КОАЛЕСЦЕНТНАЯ СРЕДА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ЭМУЛЬСИЙ ВОДА-УГЛЕВОДОРОД Российский патент 2013 года по МПК B01D17/22 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к среде в форме листа, которая разделяет эмульсии углеводородов и воды. Более конкретно, оно относится к разделению эмульсий воды и углеводородов, содержащих высокие уровни поверхностно-активных веществ и биодизельного топлива. Как таковое оно имеет непосредственное применение для использования в системах коалесценции, предназначенных для обезвоживания топлива.

Уровень техники

Эмульсия представляет собой смесь двух несмешивающихся жидкостей, где одна жидкость суспендирована в другой в форме малых капель. Термин «несмешиваемые» означает присутствие энергетического барьера для создания границы раздела. Нет взаимного растворения отдельных фаз. Энергетический барьер проявляется как поверхностное натяжение, γ, между двумя жидкостями. Свободная энергия Гиббса, G, системы увеличивается при образовании поверхности раздела, δσ, как показано в Уравнении 1 ниже.

δG=-SδT+Vδp+Yδσ (Уравнение 1)

где δσ - изменение площади поверхности.

Эмульсия образуется, когда к системе прикладывается энергия. Источники энергии включают смешивание, прокачку, нагрев и перенос текучих сред. Подвод энергии делает возможным разрушение капель и увеличение площади поверхности границы раздела жидкость-жидкость от ее наименьшего размера, для единственной поверхности между двумя объемными слоями, до гораздо большего значения, для множества поверхностей между каплями одной жидкости, суспендированными в сплошной фазе другой жидкости. Чем больше подвод энергии, тем больше площадь поверхности эмульсифицированных капель и тем меньше размер капель.

Эмульсия представляет собой состояние с высокой энергией и, как таковая, без непрерывного подвода энергии будет релаксировать до конфигурации с самой низкой площадью поверхности для двух отдельных объемных фаз, разделенных одной границей раздела. Для релаксации эмульсии капли должны встретить друг друга, столкнуться и коалесцировать до возникновения капли большего размера. Этот процесс является кинетическим, и его скорость зависит от факторов, которые изменяют энергетический барьер коалесценции.

Необходимость разделения эмульсии воды и углеводородов является широко распространенной, исторически важной для многих отраслей промышленности. Из уровня техники известны системы для разделения эмульсий вода-углеводород, которые основываются на одном или множестве элементов, новые проточные структуры, успокоительные камеры, параллельные металлические пластины, ориентированные нити, механизмы с введением газа и электростатический заряд. Остальные системы разделения используют элемент, который содержит волокнистую, пористую коалесцентную среду, через которую эмульсия проходит и разделяется. Независимо от конструкции системы все системы разделения вода-углеводород направлены на сбор эмульсифицированных капель в непосредственной близости друг от друга для облегчения коалесценции. Коалесценция и последующее разделение на основе разности плотностей между водой и углеводородами представляет собой механизм, лежащий в основе всех систем разделения.

Известная волокнистая пористая коалесцентная среда вызывает разделение эмульсий в проточных применениях с помощью одного и того же механизма, независимо от природы эмульсии. Коалесцентная среда предоставляет для сплошной фазы эмульсии энергетически отличную поверхность от сплошной фазы. Как таковая, поверхность среды служит для конкуренции со сплошной фазой эмульсии за дисперсную или капельную фазу эмульсии. Когда эмульсия вступает в контакт с коалесцентной средой и проходит через нее, капли перераспределяются между твердой поверхностью и сплошной фазой. Капли, адсорбированные на поверхности твердых сред, перемещаются вдоль поверхностей волокон и в некоторых случаях смачивают поверхность волокон. Когда дополнительная эмульсия протекает через среды, адсорбированная дисперсная фаза встречает другие капли, ассоциированные со средами, и они коалесцируют. Процесс миграции и коалесценции капель продолжается, пока эмульсия движется через среды. Коалесцентная среда успешно разрушает данную эмульсию, если дисперсная фаза предпочтительно поглощается или отталкивается и в точке выхода из сред капельная фаза коалесцирует до получения достаточно больших капель. Капли отделяются от сплошной фазы как функция разности плотностей между соответствующими жидкостями. Коалесцентная среда не может успешно разрушать эмульсии, если в точке выхода из сред капли остаются достаточно малыми, так что они остаются захваченными сплошной фазой и не могут разделяться.

Среда, известная из уровня техники, использует волокна с поверхностной энергией, согласованной с дисперсной фазой. Гидрофильные волокна, такие как стекло или нейлон, используются для коалесцентного выделения капель воды из сплошных фаз углеводородов. Гидрофобные волокна, такие как стирол или уретан, находят применение для коалесцентного отделения капель углеводородов от воды. Стекло и металл используют для коалесценции нефти, а полиэстер и PTFE используют для коалесценции воды. В этих случаях необходимо формирование множества границ раздела между дисперсной фазой и твердым телом. Это представляет собой энергетически неблагоприятное состояние для капельной фазы. Из-за этого капли принимают самую низкую энергетическую конфигурацию и собираются на поверхности сред. Когда через среду протекает дополнительная эмульсия, собирается больше капель.

Известные из уровня техники примеры включают патент США 3951814, выданный Krueger, в котором описан гравитационный сепаратор со средой в форме скрученных листов или пакетированных дисков, состоящих из волокна из стекла, этилена, пропилена или стирола. В патенте США 6569330, выданном Sprenger и Gish, описан коалесцентный картридж для фильтра, состоящий из двух слоев гофрированных сред, расположенных в концентрическом гнезде и состоящих из стекловолокна, которые могут иметь два различных диаметра. В патенте США 6332987, выданном Whitney и др., описан коалесцентный элемент, который содержит пористые структуры, которые включают сверток, состоящий из полиэстера. В патентах США 5454945 и 5750024, выданных Spearman, описан конический коалесцентный элемент для фильтра, состоящий из гофрированных плоских сред из ориентированных случайным образом волокон из стекла, полимера, керамики, целлюлозы, металла или сплавов металлов. В патенте США 4199447, выданном Chambers и Walker, описана коалесценция масла в эмульсиях масло-в-воде посредством прохождения эмульсии через волокнистую структуру с мелкодисперсными частицами оксида кремния, покрытыми силаном, приклеенными к их поверхностям. В патенте США 4199447, выданном Kuepper и Chapler, описано устройство для коалесценции масла в сточных водах с трубчатыми коалесцентными элементами, состоящими из олеофильной ткани, хлопка, полипропилена и тканого материала из природных и синтетических волокон, которые могут содержать металлические нити. В патенте США 5997739, выданном Clausen и Duncan, описан сепаратор топлива/воды, который содержит элемент, состоящий из коалесцентной среды, которая представляет собой гибкий мешок, нейлоновое сито или среды из тканей. В патенте США 5993675, выданном Hagerthy, описан сепаратор топливо-вода для судовых и дизельных двигателей, который содержит элемент фильтра из микроволокон, выполненный из различных типов полимерных волокон.

Другие известные примеры включают патент США 5928414, выданный Wnenchak и др., в котором описана очищаемая среда фильтра, выполненная из слоев расширенного PTFE, а также из нетканого полиэстера и нетканой арамидной шерсти. В патенте США 4588500, выданном Sprenger и Knight, описан дегидратор для топлива, предназначенный для очистки топлива, который имеет слои из листов целлюлозы и стекловолокна, навитые вокруг пористой трубки. В патенте США 4372847, выданном Lewis, описан узел для удаления загрязнений из текучих сред, который содержит деэмульгирующий картридж, содержащий гидрофобно обработанную гофрированную целлюлозную среду или стекловолокно. В патент США 5225084, выданном Assmann, описан способ разделения двух несмешивающихся органических компонентов с использованием волокнистого слоя, состоящего из стеклянных волокон или смеси стеклянных и металлических волокон. В патенте США 5417848, выданном Erdmannsdόrfer и др., описан коалесцентный сепаратор с заменяемым коалесцентным элементом, содержащим материал микродисперсных волокон. В патенте США 6422396, выданном Li и др., описана конструкция коалесцентного устройства для углеводородов, содержащего поверхностно-активное вещество, состоящее, по меньшей мере, из трех слоев полимерных гидрофобных сред, включая полипропилен и полиэстер. В патенте США 6042722, выданном Lenz, описан единый сепаратор для удаления воды из различных топлив, включая дизельное топливо и авиационный керосин. В патентах США 6203698 и 5916442, выданных Goodrich, описано использование гидрофобных сред фильтров для отбрасывания воды на передней стороне фильтра. В патенте США 5993675, выданном Hagerthy, описано использование переплетенных микроволокон, которые являются непроницаемыми для прохождения воды, но которые позволяют топливу протекать через них. В патенте США 7285209, выданном Yu и др., описано устройство для удаления эмульсифицированной воды из углеводородов, содержащих поверхностно-активные вещества, с использованием первого фильтра для отделения поверхностно-активных веществ от углеводородов, выполненного из нейлона, полиэстера, поливинилидендифторида или полипропилена, и второго фильтра с поперечным потоком в спирально навитых картриджах, трубчатых картриджах или в картриджах с полыми волокнами, выполненных из политетрафторэтиленовой мембраны.

Из вышеуказанного ясно, что инновация в области коалесценции и разделения часто включает системы полного разделения. Системы содержат множество типов среды, множество элементов среды и множество слоев среды. Инновация часто относится к упаковке среды и к протеканию эмульсии новыми путями. Недостатком этого подхода является сложность, которая непосредственно переходит в стоимость производства и исходных материалов. Те же факторы, которые вызывают сложность и увеличение стоимости, ограничивают также универсальное применение решения. Новые решения неизменно относятся к отдельной конструкции коалесцентного фильтра или к очень ограниченному набору конструкций. В уровне техники отсутствует используемая в виде одного рулона среда, способная отделять воду от углеводородов, которая является универсально совместимой с уже используемыми системами разделения и технологиями, преобразующими широко используемые материалы.

Кроме того, углеводороды, в частности, дизельные топлива, содержат все большие дозы поверхностно-активных веществ. Поверхностно-активные вещества поступают в виде добавок к топливу, таких как агенты для улучшения смазывающих свойств и ингибиторы коррозии, а также в виде биодизельного топлива. Биодизельное топливо представляет собой смесь сложных метиловых эфиров жирных кислот, полученных от эстерификации метанола от растений и животных триглицеридов. Увеличение цен на нефть, а также давление относительно развития внутренних источников топлива и уменьшения до минимума выбросов от ископаемого угля создают благоприятные условия для замены углеводородов биодизельным топливом в различных транспортных применениях, при генерировании энергии и в промышленных применениях. Биодизельное топливо, как было обнаружено, также улучшает и смазывающие свойства дизельного топлива, и в результате возникает дополнительный импульс для его использования в качестве компонента смеси для дизельного топлива с ультранизким содержанием серы и с низкой смазывающей способностью. Такие смеси углеводородов и поверхностно-активных веществ создают условия, в которых системы, сконструированные в прошлом для удаления воды из углеводородов, не работают и позволяют 50-100% захваченной воды беспрепятственно проходить через систему разделения до конечного использования.

Поверхностно-активные вещества способствуют образованию меньших капель в эмульсии и стабилизируют эмульсии против разделения. Поверхностно-активное вещество представляет собой видоизменение термина «поверхностно-активный агент». Поверхностно-активные вещества представляют собой молекулы, которые содержат две части, одна из них известна как лиофильная, или любящая растворитель, а другая как лиофобная, или ненавидящая растворитель. В случаях, где фаза растворителя представляет собой воду, термины превращаются в гидрофильный и гидрофобный. В случае эмульсии растворитель был бы сплошной фазой. Это совмещение двойного сродства в одной молекуле придает поверхностно-активным веществам их поверхностно-активные свойства. Для уменьшения до минимума энергии поверхностно-активные вещества выстраиваются на границах раздела так, чтобы позволить обеим частям молекулы находиться в благоприятной окружающей среде. Присутствие поверхностно-активного вещества на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей понижает поверхностное натяжение и в результате понижает энергию, необходимую для разрушения капли при образовании эмульсии (Уравнение 1). В присутствии границы раздела твердое тело-жидкость лиофобная группа молекулы выстраивается на твердом теле, а лиофильная простирается вдаль от поверхности. Поверхностно-активные вещества в эмульсии также заселяют границы раздела жидкость-жидкость. Однако в этом случае имеются сотни квадратных метров границы раздела, генерируемой капельной фазой. В эмульсии поверхностно-активные вещества выстраивают лиофобный остаток по направлению к капле и проходят лиофильную группу наружу в сплошную фазу. Это создает условия, в которых капли изолируются как от сплошной фазы, с помощью лиофобной группы, так и посредством взаимодействия лиофильных групп, от других капель. Оба из этих факторов создают энергетический барьер для релаксации эмульсии до ее самого низшего энергетического состояния с двумя отдельными объемными фазами. Схемы на фиг.1 иллюстрируют взаимодействия поверхностно-активных веществ, которые приводят к стабилизации эмульсии.

Свойства поверхностно-активных веществ, описанных выше, приводят к отказу известной среды и известных систем сепараторов для воды, предназначенных для разделения эмульсии вода-углеводород. Независимо от конструкции сепаратора все сепараторы вода-углеводород функционируют посредством создания твердой поверхности, на которой дестабилизируется дисперсная фаза эмульсии, дисперсная фаза коалесцирует и получает возможность для выпадения из сплошной фазы под действием силы тяжести. Для дестабилизации капли дисперсной фазы должны вступать контакт с твердой поверхностью. Посредством понижения энергии разрушения капель размеры капель эмульсии в присутствии поверхностно-активных веществ становятся значительно меньше. Это создает условия, в которых размер капель дисперсной фазы значительно меньше, при прохождении через среду с минимальным контактом с поверхностью среды, предотвращая, таким образом, генерируемую поверхностью дестабилизацию, ключевую для успешной коалесценции и разделения. Кроме того, из-за стабилизации капель в сплошной фазе поверхностно-активные вещества вмешиваются в естественную адсорбцию дисперсной фазы на поверхности среды. Поверхность среды должна успешно конкурировать за компоненты эмульсии. Посредством стабилизации капель в сплошной фазе поверхностно-активные вещества понижают энергию эмульсии и понижают вероятность того, что капельная фаза будет предпочтительно адсорбироваться на поверхности среды. Наконец, посредством адсорбции на поверхностях капель поверхностно-активные вещества изменяют поверхностные характеристики дисперсной фазы. Дестабилизация эмульсии под действием твердой поверхности осуществляется через ее поверхностную энергию. Посредством адсорбции на твердых поверхностях поверхностно-активные вещества изменяют поверхности среды и, таким образом, значительно изменяют природу взаимодействия между поверхностью и дисперсной фазой. Результатом является массовая гомогенизация энергий системы, которая полностью уничтожает возможности известной среды для разделения эмульсий и известных систем разделения эмульсий.

Коалесценция представляет собой разделение на основе взаимодействия жидкость-твердое тело или адсорбции. Для осуществления разделения фазы, которые должны разделяться, должны взаимодействовать с поверхностью твердого тела. Распределение компонентов эмульсии между поверхностью твердых сред и углеводородами осуществляется под действием минимизации свободной энергии (Уравнение 1). Компонент эмульсии будет связываться с твердыми средами, если такое взаимодействие понижает общую энергию системы. При постоянной температуре и давлении минимизация энергии будет осуществляться с помощью члена δσ. Компоненты с низким поверхностным натяжением твердое тело-жидкость (с высоким сродством к твердому телу) будут демонстрировать более высокую поверхность взаимодействия по сравнению с компонентами с высоким поверхностным натяжением твердое тело-жидкость (с низким сродством к твердому телу). Поверхность взаимодействия или площадь поверхности переводится в длину пути, доступную для прохождения этого компонента через неподвижную фазу. Длина пути определяет время элюирования из сред. Время элюирования определяет эффективность разделения. В смесях, сложных для разрешения, где имеются только минимальные различия между фазами, которые должны разделяться, различия во время элюирования должны увеличиваться посредством увеличения доступной длины пути. По отношению к разделению эмульсий поверхностно-активные вещества также взаимодействуют с твердым телом и могут удаляться с капель посредством предпочтительной адсорбции на твердом теле. Этот способ также облегчает коалесценцию, поскольку в отсутствие поверхностно-активного вещества капли дестабилизируются и становятся склонными к коалесценции. Чем больше поверхность, доступная для адсорбции, тем выше вероятность взаимодействия и успешной дестабилизации эмульсии. В результате, при разделении на основе адсорбции площадь поверхности неподвижной фазы представляет собой единственный наиболее критичный параметр для успешного разделения.

Известные коалесцентные среды не могут разделять эмульсии, когда взаимодействие твердое тело-жидкость, фундаментальное для дестабилизации диспергированной фазы, нарушается. Как таковой, отказ известных сред возникает в результате невозможности достижения достаточного взаимодействия с поверхностью сред. Этот отказ осуществляется двумя путями из-за несоответствующего размера пор и из-за недостаточной площади поверхности. Относительно размера пор капли воды, эмульсифицированной в дизельных топливах, содержащих поверхностно-активные вещества с низким поверхностным натяжением, как было обнаружено, попадают в диапазон 3,5 микрон, что сильно отличается от диапазона 10,0 микрон типичного для дизельного топлива и керосина без поверхностно-активных веществ. Известные среды не предназначены для захвата капель такого малого размера. В результате, когда капельная фаза состоит из капель, достаточно малых по размеру, чтобы проходить через среды при минимальном взаимодействии с поверхностями сред, капли не коалесцируют и известные коалесцентные среды отказывают.

Посредством гомогенизации энергии системы поверхностно-активные вещества также делают недостаточной площадь поверхности известных коалесцентных сред. В эмульсиях, стабилизированных поверхностно-активными веществами, существует взаимное влияние между капельной фазой и поверхностью сред, из-за адсорбции поверхностно-активного вещества на границе раздела жидкость-жидкость и твердое тело-жидкость. Как описано выше, адсорбция поверхностно-активного вещества на границах раздела уравнивает энергию взаимодействия и требует большей длины пути для эффективного разрешения компонентов эмульсии. Площади поверхности известных сред просто недостаточно велики для обеспечения длины пути, необходимой для разделения. Из-за этого, когда они экспонируются для эмульсии вода-углеводород, стабилизированной поверхностно-активными веществами, известные среды легко перекрываются и изменяются под действием адсорбированных поверхностно-активных веществ, и дисперсная фаза проходит через среды без коалесценции. В настоящее время отказ обычных коалесцентных сред происходит в топливах, содержащих поверхностно-активное вещество и биодизельное топливо.

Необходимость в успешном взаимодействии с каплями дисперсной фазы с размерами ниже 5,0 микрон в диаметре и необходимость в значительном увеличении площади поверхности вызывают конфликт характеристик сред с потребностями конечного применения, такими как проницаемость и толщина. Требования скорости потока являются фундаментальными движущими силами для целевых показателей проницаемости и толщины. Разделение неизменно облегчается, если скорость через среды замедляется для получения максимального времени контакта с поверхностью. Это, разумеется, не может быть совместимым с конечным применением, которое обуславливает минимальные рабочие потоки через среды. Требования минимальных потоков, в свою очередь, выдвигают задачи проницаемости для поддержания практичных перепадов давления через среды. Требования к потокам диктуют скорости через среды. Скорости являются производными от площади среды, используемой для данного разделения. Когда элементы используют гофрированные или навитые среды, толщина сред определяет площадь сред, которые могут использоваться при данном применении, и, как таковую, скорость прохождения эмульсии через среды. Разделение облегчается с помощью сред, которые могут осуществлять разделение при самой низкой толщине или измеренном поперечном размере листа.

По отношению к размеру пор поры известных сред часто являются слишком открытыми для силовых взаимодействий между каплями и поверхностью сред, и капли уходят без коалесценции на приемную сторону. Это происходит, когда поверхностно-активные вещества в эмульсии понижают поверхностное натяжение и способствуют разрушению капель до получения распределений частиц с меньшими размерами. В известных средах отсутствуют размеры пор, способные взаимодействовать с распределениями частиц меньших размеров и они без изменений пропускают некоалесцирующую дисперсную фазу до заднего края сред. Гипотетически для эффективного взаимодействия с малыми частицами проницаемость известных сред должна уменьшаться до непрактичных уровней, чтобы соответствовать скоростям, необходимым для конечного использования.

В случае недостаточной площади поверхности толщина известных сред приводит разделение эмульсий в конфликт с требованиями для скорости. Ограничивающим фактором является введение необходимой площади поверхности в лист или слоистый лист сред, который имеет реалистичную толщину и опять же необходимую проницаемость. Для известных сред это невозможно. Известные среды часто являются толстыми, такими как слой стекла с измеренным поперечным размером листа в диапазоне 5 мм, и требуют опоры соответствующих размеров, такой как проволочная сетка или лист целлюлозы, насыщенный фенольной смолой. Гипотетически, если известные среды выполняют так, что они содержат площадь поверхности, достаточную для растворения сложной эмульсии, такой как эмульсия вода-углеводород, стабилизированная поверхностно-активным веществом, толщина будет настолько большой, что только малые их количества смогут поместиться в корпусе системы разделения. Такое ограниченное количество сред значительно увеличивало бы скорость через среды, ингибируя эффективное разделение.

Из-за ограничений известных сред инновация в области коалесценции часто включает «системы», а не среды. Системы содержат множество типов сред, множество элементов сред и множество слоев сред. Системы, как правило, относятся к набивке сред и протеканию эмульсий различными путями, чтобы работать в пределах ограничений размер пор-проницаемость и площадь поверхности-толщина, с учетом проницаемости.

Раскрытие изобретения

В настоящем изобретении было обнаружено, что идентификация хороших коалесцентных сред для разделения эмульсий вода-углеводород требует очень тонкого балансирования нескольких различных физических характеристик в средах. Для хорошего контакта границы раздела с водой является желательным использовать волокна, которые имеют низкую энергию адсорбции воды, высокую площадь поверхности и естественную эластичность, которая развивает структуру пор, когда волокна собираются вместе. Природные волокна и волокна на основе целлюлозы, такие как целлюлоза, Lyocell, вискоза, шерсть и шелк, имеют эти свойства, и по этой причине желательно иметь определенное количество природных волокон и волокон на основе целлюлозы. Для увеличения площади поверхности может быть желательным также иметь определенное количество фибриллированных волокон с высокой площадью поверхности или увеличивающих площадь поверхности синтетических материалов. Определенный тип нанокерамических функционализованых волокон, имеющих исключительно высокую собственную площадь поверхности, как было обнаружено, дает исключительные рабочие характеристики в средах для разделения эмульсий.

Другое желаемое свойство заключается в том, чтобы иметь относительно низкую плотность листа, имеющего более высокий объем (толщину) на площадь поверхности, чтобы позволить развитие пор и каналов, что способствует сбору воды и коалесценции, в то же время оставляя более высокую площадь поверхности, доступную для контакта с водой. Более высокая толщина листа может быть показателем сохранения структуры пор, и, наоборот, сжатие листа уменьшало бы структуру пор и понижало бы рабочие характеристики. Было обнаружено, что объединение природных волокон и волокон на основе целлюлозы с другими материалами, такими как синтетические или стеклянные волокна, может поддерживать хорошую структуру пор, при этом формируя лист более низкой плотности. Более высокая площадь поверхности природных волокон и волокон на основе целлюлозы сама по себе не обеспечивает того, что они будут представлять собой хороший сепаратор для эмульсий. Для увеличения открытости пор, в то же время поддерживая низкую плотность листа, как было обнаружено, меньший диаметр стеклянного волокна является предпочтительным по сравнению с большим диаметром.

Другим желательным свойством для хорошего разделения эмульсий является то, что размер пор должен соответствовать ожидаемому размеру частиц воды. Размеры частиц воды сдвигаются до меньших размеров при добавлении поверхностно-активного вещества к углеводородам. По этой причине хорошие коалесцентные среды должны иметь меньший размер пор для эффективного взаимодействия с каплями воды, которые имеют, например, размер, меньший чем 3,5 микрона, как наблюдается в водных эмульсиях дизельных топлив с низким поверхностным натяжением. Соответствующий размер пор может быть получен посредством выбора правильных сочетаний природных волокон или волокон на основе целлюлозы и армирующих синтетических или стеклянных волокон.

Для объединения этих составляющих в листе, для получения хорошей структуры и распределения пор желательно формировать контактирующий с эмульсией лист в виде единого сухого слоя способом мокрой выкладки с использованием однородно распределенных составляющих композиции для мокрой выкладки, выбранных для обеспечения высокой площади поверхности контакта без ухудшения проницаемости или толщины для хорошей структуры пор. Для хорошей прочности листа желательно также добавлять добавку для придания сухой прочности и/или добавки для придания влажной прочности.

В соответствии с настоящим изобретением, коалесцентная среда для разделения эмульсий вода-углеводород содержит контактирующий с эмульсией лист, сформированный из:

(a) по меньшей мере, одного компонента из группы, состоящей из: (1) природных волокон, (2) целлюлозных волокон, (3) волокон на основе природных волокон и (4) волокон на основе целлюлозы,

(b) по меньшей мере, одного компонента из группы, состоящей из: (1) фибриллированных волокон с высокой площадью поверхности, (2) синтетического материала, увеличивающего площадь поверхности, (3) стеклянных микроволокон и (4) нанокерамических функционализованных волокон; и

(c) по меньшей мере, одного компонента из группы, состоящей из: (1) добавки для придания сухой прочности и (2) добавки для придания влажной прочности,

при этом волокнистые компоненты среды составляют, по меньшей мере, около 70% среды.

В одном из вариантов осуществления изобретения коалесцентная среда содержит около 70% крафт-волокон и около 28% фибриллированных волокон Lyocell, добавку для придания влажной прочности и добавку для придания сухой прочности.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения коалесцентная среда содержит крафт-волокна, фибриллированные волокна Lyocell, стеклянные микроволокна, добавку для придания влажной прочности и добавку для придания сухой прочности. Наиболее предпочтительным является использование 0,65-микронных стеклянных микроволокон.

Еще в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения коалесцентная среда содержит крафт-волокна, фибриллированные волокна Lyocell, нанокерамические функционализованные волокна, добавку для придания влажной прочности и добавку для придания сухой прочности. Наиболее предпочтительный тип нанокерамических функционализованных волокон представляет собой функционализованные стеклянные волокна на основе боэмитных нановолокон Disruptor™, изготовляемых Argonide Corporation, Санфорд, Флорида.

Предпочтительно, коалесцентная среда сформирована в виде единого, самоподдерживающегося слоя способом мокрой выкладки с использованием однородно распределенной композиции для мокрой выкладки. Она также может быть сформирована в виде многослойной структуры. В предпочтительном варианте осуществления изобретения двухслойная структура имеет передний слой, содержащий около 67 вес.% нанокерамических функционализованных стеклянных волокон, увеличивающих площадь поверхности, около 23% крафт-волокон и около 10% фибриллированных волокон Lyocell, и задний слой, содержащий около 80% целлюлозных волокон и около 20% смолы.

Типы и процентные количества составляющих выбираются для обеспечения достаточной площади поверхности для полного распределения компонентов стабилизированной поверхностно-активными веществами эмульсии без ухудшения проницаемости или толщины. Предпочтительная среда имеет достаточную проницаемость для того, чтобы сделать возможными перепады давления в проточных применениях, которые соответствуют известным средам. Основной вес среды и измеренный поперечный размер листа могут изменяться, чтобы они удовлетворяли критериям конечных конкретных применений; однако среда, как было обнаружено, осуществляет разделение эмульсии при толщине, достигающей 0,6 мм, и при основном весе 227 г/м². Примерами предпочтительной среды, как было обнаружено, осуществляют разделение при линейных скоростях, достигающих 1,219 см/мин, и осуществляют разделение биодизельных смесей, достигающих 40%. Готовый, полученный способом мокрой выкладки лист, используемый в качестве коалесцентных сред, может также гофрироваться и сворачиваться.

Другие задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения будут пояснены в приведенном ниже подробном описании настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 иллюстрирует взаимодействия поверхностно-активного вещества, которые приводят к стабилизации эмульсии.

Фиг.2 представляет собой график, сравнивающий способность к разделению эмульсии для известной среды и для сред согласно настоящему изобретению, когда они экспонируются для эмульсии вода-B7.

Фиг.3A (слева) иллюстрирует внешний вид текучей среды после прохождения известных сред как мутную текучую среду с не полностью разделенной эмульсией по сравнению с фиг.3B (справа), показывающей внешний вид текучей среды после прохождения сред согласно настоящему изобретению.

Фиг.4 представляет собой график, показывающий способность к разделению эмульсии для сред согласно настоящему изобретению, когда они экспонируются для эмульсии вода-B20.

Фиг.5A иллюстрирует внешний вид текучей среды после прохождения известной среды после разделения эмульсии вода-B20 по сравнению с фиг.5B, показывающей внешний вид текучей среды после разделения, после экспонирования для сред согласно настоящему изобретению.

Фиг.6 представляет собой график, показывающий эффективность удаления воды для двухслойного примера среды согласно настоящему изобретению по сравнению с обычной средой из полиэстера, полученного раздувом из расплава, при экспонировании для эмульсии вода-B5.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

В самом широком смысле предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения относятся к коалесцентной среде для разделения эмульсии вода-углеводород, которая содержит контактирующий с эмульсией лист, сформированный в виде единого сухого слоя способом мокрой выкладки с использованием однородно распределенной композиции для мокрой выкладки, состоящей из двух или более главных составляющих, которые выбирают так, чтобы типы и процентные количества обеспечивали достаточную площадь поверхности для контакта с эмульсией, для полного распределения компонентов эмульсии, стабилизированной поверхностно-активными веществами, без ухудшения проницаемости или толщины. Как хорошо известно в промышленности (и здесь не описывается более подробно), нетканый лист, полученный с помощью мокрой выкладки, может быть получен посредством подачи суспензии композиции для мокрой выкладки для экструдирования слоя композиции на формующую сетку бумагоделательной машины с мокрой выкладкой, затем сушки дренированного слоя на формующей сетке до получения сухого листа. В настоящем изобретении два или более составляющих композиций для мокрой выкладки смешиваются так, чтобы они распределялись однородно, чтобы слой композиции был по существу однородным. Для получения желаемого результата может использоваться множество различных типов и процентных количеств материалов, и по этой причине предпочтительное сочетание составляющих для формирования любого конкретного продукта коалесцентных сред будет зависеть от предполагаемых рабочих характеристик, желательных в конечном продукте.

В целом, компоненты готового листа, полученного с помощью способа мокрой выкладки из однородно распределенной композиции для мокрой выкладки, предпочтительно выбираются так, чтобы он состоял из: (1) до около 80% природных волокон, целлюлозных волокон, волокон на основе природных волокон или волокон на основе целлюлозы; (2) до около 50% синтетических волокон; (3) до около 60% фибриллированных волокон с высокой площадью поверхности; (4) до около 70% стеклянного микроволокна; (5) до около 80% синтетических материалов, увеличивающих площадь поверхности; (6) до около 5% бумаги, полученной с помощью мокрой выкладки добавки для придания сухой прочности; (7) до около 5% бумаги, полученной с помощью мокрой выкладки, добавки для придания влажной прочности; (8) до около 30% компонента, улучшающего прочность; и (9) до около 30% связующей смолы для готового листа, где указанный процент означает процент составляющего от сухой массы готового листа. Процентное количество означает весовой процент составляющего в готовом листе. Эти составляющие могут включать, но не ограничиваться этим, следующие типы рекомендованных материалов:

1. 0-80% природных волокон, целлюлозных волокон, волокон на основе природных волокон или волокон на основе целлюлозных волокон, включая:

a. крафт-волокна из мягкой древесины, эвкалипта или твердой древесины

b. рециклированное крафт-волокно

c. рециклированный канцелярский мусор

d. волокно из сульфитной пульпы из мягкой древесины, эвкалипта или твердой древесины

e. хлопковое волокно

f. хлопковый пух

g. мерсеризованное волокно

h. волокно от химикомеханической обработки мягкой древесины или твердой древесины

i. волокно от термомеханической обработки мягкой древесины или твердой древесины

j. шерсть

k. шелк

l. регенерированное целлюлозное волокно: искусственный шелк, вискоза, Lyocell

m. полимолочную кислоту

2. 0-50% синтетического волокна, включая:

a. полиэстеровое волокно в диапазоне массового номера 0,5 микрона - 13 dpf (денье элементарной нити) и в диапазоне длины 3 мм - 24 мм

b. волокно нейлон 6 в диапазоне массового номера 0,5 микрона - 6 dpf и в диапазон длины 3 мм - 24 мм

c. волокно нейлон 66 в диапазоне массового номера 0,5 микрона - 22 dpf и в диапазоне длины 3 мм - 24 мм

3. 0-60% фибриллированного волокна с высокой площадью поверхности, включая:

a. фибриллированное полимерное волокно

b. фибриллированное волокно модифицированной целлюлозы

c. фибриллированное волокно целлюлозы

d. фибриллированное волокно Lyocell

e. фибриллированный полиэтилен и полипропилен

f. фибриллированное полиолефиновое волокно

g. фибриллированное акриловое и полиакрилонитриловое волокно

h. фибриллированное поли п-фенилен-2,6-бензобитоксазольное (PBO) волокно

i. фибриллированный поливиниловый спирт (PVA)

j. фибриллированный цемент

k. фибриллированная арамидная пульпа Kevlar

4. 0-70% стеклянного микроволокна, включая:

a. A-стекло с диаметрами волокна, составляющими от 0,2 до 5,5 микрона

b. B-стекло с диаметрами волокна, составляющими от 0,2 до 5,5 микрона

c. C-стекло с диаметрами волокна, составляющими от 0,2 до 5,5 микрона

d. E-стекло с диаметрами волокна, составляющими от 0,2 до 5,5 микрона

5. 0-80% добавки, увеличивающей площадь поверхности, включая:

a. волокна, содержащие нанокерамику или наностекло

b. пористый или непористый диоксид кремния в форме микрочастиц или микросфер, необработанный, коллоидный и/или химически модифицированный с получением функциональных групп линейного алкила, триметила, алкилкарбамата, циклогексила, фенила, дифенила, диметиламино, амино, нитро, нитрила, оксипропионитрила, виц-гидроксила, фторалкила, поликапролактама, полиэтоксилата, традиционных гидрофобных и гидрофильных групп, ионообменных групп и семейства обращенных фаз

c. пористый или непористый оксид алюминия в форме микрочастиц или микросфер, необработанный, коллоидный и/или химически модифицированный с получением функциональных групп линейного алкила, триметила, алкилкарбамата, циклогексила, фенила, дифенила, диметиламино, амино, нитро, нитрила, оксипропионитрила, виц-гидроксила, фторалкила, поликапролактама, полиэтоксилата, традиционных гидрофобных и гидрофильных групп, ионообменных групп и семейства обращенных фаз

d. пористое или непористое стекло в форме микрочастиц или микросфер

e. активированный уголь

f. пористый графитизированный углерод

g. силикат магния

h. диоксид титана

i. диоксид циркония

j. диатомовую землю

k. адсорбционную глину, такую как фуллерова земля, монтмориллонит и смектит

l. тектосиликаты, принадлежащие к группе цеолитов, такие как Zeolite A, Zeolite X, Zeolite Y, Zeolite ZSM-5, Zeolite LTL

m. карбонат кальция

n. пористые или непористые полимерные частицы, микросферы и гели с алкилбензолсульфонатом, триалкиламмоний алкилбензолом, фторалкилом, традиционными гидрофобными группами, традиционными гидрофильными группами, ионообменными группами и функциональными группами обращенных фаз или без них, из семейств, включающих:

i. фенол-формальдегид, такой как серия Duolite XAD

ii. полистирол-дивинилбензол, такой как серия Amberlite XAD

iii. декстран, такой как Sephadex G

iv. агарозу, такую как Sepharose

v. поперечно сшитую аллилдекстрозу, такую как Sephacryl

vi. дивинилбензол

vii. полиамид

viii. гидроксиалкилметакрилат

6. 0-5% традиционной добавки для придания сухой прочности бумаге, полученной с помощью мокрой выкладки, включая:

a. катионный крахмал, полученный из картофеля, кукурузы или тапиоки

b. дериватизированную гуаровую смолу

c. карбоксиметилцеллюлозу

d. анионные и амфотерные акриламидные полимеры

7. 0-5% традиционной добавки для придания влажной прочности бумаге, полученной с помощью мокрой выкладки

a. полиамидную смолу

b. полиамид-эпихлоргидриновую (PAE) смолу

c. эмульсию канифоли

d. канифолевое мыло

e. алкил-янтарный ангидрид

f. алкилкетеновый димер

8. 0-30% компонентов для увеличения прочности, включая:

a. двухкомпонентные полимерные волокна оболочка-сердцевина, состоящие из полиэстеровой сердцевины с сополиэстеровой оболочкой

b. двухкомпонентные полимерные волокна оболочка-сердцевина, состоящие из полиэстеровой сердцевины с полиэтиленовой оболочкой

c. двухкомпонентные полимерные волокна оболочка-сердцевина, состоящие из полипропиленовой сердцевины с полиэтиленовой оболочкой

d. двухкомпонентные полимерные волокна оболочка-сердцевина, состоящие из полиэстеровой сердцевины с полипропиленовой оболочкой

e. двухкомпонентные полимерные волокна оболочка-сердцевина, состоящие из полиэстеровой сердцевины с полифениленсульфидной оболочкой

f. двухкомпонентные полимерные волокна оболочка-сердцевина, состоящие из полиамидной сердцевины с полиамидной оболочкой

g. связующее на основе латекса акрилового сополимера

9. 0-30% смолы, которая наносится на готовый лист и насыщает его

a. Насыщающая смола может состоять из следующих семейств полимеров:

i. формальдегидные смолы

1. анилинформальдегид

2. меламинформальдегид

3. фенолформальдегид

4. п-толуолсульфонамидформальдегид

5. мочевина-формальдегид

6. простой фенилглицидиловый эфир-формальдегид

ii. сложный поли(виниловый эфир)

1. поливинилацетат

2. поливинилацетилацетат

3. поливинилпивалат

4. поливинилбензоат

iii. поли(виниловый спирт)

1. поливиниловый спирт

2. ацетил поливинилового спирта

3. сополимер поливинил-малеиновый ангидрид

iv. стирол-акрил

v. уретан-акрил

b. Насыщающая смола может содержать гидрофобные добавки из следующих семейств:

i. силикон

ii. простой перфторполиэфир

iii. фторалкил

В качестве предпочтительного сочетания составляющих, которые составляют композицию для мокрой выкладки, выкладываемую на формующую сетку, отдельный сухой слой коалесцентных сред содержит, по меньшей мере, три компонента следующих типов: 0-80% крафт-волокон из мягкой древесины, 0-80% крафт-волокон из твердой древесины, 0-80% рециклированных крафт-волокон, 0-80% волокон из сульфитной твердой древесины, 0-50% фибриллированных волокон Lyocell, 0-30% микроволокон из B-стекла, 0-80% нанокерамических волокон Disruptor™, 0-40% адсорбционных сред в виде частиц (таких как коллоидный диоксид кремния, активированный уголь, силикат магния и пористые полимерные микросферы из семейств фенолформальдегидных смол, таких как Duolite XAD 761, или стиролдивинилбензола, таких как Amberlite XAD 16HP, и 0-5% смолы для придания прочности во влажном и сухом состоянии. Кроме того, лист может содержать 0-25 вес.% смолы, которая наносится на готовый лист и насыщает его. Насыщающая смола может принадлежать к следующим полимерным семействам: фенол, стирол-акрил, поливинилацетат, поливиниловый спирт и акрил, модифицированный уретаном.

Среда согласно настоящему изобретению, описанная здесь, разделяет эмульсии воды и углеводородов, содержащих высокие уровни поверхностно-активных веществ и/или биодизельного топлива, поскольку они объединяют исключительно высокую площадь поверхности, более 200 м²/грамм, с уникальной структурой пор, которая способствует взаимодействию жидкость-твердое тело без значительных потерь проницаемости и с минимальным измеренным поперечным размером листа. Среда согласно настоящему изобретению может включать конкретный тип стеклянных волокон с волокнами нанооксида алюминия, привитыми на поверхности, называемых нанокерамические функционализованные волокна Disruptor™, которые несут площадь поверхности 300-500 м²/грамм, как измерено с помощью адсорбции азота. Среда согласно настоящему изобретению также может содержать коллоидный диоксид кремния, активированный уголь, силикат магния, пористые полимерные микросферы из семейств фенолформальдегидной смолы, таких как Duolite XAD 761, стирола-дивинилбензола, таких как Amberlite XAD 16HP. Эти компоненты в виде частиц также добавляют 300-500 м²/грамм площади поверхности средам по настоящему изобретению. В результате этих особенностей отдельный слой среды согласно настоящему изобретению успешно разделяет эмульсии воды и углеводородов, содержащих высокие уровни поверхностно-активных веществ и/или биодизельного топлива, которые не могут разделяться с использованием отдельного слоя известных сред. Это позволяет осуществлять разделение эмульсии с помощью гораздо более простых систем без сред с множеством слоев, множества элементов или сложных конструкций потоков.

Наиболее предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения имеет нанокерамические функционализованные волокна Disruptor™ как одну из главных составляющих в композиции для влажной выкладки. Нанокерамические волокна Disruptor™ представляют собой стеклянные волокна, функционализованные боэмитными нановолокнами, изготавливаемые Argonide Corporation, Санфорд, Флорида. Композиция, характеристики и способ получения нанокерамических волокон Disruptor™ описаны в патенте США 6838005, выданном F. Tepper и L. Kaledin. Волокна Disruptor™ могут предварительно экспонироваться для 0-60% следующих частиц с высокой площадью поверхности:

a. пористый или непористый диоксид кремния в форме микрочастиц или микросфер, необработанный, коллоидный и/или химически модифицированный с получением функциональных групп линейного алкила, триметила, алкилкарбамата, циклогексила, фенила, дифенила, диметиламино, амино, нитро, нитрила, оксипропионитрила, виц-гидроксил, фторалкила, поликапролактама, полиэтоксилата, традиционных гидрофобных и гидрофильных групп, ионообменных групп и семейства обращенных фаз

b. пористый или непористый оксид алюминия, в форме микрочастиц или микросфер, необработанный, коллоидный и/или химически модифицированный с получением функциональных групп линейного алкила, триметила, алкилкарбамата, циклогексила, фенила, дифенила, диметиламино, амино, нитро, нитрила, оксипропионитрила, виц-гидроксила, фторалкила, поликапролактама, полиэтоксилата, традиционных гидрофобных и гидрофильных групп, ионообменных групп и семейства обращенных фаз

c. пористое или непористое стекло в форме микрочастиц или микросфер

d. активированный уголь

e. пористый графитизированный углерод

f. силикат магния

g. диоксид титана

h. диоксид циркония

i. диатомовая земля

j. адсорбционная глина, такая как фуллерова земля, монтмориллонит и смектит

k. тектосиликаты, принадлежащие к группе цеолитов, такие как Zeolite A, Zeolite X, Zeolite Y, Zeolite ZSM-5, Zeolite LTL

l. карбонат кальция

m. пористые или непористые полимерные частицы, микросферы и гели с алкилбензолсульфонатом, триалкиламмоний алкилбензолом, фторалкилом, традиционными гидрофобными группами, традиционными гидрофильными группами, ионообменными группами и функциональными группами обращенных фаз или без них, из семейств, включающих:

i. фенолформальдегид, такой как серия Duolite XAD

ii. полистирол-дивинилбензол, такой как серия Amberlite XAD

iii. декстран, такой как Sephadex G

iv. агароза, такая как Sepharose

v. поперечно сшитая аллилдекстроза, такая как Sephacryl

vi. дивинилбензол

vii. полиамид

viii. гидроксиалкилметакрилат

Далее следуют примеры конкретных сочетаний составляющих, которые используют в композиции для мокрой выкладки, используемой для получения коалесцентной среды (на весовой процент готового листа).

ПРИМЕР 1 (отдельный слой)

70,8% чистого крафт-волокна из мягкой древесины

28,5% фибриллированного Lyocell

0,5% добавки для придания влажной прочности на основе смолы полиамид-эпихлоргидрин (PAE)

0,2% добавки для придания сухой прочности на основе полиакриламида

ПРИМЕР 2 (отдельный слой)

30,0% B-стекло диаметром 0,65 микрона

49,0% чистого крафт-волокна из мягкой древесины

20,3% фибриллированного Lyocell

0,5% добавки для придания влажной прочности на основе смолы полиамид-эпихлоргидрин (PAE)

0,2% добавки для придания сухой прочности на основе полиакриламида

ПРИМЕР 3 (отдельный слой)

67,00% волокна Disruptor™

23,00% чистого крафт-волокна из мягкой древесины

9,70% фибриллированного Lyocell

0,15% добавки для придания влажной прочности на основе смолы полиамид-эпихлоргидрин (PAE)

0,15% добавки для придания сухой прочности на основе полиакриламида

ПРИМЕР 4 (отдельный слой)

39,70% волокна Disruptor^TM

40,00% диоксид кремния Cab-o-sil M-5

12,00% чистого крафт-волокна из мягкой древесины

8,00% фибриллированного Lyocell

0,15% добавки для придания влажной прочности на основе полиамид-эпихлоргидриновой смолы (PAE)

0,15% добавки для придания сухой прочности на основе полиакриламида

Испытания

Примеры 1 и 2 среды согласно настоящему изобретению были испытаны в лабораторном испытании плоского листа для сепаратора топливо-вода и в держателе образца. Испытание с плоским листом моделирует Общество Автомобильных Инженеров (SAE) J1488 «Испытание разделения эмулированных воды/топлива». В лабораторном испытании с плоским листом 0,25% дистиллированной деионизованной воды эмульсифицируют при 26-30° Цельсия в топливе с использованием центробежного насоса Gould 1MC1E4CO Mechanically Coupled 1 HP (описанного в процедуре SAE J1488 с 1 1/4 (i)×1 (o)×5 3/16 (imp.)), установленного на скорость потока 2 GPM. 195 см³/мин полученной эмульсии топливо-вода протекает через держатель образца с плоским листом. Держатель образца позволяет воде выделяться из потока как на передней, так и на задней стороне, так что тип коалесцентной среды может сравниваться. Образцы эмульсии до и после устройства отбирают из узлов на входе и выходе держателя. Образцы эмульсии гомогенизируют в течение, по меньшей мере, одной минуты в Cole Parmer Ultrasonic Bath Model#08895-04. Содержание воды измеряют для каждого образца с использованием устройства для титрования по Карлу-Фишеру Mettler Toledo Model D39 и выражают в миллионных долях (м.д.). Выход держателя образца повторно соединяют с потоком от насоса и пропускают через ряд сепараторных очистных фильтров топливо-вода Caterpillar 1R-0781 с возвращением 100-500 м.д. топлива в поддон. Поддон содержит 6-галлонную загрузку топлива. Испытание продолжают в течение 150 минут с образцами до/после и из поддона, прокачиваемыми поочередно через 10-минутные интервалы.

Эффективность удаления воды (WRE) вычисляют во время прохождения каждого образца (tn), используя уравнение

WRE_tn=Downstream_tn/Upstream_tn)×100  

где Downstream_tn - содержание воды после (м.д.), а Upstream_tn - содержание воды до (м.д.). Целевое содержание воды Upstream составляет 2500 м.д. во время всего испытания.

Вычитание уровня воды в поддоне из измеренного содержания воды после устройства не используется. Эта нормировка используется в SAE J1488, но она имеет тенденцию к преувеличению результатов рабочих характеристик в условиях высокого содержания биодизельного топлива.

Рабочие характеристики среды оценивают посредством построения графика зависимости WRE от времени испытания. Топлива, используемые для оценок, представляют собой биодизельные смеси в дизельном топливе с ультранизким содержанием серы (ULSD). Дизельное топливо с ультранизким содержанием серы получают от British Petroleum, Naperville, IL. Биодизельное топливо представляет собой метилсоят, полученный от Renewable Energy Group, Ролстон, Айова. Используемые смеси представляют собой B5, 5% (объемных) биодизельного топлива в ULSD, B7, 7% (объемных) биодизельного топлива в ULSD, и B20, 20% (объемных) биодизельного топлива в ULSD.

Фиг.2 представляет собой результаты лабораторного испытания разделения топливо-вода для образцов среды согласно настоящему изобретению по сравнению с коалесцентной средой на основе слоя стекла, известных из уровня техники, в испытании B7. Из фиг.2 видно, что среды согласно настоящему изобретению эффективно разделяют топливо и воду. Среда 1 согласно настоящему изобретению поддерживает эффективность удаления воды (WRE) 90+% в ходе испытания, а Среда 2 согласно настоящему изобретению завершает 150 минут испытания при WRE 95+%. Известная среда не может эффективно разделять эту эмульсию. Известная среда начинает испытание при WRE 90,4%, которая на 70 минуте деградирует до WRE 74,8%, после чего следует дополнительное 14% падение на 150 минуте до WRE 60,8%.

В случае известной среды, как показано на фиг.3A, мутная, не полностью разделенная эмульсия, покидает заднюю сторону среды. В случае среды согласно настоящему изобретению, как показано на фиг.3B, среду покидают большие капли воды, и они достаточно массивные, чтобы противостоять восходящему потоку, чтобы достичь приемной линии и собраться на задней стороне. Топливо является чистым и прозрачным. Это как раз тот тип поведения, который необходим для успешного разделения эмульсии с помощью коалесцентной среды.

Среду согласно настоящему изобретению испытывают в смеси с 20% биодизельного топлива для оценки рабочих характеристик в более экстремальной окружающей среде. Во время этих испытаний очистные фильтры отказывают. Содержание воды в поддоне поднимается до пределов 1100-2000 м.д., в то время как содержание воды перед устройством поднимается до 3300 м.д. Предпринимаются попытки поддержания исходной воды перед устройством при 2500 м.д. Следует отметить, что размер капель воды в эмульсии обратно пропорционален энергии перемешивания. В случае высокого содержания воды в поддоне вода в поддоне, вероятно, будет иметь распределение более мелких частиц, поскольку она, как видно, множество раз проходит через насос для эмульсификации. Как таковой, исходный материал в B20, как ожидается, является более трудным из-за повышенного уровня поверхностно-активных веществ, а также меньших размеров частиц воды из-за множества циклов прохождения через насос для эмульсификации.

Результаты испытания B20 показаны на фиг.4 и подчеркивают способность сред согласно настоящему изобретению к разделению топлива и воды. В описанных условиях среда 1 согласно настоящему изобретению поддерживает WRE 85+% в течение 150 минут, а среда 2 согласно настоящему изобретению консистентно разделяет выше WRE 90%. В противоположность этому коалесцентная среда в виде слоя стекла, известная из уровня техники, обеспечивает WRE 75-77% в течение первых 70 минут испытания, и это значение уменьшается до 61,1% через 150 минут. Текучая среда, покидающая известную среду, снова становится мутной, повторяя результаты, полученные для B7 и показанные на фиг.5A. Топливо, покидающее среды по настоящему изобретению, также выглядит очень похоже по рабочим характеристикам при испытании на B7, и оно показано визуально на фиг.5B. Топливо, покидающее фильтр, является чистым и прозрачным, а вода скатывается вниз по поверхности массивными каплями. Эти результаты не имеют прецедентов при испытании плоских листов до настоящего времени.

Хотя предпочтительные варианты осуществления коалесцентной среды могут конфигурироваться так, чтобы они представляли собой самоподдерживающуюся однослойную структуру, коалесцентная среда согласно настоящему изобретению может также использоваться в качестве слоя в многослойной структуре, которая функционирует только для коалесценции, или объединяет функцию коалесценции с удалением частиц. Слой коалесцентных сред может занимать любой слой в многослойной структуре. В многослойной структуре не нужна конкретная организация слоев для создания градиента физических свойств, если только этого не потребуется. Другие слои многослойной структуры могу состоять из:

1. Среды, полученной с помощью мокрой выкладки и насыщенной смолой, которая может содержать компоненты композиции

a. 0-80% волокон целлюлозы или волокон на основе целлюлозы, включая:

i. крафт-волокна из мягкой древесины, эвкалипта или твердой древесины

ii. рециклированное крафт-волокно

iii. рециклированный канцелярский мусор

iv. волокно из сульфитной пульпы из мягкой древесины, эвкалипта или твердой древесины

v. хлопковое волокно

vi. хлопковый пух

vii. мерсеризованное волокно

viii. волокно от химикомеханической обработки мягкой древесины или твердой древесины

ix. волокно от термомеханической обработки мягкой древесины или твердой древесины

b. 0-50% синтетическое волокно, включая:

i. полиэстеровое волокно в диапазоне массового номера 0,5 dpf - 13 dpf и в диапазоне длины 3 мм - 24 мм

ii. волокно нейлон 6 в диапазоне массового номера 3 dpf - 6 dpf и в диапазоне длины 3 мм - 24 мм

iii. волокно нейлон 66 в диапазоне массового номера 1 dpf - 22 dpf и в диапазоне длины 3 мм - 24 мм

c. 0-70% стеклянное микроволокно, включая:

i. A-стекло с диаметрами волокна, составляющими от 0,2 до 5,5 микрон

ii. B-стекло с диаметрами волокна, составляющими от 0,2 до 5,5 микрон

iii. C-стекло с диаметрами волокна, составляющими от 0,2 до 5,5 микрон

iv. E-стекло с диаметрами волокна, составляющими от 0,2 до 5,5 микрон

d. 0-30% смолу, которая наносится на готовый лист и насыщает его.

i. Насыщающая смола может состоять из следующих семейств полимеров:

1. формальдегидные смолы

a. анилин-формальдегид

b. меламин-формальдегид

c. фенол-формальдегид

d. п-толуолсульфонамид-формальдегид

e. мочевина-формальдегид

f. простой фенилглицидиловый эфир-формальдегид

2. Сложный поливиниловый эфир

a. поливинилацетат

b. поливинилацетилацетат

c. поливинилпивалат

d. поливинилбензоат

3. Поливиниловый спирт

a. поливиниловый спирт

b. ацетил поливинилового спирта

c. сополимер поливинил - малеиновый ангидрид

4. стирол-акрил

5. уретан-акрил

ii. Насыщающая смола может содержать гидрофобные добавки из следующих семейств:

1. силикон

2. простой перфторполиэфир

3. фторалкил

2. Полотно из полученных раздувом из расплава гидрофильных или гидрофобных синтетических волокон

3. Нетканое полотно из гидрофильных или гидрофобных синтетических волокон

4. Полотно из полученных с помощью мокрой выкладки или выкладки на воздухе стеклянных волокон

5. Полотно из перфорированных иглами гидрофильных или гидрофобных синтетических волокон с компонентом природного волокна или без него.

Далее следует пример многослойной структуры, имеющей передний слой и задний слой, сформированные из композиции для мокрой выкладки с получением коалесцентных сред (на весовой процент готового листа).

ПРИМЕР 5 (два слоя)

Передний слой представляет собой лист, содержащий:

67,00% волокна Disruptor^TM

23,00% чистого крафт-волокна из мягкой древесины

9,70% фибриллированного Lyocell

0,15% добавки для придания влажной прочности на основе полиамид-эпихлоргидриновой смолы (PAE)

0,15% добавки для придания сухой прочности на основе полиакриламида

Задний слой представляет собой лист, содержащий:

79,60% чистого целлюлозного волокна

20,00% фенолформальдегидной смолы, функционализованной перфторполиэфиром

0,40% полиамидной смолы для придания влажной прочности.

На фиг.6 эффективность отделения воды в лабораторном испытании с плоским листом из примера 5 для двухслойной коалесцентной среды сравнивают с обычной, полученной раздувом из расплава полиэстера барьерной средой разделения в B5. Среда из примера 5 имеет консистентные рабочие характеристики WRE около 95% при продолжительности испытания 150 минут по сравнению с обычной, полученной раздувом из расплава полиэстера коалесцентной средой, которая обеспечивает уменьшение WRE от 90% до 55% в течение периода испытания.

Таким образом, коалесцентная среда согласно настоящему изобретению, как показано, является очень эффективной при консистентном удалении эмульсифицированной воды из углеводородов в течение некоторого времени. Ее уникальные разделительные способности могут позволить упростить более сложные системы коалесценции посредством устранения множества слоев среды или дополнительных элементов. Коалесцентная среда может также использоваться для удаления эмульсифицированного масла из воды, эмульсифицированной воды из топлива в транспортных применениях, эмульсифицированной воды из топлива или масла при стационарных применениях, таких как генерирование энергии или хранение топлива. Как таковая, она была бы применима в применениях для обработки воды на нефтяных полях или промышленных сточных вод, где второстепенные компоненты нефти должны удаляться из сплошной фазы воды. В качестве среды разделения среда согласно настоящему изобретению может также применяться для крупномасштабных потребностей фракционирования, в препаративном и экспериментальном масштабе. Она обеспечивает сплошную, однородную поверхность, которая может адаптироваться для любого применения адсорбционной хроматографии, устраняя необходимость в насосах и колонках высокого давления или в подготовке колонок.

Следует понимать, что на основе приведенного выше описания настоящего изобретения может быть выполнено множество дополнений и изменений. Предполагается, что все такие дополнения и изменения рассматриваются как находящиеся в рамках сущности и объема настоящего изобретения, как определено в приведенной ниже формуле изобретения.

Изобретение относится к коалесцентной среде для разделения эмульсий вода-углеводород и может использоваться на транспорте, при генерировании энергии, хранении топлива, в нефтедобыче и при очистке сточных вод. Коалесцентная среда содержит лист для контакта с эмульсией, сформированный из компонента из группы, состоящей из природных волокон, целлюлозных волокон, волокон на основе природных волокон и волокон на основе целлюлозы, компонента из группы, состоящей из фибриллированных волокон с высокой площадью поверхности, синтетических материалов, увеличивающих площадь поверхности, стеклянных микроволокон и нанокерамических функционализованных волокон; и компонента из группы, состоящей из добавки для придания сухой прочности и добавки для придания влажной прочности. Волокнистые компоненты среды составляют около 70% от среды. Среда сформирована в виде единого, самоподдерживающегося слоя способом мокрой выкладки с использованием однородно распределенной композиции для мокрой выкладки. Она также может быть сформирована в виде многослойной структуры. Технический результат состоит в повышении эффективности разделения эмульсий. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 8 ил., 5 пр.

1. Коалесцентная среда для разделения эмульсий вода-углеводород, содержащая контактирующий с эмульсией лист, сформированный из:
(a) по меньшей мере, одного компонента из группы, состоящей из: (1) природных волокон, (2) целлюлозных волокон, (3) волокон на основе природных волокон и (4) волокон на основе целлюлозы,
(b) по меньшей мере, одного компонента из группы, состоящей из: (1) фибриллированных волокон, (2) синтетического материала, увеличивающего площадь поверхности, (3) стеклянных микроволокон и (4) нанокерамических функционализованных волокон; и
(c) по меньшей мере, одного компонента из группы, состоящей из: (1) добавки для придания сухой прочности и (2) добавки для придания влажной прочности,
при этом волокнистые компоненты среды составляют, по меньшей мере, около 70% среды, а
лист сформирован из составляющих, выбранных из вышеуказанных групп для осуществления разделения эмульсий топлива и воды с эффективностью удаления воды (WRE), по меньшей мере, 75% при измерении по стандарту SAE J1488 «Методика испытаний разделения эмулированных воды/топлива» в течение продолжительного периода времени более чем 150 мин.

2. Коалесцентная среда по п.1, в которой лист содержит около 70% крафт-волокон из мягкой древесины и около 28% фибриллированных волокон Lyocell, добавку для придания влажной прочности и добавку для придания сухой прочности.

3. Коалесцентная среда по п.1, в которой лист содержит крафт-волокна, фибриллированные волокна, стеклянные микроволокна, добавку для придания влажной прочности и добавку для придания сухой прочности.

4. Коалесцентная среда по п.3, в которой лист содержит около 30 вес.% волокон В-стекла, около 49% крафт-волокон из мягкой древесины и около 20% фибриллированных волокон Lyocell.

5. Коалесцентная среда по п.1, в которой стеклянные микроволокна имеют диаметр около 0,65 мкм.

6. Коалесцентная среда по п.1, в которой лист содержит крафт-волокна, фибриллированные волокна, нанокерамические функционализованные волокна, добавку для придания влажной прочности и добавку для придания сухой прочности.

7. Коалесцентная среда по п.1, в которой лист содержит от около 5% до около 80 вес.% нанокерамических функционализованных стеклянных волокон.

8. Коалесцентная среда по п.1, в которой нанокерамические функционализованные волокна представляют собой стеклянные волокна, функционализованные боэмитными нановолокнами, продаваемые под торговым наименованием волокна Disruptor™.

9. Коалесцентная среда по п.1, в которой нанокерамические функционализованные волокна перед включением в лист предварительно экспонируются для материала в виде синтетических частиц с высокой площадью поверхности из группы, состоящей из: диоксида кремния в форме микрочастиц или микросфер, оксида алюминия в форме микрочастиц или микросфер, стекла в форме микрочастиц или микросфер, активированного угля, графитизированного углерода, силиката магния, диоксида титана, диоксида циркония, диатомовой земли, адсорбционной глины, тектосиликатов, принадлежащих к группе цеолитов, карбоната кальция и полимерных частиц, микросфер и гелей из семейства фенолформальдегидных смол.

10. Коалесцентная среда по п.1, в которой лист сформирован в виде отдельного сухого слоя способом мокрой выкладки с использованием однородно распределенной композиции для мокрой выкладки.

11. Коалесцентная среда по п.1, в которой лист сформирован в виде отдельного самоподдерживающегося слоя.

12. Коалесцентная среда по п.1, в которой лист сформирован в виде многослойной структуры.

13. Коалесцентная среда по п.12, в которой лист сформирован в виде двухслойной структуры, при этом передний слой содержит около 67 вес.% нанокерамических функционализованных волокон, увеличивающих площадь поверхности, около 23% крафт-волокон, и около 10% фибриллированных волокон Lyocell, а задний слой содержит, около 80% целлюлозных волокон и около 20% смолы.

14. Коалесцентная среда по п.1, в которой лист сформирован из составляющих, выбранных для получения толщины листа, которая составляет от около 0,1 до 3,0 мм.

15. Коалесцентная среда по п.1, в которой лист сформирован из составляющих, выбранных для получения основного веса, который составляет от около 20 до 1000 г/м².

16. Коалесцентная среда по п.1, в которой лист сформирован из составляющих, выбранных для осуществления разделения биодизельных смесей, которые составляют от около 5 до 40%.

17. Коалесцентная среда по п.1, в которой лист сформирован из составляющих, выбранных для осуществления разделения эмульсий топлива и воды в пределах эффективности удаления воды (WRE) около 85% при измерении по стандарту SAE J1488 «Методика испытаний разделения эмулированных воды/топлива» в течение продолжительного периода времени более чем 150 мин.

18. Коалесцентная среда по п.1, в которой лист сформирован из составляющих, выбранных для осуществления разделения эмульсий топлива и воды в пределах эффективности удаления воды (WRE) около 95% при измерении по стандарту SAE J1488 «Методика испытаний разделения эмулированных воды/топлива» в течение продолжительного периода времени более чем 150 мин.

19. Коалесцентная среда по п.1, в которой лист сформирован в виде готового листа, полученный с помощью мокрой выкладки, который может гофрироваться и сворачиваться.

20. Коалесцентная среда по п.1, в которой лист содержит синтетические волокна в качестве компонента, повышающего прочность.

21. Применение листа, сформированного из:
(a) по меньшей мере, одного компонента из группы, состоящей из: (1) природных волокон, (2) целлюлозных волокон, (3) волокон на основе природных волокон и (4) волокон на основе целлюлозы,
(b) по меньшей мере, одного компонента из группы, состоящей из: (1) фибриллированных волокон, (2) синтетического материала, увеличивающего площадь поверхности, (3) стеклянных микроволокон и (4) нанокерамических функционализованных волокон; и
(c) по меньшей мере, одного компонента из группы, состоящей из: (1) добавки для придания сухой прочности и (2) добавки для придания влажной прочности,
при этом волокнистые компоненты среды составляют, по меньшей мере, около 70% от среды,
в качестве контактирующей с эмульсией коалесцентной среды для разделения эмульсий вода-углеводород.