración y rendimiento de eliminación de material particulado. En algunas realizaciones, la capa de filtración de partículas tiene una compresibilidad de menos del 40 por ciento a una presión de 1,24 kg/cm2. En otras implementaciones la capa de filtración de partículas tiene una compresibilidad de menos del 30 por ciento a una presión de 1,24 kg/cm2, menos del 20 por ciento a una presión de 1,24 kg/cm2 y menos del 10 por ciento a una presión de 1,24 kg/cm2. Además, la compresibilidad de la capa de filtración de partículas dividida entre la solidez es a menudo menor de 4, frecuentemente menor de 3, puede ser menor de 2 y en algunas implementaciones es menor de 1. Por ejemplo, en una implementación en la que la compresibilidad es del 20 por ciento y la solidez es del 10 por ciento, este número es de 2,0.
Resinas y fibras adicionales en la capa de filtración de partículas
Pueden usarse resinas aglutinantes sin fibras para ayudar a unir la fibra de medio, y opcionalmente la fibra aglutinante, para dar una capa de filtración de partículas mecánicamente estable. Tales materiales de resinas aglutinantes termoplásticas pueden usarse como un polvo seco sistema de disolventes, pero son normalmente dispersiones acuosas de resinas termoplásticas de vinilo. Un componente aglutinante resinoso sin fibras no es necesario para obtener una resistencia adecuada para la capa de filtración de partículas, pero puede usarse.
Las resinas aglutinantes sin fibras incluyen materiales de acetato de vinilo, resinas de cloruro de vinilo, resinas de poli(alcohol vinílico), resinas de poli(acetato de vinilo), resinas de polivinilacetilo, resinas acrílicas, resinas metacrílicas, resinas de poliamida, resinas de copolímero de polietileno-acetato de vinilo, resinas termoendurecibles tales como urea fenol, urea formaldehído, melamina, epoxi, poliuretano, resinas de poliéster insaturadas curables, resinas poliaromáticas, resinas de resorcinol y resinas de elastómeros similares.
Materiales adecuados para el polímero aglutinante dispersable o soluble en agua son resinas termoendurecibles dispersables en agua o solubles en agua tales como resinas acrílicas, resinas metacrílicas, resinas de poliamida, resinas epoxídicas, resinas fenólicas, poliureas, poliuretanos, resinas de melamina formaldehído, poliésteres y resinas alquídicas, en general, y específicamente, resinas acrílicas, resinas metacrílicas y resinas de poliamida solubles en agua. Tales aglutinantes líquidos son normalmente dispersiones de laminillas que recubren la fibra y promueven la adhesión de fibra a fibra en la matriz no tejida final. Se añade suficiente resina a la materia prima como para recubrir completamente la fibra sin provocar una película por encima de los poros formados en la lámina, medio o material de filtro. La resina puede añadirse a la materia prima o puede aplicarse al medio después de la formación.
Un aglutinante de látex usado para unir la banda de fibras no tejidas tridimensional en cada capa no tejida, o usado como adhesivo adicional, puede seleccionarse de diversos adhesivos de látex conocidos en la técnica. El experto en la técnica puede seleccionar el adhesivo de látex particular dependiendo del tipo de fibras celulósicas que van a unirse. El adhesivo de látex puede aplicarse mediante técnicas conocidas tales como pulverización o formación de espuma. Generalmente, se usan adhesivos de látex que tienen desde el 15 hasta el 25% de sólidos. La dispersión puede prepararse dispersando las fibras y luego añadiendo el material aglutinante o dispersando el material aglutinante y luego añadiendo las fibras. La dispersión puede prepararse también combinando una dispersión de fibras con una dispersión del material aglutinante. La concentración de fibras totales en la dispersión puede oscilar entre el 0,01 y el 5 o el 0,005 y el 2 por ciento en peso basándose en el peso total de la dispersión. La concentración de material aglutinante en la dispersión puede oscilar entre el 10 y el 50 por ciento en peso basándose en el peso total de las fibras.
La capa de filtración de partículas puede contener también fibras secundarias hechas de varias fibras tanto hidrófilas, hidrófobas, oleófilas como oleófobas. Estas fibras cooperan con la fibra de vidrio (u otro medio) y la fibra bicomponente para formar un medio de filtración permeable mecánicamente estable, pero fuerte, que puede soportar el estrés mecánico del paso de materiales fluidos y puede mantener la carga de material particulado durante el uso. Las fibras secundarias son normalmente fibras monocomponentes con un diámetro que puede oscilar entre aproximadamente 0,1 y aproximadamente 50 micrómetros y pueden estar hechas de una variedad de materiales. Un tipo de fibra secundaria es una fibra aglutinante que coopera con otros componentes para unir los materiales para dar una lámina. Otro tipo de fibra secundaria es una fibra estructural que coopera con otros componentes para aumentar la resistencia a la tracción y al estallido de los materiales en condiciones secas y húmedas. Adicionalmente, la fibra aglutinante puede incluir fibras hechas de polímeros tales como poli(cloruro de vinilo) y poli(alcohol vinílico). Las fibras secundarias pueden incluir también fibras inorgánicas tales como fibra de carbono/grafito, fibra de metal, fibra cerámica y combinaciones de las mismas.
Las fibras termoplásticas secundarias pueden ser, pero no se limitan a, fibras de poliéster, fibras de poliamida, fibras de polipropileno, fibras de copoliéter-éster, fibras de poli(tereftalato de etileno), fibras de poli(tereftalato de butileno), fibras de polietercetonacetona (PEKK), fibras de polieteretercetona (PEEK), fibras de polímero cristalino líquido (LCP), y mezclas de las mismas. Las fibras de poliamida incluyen, pero no se limitan a, nailon 6, 66, 11, 12, 612, y “náilones” de alta temperatura (tales como nailon 46) incluyendo fibras celulósicas, fibras de poli(acetato de vinilo), fibras de poli(alcohol vinílico) (incluyendo diversas hidrólisis de poli(alcohol vinílico) tal como polímeros hidrolizados al 88%, hidrolizados al 95%, hidrolizados al 98% e hidrolizados al 99,5%), algodón, rayón viscosa, material termoplástico tal como poliéster, polipropileno, polietileno, etc., poli(acetato de vinilo), poli(ácido láctico) y otros tipos de fibras comunes. Las fibras termoplásticas son generalmente fibras finas (diámetro de aproximadamente 0,5-20 denier), cortas (aproximadamente 0,1-5 cm de longitud), cortadas, que contienen posiblemente aditivos convencionales premezclados, tales como antioxidante, estabilizadores, lubricantes, endurecedores, etc. Además, las fibras termoplásticas pueden tratarse en la superficie con un adyuvante de dispersión. Las fibras termoplásticas preferidas son fibras de poliamida y poli(tereftalato de etileno), siendo las más preferidas fibras de poli (te reftal ato de etileno).
Producción de la capa de filtración de partículas
En la preparación de la capa de filtración de partículas, en determinadas realizaciones se forma una estera de fibras usando procesamiento o bien en húmedo o bien en seco. La estera se calienta hasta fundir los materiales termoplásticos para formar el medio mediante la adhesión interna de las fibras. La fibra bicomponente permite que las fibras fusionen para dar un medio mecánicamente estable. La fibra bicomponente que tiene una corteza exterior de unión térmica provoca que la fibra bicomponente se una con otras fibras en la capa de medio.
La capa de filtración de partículas se prepara normalmente usando procesos de fabricación de papel. Sin embargo, el medio puede prepararse mediante procesos de deposición por aire que usan componentes similares adaptados para el procesamiento de deposición por aire. Las máquinas usadas en la preparación de láminas por deposición en húmedo incluyen equipo de láminas dispuestas a mano, máquinas de fabricación de papel Fourdrinier, máquinas de fabricación de papel cilíndricas, máquinas de fabricación de papel inclinadas, máquinas de fabricación de papel de combinación y otras máquinas que pueden tomar un papel mezclado apropiadamente, formar una capa o capas de los componentes de materia prima y eliminar los componentes acuosos fluidos para formar una lámina húmeda.
En el procesamiento por deposición en húmedo de ejemplo, el medio está hecho de una materia prima acuosa que comprende una dispersión de material fibroso en un medio acuoso. El líquido acuoso de la dispersión es generalmente agua, pero puede incluir otros diversos materiales tales como materiales de ajuste del pH, tensioactivos, desespumantes, retardantes de la llama, modificadores de la viscosidad, tratamientos de medios, colorantes y similares.
El líquido acuoso se drena habitualmente de la dispersión realizando la dispersión sobre un tamiz u otro soporte perforado que retiene los sólidos dispersados y haciendo pasar el líquido para producir una composición de papel húmeda. La composición húmeda, una vez formada sobre el soporte, se deshidrata adicionalmente de manera habitual mediante vacío u otras fuerzas de presión y se seca adicionalmente evaporando el líquido restante. Tras eliminarse el líquido, tiene lugar la unión térmica normalmente fundiendo alguna porción de la fibra termoplástica, resina u otra porción del material formado. El material fundido une el componente para dar una capa.
Una suspensión de fibras que contiene los materiales se mezcla normalmente para formar una suspensión de fibras relativamente uniforme. La suspensión de fibras se somete entonces a un proceso de fabricación de papel por deposición en húmedo. Una vez formada la suspensión para dar una lámina depositada en húmedo, la lámina depositada en húmedo puede entonces secarse, curarse o procesarse de otra forma para formar una lámina, medio o filtro permeable seco, pero real. Una vez secadas y procesadas suficientemente para dar el medio de filtración, las láminas tienen normalmente de aproximadamente 0,25 a 1,9 milímetros de grosor, teniendo un gramaje de aproximadamente 20 a 200 o de 30 a 150 g-m2 Para un proceso a escala comercial, las esteras bicomponentes se procesan generalmente a través del uso de máquinas de tipo de fabricación de papel tales como máquinas Fourdrinier, de cilindro de alambre, Stevens Former, Roto Former, Inver Former, Venti Former y Delta Former inclinada disponibles comercialmente.
En algunas implementaciones, se utiliza una máquina Delta Former inclinada. Puede prepararse una estera bicomponente formando suspensiones de pulpa y fibra de vidrio y combinando las suspensiones en tanques de mezclado, por ejemplo. La cantidad de agua usada en el proceso puede variar dependiendo del tamaño del equipo usado. La materia prima puede hacerse pasar al interior de una caja de entrada convencional, donde se deshidrata y se deposita sobre un tamiz de alambre en movimiento donde se deshidrata mediante succión o vacío para formar una banda bicomponente no tejida. La banda puede recubrirse entonces con un aglutinante por medios convencionales, por ejemplo, mediante un método de inundación y extracción y hacerse pasar a través de una sección de secado que seca la estera y cura el aglutinante, y une térmicamente la lámina, medio o filtro. La estera resultante puede recogerse en un rollo grande para su procesamiento futuro, para laminarse en un segundo material de medio (tal como una capa de medio de celulosa) o para formar elementos de filtro.
La capa de filtración de partículas 110 puede estar construida de múltiples capas de medio, en una variedad de realizaciones. Generalmente, cada capa de medio en la capa de filtración de partículas 110 se construirá tal como se describe en el presente documento. Una realización de este tipo se representa en la figura 2, que se describe en más detalle, a continuación.
Capa de coalescencia
Volviendo a la figura 1, la capa de coalescencia 120 está situada aguas abajo de la capa de filtración de partículas 110 y está acoplada a la capa de filtración de partículas 110. La capa de coalescencia 120 está configurada generalmente para coalescer el agua libre en una corriente de combustible que pasa a su través. La capa de filtración de partículas 110 está configurada generalmente para capturar la contaminación particulada de la corriente de combustible, lo que impide que los materiales particulados capturados interfieran con la función de coalescencia de la capa de coalescencia 120. En algunas realizaciones, la capa de coalescencia puede estar también configurada para filtrar materiales particulados en una corriente de combustible, sin embargo. La capa de coalescencia 120 puede tener una variedad de configuraciones.
La capa de coalescencia 120 puede tener un diámetro de fibra promedio que oscila entre aproximadamente 0,3 |im y aproximadamente 10 |im, o entre aproximadamente 0,69 |im y aproximadamente 7,5 |im. La capa de coalescencia 120 puede tener generalmente un grosor que oscila entre aproximadamente 0,3 mm y aproximadamente 1,0 mm, cuando se mide a 8 psi. En algunas realizaciones, la capa de coalescencia 120 puede tener un grosor que oscila entre aproximadamente 0,4 mm y aproximadamente 0,7 mm cuando se mide a 8 psi. La capa de coalescencia 120 está construida generalmente para tener un gramaje que oscila entre aproximadamente 50 g/m2 y aproximadamente 150 g/m2, o entre aproximadamente 80 g/m2 y aproximadamente 115 g/m2. La capa de coalescencia 120 puede tener un gramaje que es mayor que el gramaje de la capa de filtración de partículas 110. La capa de coalescencia 120 tiene generalmente una permeabilidad al aire que es menor que la permeabilidad al aire de la capa de filtración de partículas 110. En algunas realizaciones, la capa de coalescencia 120 tiene una permeabilidad al aire que oscila entre aproximadamente 1,52 cm3/cm2min (3 cfm) y aproximadamente 35,563/cm2 min (70 cfm). En algunas realizaciones particulares, la capa de coalescencia 120 tiene un intervalo de permeabilidad al aire de 5,05 a 20,32 cm3/cm2min (de 10 a 40 cfm). En algunas realizaciones, la capa de coalescencia 120 puede tener múltiples capas de material de coalescencia adyacente, tal como en las realizaciones descritas con referencia a la figura 2, a continuación.
En una variedad de realizaciones, la capa de coalescencia 120 es un medio depositado en húmedo. La capa de coalescencia 120 puede estar construida sustancialmente de fibras, un tratamiento de superficie y un material aglutinante, lo que significa que la capa de coalescencia 120 tiene al menos un 95% en peso de fibras, el tratamiento de superficie y el material aglutinante. En algunas realizaciones, la capa de coalescencia 120 es una estera fibrosa no tejida recubierta con un tratamiento de superficie, donde las fibras se unen con un material aglutinante. El tratamiento de superficie está configurado generalmente para modificar la energía de superficie de las fibras en el mismo, y el material aglutinante está configurado generalmente para unir las fibras de la capa de coalescencia 120.
Las fibras de la capa de coalescencia 120 pueden ser una variedad de tipos de fibras y combinaciones de fibras, y están generalmente no tejidas. Las fibras de la capa de coalescencia 120 pueden ser fibras de vidrio, fibras naturales, fibras sintéticas, fibras poliméricas, fibras cerámicas, fibras metálicas, fibras de carbono, y combinaciones de las mismas. Por supuesto, se contemplan otros tipos de fibras. En algunas realizaciones, la capa de coalescencia 120 tiene fibras de vidrio y fibras de poliéster. Las fibras pueden ser de desde el 50% hasta el 95% en peso de la capa de coalescencia 120. En algunas realizaciones, la capa de coalescencia 120 es al menos el 70% en peso de fibras de vidrio. En algunas realizaciones, la capa de coalescencia 120 es al menos el 85% en peso de fibras de vidrio.
El tratamiento de superficie está configurado generalmente para cambiar las propiedades de superficie de las fibras dentro de la capa de coalescencia 120. El tratamiento de superficie puede tener una variedad de configuraciones y composiciones y, en algunas realizaciones, el tratamiento de superficie es un compuesto que contiene flúor. Un tratamiento de superficie de ejemplo que puede usarse sobre las fibras de la capa de coalescencia es una dispersión de politetrafluoroetileno. Algunos otros tratamientos de superficie de ejemplo son polímeros de acrilato de fluoroalquilo, copolímeros de metilacrilato de perfluoroalquilo, hidrocarburos fluorados, polímeros de fluoroacrilato, polímeros de metacrilato de fluoroalquilo, polímero de perfluoroalcoxilo (PFA), etileno-propileno fluorado (FEP). El tratamiento de superficie puede oscilar entre el 0,01% y el 25% de la capa de coalescencia 120 en peso. En algunas realizaciones, el tratamiento de superficie es de desde el 5%-20% o el 10%-15% de la capa de coalescencia 120 en peso.
El material aglutinante está configurado generalmente para unir las fibras en la capa de coalescencia 120. El material aglutinante puede ser una resina acrílica o una epoxídica, como ejemplos. En algunos ejemplos particulares el material aglutinante es un aglutinante de látex acrílico. En algunos ejemplos, el material aglutinante es una resina de copolímero de estireno/acrilonitrilo. El material aglutinante puede ser un polímero en emulsión, resinas, epoxis, polímeros en disolución, estireno-acrilatos, estireno-butadieno, compuestos acrílicos, acetatos de vinilo, acrilonitrilos, uretanos, urea formaldehído, melamina formaldehído, acrilatos acidificados, poli(alcohol vinílico), y combinaciones de los mismos. En una realización, el material aglutinante puede tener un polímero que se ha modificado para comprender uno o más grupos funcionales. Por ejemplo, el polímero puede estar funcionalizado para contener carboxilatos adicionales. La capa de coalescencia 120 puede ser del 3% a aproximadamente el 40% de material aglutinante en peso, alternativamente desde aproximadamente el 5% hasta aproximadamente el 25% de material aglutinante en peso, o desde aproximadamente el 10% hasta aproximadamente el 20% de material aglutinante en peso.
Algunas realizaciones de la tecnología dada a conocer en el presente documento, incluyendo las representadas en las figuras 1 y 2, tienen una capa de soporte 130 que está situada aguas abajo de la capa de coalescencia 120 y está acoplada a la capa de coalescencia 120. La capa de soporte 130 puede construirse de una variedad de materiales y combinaciones de materiales, pero está configurada generalmente para proporcionar soporte estructural a la capa de filtración de partículas 110 y la capa de coalescencia 120. En diversas realizaciones, la capa de soporte 130 está configurada al menos para permitir que las gotitas de agua salgan del material de filtro 100 relativamente intactas e impedir la emulsificación del agua sometida a coalescencia de la capa de coalescencia 120.
En algunas realizaciones, la capa de soporte son fibras bicomponentes. En algunas de tales realizaciones, las fibras bicomponentes son fibras de poliéster sustancialmente continuas que tienen una corteza de nailon, tales como Colback® suministrada por Bonar Inc., con sede en Asheville, Carolina del Norte. En algunas otras realizaciones, la capa de soporte 130 es un material celulósico. En algunas realizaciones, la capa de soporte 130 es un bucarán, tal como un bucarán de poliéster no tejido. En algunas realizaciones, el bucarán de poliéster es Reemay suministrado por Polymer Grupo, Inc. con sede en Charlotte, Carolina del Norte. La capa de soporte 130 puede ser una combinación de materiales tales como celulosa y poliéster. En algunas realizaciones, la capa de soporte 130 es una malla de alambre. Por supuesto, se contemplan otros materiales para la capa de soporte 130.
La capa de soporte 130 puede tener también uno o más materiales de unión. Por ejemplo, en algunas realizaciones, la capa de soporte está saturada con una resina fenólica o cualquier otro tipo de aglutinante. La capa de soporte 130 puede tratarse también con una o más composiciones para ajustar las propiedades de la capa de soporte 130. En algunas realizaciones, la capa de soporte 130 tiene un gramaje que oscila entre aproximadamente 17 g/m2 y aproximadamente 200 g/m2. La capa de soporte 130 tiene generalmente una permeabilidad al aire que oscila entre 5,08 y 508 cm3/cm2min (de 10 a 1000 cfm). En algunas realizaciones, la capa de soporte 130 tiene una permeabilidad al aire por encima de 15,24 cm3/cm2min (30 cfm).
Se apreciará que la capa de soporte 130 puede contener fibra que tiene un diámetro promedio o sección transversal mayor que el diámetro promedio de la fibra de medio en la capa de filtración de partículas 110.
La capa de coalescencia 120 está acoplada a la capa de filtración de partículas 110. La capa de soporte 130 está acoplada a la capa de coalescencia 120. La frase “acoplada a” pretende significar que las respectivas capas se fijan en relación entre sí. En algunas realizaciones, las capas se fijan en relación entre sí por medio de adhesión a un elemento de filtro y no están unidas por lo demás. En algunas realizaciones, las respectivas capas se laminan juntas. Por ejemplo, en algunas realizaciones, se usa un polvo de polímero cristalino a baja temperatura para laminar las capas juntas de modo que se prepara el medio compuesto fácilmente fabricable para dar varias configuraciones de elemento de filtro diferentes. Otros métodos de laminación de las capas de medio juntas tales como laminación adhesiva o medios de unión térmica son posibles también, tales como a través del uso de adhesivos de banda, adhesivos de fusión en caliente, y así sucesivamente. En algunas realizaciones, las capas no están unidas.
El material de filtro 100 consecuente con la tecnología dada a conocer en el presente documento puede tener una variedad de diferentes configuraciones. En al menos una realización, el material de filtro 100 carece de material soplado por fusión. El material de filtro 100 puede tener un gramaje de desde 100 g/m2 hasta 500 g/m2, de 200 g/m2 a 400 g/m2 o de 250 g/m2 a 350 g/m2. El material de filtro 100 tiene un grosor que oscila entre 0,5 mm y 4 mm o 1 mm y 2 mm, donde el grosor se midió a 1,5 psi. Generalmente, la permeabilidad al aire de la capa de coalescencia 120 será menor que la permeabilidad al aire de la capa de filtración de partículas 110.
La permeabilidad al aire de la capa de filtración de partículas 110 y la capa de coalescencia 120 están relacionadas. La razón de permeabilidad al aire de la capa de filtración de partículas 110 con respecto a la permeabilidad al aire de la capa de coalescencia 120 es de entre aproximadamente 3:1 y aproximadamente 15:1. En algunos casos, donde la razón de la permeabilidad al aire de la capa de filtración de partículas 110 con respecto a la permeabilidad al aire de la capa de coalescencia 120 es demasiado grade, la capa de coalescencia 120 se carga de materia particulada de manera relativamente rápida, provocando que la capa de coalescencia 120 se atasque prematuramente, lo que impide una coalescencia adecuada. Por otro lado, si la razón de la permeabilidad al aire de la capa de filtración de partículas 110 con respecto a la permeabilidad al aire de la capa de coalescencia 120 es demasiado pequeña, esto podría dar como resultado una vida inadecuada para la filtración de material particulado.
La permeabilidad al aire del material de filtro 100 resultante y la permeabilidad al aire de cada una de las capas componentes pueden corresponder al tamaño de las gotitas de agua libre que van a someterse a coalescencia a partir de la corriente de combustible. Cuando las gotitas de agua libre que van a someterse a coalescencia se caracterizan como gruesas, la permeabilidad al aire del material de filtro 100 puede ser relativamente más grande. Cuando las gotitas de agua libre que van a someterse a coalescencia se caracterizan como emulsionadas, la permeabilidad al aire del material de filtro 100 puede ser relativamente más pequeña. En algunas realizaciones, el material de filtro 100 tiene una permeabilidad al aire que oscila entre 0,508 cm3/cm2min y 25,4 cm3/cm2min (de 1 cfm a 50 cfm). En algunas realizaciones, el material de filtro 100 tiene una permeabilidad al aire que oscila entre 1,52 cm3/cm2min y 1,6 cm3/cm2min (de 3 cfm a 20 cfm). En algunas realizaciones, el material de filtro 100 tiene una permeabilidad al aire que oscila entre 2,54 cm3/cm2min y 5,08 cm3/cm2min (de 5 cfm a 10 cfm).
La figura 2 representa otro material de filtro de ejemplo consecuente con la tecnología dada a conocer en el presente documento. En la realización actual, el material de filtro 200 tiene una capa de filtración de partículas aguas arriba 212, una capa de coalescencia 220 aguas abajo de la capa de filtración de partículas 210 y una capa de soporte 230 aguas abajo de la capa de coalescencia 220. La capa de filtración de partículas 210 tiene una capa de medio aguas arriba 212 y una capa de medio aguas abajo 214. En algunas realizaciones, la capa de medio aguas arriba 212 y la capa de medio aguas abajo 214 pueden tener propiedades diferentes entre sí, tales como tamaños de poro y distribuciones de tamaño de poro diferentes. Generalmente, la permeabilidad al aire de la capa de filtración de partículas 210 se entenderá en el presente documento que se refiere a la permeabilidad al aire resultante total de sus capas componentes 212, 214. En realización representada actualmente, la capa de coalescencia tiene dos capas de material de coalescencia 222, 224, y en algunas realizaciones puede haber capas adicionales de material de coalescencia.
Aunque la figura 2 representa una realización donde hay múltiples capas de la capa de coalescencia 220 y múltiples capas de la capa de filtración de partículas 210, debe entenderse que, en algunas realizaciones donde la capa de filtración de partículas tiene múltiples capas, puede haber una capa de coalescencia que es una única capa. De manera similar, en algunas realizaciones donde hay una única capa dentro de la capa de coalescencia, puede haber múltiples capas dentro de las capas de filtración de partículas. Se apreciará que pueden incorporarse también múltiples capas de soporte en las tecnologías descritas en el presente documento.
Resultados de prueba
Una lámina plana de medio de filtro consecuente con la tecnología dada a conocer en el presente documento se sometió a prueba contra un medio de filtro de comparación conocido en la técnica. En particular, el medio de filtro de ejemplo consecuente con la tecnología dada a conocer en el presente documento tenía una capa de filtración de partículas aguas arriba de fibras de vidrio y fibras aglutinantes de poliéster bicomponentes. La capa de filtración de partículas se construyó de dos capas de medio, donde la capa de medio aguas arriba tenía una mayor permeabilidad al aire que la capa de medio aguas abajo. La permeabilidad al aire total de la capa de filtración de partículas era de aproximadamente 60,96 cm3/cm2min (120 cfm). El medio de filtro comparativo tenía una capa de filtración de partículas de un poliéster soplado por fusión tradicional, que se considera ampliamente que está optimizado para la filtración de material particulado en el contexto de la filtración de combustible. El poliéster soplado por fusión tenía una permeabilidad al aire de aproximadamente 12,7 cm3/cm2min (25 cfm). Tanto el medio de filtro de ejemplo (muestra B) como el medio de filtro comparativo (muestra A) tenían capas de soporte y de coalescencia idénticas. La capa de coalescencia era un medio de microvidrio unido con una resina acrílica, que tenía una permeabilidad al aire de aproximadamente 5,08 cm3/cm2min (10 cfm). La capa de soporte tenía fibras de poliéster sustancialmente continuas con una corteza de nailon. Las capas de medio no estaban unidas en ambas muestras.
La capacidad de coalescencia de medio de ejemplo y comparativo se comparó exponiendo el medio a una emulsión de agua-combustible (combustible diésel ultra bajo en azufre), con un tamaño de gotita de agua promedio de 15 |im, y luego midiendo el tamaño de las gotitas de agua que salían del medio. Generalmente es preferible una coalescencia
que logra gotitas de agua relativamente más grandes, ya que las gotitas más grandes se sedimentan en la corriente de combustible más fácilmente que gotitas más pequeñas. El tamaño de gotita se mide y se describe en cuanto a los siguientes valores de distribución de tamaño de partícula: D3, 10, D3, 50 y D3 , 90. El valor de D3, 10 representa un diámetro al cual el 10% del volumen total de agua en el combustible está definido por gotitas de agua que tienen un tamaño de gotita más pequeño que el valor de D3, 10. El valor de D3, 50 representa el diámetro de gotita medio, en donde aproximadamente el 50% del volumen de agua está definido por gotitas de agua que tienen un diámetro más pequeño que el valor de D3, 50 y aproximadamente el 50% del volumen de agua está definido por gotitas de agua que tienen un diámetro más grande que el valor de D3, 50. De manera similar, el valor de D3 , 90 representa el diámetro de gotita al cual el 90% del volumen total de agua está definido por gotitas que tienen un diámetro más pequeño que el valor de D3, 90. Cuando están limpios, el medio comparativo (muestra A) y el medio de ejemplo (muestra B) tuvieron un rendimiento relativamente similar. Sin embargo, cuando están cargados de polvo, el medio de filtro de ejemplo tuvo un rendimiento mejor que el medio comparativo tanto en el diferencial de presión como en la coalescencia de agua del combustible. Para cargar con polvo, se suspendió una cantidad conocida de polvo de prueba de medio ISO en el combustible diésel ultra bajo en azufre, que se hizo pasar a través de cada muestra de medio. Cada medio se cargó con 100 mg de polvo y se midió el diferencial de presión a través del medio. La presión diferencial a través del medio de filtro comparativo (muestra A') era el doble que la del medio de filtro de ejemplo (muestra B'). Además, las gotitas de agua D3, 10 que salen del medio de ejemplo (muestra B') tenían más de tres veces el tamaño del medio comparativo (muestra A'). Por último, el medio de filtro de ejemplo se cargó con más polvo de prueba de medio ISO hasta que su diferencial de presión era aproximadamente igual al del medio comparativo, lo que requirió 230 mg de polvo (muestra B”), más del doble que el del medio comparativo (muestra A'). Se midieron los tamaños de las gotitas de agua que salen de la muestra B”, y el valor D3, 10 era más del doble que el del medio comparativo (muestra A'). La tabla 1, a continuación, refleja los datos relevantes:
Tabla 1. Datos de distribución de tamaño de gotitas sometidas a coalescencia para materiales compuestos de medio limpios y cargados de polvo.
El valor D3, 10 de los medios cargados de polvo distingue el rendimiento del medio de filtro de ejemplo (muestras B' y B”) del medio comparativo (muestra A'), ya que demuestra que menos volumen de agua permanece emulsionado en el combustible como gotitas más pequeñas cuando se usa el medio de filtro de ejemplo. Los datos de prueba también sugieren que la tasa de reducción en el tamaño de gotita D3, 10 del medio de filtro de ejemplo es menor que la del medio de filtro comparativo. Los datos de la prueba demuestran que los medios consecuentes con la tecnología dada a conocer en el presente documento tienen una mayor capacidad de retención de polvo y, por tanto, tendrán una vida de filtro relativamente más larga que los medios comparativos. Además, y sorprendentemente, los datos de prueba también demuestran que, cuando los medios descritos actualmente presentan la misma caída de presión que los medios comparativos (y, por tanto, los medios están “sucios” en la misma medida), el rendimiento de coalescencia de los medios de ejemplo sigue siendo notablemente mejor que el de los medios comparativos.
Debe indicarse que, tal como se usa en esta memoria descriptiva y en las reivindicaciones adjuntas, las formas singulares “un”, “una” y “el/la” incluyen referentes en plural a menos que el contenido indique claramente lo contrario. Así, por ejemplo, la referencia a una composición que contiene “un compuesto” incluye una mezcla de dos o más compuestos. También debe tenerse en cuenta que el término “o” se emplea generalmente en su sentido que incluye “y/o” a menos que el contenido indique claramente lo contrario.
Todas las publicaciones y solicitudes de patente en esta memoria descriptiva son indicativas del nivel de experiencia habitual en la técnica a la que pertenece esta tecnología.
Claims (13)
1. Material de filtro (100, 200) para su uso en la separación de combustible-agua que comprende:
una capa de filtración de partículas (110, 210) que comprende sustancialmente fibras aglutinantes y fibras de medio; y una capa de coalescencia (120, 220) aguas abajo de la capa de filtración de partículas (110, 210) y acoplada a la capa de filtración de partículas (110, 210), comprendiendo la capa de coalescencia (120, 220) al menos el 70% de fibras de vidrio en peso,
en el que el material de filtro (100, 200) está configurado para eliminar por filtración materiales particulados y coalescer agua libre en una corriente de combustible, en el que cada una de la capa de filtración de partículas (110, 210) y la capa de coalescencia (120, 220) tiene una permeabilidad al aire, y en el que una razón de la permeabilidad al aire de la capa de filtración de partículas (110, 210) con respecto a la permeabilidad al aire de la capa de coalescencia (120, 220) oscila entre 3:1 y 15:1.
2. Material de filtro (100, 200) según la reivindicación 1, en el que las fibras de medio comprenden fibras de vidrio.
3. Material de filtro (100, 200) según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, en el que las fibras de medio comprenden fibras de celulosa.
4. Material de filtro (100, 200) según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que las fibras de medio comprenden fibras cortadas de poliéster.
5. Material de filtro (100, 200) según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, comprendiendo la capa de coalescencia (120, 220) sustancialmente las fibras de vidrio y un material aglutinante.
6. Material de filtro (100, 200) según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el que el material aglutinante comprende una resina acrílica.
7. Material de filtro (100, 200) según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, comprendiendo la capa de coalescencia (120, 220) al menos el 85% de fibras de vidrio en peso.
8. Material de filtro (100, 200) según cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en el que la capa de filtración de partículas (110, 210) es hidrófila en aire.
9. Material de filtro (100, 200) según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, en el que la capa de filtración de partículas (110, 210) tiene una permeabilidad al aire de desde 26,1 cm3/cm2min (45 cfm) hasta 101,6 cm3/cm2min (200 cfm) y la capa de coalescencia (120, 220) tiene una permeabilidad al aire de desde 1,52 cm3/cm2min (3 cfm) hasta 35,56 cm3/cm2min (70 cfm).
10. Material de filtro (100, 200) según cualquiera de las reivindicaciones 1-9, en el que la capa de filtración de partículas (110, 210) tiene una permeabilidad al aire de desde 26,1 cm3/cm2min (45 cfm) hasta 101,6 cm3/ cm2min (200 cfm) y la capa de coalescencia (120, 220) tiene una permeabilidad al aire de desde aproximadamente 5,08 cm3/cm2min (10 cfm) hasta 20,32 cm3/cm2min (40 cfm).
11. Material de filtro (100, 200) según cualquiera de las reivindicaciones 1-10, en el que las fibras aglutinantes son fibras bicomponentes.
12. Material de filtro (100, 200) según cualquiera de las reivindicaciones 1-11, en el que la capa de coalescencia (120, 220) tiene un diámetro de fibra promedio de 0,3 |im a 10 |im.
13. Material de filtro (100, 200) según cualquiera de las reivindicaciones 1-12, que comprende además una capa de soporte (130, 230) aguas abajo de la capa de coalescencia (120, 220) y acoplada a la capa de coalescencia (120, 220).
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