Equipo y método para mezclar produciendo cizalla y cavitación en un líquido.

Un equipo (20) para mezclado produciendo cizalla y cavitación en un líquido,

comprendiendo dicho equipo (20):una cámara (22) de mezclado, comprendiendo dicha cámara de mezclado un acceso (24), al menos unaentrada (26) y una salida (28); y

un elemento (30) provisto de un orificio (32), estando ubicado dicho elemento (30) adyacente al acceso (24) dedicha cámara de mezclado, en donde dicho elemento (30) comprende partes que rodean dicho orificio (32), y almenos alguna de dichas partes que rodean dicho orificio (32) tienen una dureza Vickers mayor o igual a20 GPa; y caracterizado por que dicho equipo además comprende una hoja (60) que puede vibrar en dichacámara de mezclado dispuesta en oposición al elemento (30) provisto de un orificio (32), teniendo dicha hoja(60) un borde anterior (64), en donde el borde anterior (64) de dicha hoja (60) tiene una dureza Vickers mayor oigual a 20 GPa.

Equipo y método para mezclar produciendo cizalla y cavitación en un líquido

Campo de la invención La presente invención se dirige a un equipo y método para mezclado mediante cizalla y cavitación.

Antecedentes de la invención La cavitación se refiere al proceso de formar un vacío parcial en el interior de un espacio no lleno en un líquido. Esto se puede llevar a cabo de diferentes maneras, como mediante el uso de un cuerpo sólido que se mueve rápidamente (como una hélice) , hidrodinámicamente, o mediante ondas sónicas de alta frecuencia.

Los equipos y métodos para producir cavitación se han descrito en las patentes US-3.399.031; US-4.675.194; US5.026.167; y US-5.837.272. Un equipo concreto para producir cavitación hidrodinámica se conoce como el homogeneizador de alta presión SONOLATOR®, fabricado por Sonic Corp. de Stratford, CT, EE. UU. El homogeneizador de alta presión SONOLATOR® dirige líquido presurizado a través de un orificio hasta el interior de una cámara con una hoja en forma de cuchilla en su interior. El líquido se dirige a la hoja, y la acción del líquido sobre la hoja hace que la hoja vibre en frecuencias sónicas o ultrasónicas. Esto produce cavitación hidrodinámica en el líquido en el área que rodea la hoja.

El homogeneizador de alta presión SONOLATOR® se ha utilizado durante muchos años, y se ha usado en un sistema en línea, de alimentación simple o múltiple, para crear de forma instantánea emulsiones, dispersiones y mezclas finas, uniformes y estables en las industrias química, de la higiene personal, farmacéutica, y de alimentos y bebidas.

En WO99/44413A1 se refiere a un homogeneizador para homogeneizar pequeñas cantidades de un líquido, como leche, especialmente leche para usar en equipo de control de la calidad en leche. El homogeneizador tiene al menos un paso restringido situado en una pared de una cámara. El paso restringido está formado por dos piedras que tienen un movimiento relativo.

En US-2006/0109738A1 se refiere a un dispositivo de dispersión para dispersar, homogeneizar y mezclar fluidamente sistemas multicomponentes y para dispersar, homogeneizar, mezclar y micronizar sólidos. El dispositivo incluye un cuerpo de boquilla, dos conjuntos de boquillas de entrada y dos conjuntos de boquillas de salida que están alojadas en el cuerpo de boquilla.

Se ha descubierto, sin embargo, que aunque un homogeneizador de alta presión funciona bien a determinadas presiones, el uso de un equipo de ese tipo está limitado por encima de determinadas presiones (p. ej., mayores o iguales a 7 x 106 Pascales (1000 psi) ) , especialmente cuando funciona continuamente a dicha presión. El uso limitado se debe al elevado desgaste y corrosión de la hoja. El desgaste de la hoja se puede producir incluso a una presión inferior a 7 x 106 Pascales (1000 psi) (por ejemplo, a una presión mayor o igual a aproximadamente 3, 4 x 106 Pascales (500 psi) ) en periodos de tiempo más cortos si el líquido contiene sólidos, especialmente cristales sólidos. Además del desgaste de la hoja, el fluido presurizado puede causar tanto erosión como corrosión en el orificio, deteriorando así adicionalmente el rendimiento global del equipo.

La búsqueda de equipos y métodos mejorados para mezclado produciendo cizalla y cavitación, y de componentes para dichos equipos, sin embargo, ha continuado. En particular, es deseable que se desarrollen equipos y métodos mejorados para mezclado produciendo cizalla y cavitación que superen los problemas anteriormente mencionados. La investigación ha conducido al desarrollo de hojas vibratorias para aquellos aparatos que utilizan hojas que tengan características mejoradas de vibración.

Sumario de la invención La presente invención se dirige a un equipo y método para mezclado produciendo cizalla y cavitación, y a componentes para el equipo. Hay numerosas realizaciones no limitativas de la presente invención.

En una realización no limitativa, se describe un equipo para mezclado produciendo cizalla y cavitación. El equipo comprende, como componentes básicos: una cámara de mezclado y/o cavitación que tiene un acceso, al menos una entrada, y una salida; y un elemento provisto con un orificio ubicado adyacente de la entrada de la cámara de mezclado y cavitación. El elemento provisto de orificio comprende partes que rodean el orificio, y al menos parte de las partes que rodean el orificio pueden estar formadas por al menos un material que tiene una dureza que es superior a la de al menos uno de: la dureza de carburo de tungsteno cementado, o una dureza Vickers mayor o igual a aproximadamente 20 GPa. Las partes que rodean el orificio pueden tener, por ejemplo, una dureza Vickers entre aproximadamente 20 y aproximadamente 100 o más GPa, o de forma alternativa entre aproximadamente 30 y aproximadamente 95 GPa, o de forma alternativa entre aproximadamente 60 y aproximadamente 95 GPa, u otro intervalo más estrecho comprendido entre dichos intervalos. Por comodidad de uso, el nivel o dureza y los intervalos comprendidos en este párrafo se pueden denominar como “los intervalos de dureza”. El equipo además comprende al menos una hoja dispuesta en la cámara de mezclado y cavitación opuesta al elemento provisto de un orificio. La hoja, o al menos el borde anterior de la hoja puede estar formado por al menos un material que tenga una dureza Vickers en los intervalos de dureza anteriormente especificados.

Breve descripción de los dibujos La siguiente descripción detallada resultará más clara a partir de los dibujos, en los que:

La Fig. 1 es una vista en sección transversal parcialmente fragmentada de una realización de un equipo para mezclado produciendo cizalla y cavitación.

La Fig. 2 es una vista en perspectiva ampliada de una realización de un elemento provisto de un orificio para usar en el equipo mostrado en la figura Fig. 1.

La Fig. 3 es una sección transversal del elemento mostrado en la Fig. 2 tomada a lo largo de la línea 3-3 de la Fig. 2.

La Fig. 4 es una vista en perspectiva ampliada de una realización de una hoja para usar en el equipo mostrado en la figura Fig. 1.

La Fig. 5 es una vista en sección transversal fragmentada esquemática simplificada tomada desde un ángulo similar al de la Fig. 3 que muestra un componente de orificio que comprende un composite o materiales diferentes.

La Fig. 6 es una vista en sección transversal simplificada de una hoja mostrada en un soporte parcialmente fragmentado para la misma, en donde la hoja comprende un composite o materiales diferentes.

La Fig. 6A es una vista en sección transversal simplificada similar a la Fig. 6 que muestra otra realización de una hoja que comprende un composite o materiales diferentes.

La Fig. 7 es una gráfica tridimensional que muestra la frecuencia de resonancia de una hoja de diamante en función del espesor y la longitud de la hoja.

La Fig. 8 es una gráfica tridimensional que muestra la frecuencia de resonancia de una hoja de diamante en función del espesor y relación dimensional (longitud/anchura) de la hoja.

La Fig. 9 es el diagrama de fases ternario B-C-N (boro-carbono-nitrógeno) .

Las realizaciones mostradas en los dibujos son ilustrativas y no están previstas como limitativas de la invención definida por las reivindicaciones. Además, las características individuales de los dibujos y la invención serán más evidentes y mejor comprendidas a la vista de la descripción detallada.

Descripción detallada La presente invención se dirige a un equipo según la reivindicación 1 y un método según la reivindicación 14 para mezclado produciendo cizalla y cavitación, y a componentes para el equipo. Debe entenderse que, en algunas realizaciones, la capacidad del equipo y del método para inducir cizalladura no solo es útil para el mezclado, sino también útil para la dispersión de partículas sólidas en líquidos, y para la rotura de partículas sólidas. En algunas realizaciones, la capacidad del equipo y del método para inducir cizalla y producir cavitación puede ser también útil para la formación de gotículas y/o vesículas.

La Fig. 1 muestra una realización no limitativa de un equipo 20 para mezclado produciendo cizalla y cavitación. Como se muestra en la Fig. 1, el equipo 20 comprende: una cámara 22 de mezclado y cavitación que comprende un acceso 24, al menos una entrada 26 y una salida 28; y un elemento o estructura 30 tal como un componente de orificio provisto de un orificio 32. El elemento 30 está ubicado adyacente al acceso 24 de la cámara 22 de mezclado y cavitación. El equipo 20 puede también comprender una hoja 60, tal como una hoja en forma de cuchilla, dispuesta en la cámara 22 de mezclado... [Seguir leyendo]

1. Un equipo (20) para mezclado produciendo cizalla y cavitación en un líquido, comprendiendo dicho equipo (20) :

una cámara (22) de mezclado, comprendiendo dicha cámara de mezclado un acceso (24) , al menos una entrada (26) y una salida (28) ; y

un elemento (30) provisto de un orificio (32) , estando ubicado dicho elemento (30) adyacente al acceso (24) de dicha cámara de mezclado, en donde dicho elemento (30) comprende partes que rodean dicho orificio (32) , y al menos alguna de dichas partes que rodean dicho orificio (32) tienen una dureza Vickers mayor o igual a 20 GPa; y caracterizado por que dicho equipo además comprende una hoja (60) que puede vibrar en dicha cámara de mezclado dispuesta en oposición al elemento (30) provisto de un orificio (32) , teniendo dicha hoja (60) un borde anterior (64) , en donde el borde anterior (64) de dicha hoja (60) tiene una dureza Vickers mayor o igual a 20 GPa.

2. El equipo (20) de la reivindicación 1, en el que dicha al menos alguna de dichas partes que rodean dicho orificio (32) tienen una dureza Vickers de entre 20 GPa y 100 GPa, más preferiblemente entre 30 GPa y 95 GPa, con máxima preferencia entre 60 GPa y 95 GPa.

3. El equipo (20) de la reivindicación 1, en el que al menos alguna de dichas partes que rodean dicho orificio (32) están al menos parcialmente comprendidas por uno o más de los siguientes materiales: nitruro de silicio, nitruro de titanio, óxido de aluminio, carburo de silicio, carburo de titanio, carburo de boro, diboruro de titanio, óxido de boro, diboruro de renio, nitruro de boro cúbico, BC2N cúbico, carbono tipo diamante, diamante, composites de diamante y nitruro de boro cúbico, y recubrimientos de cualquiera de estos materiales, incluyendo materiales recubiertos de diamante y carbono tipo diamante

4. El equipo (20) de la reivindicación 3, en el que dicha al menos alguna de dichas partes que rodean dicho orificio

(32) comprende un recubrimiento de diamante, preferiblemente una estructura de diamante en bruto.

5. El equipo (20) de la reivindicación 1, en el que el borde anterior (64) de dicha hoja (60) tiene una dureza Vickers de entre 20 GPa y 100 GPa, más preferiblemente entre 30 GPa y 95 GPa, con máxima preferencia entre 60 GPa y 95 GPa.

6. El equipo (20) de la reivindicación 1, en el que dicho borde anterior (64) de dicha hoja (60) comprende uno o más de los siguientes materiales: nitruro de silicio, nitruro de titanio, óxido de aluminio, carburo de silicio, carburo de titanio, carburo de boro, diboruro de titanio, óxido de boro, diboruro de renio, nitruro de boro cúbico, BC2N cúbico, carbono tipo diamante, diamante, composites de diamante y nitruro de boro cúbico, y recubrimientos de cualquiera de estos materiales, incluyendo materiales recubiertos de diamante y carbono tipo diamante

7. El equipo (20) de la reivindicación 6, en el que dicho borde anterior (64) de dicha hoja (60) comprende un recubrimiento de diamante, preferiblemente una estructura de diamante en bruto.

8. El equipo (20) de la reivindicación 1, en el que dicha totalidad de la hoja (60) comprende una estructura de diamante en bruto.

9. El equipo (20) de la reivindicación 1, en el que dicha hoja (60) comprende un material que tiene un módulo elástico mayor o igual a 700 GPa.

10. El equipo (20) de la reivindicación 1, en el que dicha hoja (60) comprende al menos un material que tiene una densidad inferior o igual a 12 g/cm3.

11. El equipo (20) de la reivindicación 1, en el que dicha hoja (60) comprende al menos un material que tiene una predicción de velocidad acústica mayor o igual a 7, 640 m/s.

12. El equipo (20) de la reivindicación 1, en el que dicha hoja experimenta vibraciones armónicas a una frecuencia de 15 kHz a 100 kHz, preferiblemente de 20 kHz a 40 kHz.

13. El equipo (20) de la reivindicación 1, en el que dicho orificio (32) tiene forma de ranura.

14. Un proceso para producir cizalla y cavitación en un líquido, comprendiendo dicho proceso:

obtener un equipo (20) con una cámara (22) de cavitación, comprendiendo dicha cámara (22) de cavitación un acceso (24) , al menos una entrada (26) y una salida (27) ; y un elemento (30) provisto de un orificio (32) , estando ubicado dicho elemento (30) adyacente al acceso (24) de dicha cámara (22) de cavitación, en donde dicho elemento (30) comprende partes que rodean dicho orificio (32) , y al menos alguna de dichas partes que rodean dicho orificio (32) están provistas de una dureza Vickers mayor o igual a 20 GPa; e introducir un líquido en el acceso (24) a dicha cámara (22) de cavitación de forma que dicho líquido atraviese el

orificio (32) en dicho elemento (30) , en el que dicho orificio (32) permite que dicho líquido pase a su través bajo presión, y dicho orificio (32) está configurado, tanto individualmente, como junto con algún otro componente, para producir turbulencia y cizalla en dicho líquido, y en el que dicho equipo además comprende una hoja (60) que puede vibrar dispuesta en oposición al elemento (30) provisto de un orificio (32) , teniendo dicha hoja (60) un borde anterior (64) , en el que el borde anterior (64) de dicha hoja (60) está provisto de una dureza Vickers mayor o igual a 20 GPa, y el proceso incluye una etapa de conformar dicho líquido en una corriente a presión y hacer incidir dicha corriente a presión sobre dicha hoja (60) que puede vibrar con fuerza suficiente para inducir a dicha hoja (60) a vibrar con una intensidad suficiente para generar cavitación en dicho líquido.

15. Un proceso según las reivindicaciones 23 ó 24, en el que dicha presión es mayor o igual a 7x106 Pascales 15 (1000 psi) .

16. Un proceso según las reivindicaciones 24 ó 32, en el que dicha hoja (60) vibra a una frecuencia ultrasónica, preferiblemente de 15 kHz a 100 kHz.