Aparato y método para introducir un gas dentro de un líquido.

Aparato para introducir gas dentro de un líquido que comprende:

un conducto (20),

una formación de dirección de fluido (10) dispuesta dentro de dicho conducto (20) que define en medio unapluralidad de canales discretos dentro de dicho conducto (20), estando dichos canales aislados unos de otros en unadirección perpendicular a una dirección de flujo de fluido a través de dichos canales, proporcionando cada canal unestrechamiento de aceleración de flujo a dicho flujo de fluido de manera que se hace que el fluido que fluye por cadauno de dichos canales se acelere a medida que fluye a través de dichos estrechamientos de aceleración de flujo;en el que al menos algunos de dichos canales comprenden orificios dentro de dichos estrechamientos deaceleración de flujo, estando dichos orificios en comunicación fluida con una fuente de gas, de manera que dichogas es extraído a través de dichos orificios para ser arrastrado en dicho flujo de fluido en virtud de una presiónreducida en dichos canales causada por dicho flujo de fluido; comprendiendo dicha formación de dirección de fluidouna estructura central que sostiene una pluralidad de álabes, definiendo dicha pluralidad de álabes dichos canales;caracterizado porque dicha pluralidad de álabes están dispuestos en ángulo con respecto a una dirección de flujo detal manera que se introduce una componente rotacional mediante dichos álabes en dicho fluido que fluye pasandopor ellos.

Aparato y método para introducir un gas dentro de un líquido

Campo de la invención La presente invención se refiere al campo de flujos de fluido polifásico y, en particular, a introducir gas dentro de un líquido fluyente.

Antecedentes de la invención Inyectar gases dentro de un líquido es deseable en muchos campos. La capacidad de inyectar grandes cantidades de gas dentro de masas sustanciales de líquido varía dependiendo de varios factores, tales como la turbulencia, el tamaño del orificio, etc. La mezcla del gas dentro del líquido y la transferencia de masa entre ellos también son cuestiones que varían dependiendo de las condiciones.

Ejemplos de campos en los que es deseable la introducción de un gas dentro de un líquido son la fermentación, el tratamiento industrial y de aguas residuales, el tratamiento de agua limpia y la generación de energía.

Con respecto al tratamiento de agua, es necesaria una cierta concentración de oxígeno disuelto (OD) en cualquier masa de agua para garantizar la aparición de procesos de autodepuración. Si la necesidad de oxígeno no puede suministrarse de manera natural, entonces los procesos de depuración cesan y el agua se vuelve séptica. Existen técnicas de ingeniería para evitar que ocurra esta condición extrema. La aireación asistida mantiene los niveles de OD y acelera los procesos de depuración. Una ventaja añadida de la aireación asistida puede ser la eliminación de compuestos orgánicos volátiles que son responsables en última instancia de los sabores y olores.

Hay varios diseños diferentes de aireadores. Se clasifican en dos tipos generales: dispositivos agitadores mecánicos superficiales (que son más adecuados para tanques poco profundos ya que arrastran el aire en la superficie del agua por agitación violenta) y unidades de aire dispersado. En éstas, el aire es introducido en el tanque de aireación bajo la forma de burbujas. Las principales cuestiones de diseño asociadas a todos los sistemas de aire dispersado son que tienen que generar burbujas finas para asegurar una gran área interfacial y, por lo tanto, una transferencia de oxígeno mejorada del gas al líquido. Al mismo tiempo, los problemas prácticos y las grandes necesidades de energía que conllevan tienen que minimizarse o, al menos, reducirse. Las comparaciones entre los diversos tipos y las ventajas relativas se presentan en un formulario normalizado como la Eficiencia de Transferencia de Oxígeno Estándar (SOTE) que representa la fracción de oxígeno puesto en contacto con el agua que realmente se disuelve dentro del agua en condiciones estándar de temperatura y presión, la Tasa de Transferencia de Oxígeno Estándar (SOTR) que representa la tasa de transferencia de oxígeno observada a temperatura y presión estándar cuando el nivel OD en el agua es inicialmente cero, y la Eficiencia de Aireación Estándar (SAE) que representa la energía consumida al disolver una cantidad especificada de oxígeno.

Los difusores que pertenecen a la familia de los sistemas de aire dispersado son los aireadores más comúnmente usados. Se inyectan burbujas de aire finas en el fondo de un tanque de aireación a través de placas cerámicas porosas o membranas perforadas. Estos difusores están basados en un proceso intensivo energéticamente (la compresión de gas) pero proporcionan un alto rendimiento en cuanto a transferencia de oxígeno (SAE de 45 aproximadamente 3, 6 - 3, 7 kg/kWh) .

Otra categoría de sistemas de aire dispersado es la de los dispositivos basados en el efecto Venturi. Su teoría de funcionamiento está basada en el principio de Bernoulli. La fase de agua fluye a través de una sección convergente antes de ser acelerada en la garganta (o constricción) , creando así presiones reducidas y permitiendo que una corriente de aire continua sea arrastrada dentro del sistema de agua por una diferencia de presión. La mezcla aire+agua penetra en la sección divergente y comienza la transferencia de oxígeno de la fase gaseosa a la líquida. Estos dispositivos son menos caros en cuanto a consumo de energía que los difusores, pero adolecen de un rendimiento inferior en cuanto a transferencia de oxígeno del aire al líquido (SAE de aproximadamente 0, 9 - 2, 3 kg/kWh) .

El rendimiento de aireación de un dispositivo dado depende no sólo del suministro de oxígeno (es decir, en forma de burbujas finas) en el líquido de tratamiento, sino también de la distribución cuidadosa y uniforme del gas dentro de la zona de difusión. Hay claras ventajas en el uso de una geometría cilíndrica sencilla, como en los aireadores basados en el efecto Venturi, en cuanto a la reducción de pérdidas de energía. Sin embargo, este argumento se vuelve menos claro cuando se introducen grandes volúmenes de aire a lo largo de la pared tubular. En este caso, una dificultad principal con tales dispositivos es la tendencia de las burbujas de aire a acumularse en la capa límite en las paredes de la tubería. Este fenómeno puede ser responsable de crear inestabilidades en la sección divergente que tienen como resultado separación, estancamiento y elevadas pérdidas de energía.

La introducción de un gas dentro de un líquido también se conoce en el campo de la generación de energía. El documento WO 03/081029, por ejemplo, desvela un fluido de transmisión gaseosa que se usa para impulsar una turbina y obtiene su energía cinética de ser aspirado dentro de un tubo Venturi por el que fluye líquido. Un problema con tal dispositivo es que requiere elevadas presiones de succión para efectuar la distribución del gas directamente dentro del tubo Venturi y para generar un diferencial de presión que sea suficientemente grande para el funcionamiento satisfactorio de la turbina. Tales presiones elevadas son difíciles de lograr con un tubo Venturi y este documento se ocupa del problema proporcionando una disposición de dirección de fluido antes del tubo Venturi para impartir cantidad de movimiento angular al flujo de líquido primario a medida que entra en el tubo Venturi. Esto proporciona una presión reducida que ayuda a arrastrar el gas de impulsión. Sin embargo, ello tiene el inconveniente de infraestructura adicional en el recorrido del flujo de líquido.

En general, cuando se inyecta un gas dentro de un líquido hay una propensión a que se congreguen burbujas sobre las superficies superiores y se fusionen unas con otras. Estos sucesos inhiben la buena mezcla y la transferencia de masa entre las dos fases. También pueden tener como resultado acumulación drástica de aire en el dispositivo, que conduce a saturación y el fenómeno de estancamiento, inhibiendo así la inyección de gas adicional dentro del flujo de líquido. Pueden formarse zonas de recirculación en el flujo de líquido que generan pérdidas de energía sustanciales. Estos son desafíos típicos de los que es necesario ocuparse en este campo.

Sería deseable poder introducir gas eficientemente dentro de un líquido en cantidades relativamente grandes en tanto que evitando los problemas del estancamiento del dispositivo debido a coalescencia de burbujas y mayor resistencia al flujo causada por grandes zonas de separación de flujo. También sería deseable lograr una mezcla bien distribuida de líquido-burbujas de gas dentro del dispositivo, en tanto que manteniendo bajo el consumo de energía.

El documento DE-A-4135878 desvela un aparato según el preámbulo de la reivindicación 1.

Sumario de la invención Vista desde un primer aspecto, la presente invención proporciona un aparato para introducir gas dentro de un líquido de acuerdo con las características de la reivindicación 1.

La presente invención reconoce los problemas asociados con la introducción de gas dentro de un líquido, tales como la coalescencia de las burbujas que tiene como resultado una mayor resistencia al flujo y, posiblemente, el estancamiento del dispositivo. Reconoce que este problema puede ser particularmente agudo cuando se introduce un gran volumen de gas y cuando se introduce en un estrechamiento de aceleración de flujo. Se ocupa de este problema segmentando el flujo de manera que se proporciona una pluralidad de canales discretos que están aislados unos de otros en una dirección perpendicular a la dirección general de flujo de fluido a través del conducto. De este modo, el gas es introducido dentro del líquido en canales discretos, lo cual es una manera simple pero efectiva de ayudar a evitar que las burbujas se fusionen, ya que las porciones del flujo están físicamente aisladas unas de otras. Cuando las porciones del flujo se unen posteriormente, las burbujas se distribuyen a través del flujo, lo cual reduce el riesgo de que se fusionen.

Cabe destacar que en lo anterior, donde se usa el término flujo... [Seguir leyendo]

1. Aparato para introducir gas dentro de un líquido que comprende:

un conducto (20) ,

una formación de dirección de fluido (10) dispuesta dentro de dicho conducto (20) que define en medio una pluralidad de canales discretos dentro de dicho conducto (20) , estando dichos canales aislados unos de otros en una dirección perpendicular a una dirección de flujo de fluido a través de dichos canales, proporcionando cada canal un estrechamiento de aceleración de flujo a dicho flujo de fluido de manera que se hace que el fluido que fluye por cada uno de dichos canales se acelere a medida que fluye a través de dichos estrechamientos de aceleración de flujo;

en el que al menos algunos de dichos canales comprenden orificios dentro de dichos estrechamientos de aceleración de flujo, estando dichos orificios en comunicación fluida con una fuente de gas, de manera que dicho 15 gas es extraído a través de dichos orificios para ser arrastrado en dicho flujo de fluido en virtud de una presión reducida en dichos canales causada por dicho flujo de fluido; comprendiendo dicha formación de dirección de fluido una estructura central que sostiene una pluralidad de álabes, definiendo dicha pluralidad de álabes dichos canales; caracterizado porque dicha pluralidad de álabes están dispuestos en ángulo con respecto a una dirección de flujo de tal manera que se introduce una componente rotacional mediante dichos álabes en dicho fluido que fluye pasando por ellos.

2. Aparato para introducir gas dentro de un líquido según la reivindicación 1, teniendo dicha pluralidad de canales cada uno una forma de un sector de dicho conducto.

3. Aparato para introducir gas dentro de un líquido según cualquier reivindicación precedente, en el que dicho conducto comprende (20) un estrechamiento de aceleración de flujo, estando dispuesta dicha formación de dirección de fluido dentro de dicho estrechamiento de aceleración de flujo.

4. Aparato para introducir gas dentro de un líquido según cualquier reivindicación precedente, en el que al menos algunos de dichos orificios son orificios de conducto formados en una superficie exterior de dicho conducto (20) en posiciones que corresponden a al menos algunos de dichos canales.

5. Aparato para introducir gas dentro de un líquido según cualquier reivindicación precedente, en el que dichos álabes están dispuestos en un ángulo con respecto a dicha dirección de flujo y dichos orificios están situados en un 35 lado superior de curvatura elevada de los álabes.

6. Aparato para introducir gas dentro de un líquido según cualquier reivindicación precedente, en el que dicha formación de dirección de flujo (10) es hueca y está en comunicación fluida con dicha fuente de gas, estando dispuestos al menos algunos de dichos orificios en dicha formación de dirección de fluido en una posición que corresponde a dichos canales.

7. Aparato para introducir gas dentro de un líquido según cualquier reivindicación precedente, en el que al menos algunos de dichos orificios de la formación de dirección de fluido están situados en una zona de un vértice de una depresión en forma de cuña en dichos álabes.

8. Aparato según cualquier reivindicación precedente, en el que dicha estructura central tiene una longitud entre 3 y 6 veces un diámetro de dicho conducto y dichos álabes tienen una longitud entre una y 3 veces dicho diámetro.

9. Aparato según cualquier reivindicación precedente, en el que dichos orificios están formados en una tira (70) 50 montada en una superficie de dichos canales.

10. Aparato para introducir gas dentro de un líquido según cualquier reivindicación precedente, comprendiendo además dicho aparato un motor de impulsión por fluido (100) , estando dispuesto dicho motor de impulsión por fluido (100) en comunicación fluida entre dicha fuente de gas y dichos orificios de manera que el gas que es extraído de 55 dicha fuente de gas a través de dichos orificios actúa para impulsar dicho motor de impulsión por fluido (100) .

11. Un aparato según la reivindicación 10, en el que dicho gas comprende aire y dicho aparato además comprende un generador de ozono (150) , estando dispuesto dicho generador de ozono (150) en comunicación fluida entre dicha fuente de gas y dichos orificios de manera que al menos una porción de dicho gas que es extraído de dicha fuente 60 de gas a través de dichos orificios pasa a través de dicho generador de ozono (150) y dicho motor de impulsión por fluido comprende una turbina (100) para generar electricidad y dicho generador de ozono (150) es accionado por electricidad generada por dicha turbina.

12. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que dicho gas comprende aire y dicho líquido 65 comprende agua y dicho aparato comprende una porción de una planta de tratamiento de agua.

13. Aparato para introducir gas dentro de un líquido según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que dicho aparato comprende una parte de un aparato de fermentación.

14. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que dicho gas comprende aire y dicho

aparato comprende una parte de una planta de refrigeración por aire que usa un flujo de aire para refrigeración, siendo generado dicho flujo de aire por dicho aire que es extraído a través de dichos orificios, comprendiendo además dicho aparato un intercambiador de calor (140) , estando dispuesto dicho intercambiador de calor (140) en dicho flujo de aire de manera que el aire que es extraído a través de dichos orificios pasa primero a través de dicho intercambiador de calor (140) .

15. Un método de introducción de gas dentro de un líquido que usa el aparato de la reivindicación 1 y que comprende las etapas de:

enviar un flujo de líquido a través de una pluralidad de canales discretos definidos por una formación de dirección de flujo dentro de un conducto, comprendiendo dicha formación de dirección de fluido una estructura central que sostiene una pluralidad de álabes, definiendo dicha pluralidad de álabes dichos canales de manera que dichos canales están aislados unos de otros en una dirección perpendicular a una dirección de flujo de fluido a través de dichos canales, y proporcionando cada canal un estrechamiento de aceleración de flujo a dicho flujo de fluido de manera que se hace que el fluido que fluye por dichos canales se acelere a medida que fluye a través de dicho estrechamiento; introducir una componente rotacional en dicho flujo de fluido mediante dichos álabes;

enviar un flujo de gas a una pluralidad de orificios dispuestos dentro de dicho estrechamiento de aceleración de flujo de al menos algunos de dichos canales; en el que se hace que dicho flujo de gas sea extraído de dicha fuente de gas a través de dichos orificios por una presión reducida en dicho estrechamiento de aceleración de flujo causada por dicho incremento de caudal, para que sea arrastrado en dicho flujo de fluido.