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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Koaleszenzelement und ein Verfahren zum Koaleszieren einer diskontinuierlichen
aus einer kontinuierlichen Phase eines Fluids.
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Koaleszenzeinrichtungen, gelegentlich
in Verbindung mit Separatoren, einschließlich Trägheitsabscheidern, Absetzvorrichtungen
und Abscheidepatronen, sind weitverbreitet in industriellen Prozessen
im Einsatz, um verschiedene, in Fluiden, z. B. Gasen und/oder Flüssigkeiten,
vorhandene Phasen zu trennen. In manchen Fällen stellen derartige Fluide
Dispersionen von zwei oder mehr unmischbaren Flüssigkeiten, wie Öl und Wasser,
dar. In anderen Fällen
stellen derartige Fluide Suspensionen von flüssigen und/oder festen Partikeln
in Gas dar. Neben der Separation haben Koaleszenzeinrichtungen allgemein
die Wirkung, kleinere Teile einer der in dem Fluid vorhandenen Phasen
zusammenzuballen oder zu konglomerieren.
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Das Spektrum der Anwendungen, wo
Koaleszenzeinrichtungen bereits zur Verwendung gekommen sind, um
kleinere Mengen einer ersten Phase, bekannt als die diskontinuierliche
Phase, aus einer zweiten Phase, in der sie suspendiert ist, bekannt als
die kontinuierliche Phase, zu entfernen, überspannt eine beachtliche
Palette an Situationen. So können
Koaleszenzeinrichtungen beispielsweise zur Entfernung von Wasser
aus komprimierten Gasströmen,
wie Luft, Helium, Wasserstoff, Stickstoff, Kohlendioxid und Erdgas,
verwendet werden. Koaleszenzeinrichtungen können ferner zur Entfernung
von Kontaminanten verwendet werden, welche in natürlichen
Wasserflächen
gefunden werden, zum Beispiel ausgelaufenes Öl. Ferner können Koaleszenzeinrichtungen
dazu verwendet werden, kleine Mengen an Feuchtigkeit, d. h. Wasser,
aus erdölbasierten Brennstoffen,
einschließlich
Benzin, Diesel sowie Flugkraftstoffen, wie Kerosin, abzutrennen.
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In einem Koaleszenzprozess, z. B.
bei der Koaleszenz von Wasser aus einem erdölbasierten Brennstoff, wird
der das Wasser enthaltende Brennstoff durch eine Koaleszenzeinrichtung
geleitet, welche ein Koaleszenzmedium enthält. Der Brennstoff, der das
Fluid der kontinuierlichen Phase darstellt, passiert das Medium
und strömt
in Richtung eines ersten Auslasses. Beim Passieren des Mediums zeigt
das Wasser, welches das Fluid der diskontinuierlichen Phase darstellt,
die Neigung, sich an der Oberfläche
des Koaleszenzmediums zu sammeln und kleine Tröpfchen zu bilden, die durch
das Fluid der kontinuierlichen Phase durch das Medium gezwungen
werden. Das Koaleszenzmedium kann aus einem Material gebildet oder
mit einem Material belegt sein, welches die Bildung der Tröpfchen und
die Konglomeration dieser kleinen Tröpfchen zu größeren Tröpfchen erleichtert.
Die größeren Wassertröpfchen werden über einen
zweiten Auslass leichter entfernt, und bei ihnen ist die Wahrscheinlichkeit,
dass sie vom Brennstoff wieder mitgerissen werden, geringer.
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Ein limitierender Faktor in der Effektivität oder Effizienz
des Koaleszenzprozesses ist das Wiedermitreissen der Tröpfchen des
Fluids der diskontinuierlichen Phase im Fluid der kontinuierlichen
Phase nach ihrem Austritt aus dem Koaleszenzmedium. Das Wiedermitreissen
kann mehrere Ursachen haben. Ein Grund, aus dem Wiedermitreissen
auftreten kann, liegt darin, dass die Tröpfchen der diskontinuierlichen
Phase zu klein sind und von den potentiell hohen Strömungsraten,
mit denen das Fluid der kontinuierlichen Phase zum Auslass der kontinuierlichen Phase
fließt,
leicht mitgenommen werden können.
Je kleiner also die Tröpfchen,
umso größer die
Gefahr, dass sie wieder mitgerissen werden. Je kleiner die Tröpfchen,
umso größer auch
die Gefahr, dass die Tröpfchen
in eine Abscheiderpatrone oder eine andere Art von Abscheidevorrichtung
eindringen, wenn eine Abscheidevorrichtung verwendet wird. Ähnlich gilt,
dass je größer die
Tröpfchen,
umso geringer die Gefahr, dass sie wieder mitgeris sen werden, weil
die Wahrscheinlichkeit, dass sie im Fluid der kontinuierlichen Phase
zum Auslass für
das Fluid der kontinuierlichen Phase getragen werden, geringer ist,
und umso geringer auch die Gefahr des Eindringens in eine Abscheidevorrichtung.
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Es sind verschiedene Mechanismen
versucht worden, um die Größe der Tröpfchen des
Fluids der diskontinuierlichen Phase zu erhöhen. So sind zum Beispiel über das
Koaleszenzmedium angeordnete Strümpfe,
Schaum, netzartige Gebilde, flaumige gewebte oder nichtgewebte Materialien oder
Kombinationen hiervon verwendet worden, um die Größe der Tröpfchen zu
erhöhen.
Unter den Bedingungen eines hohen Tensidanteils aber haben die obengenannten
Materialien oder Kombinationen von Materialien, welche verwendet
werden können,
die Wirkung, dass sie die Abmessungen der Koaleszenzelemente vergrößern.
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Das Koaleszenzelement gemäß der vorliegenden
Erfindung verbessert die Koaleszenz und überwindet viele der Limitationen
des Standes der Technik, indem der Wiedermitriss des Fluids der
diskontinuierlichen Phase im Fluid der kontinuierlichen Phase verhindert
oder im Wesentlichen auf ein Minimum reduziert wird.
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Gemäß einem Aspekt zielt die vorliegende Erfindung
auf ein Koaleszenzelement ab zum Trennen einer diskontinuierlichen
Phase von einer kontinuierlichen Phase eines Fluids, wie in Anspruch
1 dargelegt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt zielt
die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren ab zum Koaleszieren
einer diskontinuierlichen Phase aus einer kontinuierlichen Phase
eines Fluids, wie in Anspruch 12 dargelegt.
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Das erfindungsgemäße Koaleszenzelement kann für die vielfältigsten
Anwendungen der Koaleszenz eingesetzt werden und unterschiedliche
Konfigurationen umfassen. Jedoch ist für jede gegebene Anwendung und
jede gegebene Konfiguration das Koaleszenzelement so ausgebildet,
dass es die Effizienz des Koaleszenzprozesses verbessert, indem das
Wiedermitreissen des Fluids der diskontinuierlichen Phase im Fluid
der kontinuierlichen Phase im Wesentlichen verhindert wird. Der
Wiedermitriss wird im Wesentlichen verhindert durch Er leichtern
der Bildung von Tröpfchen
der diskontinuierlichen Phase, welche eine im Wesentlichen gleichförmige Größe aufweisen
und ausreichend groß sind,
um nicht wieder vom Strom des Fluids der kontinuierlichen Phase mitgerissen
zu werden, und zwar auch dann nicht, wenn hohe Strömungsraten
vorliegen. Das erfindungsgemäße Koaleszenzelement
verwendet eine Hüllstruktur
zum Bilden der größeren Tröpfchen.
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Das erfindungsgemäße Koaleszenzelement ist dazu
ausgebildet, die Effizienz des Koaleszenzprozesses zu erhöhen, ohne
dass die Abmessungen des Koaleszenzmediums vergrößert werden müssten, so
dass weniger kostenaufwändige
und kleinere oder kompaktere Koaleszenzsysteme erhalten werden können. Ferner
kann das erfindungsgemäße Koaleszenzelement
auch in bestehenden Systemen verwendet werden, mit nur geringfügigen Änderungen,
wenn überhaupt.
Folglich stellt das Koaleszenzelement einen preiswerten und einfachen
Mechanismus zum Verbessern der Effizienz aller Koaleszenzprozesse
bereit, unabhängig
davon, ob der Koaleszenzprozess Dispersionen von zwei oder mehr
unmischbaren Flüssigkeiten,
z. B. erdölbasierte
Brennstoffe und Wasser, oder Aerosole umfasst.
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KURZBESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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1 ist
eine schematische Schnittdarstellung eines Koaleszenzelementes in
Einklang mit der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine im Schnitt ausgeführte
Draufsicht auf das Koaleszenzelement von 1 entlang der Schnittlinie 2-2;
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3 ist
eine schematische Darstellung einer Hüllstruktur des erfindungsgemäßen Koaleszenzelementes.
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DETAILBESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Koaleszenzelemente sind Strukturen,
welche ein Koaleszenzmedium mit einer aufstromseitigen und einer
abstromseitigen Oberfläche
umfassen, zum Trennen einer oder mehrerer Phasen in einem Fluid,
d. h. zum Trennen einer kleineren Menge einer ersten Phase, bekannt
als die diskontinuierliche Phase, von einer zweiten Phase, in der
sie suspendiert ist, bekannt als die kontinuierliche Phase. Bei
einem Koaleszenzprozess wird ein Fluid durch das Koaleszenzme dium
des Koaleszenzelementes geleitet, welches in einem Gehäuse angeordnet
ist. Die kontinuierliche Phase des Fluids tritt durch das Medium
hindurch und wird zu einem ersten Auslass in dem Gehäuse gelenkt,
während
die diskontinuierliche Phase die Neigung zeigt, sich auf der abstromseitigen
Oberfläche
des Koaleszenzmediums in Form von kleinen Tropfen anzusammeln. Das
Koaleszenzmedium kann von einem Material gebildet oder mit einem
Material belegt sein, welches die Bildung und Konglomeration der
kleinen Tröpfchen
zu größeren Tröpfchen erleichtert,
welche über
einen zweiten Auslass in dem Gehäuse
leicht entfernt werden können.
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Zwar können Koaleszenzelemente unterschiedliche
Konstruktionen und Konfigurationen umfassen; am häufigsten
werden jedoch zylinderförmig gestaltete
Koaleszenzelemente eingesetzt. Dies begründet sich wahrscheinlich in
der Tatsache, dass diese Form der Ausführung die Effizienz für ein gegebenes
Volumen oder gegebene Abmessungen eines Gehäuses verbessert. Die 1 und 2 zeigen ein exemplarisches zylinderförmiges Koaleszenzelement in
Einklang mit der vorliegenden Erfindung. Das Koaleszenzelement umfasst
ein Koaleszenzmedium 10 mit einer aufstromseitigen Oberfläche und
einer abstromseitigen Oberfläche,
einer ersten und einer zweiten Endkappe 12 und 14,
welche an einander gegenüberliegenden
Enden mit dem Koaleszenzmedium 10 verbunden sind und von
denen wenigstens eine eine Öffnung
aufweist, welche von dem zu koaleszierenden Fluid durchströmt werden
kann, und eine Hüllstruktur 16.
Das Koaleszenzelement kann ferner eine innere Stützstruktur aufweisen, so etwa einen
Stützkern 18,
und eine Endklassiervorrichtung 20. Der Stützkern 18 kann
koaxial in dem Koaleszenzmedium 10, benachbart zu oder
in Kontakt mit der inneren Oberfläche des Koaleszenzmediums 10 angeordnet
sein. Die Endklassiervorrichtung 20 ist um das Koaleszenzmedium
angeordnet, so dass sie sich in Kontakt mit der abstromseitigen
Oberfläche des
Koaleszenzmediums 10 befindet. Die Hüllstruktur 16 ist
um die abstromseitige Oberfläche
der Endklassiervorrichtung 20 angeordnet.
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Das Koaleszenzmedium 10 kann
eine beliebige Art von Medium umfassen, welches für die Anwendung,
in der das Koaleszenzelement eingesetzt werden soll, geeignet ist.
Das Koaleszenzmedium 10 kann ein Fasermaterial verwenden,
z. B. eine Fasermasse, eine Fasermatte, gewebte oder nichtgewebte Faser-Flachmaterialien
oder poröse
Membranen, z. B. geträgerte
oder nicht-geträgerte mikroporöse Membranen.
Das Koaleszenzmedium 10 kann eine gleichförmige oder
gradierte Porenstruktur haben und eine beliebige, geeignet wirksame
Porengröße aufweisen.
Das Koaleszenzmedium 10 kann nicht nur porös ausgebildet
sein, sondern auch als nicht-gefältelte
oder gefältelte
Anordnung, wobei im Falle einer gefältelten Anordnung die Falten
gerade sein können,
sich radial von der Achse des zylinderförmigen Elementes aus erstrecken
können
oder in einer umgelegten Konfiguration angeordnet sein können, wie
in US-Patent Nr. 5 543 047 beschrieben. Bei der exemplarischen Ausführungsform
umfasst das Koaleszenzmedium 10 bevorzugt Glasfasern, polymere
Fasern, wie Polyester, oder andere oberflächenmodifizierte Materialien.
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Bei der exemplarischen Ausführungsform
ist die erste Endkappe 12 eine offene Endkappe und die zweite
Endkappe 14 ist eine blinde Endkappe. Folglich kann das
zu koaleszierende Fluid durch eine Öffnung in der ersten Endkappe 12 eintreten
und wird durch die blinde Endkappe 14 gezwungen, das Koaleszenzmedium 10 von
innen nach außen
zu durchströmen.
Die erste und die zweite Endkappe 12, 14 können ein
beliebiges geeignetes undurchlässiges Metall,
Keramikmaterial, elastomeres oder polymeres Material umfassen. Ferner
können
die erste und die zweite Endkappe mit den Enden des Koaleszenzmediums 10 auf
beliebige geeignete Art und Weise verbunden sein. Beispielsweise
können
die Endkappen 12, 14 mittels Thermobonding, Reibungsschweißen, Ultraschallschweißen, Mehrfachkappen
oder mit Hilfe eines Klebstoffs oder eines Lösungsmittels mit den Enden
des Koaleszenzmediums 10 verbunden sein.
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Bei der in den 1 und 2 dargestellten
exemplarischen Ausführungsform
umfasst das Koaleszenzelement ferner einen Stützkern 18, welcher
für konstruktive
Stützung
des Koaleszenzmediums 10 sorgt. Die aufstromseitige oder
innere Oberfläche des
Koaleszenzmediums 10 liegt benachbart zu oder in Kontakt
mit dem koaxial angeordneten Stützkern 18.
Der Stützkern 18 kann
mit den Endkappen 12, 14 mittels beliebiger geeigneter
Mittel dauerhaft verbunden sein oder einfach zwischen den Endkappen 12, 14 angeordnet
sein. Der Stützkern 18 kann
aus sehr offenen Poren oder perforierten Materialien gebildet sein,
welche mit dem zu koaleszierenden Fluid chemisch verträglich sind
und die Druckdifferenz über das
Koaleszenzelement nicht wesentlich verändern.
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Ferner kann das Koaleszenzelement
eine Endklassiervorrichtung 20 umfassen. Die Endklassiervorrichtung 20 kann
auch eine separate Struktur umfassen oder Teil einer äußeren Stützstruktur,
wie z. B. eines Korbes, sein. Bei der exemplarischen Ausführungsform
umfasst die Endklassiervorrichtung 20 eine separate Struktur,
welche um das Koaleszenzmedium 10 angeordnet ist, so dass
die abstromseitige oder äußere Oberfläche des
Koaleszenzmediums 10 in innigem Kontakt mit der aufstromseitigen oder
inneren Oberfläche
der Endklassiervorrichtung 20 ist. Die Endklassiervorrichtung 20 fungiert
als poröse
Drainageschicht, welche das Koaleszenzmedium 10 darin unterstützt, die
Tröpfchen
des Fluids der diskontinuierlichen Phase zu akkumulieren und zu größeren Tröpfchen zu
konglomerieren. Um die Drainage und die Akkumulation der Tröpfchen der
diskontinuierlichen Phase zu verbessern, kann die Endklassiervorrichtung 20 mit
einem Material belegt oder aus einem Material gebildet sein, welches
die Koaleszenz erleichtert, indem es die Bildung von Tröpfchen und
deren Konglomeration zu größeren Tröpfchen erlaubt.
So kann die Endklassiervorrichtung 20 zum Beispiel aus
einem Material gebildet sein, welches die Separation des Fluids
der diskontinuierlichen Phase von dem Fluid der kontinuierlichen
Phase erleichtert, die in dem Koaleszenzmedium 10 gebildeten
kleineren Tröpfchen
zu größeren Tröpfchen konglomeriert
und gegenüber
den in den zu separierenden Phasen vorhandenen Komponenten inert
ist. In Anwendungen, wo das Fluid der diskontinuierlichen Phase
ein wässriges
Fluid und das Fluid der kontinuierlichen Phase ein erdöl- oder
kohlenwasserstoffbasiertes Fluid ist, umfasst die Endklassiervorrichtung 20 bevorzugt
ein Material oder ist mit einem Material belegt, welches von der
diskontinuierlichen Phase nicht benetzt wird. Beispielsweise kann
die Endklassiervorrichtung 20 eine kritische Oberflächenenergie
aufweisen, die unter der Oberflächenspannung
des Fluids der diskontinuierlichen Phase liegt. In Anwendungen,
wo Wasser die diskontinuierliche Phase ist, können die zur Verwendung kommenden Materialien
Silicone und fluorpolymere Materialien umfassen. Alternativ umfasst
in Anwendungen, wo das Fluid der diskontinuierlichen Phase ein erdöl- oder
kohlenwasserstoffbasiertes Fluid und das Fluid der kontinuierlichen Phase
ein wässriges
Fluid ist, die Endklassiervorrichtung 20 bevorzugt ein
hydrophobes oder hydrophiles Material oder ist mit einem hydrophoben
oder hydrophilen Material belegt, so etwa Glasfasern, Nylon, Baumwolle
und behandelte Polymere.
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Bei der in den 1 und 2 dargestellten
exemplarischen Ausführungsform
ist die Hüllstruktur 16 um
die abstromseitige Oberfläche
der Endklassiervorrichtung 20 angeordnet. Wie im Vorstehenden
bereits ausgeführt,
erleichtert die Endklassiervorrichtung 20 den Prozess der
Koaleszenz durch Bildung größerer Tröpfchen des
Fluids der diskontinuierlichen Phase aus den kleineren Tröpfchen auf
der abstromseitigen Oberfläche
des Koaleszenzmediums 10. Die Hüllstruktur 16 bewirkt,
dass die durch die Endklassiervorrichtung 20 gebildeten
größeren Tröpfchen zu
noch größeren Tröpfchen konglomerieren,
um so zu verhindern, dass die Tröpfchen
vom Fluid der kontinuierlichen Phase wieder mitgerissen werden,
wie im Folgenden ausführlich
beschrieben.
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Durch die Entwicklung von größeren Strömungsraten,
kleineren Gehäusen
und entsprechend höheren
Fluidströmungsgeschwindigkeiten
in Anwendungen der Koaleszenz kann die Effizienz des Koaleszenzprozesses
vermindert werden infolge Wiedermitriss der Tröpfchen des Fluids der diskontinuierlichen
Phase im Fluid der kontinuierlichen Phase. Im Wesentlichen neigen
höhere
radiale Strömungsgeschwindigkeiten
der kontinuierlichen Phase durch das Koaleszenzmedium 10 dazu,
die kleineren Tröpfchen
des Fluids der diskontinuierlichen Phase von dem Koaleszenzmedium 10 abzuscheren.
Wenn die Tröpfchen
des Fluids der diskontinuierlichen Phase größer sind, ist das Risiko, dass
die Tröpfchen
des Fluids der diskontinuierlichen Phase vorzeitig von dem Koaleszenzmedium 10 abgeschert
und in der kontinuierlichen Phase wieder mitgerissen werden, geringer.
Die Hüllstruktur 16,
wie im Vorstehenden beschrieben, erleichtert die Bildung von größeren Tröpfchen aus
den Tröpfchen
auf der abstromseitigen Oberfläche
der Endklassiervorrichtung 20. Dementsprechend kann für eine gegebene
Strömungsrate
und Geschwindigkeit eine höhere
Effizienz der Koaleszenz erzielt werden, ohne die Dicke oder Struktur des
Koaleszenzmediums erhöhen
zu müssen,
was normalerweise einen der Wege darstellt, die beschritten werden,
um die Effizienz der Koaleszenz zu erhöhen. Weil die Effizienz erhöht werden
kann, ohne die Dicke des Koaleszenzmediums 10 zu er höhen, können die
Gehäuse
für die
Koaleszenzelemente mit ihren derzeitigen Größen beibehalten oder sogar
noch kleiner gemacht werden, weil möglicherweise die Größe des Koaleszenzmediums 10 durch
die Verwendung der Hüllstruktur 16 verkleinert
werden kann. Ferner können
durch die Verwendung der Hüllstruktur 16 höhere Strömungsraten
und Geschwindigkeiten erzielt werden, ohne dass dies mit einem Effizienzverlust
der Koaleszenz erkauft werden müsste.
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Erfindungsgemäß können verschiedene Ausführungsformen
der Hüllstruktur 16 verwendet werden.
Beispielsweise kann die Hüllstruktur 16 ein flexibles
Material umfassen, welches radial oder helixförmig um die Endklassiervorrichtung 20 gewickelt ist,
oder sie kann eine weniger flexible zylinderförmige Struktur nach Art einer
Hülse umfassen.
Unabhängig
von der jeweiligen Ausführungsform
kann die Hüllstruktur 16 die
Endklassiervorrichtung 20 und das Koaleszenzmedium 10 gleichmäßig zusammendrücken, um
das Hohlraumvolumen zu verringern. Durch Verringerung des Hohlraumvolumens
kann das Rest- oder Holdup-Volumen verringert werden. Weil die Hüllstruktur 16 bevorzugt
eng anliegend um die Endklassiervorrichtung 20 angeordnet
ist, kann sie die Endklassiervorrichtung 20 und das Koaleszenzmedium 10 zusammendrücken, so
dass der erforderliche Gesamtdurchmesser des Koaleszenzelementes
verringert werden kann. Auf diesem Wege können kleinere Gehäuse verwendet
werden, was eine erhebliche Kostenersparnis bedeutet. Die Größe der Kompression
des Koaleszenzmediums 10 kann aber den Prozess der Koaleszenz
beeinflussen. So führt
zum Beispiel eine Erhöhung
der Kompression des Koaleszenzmediums 10 und der Endklassiervorrichtung 20 mit
der einzigartigen Hüllstruktur 16 gemäß der vorliegenden
Erfindung zu größeren und größenmäßig gleichförmigeren
Tröpfchen
der diskontinuierlichen Phase. Wenn aber das Koaleszenzmedium 10 und
die Endklassiervorrichtung 20 zu stark komprimiert werden,
kann das Hohlraumvolumen derart vermindert werden, dass kleinere
Tröpfchen
der diskontinuierlichen Phase auftreten können. Die Größe der Kompression
kann je nach Art des zu koaleszierenden Fluids variieren.
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3 zeigt
eine exemplarische Ausführungsform
der Hüllstruktur 16 gemäß der vorliegenden
Erfindung. In der exemplarischen Ausführungsform umfasst die Hüllstruktur 16 eine
im Wesentlichen zylinderförmige
Hülse mit
einem Innendurchmesser, der kleiner ist als der Außendurchmesser
der Endklassiervorrichtung 20, so dass, wenn die Hüllstruktur 16 um
die Endklassiervorrichtung 20 angeordnet ist, die Endklassiervorrichtung 20 und
das Koaleszenzmedium 10 zusammengepresst werden, wie im
Vorstehenden beschrieben. Die Länge
der Hüllstruktur 16 kann
eine beliebige Länge
sein, welche innerhalb der Endkappen 12, 14 untergebracht
werden kann. So kann zum Beispiel die Hüllstruktur 16 in ihrer
Länge gleich
dem Koaleszenzmedium 20 oder kleiner als das Koaleszenzmedium 10 sein,
z. B. die Hälfte
oder mehr der axialen Länge.
In der exemplarischen Ausführungsform
ist die Hüllstruktur 16 in
ihrer Länge
im Wesentlichen gleich dem Koaleszenzmedium 10 und kann
mit den Endkappen 12, 14 verbunden sein. Die Hüllstruktur 16 umfasst
ein poröses Material.
Die Hüllstruktur 16 umfasst
ferner eine Mehrzahl von Löchern 22,
welche um die Hüllstruktur 16 angeordnet
sind. Die Löcher 22 können regellos um
die Hüllstruktur 16 angeordnet
sein; noch bevorzugter können
die Löcher 22 aber
gleichmäßig sowohl
in der radialen wie auch in der axialen Richtung angeordnet sein.
Gleichmäßig angeordnete
Löcher 22 verdienen
gegenüber
regellos angeordneten Löchern
den Vorzug, weil gleichmäßig verteilte
und gleichgroße
Löcher 22 zu
größenmäßig gleichförmigeren
Tröpfchen
der diskontinuierlichen Phase führen.
Die Löcher 22 können eine
beliebige Gestalt und Größe aufweisen,
z. B. rechteckig oder rechtwinklig; bevorzugt sind sie jedoch kreisförmig und
im Wesentlichen gleichgroß.
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Die Größe der Löcher 22 und der Abstand zwischen
den Löchern 22 kann
entsprechend der jeweiligen Anwendung des Koaleszenzprozesses variieren.
So können
die Löcher 22 beispielsweise
so klein wie etwa 20 Tausendstel Inch im Durchmesser sein und einen
Mittenabstand von ca. 40 Tausendstel Inch aufweisen. In der exemplarischen
Ausführungsform
weisen die Löcher 22 bevorzugt
einen Durchmesser von ca. 1/8 Inch auf und weisen bevorzugt einen
Mittenabstand von ca. 1/4 Inch auf. Jedoch können die Löcher 22 auch einen
Durchmesser haben, der so groß wie
ca. 1/4 Inch ist, und einen Mittenabstand von ca. 1/2 Inch oder
mehr haben. Den Löchern 22 in
der Hüllstruktur 16 kommt
die Funktion zu, die größeren Tröpfchen des
Fluids der diskontinuierlichen Phase auf der abstromseitigen Oberfläche der
Endklassiervorrichtung 20 zu konglomerieren, indem die
Tröpfchen
durch die gleichmäßig verteilten Löcher 22 gezwungen
werden. Die Hüllstruktur 16 umfasst
ein poröses
Material, welches die diskontinuierliche Phase abstößt, der
kontinuierlichen Phase aber den Durchgang durch seine Poren erlaubt.
Beispielsweise kann die Hüllstruktur 16 bezüglich der diskontinuierlichen
Phase liquophob, bezüglich
der kontinuierlichen Phase aber liquophil sein. Wenn die diskontinuierliche
Phase Wasser und das Fluid der diskontinuierlichen Phase ein erdölbasierter
Brennstoff ist, dann kann die Hüllstruktur 16 aus
einem hydrophoben Material gebildet sein oder ein hydrophobes Material
umfassen, welches bezüglich
der kontinuierlichen Phase liquophob ist. Alternativ kann die Hüllstruktur 16 mit
einem solchen Material belegt sein, anstatt aus einem solchen Material
gebildet sein. Folglich werden die Tröpfchen der diskontinuierlichen
Phase gezwungen, in der Hauptsache durch die Löcher 22 zu strömen, während die
kontinuierliche Phase durch die Poren des Materials der Hüllstruktur 16 sowie
durch die Löcher 22 hindurchtreten
kann. Da die Tröpfchen
der diskontinuierlichen Phase primär durch die Löcher 22 strömen, werden die
Tröpfchen
auf der abstromseitigen Oberfläche der
Endklassiervorrichtung 20 zusammen durch die Löcher 22 in
der Hüllstruktur 16 gezwungen,
wodurch größere Tröpfchen des
Fluids der diskontinuierlichen Phase gebildet werden.
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Die Hüllstruktur 16 kann
ein beliebiges geeignetes poröses
Material umfassen, welches mit dem jeweiligen, zu koaleszierenden
Fluid verträglich ist.
Ferner umfasst die Hüllstruktur 16 bevorzugt
ein Material, welches den Transport des Fluids der diskontinuierlichen
Phase durch die Poren der Hüllstruktur 16 im
Wesentlichen verhindert oder behindert, während es den Transport der
kontinuierlichen Phase erlaubt. Anders ausgedrückt: die Hüllstruktur 16 weist
ein Material auf, welches eine Barriere gegenüber der diskontinuierlichen
Phase darstellt, nicht aber gegenüber der kontinuierlichen Phase.
In der exemplarischen Ausführungsform
umfasst die Hüllstruktur 16 ein
nichtgewebtes Faserflachmaterial, so etwa ein Polyestermaterial,
welches unter der Handelsbezeichnung Reemay erhältlich ist, und zu einem zylinderförmigen Mantel
bzw. Hülse
geformt ist, wie in 2 dargestellt.
Die Dicke der Hüllstruktur 16 hängt von
einer Anzahl von Faktoren ab, zu denen die Art des eingesetzten
Materials gehört.
Beispielsweise mag eine gewisse Robustheit bevorzugt sein, dahingehend,
dass die Löcher 22 gleichmäßig verteilt
und in der richtigen Position bleiben. Ferner wird es bevorzugt,
dass die Hüllstruktur 16 die
Endklassiervorrichtung 20 und das Koaleszenzmedium 10 zusammenpresst
und somit in innigem Kontakt mit denselben steht. Bevorzugt sind
das Material und die Dicke der Hüllstruktur 16 deshalb
in der Lage, den dynamischen Fluidkräften, welche während des
Prozesses der Koaleszenz auftreten, zu widerstehen. Bei der exemplarischen
Ausführungsform
kann die Hüllstruktur
eine Dicke aufweisen, die im Bereich von ca. 5 Tausendstel Inch
bis ca. 30 Tausendstel Inch angesiedelt ist.
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Die Hüllstruktur 16 kann über die
Endklassiervorrichtung 20 positioniert werden, bevor die Endkappen 12, 14 mit
dem Medium 10 verbunden werden, indem sie einfach über die
Endklassiervorrichtung 20 gleiten gelassen wird, oder indem
ein sich verjüngendes
Werkzeug verwendet wird, welches die Endklassiervorrichtung 20 und
das Koaleszenzmedium 10 auf einen Durchmesser zusammendrückt, der kleiner
ist als der Innendurchmesser der Hüllstruktur 16, und
welches der Hüllstruktur 16 eine
Gleitbewegung entlang des sich verjüngenden Bereichs des Werkzeugs
erlaubt. Die Hüllstruktur 16 kann
durch Reibschluss an Ort und Stelle gehalten werden, und zwischen
den Endkappen 12, 14 und der Hüllstruktur 16 kann
eine Dichtung vorgesehen ein, um Fluid-Bypass zu vermeiden. Alternativ
kann die Hüllstruktur 16 bevorzugt
dauerhaft mit den Endkappen 12, 14 verbunden sein.
Die Hüllstruktur 16 kann
durch beliebige geeignete Mittel dauerhaft mit den Endkappen 12 und 14 verbunden
sein, so etwa mit Hilfe verschiedener Bonding- und Schweißtechniken.
Wenn die Hüllstruktur 16 dauerhaft
mit den Endkappen 12, 14 verbunden ist, kann auf
eine Dichtung verzichtet werden. Alternativ kann die Hüllstruktur 16 helixförmig oder
radial um die Endklassiervorrichtung 20 gewickelt sein.
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Die Hüllstruktur 16 kann
auf vielfältige
Weise hergestellt sein. Beispielsweise kann das die Hülse bildende
Material perforiert werden, bevor es in eine zylinderförmige Gestalt
gebracht wird oder nachdem es in eine zylinderförmige Gestalt gebracht wurde. Ferner
können
die Löcher 22 auf
vielfältige
Weise gebildet sein. Es wird jedoch bevorzugt, dass die Löcher 22 Ränder aufweisen,
welche im Wesentlichen frei sind von Defekten, so etwa Verschleißerscheinungen,
welche den Fluss der Tröpfchen
der diskontinuierlichen Phase tendenziell behindern können. In der
exemplarischen Ausführungsform
ist das Polyestermaterial zwischen zwei im Wesentlichen flachen Platten
angeordnet. Jede Platte weist eine Mehrzahl von Löchern auf,
welche zu einer gewünschten Lochanordnung
für die
Hüllstruktur
korrespondieren, z. B. der Lochanordnung der Hüllstruktur 16, wie
in 3 gezeigt. Nachdem
das Polyestermaterial zwischen den Platten angeordnet wurde, welche
bevorzugt aus einem Material gebildet sind, dessen Schmelzpunkt
im Wesentlichen höher
ist als der des Polyestermaterials, z. B. aus einem metallischen Werkstoff,
und die Löcher
in jeder Platte ausgerichtet sind, wird ein Brenner oder eine andere
Vorrichtung verwendet, um das Material im Bereich der Löcher in den
metallischen Platten zu schmelzen, so dass Löcher in dem Polyestermaterial
gebildet werden. Mit dieser Technik entstehen im Wesentlichen Löcher 22 von
gleichförmiger
Größe mit im
Wesentlichen glatten Rändern.
Nachdem die Löcher 22 gebildet
worden sind, wird das Polyestermaterial auf die erforderliche Größe zugeschnitten
und zu einer Zylinderform gerollt, und es wird eine Seitennaht gebildet,
wobei eine beliebige geeignete Technik, wie Schweißen oder
Bonding, verwendet werden kann.
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Im Gebrauch wird ein zu koaleszierendes Fluid,
zum Beispiel eine unmischbare Mischung aus einem Flugkraftstoff
und Wasser, zu dem Koaleszenzelement gelenkt. Das Fluid tritt über die
erste oder offene Endkappe 12 ein und strömt in einen
zentralen Bereich des Koaleszenzelements. Ein Filter kann in dem
Fluidströmungsweg
angeordnet sein, um verschiedene feste Kontaminanten aus der unmischbaren
Mischung zu entfernen. Beispielsweise kann ein Filter in dem Koaleszenzelement
angeordnet sein. Die zweite oder blinde Endkappe 14 zwingt
das Fluid, durch den Stützkern 18 zu
strömen,
der perforiert ist und den Fluss des Fluids im Wesentlichen nicht
störend
beeinflusst, sowie durch das Koaleszenzmedium 10, die Endklassiervorrichtung 20 und
die Hüllstruktur 16.
Das Koaleszenzmedium 10, wie im Vorstehenden beschrieben,
erlaubt dem Fluid der kontinuierlichen Phase, z. B. dem Flugbrennstoff,
den Durchtritt, während
die diskontinuierliche Phase, das Wasser, zur Tröpfchenbildung in dem Koaleszenzmedium 10 neigt.
Ebenso erlaubt die Endklassiervorrichtung 20 dem Fluid
der kontinuierlichen Phase den Durchtritt, während die weitere Konglomeration
der Tröpfchen
zu größeren Tröpfchen in
der Endklas siervorrichtung 20 erleichtert wird. Schließlich erlaubt
die Hüllstruktur 16 dem
Fluid der kontinuierlichen Phase den Durchtritt, während das
Fluid der diskontinuierlichen Phase gezwungen wird, durch die Löcher 22 in der
Hüllstruktur 16 hindurchzutreten,
um größere Tröpfchen des
Fluids der diskontinuierlichen Phase zu bilden. Diese größeren Tröpfchen sind
ausreichend groß,
um nicht wieder im Strom des Fluids der kontinuierlichen Phase mitgerissen
zu werden, unabhängig
davon, wie hoch die radiale Strömungsrate durch
das Koaleszenzelement oder wie hoch die axiale Strömung entlang
dem Koaleszenzelement ist.
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Die obige Beschreibung bezieht sich
auf ein Koaleszenzelement, welches von innen nach außen durchströmt wird,
d. h. das zu koaleszierende Fluid tritt in einen inneren Bereich
des Koaleszenzmediums ein und strömt nach außen; es ist jedoch auch möglich, ein
Koaleszenzelement in Einklang mit der vorliegenden Erfindung so
auszubilden, dass es von außen
nach innen durchströmt
wird. Beispielsweise kann das Koaleszenzelement eine Endklassiervorrichtung
und eine Hüllstruktur
aufweisen, welche an der Innenseite oder im inneren Bereich eines
zylinderförmigen
Koaleszenzmediums angeordnet sein können. Das Koaleszenzelement
kann dann ein Koaleszenzmedium, zwei mit den Enden des Koaleszenzmediums
verbundene Endkappen, eine koaxial mit dem Koaleszenzmedium angeordnete
Endklassiervorrichtung und eine in der Endklassiervorrichtung angeordnete
Hüllstruktur
aufweisen. Es ist jedoch auch möglich,
eine innere und äußere Stützstruktur
zu verwenden. Das Arbeitsprinzip ist das gleiche wie das oben beschriebene.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht
auf die besonderen Konstruktionen begrenzt, welche beschrieben und
dargestellt worden sind, sondern ist so zu verstehen, dass sie alle
Modifikationen umfasst, welche in den Bereich der beigefügten Ansprüche fallen
können.