GENERACIÓN DE BURBUJAS PARA AIREACIÓN Y OTROS PROPÓSITOS.

Un método para producir pequeñas burbujas de gas en un líquido,

que comprende las etapas de: proveer una fuente (16) del gas bajo presión; proveer un conducto (64a,158,170) que se abra hacia un líquido (82) bajo presión inferior a aquella de dicho gas, estando dicho gas en dicho conducto; y oscilar el gas que pasa por dicho conducto sin oscilar el conducto, al margen de cualquier reacción del gas oscilante, caracterizado porque dicha oscilación se efectúa mediante un oscilador fluídico (10), en el que dichas oscilaciones efectuadas por el oscilador fluídico son del tipo que posee entre 10 y 30% de contraflujo de gas de una burbuja emergente (90,105)

Generación de burbujas para aireación y otros propósitos La presente invención se refiere a la generación de burbujas finas.

ANTECEDENTES

Las burbujas de gas en líquido frecuentemente se requieren en muchas aplicaciones diferentes y por lo general, aunque no exclusivamente, para los fines de disolver el gas en el líquido. Al igual que cualquier procedimiento industrial, en general se desea que esto se realice de la manera más eficiente posible que, en el caso de disolver el gas en el líquido, no implique que la burbuja alcance la superficie del líquido y libere el gas allí sin haberse disuelto. Idealmente, las burbujas no deben alcanzar la superficie antes de que todo el gas en ellas se haya disuelto. Se reconoce extensamente que una forma de lograr la eficiencia consiste en reducir el tamaño de las burbujas. La relación de área de superficie a volumen de una burbuja más pequeña es mayor, y la disolución ocurre mucho más rápidamente. Además, la tensión superficial de una burbuja pequeña significa que la presión de gas dentro de la burbuja es relativamente mucho mayor que en una burbuja grande, de modo que el gas se disuelve más rápidamente. A su vez, las burbujas pequeñas se elevan más lentamente que las burbujas grandes, y esto proporciona más tiempo para el transporte de gas desde la burbuja hacia el líquido circundante. Asimismo, coalescen menos rápidamente, de manera que las burbujas más grandes, que se elevan hacia la superficie más velozmente, se forman más lentamente.

Las aplicaciones que no implican disolución de gas se aplican en pozos de petróleo donde la elevación de las burbujas puede transportar petróleo hacia la superficie en determinados tipos de pozo. Aquí, las burbujas pequeñas son también ventajosas porque demoran más en coalescer y formar los grandes tarugos de gas que no son eficaces en extracción de petróleo.

El problema corolario asociado con las burbujas finas, no obstante, es que son más difíciles de producir. La reducción del tamaño de la apertura a través de la cual la burbuja se inyecta en el líquido es un primer paso, ya que es difícil formar burbujas pequeñas a través de una apertura grande. Pero, incluso así, una burbuja puede adquirir un gran tamaño cuando crece mientras está unida incluso a una pequeña apertura de suministro de gas. La separación de burbujas es un proceso dinámico. En cualquier caso, dicha reducción en el tamaño de la apertura tiene su costo, ya que la fricción que resiste el flujo de gas a través de dicha apertura fina, y a través del pasaje que conduce a la apertura, implica una caída de presión mayor. La burbuja se forma una vez que el tamaño de la burbuja va más allá de la forma hemisférica, y se puede producir el estrechamiento de la burbuja. No obstante, se necesita aplicar más energía en esta etapa para finalmente separar la burbuja, y en general esto simplemente se logra presionando más gas hacia ésta, aumentando su tamaño.

De hecho, en general las burbujas no pueden tener un diámetro más pequeño que el diámetro de la apertura a través de la cual son inyectadas, y la reducción del tamaño de la burbuja aumenta la energía necesaria para producirlas, de modo que se alcanza un límite más allá del cual la eficiencia del sistema ya no se puede seguir mejorando.

Otro problema es que, a medida que las burbujas crecen más allá de la forma hemisférica, la presión dentro de ellas cae. En consecuencia, dos o más burbujas que crecen en paralelo desde una fuente común tienden a ser inestables más allá de la forma hemisférica. Lo que ocurre es que, más allá de la etapa hemisférica, una burbuja crece bastante más rápidamente que una adyacente (por cualquiera de una serie de razones, p. ej., quizás una está más próxima a la fuente de presión y entonces hay correspondientemente menos arrastre y mayor presión para impulsar la formación de la burbuja) . Una vez que hay una diferencia de tamaños, también hay una diferencia de presiones, donde la presión mayor se encuentra en la burbuja más pequeña. En consecuencia, ya que las burbujas están conectadas, la burbuja más pequeña infla a la más grande a expensas de su propio crecimiento. El resultado es que, si múltiples conductos se encuentran conectados a una fuente de presión común, solamente algunos de ellos terminarán produciendo grandes burbujas.

Esta inestabilidad de la formación de burbujas puede conducir a que una de las burbujas crezca desproporcionadamente al tamaño de la apertura. El estrechamiento y la separación consisten en un fenómeno dinámico y, si la burbuja inestable crece rápidamente, puede alcanzar un tamaño grande antes de separarse.

Otro problema con la formación descontrolada de burbujas es que las burbujas en colisión frecuentemente coalescen, de forma que el esfuerzo adicional de formar burbujas pequeñas se desperdicia inmediatamente. Idealmente, las burbujas monodispersas deben proveerse con un espacio suficiente entre ellas para prevenir la coalescencia. De hecho, las condiciones que llevan a la coalescencia pueden depender de una serie de factores asociados con un sitio y una aplicación particular, y de que sea posible una puesta a punto conveniente del sistema de generación de burbujas para que se pueda disponer de la generación de burbujas más eficiente.

Los documentos WO99/31019 y WO99/30812 resuelven ambos el problema de la generación de burbujas finas usando aperturas relativamente grandes, inyectando gas en una corriente de líquido impulsada a través de una apertura pequeña directamente delante de la apertura de salida de gas. La corriente de líquido arrastra el gas hacia una corriente fina, mucho más estrecha que la apertura de salida para el gas, y las burbujas finas por último se forman más allá de la apertura pequeña. No obstante, la disposición física es bastante compleja, aunque se dice que se producen burbujas de 0, 1 a 100 micrómetros. Además, si bien la apertura de salida de gas es grande, el líquido en el que se inyecta el gas está necesariamente bajo presión para impulsarlo a través de la apertura pequeña que por ende implica que la presión de gas necesariamente también es mayor, lo cual debe mitigar parte de la ventaja.

Varias publicaciones reconocen que la vibración puede ayudar a la separación de una burbuja o, en el caso del documento EP1092541, una gota de líquido. Esa patente sugiere oscilar un lado de un orificio de descarga anular. La producción de gotas de líquido en una matriz gaseosa puede a veces considerarse un problema similar a la producción de burbujas de gas en una matriz de líquido.

El documento SU1616561 se refiere a la aireación de una pecera, que comprende forzar aire a través de un tubo donde las aperturas se abren entre solapas que vibran bajo la influencia del movimiento de gas y producen burbujas finas.

El documento GB1281630 emplea una disposición similar, pero también se basa en la resonancia de una cavidad asociada con una solapa de acero para aumentar la frecuencia de oscilación de la solapa y reducir así el tamaño de las burbujas.

El documento US4793714 presuriza el lado opuesto de una membrana perforada a través de la cual el gas es forzado hacia el líquido, donde la membrana vibra mediante lo cual se producen las burbujas.

El documento US5674433 emplea una pegajosidad diferente destilando burbujas desde membranas de fibra huecas hidrófobas usando un flujo de volumen de agua sobre las fibras.

El documento GB2273700 describe una disposición en la cual se aplican vibraciones sónicas al aire en un dispositivo de aireación cloacal que comprende una disposición de "caño orgánico" poroso, en la que el caño se hace vibrar sónicamente por el flujo de aire. La invención se basa en la vibración del aireador en virtud de la disposición de caño orgánico, perdiendo gran parte del ingreso de energía a través de la inevitable absorción de energía por el agua circundante.

El documento DE4405961 también hace vibrar el aire en un dispositivo de aireación para tratamiento cloacal montando un motor que impulsa la bomba de aire en la rejilla de aireación empleada, y de modo que la rejilla vibra con la vibración natural del motor, y se generan burbujas más pequeñas. El documento DE19530625 muestra una disposición similar, solamente que la rejilla es oscilada por una disposición oscilante.

El documento JP2003-265939 sugiere vibrar de manera ultrasónica la superficie de un sustrato poroso a través del cual pasa un gas hacia un líquido... [Seguir leyendo]

1. Un método para producir pequeñas burbujas de gas en un líquido, que comprende las etapas de:

proveer una fuente (16) del gas bajo presión;

proveer un conducto (64a, 158, 170) que se abra hacia un líquido (82) bajo presión inferior a aquella de dicho gas, estando dicho gas en dicho conducto; y oscilar el gas que pasa por dicho conducto sin oscilar el conducto, al margen de cualquier reacción del gas oscilante, caracterizado porque dicha oscilación se efectúa mediante un oscilador fluídico (10) , en el que dichas oscilaciones efectuadas por el oscilador fluídico son del tipo que posee entre 10 y 30% de contraflujo de gas de una burbuja emergente (90, 105) .

2. Un método según la reivindicación 1, en el que dichas oscilaciones efectuadas por el oscilador fluídico ocurren a una frecuencia entre 1 y 100 Hz, preferiblemente entre 5 y 50 Hz, más preferiblemente entre 10 y 30 Hz.

3. Un método según la reivindicación 1 o 2, en el que las burbujas formadas tienen entre 0, 1 y 2 mm de diámetro, más preferiblemente entre 0, 5 y 1, 0 mm.

4. Un método según la reivindicación 1, 2 o 3, en el que el oscilador fluídico comprende una disposición en la que el flujo de gas es oscilado entre dos trayectos (62, 64) , donde por lo menos uno de dichos trayectos (64) forma dicha fuente.

5. Un método según la reivindicación 4, en el que dicho oscilador comprende un desviador provisto con el gas bajo presión constante a través de un puerto de suministro (18) que se divide en respectivos puertos de salida (14b, c) , y que incluye medios (22, 14d, f, 20d, f) para oscilar el flujo desde un puerto de salida hacia el otro.

6. Un método según la reivindicación 5, en el que dichos medios comprenden cada puerto de salida controlado por puertos de control (14d, e) respectivos; preferiblemente donde los puertos de control están interconectados por un circuito cerrado (22) y están dispuestos de manera tal que cada uno tiene presión reducida cuando el gas fluye a través de éste, y cada uno tiene mayor presión cuando no hay flujo a través de su salida respectiva, y entonces cuando el gas fluye hacia afuera de un puerto de control, hacia su respectivo puerto de salida, el flujo de gas es transferido desde ese puerto de salida hacia el otro, mediante lo cual el flujo que va hacia el puerto de suministro oscila entre dichos puertos de salida; preferiblemente donde la frecuencia de las oscilaciones se puede ajustar cambiando la longitud de dicho circuito cerrado; y opcionalmente donde una ramificación de cada puerto de salida suministra al puerto de control respectivo, mediante lo cual parte del flujo en un puerto de salida se torna un flujo de control, transfiriendo el flujo de suministro desde ese puerto de salida hacia el otro puerto de salida.

7. Un método según la reivindicación 5 o 6, en el que hay por lo menos dos de dichos conductos, estando cada puerto de salida conectado a uno o al otro de dichos conductos.

8. Un método según cualquier reivindicación precedente, en el que el conducto (158) abre el líquido en una superficie (160) del material en el que se forma el conducto, estando dicha superficie en un plano que es sustancialmente vertical con respecto a la gravedad, y/o en el que el material de la superficie a través de la cual se forma el conducto es no humectable por el gas, de manera que la burbuja no tiende a adherirse a ésta; y preferiblemente en el que dicho material es vidrio o Teflon® y/o en el que el flujo en volumen de dicho gas oscilante es suficiente para que se suministre simultáneamente a una pluralidad de dichos conductos, siendo el caudal de volumen para cada ciclo de oscilación suficiente para llenar una burbuja en cada conducto hasta por lo menos tamaño hemisférico antes de transferir la oscilación, de forma que todas las burbujas tienen sustancialmente el mismo tamaño antes de ser separadas desde el conducto por el quiebre de presión.

9. Un método según cualquier reivindicación precedente, en el que dicho conducto comprende una membrana (38) que tiene una ranura normalmente cerrada (170) , presión de gas detrás de la membrana que sirve para distender la membrana, abriendo la ranura para permitir que se forme una burbuja (90) de gas a través de la ranura, cerrando la ranura detrás de la burbuja, donde la oscilación del flujo de gas se sincroniza en términos de presión, caudal, amplitud y frecuencia con propiedades elásticas de la membrana para fomentar la formación de burbujas pequeñas.

10. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 en el que una fase del gas oscilante se emplea para impulsar líquido por el conducto (64a) después de la formación de una burbuja en la otra fase de oscilación, donde la burbuja se separa por la fuerza de dicho líquido impulsado; preferiblemente donde los conductos de cada salida están dispuestos enfrentados en un ángulo inclinado, preferiblemente en ángulos rectos, uno respecto del otro, manteniendo una salida (62) llena con el líquido, preferiblemente donde mientras la primera salida (64) llena una burbuja en la boca de su conducto (64a) durante una primera fase de oscilación, en su segunda fase se impulsa líquido fuera del otro conducto (62a) , desplazando la burbuja formada en el primer conducto, y preferiblemente donde hay una pluralidad de conductos, que son conductos de gas, suministrados en paralelo desde una salida, y una pluralidad similar de conductos, que son conductos de líquido, dispuestos opuestos a los conductos de gas y suministrados en paralelo por la otra salida.

11. Readaptación de una instalación existente (100) que comprende un suministro (16) de gas bajo presión y uno o más generadores de burbujas (30) provistos por dicho suministro, y que incluye una pluralidad de conductos (38) que se abren hacia el líquido, donde dicha readaptación se efectúa interponiendo un oscilador de gas (10) entre el suministro y el generador de burbujas para oscilar el flujo de gas, para lo cual se emplea el método según la reivindicación 1.

12. Readaptación según la reivindicación 11, en la que dicho generador de burbujas comprende una cámara (36) conectada a dicho suministro de gas, y una pared porosa (38) de dicha cámara que separa dicha cámara del líquido y que comprende dicha pluralidad de conductos; y preferiblemente donde dichos conductos pueden ser aperturas formadas en dicha pared, donde la pared es preferiblemente de metal, preferiblemente metal sinterizado donde dichos conductos consisten en poros en dicho metal; o donde la pared es una cerámica porosa y los conductos son poros de dicha cerámica.

13. Un generador de burbujas para llevar a cabo el método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, que comprende:

una fuente (16) del gas bajo presión;

un conducto (64a, 158, 170) conectado a dicha fuente y que se abre hacia un líquido (82) bajo presión inferior a la de dicho gas; y un oscilador fluídico (10) en dicho conducto para oscilar el gas que pasa por dicho conducto sin oscilar el conducto, al margen de cualquier reacción del gas oscilante, caracterizado porque el oscilador fluídico está dispuesto para oscilar el gas y proveer entre 10 y 30% de contraflujo de gas de una burbuja emergente durante cada oscilación.

14. Un generador de burbujas según la reivindicación 13, en el que el oscilador fluídico divide el flujo de gas entre dos trayectos de flujo de gas, y en el que dicho oscilador fluídico comprende un desviador que tiene un puerto de suministro (18) conectado a dicha fuente y por lo menos dos puertos de salida (14b, c) que se dividen de dicho puerto de suministro, y medios (22, 14d, f, 20d, f) para oscilar el gas que fluye en dicho puerto de suministro desde un puerto de salida hacia el otro.

15. Un generador de burbujas según la reivindicación 14, en el que dichos medios comprenden un puerto de control respectivo (14d, f) asociado con cada puerto de salida; y preferiblemente en el que los puertos de control están interconectados por un circuito cerrado (22) dispuesto de modo tal que cuando el gas fluye en el puerto de suministro (18) , cada puerto de control (14b, c) tiene una presión de gas reducida cuando el gas fluye a través de su respectiva salida y una presión de gas mayor cuando no hay flujo en su salida respectiva, y de modo que, cuando el gas fluye hacia afuera de un puerto de control hacia su respectivo puerto de salida, el flujo de gas es transferido desde ese puerto de salida hacia el otro, mediante lo cual el flujo hacia el puerto de salida oscila entre dichos puertos de salida.

16. Un generador de burbujas según la reivindicación 13, 14 o 15, en el que dicho conducto comprende una membrana (38) que tiene una ranura normalmente cerrada (170) , una presión de gas detrás de la membrana que sirve para distender la membrana que abre la ranura para permitir que se forme una burbuja (90) de gas a través de la ranura, cerrándose la ranura se cierra detrás de la burbuja, donde la oscilación del flujo de gas se sincroniza en términos de presión, caudal, amplitud y frecuencia con las propiedades elásticas de la membrana para fomentar la formación de burbuja pequeñas.

17. Un generador de burbujas según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16, en el que el oscilador oscila el gas a una frecuencia entre 1 y 100 Hz, preferiblemente entre 5 y 50 Hz, más preferiblemente entre 10 y 30 Hz.

18. Un generador de burbujas según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 17, en el que el conducto (158) abre el líquido en una superficie (160) del material en el que se forma el conducto, estando dicha superficie en un plano sustancialmente vertical con respecto a la gravedad.

19. Un generador de burbujas según la reivindicación 18, en el que el material de la superficie a través de la cual se forma el conducto es no humectable por el gas, de manera que la burbuja no tiende a adherirse a ésta; y preferiblemente donde dicho material es vidrio o Teflon®.

20. Un generador de burbujas según la reivindicación 14, o cualquiera de las reivindicaciones 15 a 19 cuando depende de la reivindicación 14, que comprende una placa que tiene dos colectores paralelos, paralelos a una superficie de la placa en contacto con el líquido y provistos por salidas respectivas del desviador, habiendo una zanja en dicha superficie y dispuesta entre y paralela a los colectores, y conductos que conducen desde lados opuestos de la zanja hacia dichos colectores.

21. Un generador de burbujas según la reivindicación 20, en el que la salida del desviador que alimenta al colector que suministra los conductos de líquido está provista con una válvula de purga de gas mediante la cual los conductos de líquido se llenan del líquido; y/o en el que los conductos de líquido son de un perfil transversal más grande que los conductos de gas; y/o en el que los conductos de gas suministran desde una posición intermedia entre la parte inferior de la zanja y la parte superior de la superficie, y los conductos de líquido suministran desde una posición en la parte inferior de la zanja, y preferiblemente en el que el conducto de líquido está dispuesto paralelo al lado de la zanja que contiene los conductos de gas.