一种聚结滤芯及聚结过滤器的制作方法

1.本发明涉及天然气开发领域，尤其涉及一种聚结滤芯及聚结过滤器。


背景技术：

2.随着天然气开采量和需求量的升高，越来越多的天然气输送管道和沿途压气站被建成。这些管道在输送天然气过程中常常混有许多杂质污染物，这些杂质会对天然气管道及压气站设备的安全运行造成影响，因此，需要净化天然气中的杂质污染物，来降低其对管道和设备的损害。天然气过滤器和聚结器作为成熟的天然气净化设备，广泛的运用于各大天然气输送管线，其核心元件滤芯的性能优劣直接影响到过滤器和聚结器对天然气的净化效果。
3.由于污染物会对天然气管道以及管道沿线的压气站设备和仪表造成不利影响。为了保证长输天然气管道和沿途压气站设备的正常生产运行，压气站内通常会安装旋风分离器、过滤分离器(过滤分离器主要用于分离颗粒直径大于1μm的固体颗粒和液滴，结构型式分为卧式和立式两类)、干气密封过滤器和燃气过滤器等设备来净化天然气。进入站内的天然气依次经过旋风分离器和过滤器，然后大部分进入压缩机。天然气管道中压力很高，气流速度较快，所以天然气中的液体杂质在高速气流的作用下，会对天然气管道内壁造成冲蚀磨损，特别是在弯头等薄弱环节，冲蚀磨损失效的情况更加严重，而且管道中的杂质可能会堵塞管路或设备仪表的采样口，使得仪表测量发生偏差或失效，造成安全隐患。天然气管道中的杂质会对压气站中的压缩机以及燃气轮机叶片造成冲蚀磨损作用，严重时会振动超限而被迫停机。另外，在高压天然气运输过程中还存在着大量的液体杂质，这些液体杂质会危害管道仪器及压缩机组的运行安全，因此需设置相应的过滤分离装置对天然气进行净化处理，为有效去除天然气中的液滴，聚结过滤器(用于除去气体中的1μm以下微细液滴的过滤装置，其核心部件是聚结滤芯)是目前最为常用的一种方法，而目前天然气聚结过滤器存在以下问题：
4.一、在提高聚结滤芯精度的同时，聚结滤芯过滤过程中的稳态压降也会升高，导致聚结滤芯的品质因子大幅降低、能耗增大；
5.二、聚结滤芯会出现二次夹带现象(液滴与气相分离后，在气流作用下再次进入气相的过程)，会使下游出现较大粒径的液滴，影响聚结过滤器的过滤效率；
6.三、当过滤过程达到稳态后，聚结过滤器内部的聚结滤芯开始排液，聚结过滤器排液装置排液速度缓慢，底部有液体积聚，积聚的液体会浸泡聚结滤芯，损坏滤材，严重时会造成聚结滤芯失效，影响聚结滤芯的性能和使用寿命。
7.上述问题都会对长输天然气管道和沿途压气站的正常运行带来影响，严重时会造成极大的经济损失。


技术实现要素：

8.为了解决上述技术问题，本发明的目的之一在于提供一种结构简单，且可在不增
加压降的情况下使过滤效率得到显著的提升，大幅减少二次夹带现象的聚结滤芯。
9.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种聚结滤芯，包括上端盖、下端盖、支撑外骨架、支撑内骨架和过滤芯，所述支撑外骨架和支撑内骨架均为筒形，且所述支撑外骨架和支撑内骨架上布满通孔，所述上端盖和下端盖均水平设置并上下间隔分布，所述支撑外骨架和支撑内骨架均竖向设置在所述上端盖和下端盖之间，且所述支撑内骨架位于所述支撑外骨架内，所述支撑内骨架和支撑外骨架的两端分别与所述上端盖和下端盖连接，所述上端盖、下端盖、支撑外骨架和支撑内骨架共同围合形成一个环形的安装腔，所述下端盖的中部设有与所述支撑内骨架内孔贯通的料口，所述过滤芯填充在所述安装腔内。
10.上述技术方案的有益效果在于：如此使得气体由聚结滤芯外部经过滤芯过滤后进入到支撑内骨架内，如此由过滤芯对气体进行过滤，从而将气体中的颗粒性成分进行滤除，从而对气体进行净化。
11.上述技术方案中所述过滤芯为筒状，其由外向内依次为筒状的预过滤层、聚结层和排液层。
12.上述技术方案的有益效果在于：如此通过预过滤层对气体进行初步过滤，然后由聚结层对预过滤后的气体进行进一步的过滤，最后由排液层对聚结层过滤后的气体中液滴进行进一步的截留。
13.上述技术方案中所述聚结层由外向内依次包括液滴捕获层、亲液层和至少一个疏液层。
14.上述技术方案的有益效果在于：如此使得液滴捕获层对气体中液滴进行预截留，而亲液层进一步的将气体中的液滴吸收，而疏液层将气体中的液滴隔离以便于亲液层吸收，从而使得过滤后的气体中液滴更少。
15.上述技术方案中所述聚结层的外壁上均布有沿所述聚结层的周向形成有向同一方向倾斜的褶波状凸起。
16.上述技术方案的有益效果在于：如此使得聚结层的过滤面积更大。
17.上述技术方案中还包括驱动件和旋流叶轮，所述旋流叶轮的置于所述支撑内骨架内孔内，且所述旋流叶轮的转轴竖向向上延伸至穿过并穿出所述上端盖的上方，并与所述上端盖转动连接，所述转轴的上端与所述驱动件传动连接，所述驱动件用以驱动所述旋流叶轮在所述支撑内骨架内转动。
18.上述技术方案的有益效果在于：如此由旋流叶轮使得过滤后的气体高速旋转并将气体中液滴打散至撞击到支撑内骨架上，并在支撑内骨架上聚集后向下沉积。
19.上述技术方案中所述驱动件为电机，所述驱动件安装在所述上端盖的上端。
20.上述技术方案的有益效果在于：其结构简单。
21.上述技术方案中所述旋流叶轮还包括叶轮柱和环向间隔均匀设置于所述叶轮柱侧壁上的叶片，所述转轴的下端与所述叶轮柱的上同轴连接固定。
22.上述技术方案的有益效果在于：其结构简单，通过叶片将液滴打散，且其打散效果佳。
23.本发明的目的之二在于提供一种过滤效果佳的聚结过滤器。
24.为了实现上述目的，本发明的另一技术方案如下：一种聚结过滤器，包括壳体和如上所述的聚结滤芯，所述壳体内部中空，所述壳体的上端设有与其内部连通的进气口，所述
聚结滤芯竖向安装在所述壳体内底壁的中部，且所述壳体底壁上对应所述料口的位置处设有与所述料口连通的出气口，所述出气口的上端向上内延至所述支撑内骨架内，并靠近所述旋流叶轮的下端，所述壳体底壁的边缘处设有排液孔。
25.上述技术方案的有益效果在于：其结构简单，如此使得气体进入到壳体内后经聚结滤芯过滤，而截留的颗粒性成分和液滴在壳体内沉积至向下排出。
26.上述技术方案中所述壳体的下端边缘处向下凸设有环形的集液夹套，所述集液夹套上端均布有与所述壳体内贯通的排水孔，所述排液孔设置于所述集液夹套的下端。
27.上述技术方案的有益效果在于：如此可避免液滴在壳体内部沉积而影响聚结滤芯的过滤效果。
附图说明
28.图1为本发明实施例1所述聚结滤芯的结构示意图；
29.图2为本发明实施例1中过滤芯的局部剖视图；
30.图3为本发明实施例1中过滤芯的横截面示意图；
31.图4为本发明实施例1中聚结层的结构示意图；
32.图5为本发明实施例1中旋流叶轮的结构示意图
33.图6为本发明实施例2所述聚结过滤器的结构示意图；
34.图7为本发明实施例2中聚结过滤器的局部结构简图；
35.图8为本发明聚结过滤器在实验测试状态下与现有过滤器的压差对比图；
36.图9为本发明聚结过滤器在现场工况状态下与现有过滤器的压差对比图；
37.图10为本发明聚结过滤器与现有过滤器的稳态效率对比图；
38.图11为本发明聚结过滤器下游与现有过滤器下游的液滴浓度对比图。
39.图中：1聚结滤芯、11上端盖、12下端盖、13支撑外骨架、14支撑内骨架、121料口、15过滤芯、151预过滤层、152聚结层、1521液滴捕获层、1522亲液层、1523疏液层、153排液层、16驱动件、17旋流叶轮、171转轴、172叶轮柱、173叶片、2壳体、21进气口、22出气口、23排液孔、24集液夹套、25流量计、26格栅垫。
具体实施方式
40.实施例1
41.如图1所示，本实施例提供了一种聚结滤芯，包括上端盖11、下端盖12、支撑外骨架13、支撑内骨架14和过滤芯15，所述支撑外骨架13和支撑内骨架14均为筒形，且所述支撑外骨架13和支撑内骨架14上布满通孔，所述上端盖11和下端盖12均水平设置并上下间隔分布，所述支撑外骨架13和支撑内骨架14均竖向设置在所述上端盖11和下端盖12之间，且所述支撑内骨架14位于所述支撑外骨架13内，所述支撑内骨架14和支撑外骨架13的两端分别与所述上端盖11和下端盖12连接，所述上端盖11、下端盖12、支撑外骨架13和支撑内骨架14共同围合形成一个环形的安装腔，所述下端盖12的中部设有与所述支撑内骨架14内孔贯通的料口121，所述过滤芯15填充在所述安装腔内，如此使得气体由聚结滤芯外部经过滤芯过滤后进入到支撑内骨架内，如此由过滤芯对气体进行过滤，从而将气体中的颗粒性成分进行滤除，从而对气体进行净化。其中，所述上端盖为圆形，下端盖为圆环形，而支撑外骨架和
支撑内骨架均为圆筒形，且二者同轴分布，所述过滤芯的圆筒形。
42.如图2和图3所示，上述技术方案中所述过滤芯15为筒状，其由外向内依次为筒状的预过滤层151、聚结层152和排液层153，如此通过预过滤层对气体进行初步过滤，然后由聚结层对预过滤后的气体进行进一步的过滤，最后由排液层对聚结层过滤后的气体中液滴进行进一步的截留。
43.如图4所示，上述技术方案中所述聚结层152由外向内依次包括液滴捕获层1521、亲液层1522和至少一个疏液层1523，如此使得液滴捕获层对气体中液滴进行预截留，而亲液层进一步的将气体中的液滴吸收，而疏液层将气体中的液滴隔离以便于亲液层吸收，从而使得过滤后的气体中液滴更少。
44.上述技术方案中所述亲液层1522和所述疏液层1523均采用玻璃纤维制成，所述液滴捕获层1521为含氟烷基丙烯酸共聚物，其涂布于所述亲液层1522外侧。具体的，亲液层1522可采用但不限于亲液处理的玻璃纤维制成，疏液层1523可采用但不限于疏液处理的玻璃纤维制成，液滴捕获层1521可采用但不限于含氟烷基丙烯酸共聚物制成。其中，液滴捕获层1521是通过将含氟烷基丙烯酸共聚物喷涂在亲液层1522的表面所形成，液滴捕获层1521与亲液层1522形成一体，液滴捕获层1521并非单独的层结构。
45.进一步的，液滴捕获层1521的喷涂厚度可为但不限于150μm至200μm。
46.进一步的，疏液层1523可为多层，其层数根据现场实际工况进行调整，通常情况下设置为1至3层。
47.预过滤层151、聚结层152和排液层153均呈圆筒状，聚结层152覆设于排液层153的外侧，聚结层152的内壁与排液层153的外壁紧密贴合，预过滤层151覆设于聚结层152的外侧，预过滤层151的内壁与聚结层152的外壁紧密贴合。其中，预过滤层151可采用但不限于无纺布制成；排液层153可采用但不限于针刺毡或者聚酯纤维制成。
48.上述技术方案中所述聚结层152的外壁上均布有沿所述聚结层152的周向形成有向同一方向倾斜的褶波状凸起，如此使得聚结层的过滤面积更大。所述褶波状凸起与所在位置上的切线之间的夹角为15
°‑
30
°
。
49.在聚结层152的外壁上形成的褶波状凸起，使打褶的滤材在聚结滤芯的内部形成一定角度，其目的是使穿透聚结滤芯的液滴能够产生一个切向的速度，该切向速度与叶片产生的流场同向，在流场产生的离心力的作用下，使得穿透聚结滤芯的液滴具有一个切向的加速度，从而提高叶片173下部的液滴的切向速度，使叶片173所产生流场的效果更加明显，提升聚结过滤器的过滤效率。
50.其中，上述技术方案中还包括驱动件16和旋流叶轮17，所述旋流叶轮17的置于所述支撑内骨架14内孔内，且所述旋流叶轮17的转轴171竖向向上延伸至穿过并穿出所述上端盖11的上方，并与所述上端盖11转动连接，所述转轴171的上端与所述驱动件16传动连接，所述驱动件16用以驱动所述旋流叶轮17在所述支撑内骨架14内转动，如此由旋流叶轮使得过滤后的气体高速旋转并将气体中液滴打散至撞击到支撑内骨架上，并在支撑内骨架上聚集后向下沉积。
51.上述技术方案中所述驱动件16为电机，所述驱动件16安装在所述上端盖11的上端，其结构简单，所述电机优选的为防水电机，驱动件的导电线密封穿出至所述壳体外。
52.如图5所示，上述技术方案中所述旋流叶轮17还包括叶轮柱172和环向间隔均匀设
置于所述叶轮柱172侧壁上的叶片173，所述转轴171的下端与所述叶轮柱172的上同轴连接固定，其结构简单，通过叶片将液滴打散，且其打散效果佳。多个所述叶片的下端均朝同侧倾斜，所述叶片173的下部的倾斜方向与水平方向之间的夹角为15
°
至45
°
，优选的为30
°
。
53.本实施例中聚结滤芯的原理如下：当气体进入过滤芯后，气体中的液滴接触过滤芯并首先通过预过滤层151对气体中的颗粒杂质进行过滤，之后液滴被含氟烷基丙烯酸共聚物的液滴捕获层1521连续捕获，被捕获的液滴在过滤芯内部运移；当液滴运移至亲液层1522时，液滴开始在亲液层1522的表面扩散，此时的亲液层1522可以作为临时储液层，在亲液层1522内对收集的液滴进行重新分布，并在亲液层1522内滤材纤维交点位置形成液膜；内侧的疏液层1523的强排斥性阻止了液滴的穿透，液滴更倾向于沿着亲液层1522与疏液层1523之间移动并逐渐消失，但仍有一定数量的液滴随气体移动穿透亲液层1522，该情况下，位于内侧的疏液层1523可以将液滴转移回亲液层1522区域，从而有效减少液滴再次夹带到下游的气流中。该种过滤芯(定向输液—超疏液排布)可以在不提升聚结滤芯稳态压降的情况下，提高聚结滤芯的过滤效率，尤其是对于小粒径的液滴，过滤效率相较于传统聚结滤芯显著提高。
54.本实施例中的过滤芯由外至内依次为预过滤层151、聚结层152和排液层153，聚结层152由外至内依次包括液滴捕获层1521、亲液层1522和至少一个疏液层1523，形成“定向输液—超疏液”的滤层结构，其采用非对称润湿性的“定向输液—超疏液”滤材排布方式，该种排布方式的优点是在相同厚度和纤维结构的情况下，无论是小液滴还是大液滴，该滤层结构都比其他传统的滤层结构具有更高的品质因子。
55.所述旋流叶轮转动轨迹的外边缘至聚结滤芯的内壁之间留有70mm至90mm的间距。
56.所述叶片173的表面进行疏液处理，叶片173在竖向上的高度为10mm至15mm，叶片173的数量为6个至10个，相邻两叶片173之间的间距相同。
57.实施例2
58.如图6和图7所示，一种聚结过滤器，包括壳体2和如实施例1所述的聚结滤芯1，所述壳体2内部中空，所述壳体2的上端设有与其内部连通的进气口21，所述聚结滤芯1竖向安装在所述壳体2内底壁的中部，且所述壳体2底壁上对应所述料口121的位置处设有与所述料口121连通的出气口22，所述出气口22的上端向上内延至所述支撑内骨架14内(进一步的，叶轮柱在竖向上的高度为聚结滤芯在竖向上高度的1/5至1/4，叶片173的底部与出气口的上端之间的竖向距离为10mm至15mm，且所述出气口上端内壁与叶片的底部之间的在水平方向上的距离为10mm至15mm,是为了最大程度上减少液滴通过叶片173与出气口之间的间隙逃逸)，并靠近所述旋流叶轮17的下端，所述壳体2底壁的边缘处设有排液孔23，其结构简单，如此使得气体进入到壳体内后经聚结滤芯过滤，而截留的颗粒性成分和液滴在壳体内沉积至向下排出。
59.上述技术方案中所述壳体2的下端边缘处向下凸设有环形的集液夹套24，所述集液夹套24上端均布有与所述壳体2内贯通的排水孔，所述排液孔23设置于所述集液夹套的下端，如此可避免液滴在壳体内部沉积而影响聚结滤芯的过滤效果。
60.当然，还可以在所述壳体内底壁上设置环形的格栅垫26，所述格栅垫为单向排水格栅，所述聚结滤芯通过所述格栅垫安装在所述壳体内底壁上，如此使得聚结滤芯内侧的液滴能经格栅垫回流至聚结滤芯外，并排至集液夹套内，其中，格栅垫能够对液体起到引流
的作用，从而加快聚结过滤器的排液速度，解决聚结过滤器液体积聚的问题，有效提升聚结过滤器内聚结滤芯的性能和使用寿命。
61.其中，由于现场工况不稳定，导致出气口内流量有波动，可通过流量计对下游输出气体的流量进行测量，并根据输出气体的流量对电机进行反馈控制，实时控制驱动件的转速。当进气口内的气体流速大于20m/s时，进气口内的高压气体完全可以提供足够产生旋流场的流速，故驱动件可停止工作；当进气口内气体流速小于20m/s时，控制电驱动件开始工作，以带动叶片旋流叶轮转动，使旋流叶轮的下方产生流场，此时旋流叶轮的转速可由下述公式确定：
[0062][0063]
其中：vr表示旋流叶轮转速，其单位为r/min；q表示管道流量，其单位为m3/h，d表示进气管道的内径，其单位是m，ε表示修正系数，其由进气管道内的气速v决定，其单位为m/s，当气速为10≤v≤20时，ε＝1.025；当气速为0＜v＜10时，ε＝0.986。
[0064]
如图8和图9所示，本实施例中聚结过滤器滤芯在实验测试过程中的压降比现有滤芯(市面上购买的商业滤芯)的稳态压降下降0.5kpa至0.8kpa；在现场应用的情况下，本发明的聚结滤芯的使用寿命是现有滤芯使用寿命的3倍(当压差达到100kpa时，需要更换滤芯)。如图10所示，相比现有滤芯的97.3％的累积效率值，本发明的聚结滤芯的累积效率值维持为99.9％以上，效率有明显提升；如图11所示，本发明的聚结滤芯下游的液滴浓度与现有滤芯相比也大幅降低，现有滤芯下游的液滴计数浓度在700p/cm3左右，而本发明的聚结滤芯下游的液滴计数浓度在60p/cm3左右；如图11所示，对于粒径大于1μm的液滴的过滤效果，本发明的聚结滤芯与现有滤芯相比也有大幅的提升。
[0065]
如图10所示，现有滤芯在液滴粒径为6μm处的累计效率有明显的下降，说明现有滤芯出现了二次夹带现象，而本发明的聚结滤芯10在大液滴处的累计效率则接近100％，说明本发明的聚结滤芯未出现由于二次夹带现象而导致的大液滴进入聚结滤芯下游的问题。
[0066]
综上所述，本发明的聚结滤芯在提升过滤效率的同时，有效延长了聚结滤芯的使用寿命，并且能够有效地解决由于二次夹带所带来的累计效率在大粒径液滴处效率下降的问题。