Dispositivo generador de burbujas de flujo cruzado y método de generación.

Dispositivo y método generador de burbujas de flujo cruzado que comprende un primer conducto para la entrada de líquidos

(1) por donde se introduce el líquido impulsor a presión PO y un segundo conducto de alimentación del fluido a dispersar en forma de gotas o burbujas (2) que introduce el fluido a dispersar a presión PG en una cámara de presión (3); y donde entre el primer conducto de alimentación de líquido (1) y la cámara de presión (3) queda dispuesto un diafragma (4) en el que están practicados unos orificios de inyección (8) que interconectan el fluido a dispersar con el líquido que fluye por el primer conducto (1).

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201200785.

Solicitante: UNIVERSIDAD DE SEVILLA.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: DAVILA MARTIN,JAVIER, LUQUE GARCIA,Alfredo.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > PROCEDIMIENTOS O APARATOS FISICOS O QUIMICOS EN GENERAL > MEZCLA, p. ej. DISOLUCION, EMULSION, DISPERSION (mezcla... > Mezcla, p. ej. dispersión, emulsión, según las... > B01F3/04 (de gases o de vapores con líquidos (mezclando bebidas no alcohólicas con gases A23L 2/54))
  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > PROCEDIMIENTOS O APARATOS FISICOS O QUIMICOS EN GENERAL > MEZCLA, p. ej. DISOLUCION, EMULSION, DISPERSION (mezcla... > Mezcla, p. ej. dispersión, emulsión, según las... > B01F3/08 (de líquidos con líquidos; Emulsión)
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Dispositivo generador de burbujas de flujo cruzado y método de generación.

Fragmento de la descripción:

El objeto de la presente invención es un dispositivo que permite generar burbujas en líquidos de todo tipo, con tamaños típicos que pueden ir desde varios milímetros hasta menos de 100 micras. Para ello se introduce el gas a dispersar a través de pequeños orificios o cortes practicados en una membrana elástica, descargando en una corriente transversal de líquido (flujo cruzado) . Para que esta generación de gotas o burbujas sea lo más eficiente posible, la fracción de energía empleada en el proceso que se traduce en un aumento de superficie de las interfaces líquido-gas debe maximizarse en relación a la energía comunicada al sistema. El dispositivo objeto de la presente invención es aplicable en campos en los que la generación eficiente de pequeñas burbujas sea una parte importante del proceso, tales como la oxigenación y aireación de líquidos, procesos de transferencia líquido-gas, procesos de separación, etc. El fin último en la mayoría de estas aplicaciones es maximizar la superficie de contacto entre las fases.

Antecedentes de la invención Los métodos de oxigenación o aireación existentes se basan en el aumento de la superficie de contacto gas-líquido con objeto de acercar la concentración de oxígeno disuelto al valor de saturación. La mayoría de los sistemas que se emplean actualmente (C.E. Boyd 1998, Acuicultural Engineering 18, 9-40) tratan de fragmentar una masa de líquido en aire, que se reincorpora seguidamente a la masa de líquido, o bien producen burbujas que son introducidas directamente en el líquido. Existen algunos dispositivos que producen la rotura de un chorro de gas o de grandes burbujas en presencia de una corriente de líquido, como pueden ser los venturis o algunas bombas que son al mismo tiempo propulsoras y succionado ras de aire, pero su rendimiento es bajo. Su eficiencia de oxigenación estándar (SAE) apenas supera los dos kilogramos de oxígeno por cada kilovatio-hora consumido.

La forma más eficiente de generar burbujas es inyectar gas en el seno de un coflujo de líquido. Sin embargo, esto supone que para obtener grandes caudales habría que situar en la corriente principal cientos o miles de agujas. Por lo tanto, parece más interesante realizar la inyección de gas mediante multitud de orificios practicados en la pared del conducto principal, de forma que a la salida de éstos la corriente transversal de líquido produce un gran arrastre sobre el gas que sale por los orificios. Esta disposición de flujo cruzado puede dar lugar a distintos regímenes o modos (S. E. Forrester y C.D. Rielly 1998, Chemical Engineering Science 53, pág. 1517-1527) dependiendo de la geometría del dispositivo y de los caudales de líquido y gas inyectado. Para las aplicaciones de transferencia líquido-gas el modo de más interés el llamado modo de burbujeo que se produce a bajos caudales de gas y está caracterizado por una producción regular de burbujas aproximadamente esféricas y de tamaño uniforme cerca del orificio de inyección. Este modo de funcionamiento tiene como fundamental desventaja que, para las configuraciones geométricas habituales, la relación entre el caudal de gas inyectado y el de líquido impulsor es muy baja. Para valores elevados del caudal de gas se forma un chorro continuo anclado a la salida del orificio que posteriormente se rompe de forma caótica en fragmentos irregulares. Este es el denominado modo chorro.

En las últimas décadas se han publicado multitud de patentes en relación a la generación de burbujas que se basan en procedimientos de flujo cruzado (US3489396, US4708829 y PCT/ES2007/000089 entre otras muchas) . Estos equipos tienen como inconveniente que se obstruyen con mucha facilidad cuando trabajan con líquidos o gases cargados de partículas sólidas, salvo que los conductos y orificios de paso sean suficientemente grandes, en cuyo caso la eficiencia de aireación se reduce enormemente. Para superar este problema en muchos procesos de depuración de aguas residuales se utilizan difusores de membrana (véanse por ejemplo las patentes de referencia US2010133709, CN101397169 y DE4211648) , en los que la inyección de aire u oxígeno se realiza a través de pequeños orificios, practicados en una membrana móvil (diafragma) , cuyos orificios se cierran cuando hay un fallo en la alimentación del gas. Sin embargo, el tamaño de las burbujas generadas mediante estos dispositivos es sustancialmente mayor que el de las burbujas que se producen en dispositivos de flujo cruzado. Se han publicado anteriormente invenciones de dispositivos de flujo cruzado basados en membranas, como la patente US 3.545.731, sin embargo son dispositivos en los que los fenómenos de coalescencia son muy probables, resultando finalmente burbujas de gran tamaño.

El diámetro medio equivalente de las burbujas que se genera a la salida de los orificios en el modo de burbujeo se puede aproximar a donde Qg es el caudal de gas inyectado por el orificio y Uf la velocidad del líquido que rodea al chorro. e y a son dos coeficientes experimentales. Los valores del exponente a que se han reportado en la bibliografía están entre 1/3 y 1/2. (P.F. Wace, M.S. Morrell y J. Woodrow 1987, Chemical Engineering Communications 62, pág. 93-106) . El diámetro de las burbujas es por lo tanto independiente del área de paso de la corriente de líquido, por lo que para minimizar el consumo de la impulsión de líquido y así aumentar la eficiencia de estos dispositivos interesa que el área transversal del conducto principal en la sección de inyección sea lo más baja posible.

Descripción de la invención El problema técnico que resuelve la presente invención es favorecer la formación de pequeñas gotas y burbujas mediante la generación de zonas de cortadura intensa en el flujo. Desde un punto de vista conceptual, la presente invención tiene como ventaja fundamental que se forman pequeñas burbujas directamente a partir del menisco anclado, en vez de a partir de chorros o burbujas generados mediante cualquier otro procedimiento, lo cual es clave para que el rendimiento energético pueda maximizarse. Respecto de los sistemas de generación de burbujas a través de membranas o difusores cerámicos tiene la ventaja de que la corriente de líquido que se hace pasar sobre los orificios reduce sustancialmente el tamaño de las burbujas. Respecto de otros dispositivos de flujo cruzado tiene la ventaja de que la membrana móvil o diafragma evita la obstrucción por partículas sólidas.

Como se ha indicado, el objeto de la presente invención es un dispositivo de generación de gotas y burbujas en el seno de una corriente líquida. De entre los muchos procedimientos habitualmente empleados para producir gotas y burbujas de pequeño tamaño esta invención utiliza la inyección a través de orificios en un flujo transversal formándose gotas o burbujas que típicamente están en el rango milimétrico o micrométrico.

Cuando se inyecta gas (o un líquido inmiscible) en una corriente transversal de líquido se forma un menisco que posteriormente se desprende del orificio. En este sentido, el procedimiento propuesto es semejante al de los basados en el efecto Venturi, en los que además también se recupera parte de la energía cinética que se le comunica al flujo mediante una tobera divergente situada a continuación de la zona de inyección. Sin embargo, el dispositivo de flujo cruzado que se presenta tiene la ventaja de que el consumo energético es mucho menor, ya que se minimiza el caudal de líquido de la corriente principal, y las burbujas desprendidas de los orificios son sustancialmente más pequeñas.

Por otra parte, la inyección a través de un diafragma evita la acumulación de partículas sólidas en el dispositivo, lo que permite trabajar con fluidos sucios y caudales elevados.

Mediante este procedimiento...

 


Reivindicaciones:

1. Dispositivo generador de gotas y burbujas en un líquido que comprende un primer conducto para la entrada de líquidas (1) por donde se introduce el líquida impulsor a presión Po y un segundo conducto de alimentación del fluido a dispersar en forma de gotas o burbujas (2) que introduce el fluido a dispersar a presión PG en una cámara de presión (3) ; y donde entre el primer conducto de alimentación de líquido (1) y la cámara de presión (3) queda dispuesto un diafragma (4) en el que están practicados unos orificios de inyección (8) que interconectan el fluido a dispersar con el líquido que fluye por el primer conducto (1) caracterizado porque comprende una sección de paso entre orificios de inyección (8) , esto es, entre la membrana y la pared rígida (10) en el plano de los orificios de inyección, donde el área de la sección transversal en dicha zona de inyección es menor que el resultado de multiplicar 25 mmpor el número de orificios de inyección (8) ; todo ello de forma tal que se evite la coalescencia entre burbujas.

2. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1 en donde la geometría de la zona de inyección está definida por el ángulo que forma la recta que une los centros de cada par de orificios de inyección (8) con la trayectoria de las burbujas que parten de cualquiera de dichos orificios siendo dicho ángulo superior a 10° de tal manera que las líneas de burbujas no salen perpendicularmente al diafragma sino que describen trayectorias esencialmente paralelas al mismo.

3. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1 que comprende medios de separación del flujo en el sentido longitudinal del mismo a partir de un valor de la diferencia entre la presión de entrada del fluido a dispersar y la presión del dispositivo PG-Ps; en donde el rango del área de la sección transversal en la zona de inyección de al menos uno de los canales

longitudinales paralelos en los que se separa el flujo está comprendido entre 0, 001 mmy 5mm2, que son los valores de mayor utilidad práctica, por poderse generar burbujas de tamaños entre varios mm y 100 micras y al mismo tiempo que no sean tan pequeños como para tener problemas de obstrucciones en el paso del flujo.

4. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 y 3 que comprende medios de separación del flujo en el sentido longitudinal del mismo a partir de un valor de la diferencia entre la presión de entrada del fluido a dispersar y la presión de descarga del dispositivo PG-PS; Y donde dichos medios consisten en elementos alargados (9) o paredes planas esencialmente perpendiculares a la pared rígida (10) de tal forma que el líquido fluye a lo largo de unos canales longitudinales paralelos contra cuyos elementos rígidos alargados se apoya el diafragma a partir de un valor de la diferencia entre la presión de entrada del fluido a dispersar y la presión de descarga del dispositivo PG-Ps, al deformarse el diafragma hacia el centro del primer conducto.

5. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 4 en donde los elementos sólidos alargados (9) en los que se apoya el diafragma (4) , que separa el primer conducto de alimentación de líquido (1) y la cámara de presión (3) que contiene el fluido a dispersar, están unidos a una pared (10) del primer conducto para la entrada de líquidos (1) , siendo dicha pared (10) la situada de forma opuesta al diafragma (4) .

6. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 y 3 que comprende medios de separación de flujo en el sentido longitudinal del mismo a partir de un valor de la diferencia entre la presión de entrada del fluido a dispersar y la presión de descarga del dispositivo PG-Ps; Y donde dichos medios consisten en una pluralidad de ranuras previamente formadas en el diafragma (4) en la dirección longitudinal del flujo de líquidos, en donde dichas ranuras dividen la corriente de líquido en varios conductos paralelos, llegando a tocar la pared rígida opuesta al diafragma y en cuyo interior se sitúan los orificios de inyección de gas, a partir de un valor de la diferencia entre presión de entrada del fluido a dispersar y la presión de descarga del dispositivo PcrPs, al deformarse el diafragma hacia el centro del primer conducto.

7. Método de generación de burbujas de flujo cruzado del tipo que se implementa en el dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 que comprende las etapas de introducir un líquido impulsor a presión Po por un primer conducto para la entrada de líquidos

(1) y una segunda etapa de introducción del gas a dispersar a presión PG en una cámara de presión (3) por un segundo conducto de alimentación de gas (2) a través de un diafragma

(4) en el que están practicados unos orificios de inyección (8) que interconectan el fluido a dispersar con el líquido que fluye por el primer conducto (1) caracterizado porque comprende la inyección por dichos orificios de inyección (8) a través de una sección

transversal con un área menor que el resultado de multiplicar 25 mmpor el número de orificios de inyección (8) evitando la coalescencia entre burbujas.

8. Método de acuerdo con la reivindicación 7 que comprende una etapa de separación del flujo en el sentido longitudinal de dicho flujo a partir de la diferencia entre la presión de entrada del fluido a dispersar y la presión de descarga del dispositivo PG-Ps; en donde la separación del flujo se realiza mediante unos elementos rígidos alargados (9) en el sentido longitudinal del flujo de líquido de tal forma que el líquido fluye a lo largo de unos canales longitudinales paralelos (11) contra cuyos elementos rígidos alargados (9) se apoya el diafragma (4) a partir de la diferencia entre la presión de entrada del fluido a dispersar y la presión de descarga del dispositivo PG-Ps, al deformarse el diafragma hacia el centro del primer conducto.

9. Método de acuerdo con la reivindicación 7 que comprende además una etapa de separación del flujo en el sentido longitudinal de dicho flujo a partir de la diferencia entre la presión de entrada del fluido a dispersar y la presión de descarga del dispositivo PG-Ps.; en donde la separación del flujo se realiza mediante una pluralidad de ranuras practicadas en el diafragma (4) en la dirección longitudinal del flujo de líquidos, en donde dichas ranuras dividen la corriente de líquido en varios conductos paralelos a partir de un valor de la diferencia entre presión de entrada del fluido a dispersar y la presión de descarga del dispositivo PG-Ps, al deformarse el diafragma hacia el centro del primer conducto.