Sistemas de lecho fluidificado y métodos que incluyen flujo secundario de gas.

Un sistema de fluidización de nanopolvos o nanoaglomerados, que comprende:

a . una cámara de fluidización;

b . una fuente de un medio de fluidización que comunica con la cámara de fluidización, siendo dirigido elmedio de fluidización en una dirección hacia arriba respecto a la cámara de fluidización;

c . al menos una boquilla microchorro para suministrar un flujo de gas secundario a la cámara defluidización, teniendo la al menos una boquilla micro-chorro un diámetro de entre unas 100 μm y 500 μm;en el que el flujo de gas secundario es eficaz para mejorar el rendimiento de fluidización de nanopolvos onanoaglomerados.

Sistemas de lecho fluidificado y métodos que incluyen flujo secundario de gas ANTECEDENTES

Campo técnico

Se proporcionan un método y un sistema para la fluidización de partículas, especialmente aglomerados de nanopartículas y/o nanopolvos, en los que un medio de fluidización (por ejemplo, un gas de fluidización) se dirige en una primera dirección y un flujo de chorro opuesto se introduce en la cámara. El flujo de chorro opuesto es eficaz para mejorar el comportamiento de fluidización del sistema divulgado, incluso si el flujo opuesto se reduce y/o se suspende en un punto en el tiempo después de que se consiguen los parámetros deseados de fluidización. En los sistemas de fluidización que incluyen aglomerados de nanopartículas, el flujo de chorro no debe ser necesariamente opuesto al flujo del medio de fluidización para proporcionar resultados mejorados, aunque si se desea la fluidización de todo el polvo contenido en la cámara, se requiere un flujo de chorro dirigido en sentido opuesto.

Antecedentes de la técnica [0002] Se encuentran frecuentemente retos en los sistemas de fluidización, en particular en sistemas que incluyen pequeñas partículas. De hecho, el tamaño pequeño y el gran área superficial de las nanopartículas y nanopolvos aumentan las fuerzas de cohesión, tales como fuerzas de van der Waals, actuando en y entre las nanopartículas individuales y nanoaglomerados. Debido a estas fuerzas entre partículas, se forman frecuentemente aglomerados de varios tamaños y formas en las cámaras de fluidización. La presencia de tales aglomerados limita significativamente la eficacia de las técnicas convencionales de fluidización respecto a los sistemas de nanopartículas y/o nanopolvos.

En base al sistema de clasificación Geldart, los polvos que tienen un tamaño de partícula de menos de unas 20-30 micras (en lo sucesivo μm) se definen como polvos Geldart Grupo C. Los polvos Geldart Grupo C también se conocen como polvos finos cohesivos. Las nanopartículas se definen generalmente como partículas que tienen dimensiones en escala de nanómetros. En la mayoría de los casos, las nanopartículas se definen como aquéllas que tienen dimensiones de menos de unos 100 nm. El interés en el área de la fluidificación de nanopartículas se ha incrementado debido a los usos y el potencial crecientes de las nanopartículas.

Muchos métodos de mejora de fluidización por alteración de las fuerzas entre partículas se discuten en la literatura. Lu et al. separan estas ayudas de fluidización para las partículas Geldart Grupo C en métodos externos (es decir, métodos que vencen las fuerzas entre partículas utilizando una fuerza externa) y los métodos intrínsecos (es decir, métodos en los que disminuyen las fuerzas entre las partículas por cambios en las condiciones próximas a las partículas) . [Lu, Xuesong, Hongzhong Li, "Fluidization of CaCO3"]. Las ayudas de fluidización incluyen acondicionadores de flujo, vibraciones mecánicas, fluidización asistida por sonido, fluidización con campos magnéticos/eléctricos, fluidización pulsada y fluidización centrífuga. [Yang, Wen-Ching. "Fluidization of Fine Cohesive Powders and Nanoparticles - A Review, " Journal of the Chinese Institute of Chemical Engineers, 36 (1) , 1, (2005) .] Los acondicionadores de flujo pueden incluir aditivos, por ejemplo, un agente surfactante anti-estático. [Hakim, L.F., J.L. Portman, M.D. Casper, A.W. Weimer, "Aggregation Behavior of Nanoparticles in Fluidized Beds, " Powder Technology, 160, 153, (2005) .]

La Solicitud de Patente US 2006/0086834 de Pfeffer et al. enseña que "al acoplar el flujo de un gas fluidizante con una o más fuerzas externas, el efecto combinado es ventajosamente suficiente para fluidizar de forma fiable y eficaz la cámara o el lecho de polvos de tamaño nanométrico". [Solicitud de Patente U.S. 2006/0086834 en [0024]]. Pfeffer et al. describe que las fuerzas externas incluyen: " magnética, acústica, centrífuga/rotación y/o fuerzas de excitación por vibración " [Véase, también, Yang, Wen-Ching. "Fluidization of Fine Cohesive Powders and Nanoparticles – A Review, " Journal of the Chinese Institute of Chemical Engineers, 36 (1) , X, (2005) .]

La fluidización asistida por sonido se esquematiza por Zhu et al. como un método para mejorar la fluidización. [Zhu, Chao, Guangliang Liu, Qun Yu, Robert Pfeffer, Rajesh N. Dave, Caroline H. Nam, "Sound assisted fluidization of nanoparticle agglomerates, " Powder Technology, 141, 119 (2004) ]. Además, Martens describe la reducción del tamaño medio de las partículas o aglomerados en suspensión en un fluido mediante la combinación con un segundo fluido que incluye un compuesto metálico y haciendo fluir el fluido combinado a través de uno o más campos magnéticos. [Solicitud de Patente U.S. 2005/0127214 a Martens, publicada en 16 Junio 2005.]

Alfredson y Doig describen un método para aumentar la fluidización de las partículas que tienen diámetros de menos de aproximadamente 50 μm mediante pulsos de fluidización. [Alfredson, P.G., I.D. Doig. "A Study of Pulsed Fluidization of Fine Powders, " Chemeca ’70, 117, (1970) .]. Según Alfredson et al., se demostró que proporcionando el medio de fluidización en una serie de pulsos se superan la canalización y el deficiente contacto de gas-sólido de las partículas finas.

Estudios de la Universidad Monash de Akhavan y Rodes analizan la fluidización pulsada de polvos cohesivos que implica variación de la velocidad del medio de fluidización como una función del tiempo. [http://users.monash.edu.au/~rhodes/projects.htm#2en 22 Agosto, 2006.]. Los estudios de Akhavan et al. sugieren oscilar una porción del flujo de fluido mediante el suministro de un flujo constante y un flujo pulsado en una caja de aire de un lecho fluidizado. Akhavan sugiere que "esta nueva estructura de lecho se puede mantener durante un período considerable de tiempo después de que la pulsación se detiene." [http://www.eng.monash.edu.au/chemeng/seminars/akhavan%20_25may-06.pdf#search=%22ali% 20akhavan%2C%20pulsed%22 en 22 Agosto 2006 .]

La Patente US. 6.685.886 a Bisgrove et al. enseña utilizar un sistema de suministro de fluidización en combinación con un sistema de agitación y una pistola de pulverización para suministrar un fluido a través de un conducto a partículas que descansan sobre una pantalla. Bisgrove et al. describen pistolas de pulverización configuradas para forzar las partículas hacia abajo en la cámara de expansión para promover el crecimiento de las partículas. Bisgrove et al. afirman que "la pistola rociadora 74 continúa rociando la solución hasta que las partículas P han sido ampliadas al tamaño deseado de revestimientos o aglomeración. En ese punto, la pistola de pulverización 74 se apaga ... el sistema de agitación 12 continúa agitando las partículas P en el lecho 22 de la cámara de producto 14 para evitar que se produzcan aglomeraciones indeseadas ".

La Patente US 4, 007, 969 a Aubin et al. Aubin et al. describe un dispositivo para la fluidización y la difusión de un polvo en una suspensión de gas. Aubin et al. describen que "el gas a presión, que transporta un polvo hecho de una mezcla de partículas, granos y aglomerados, se alimenta desde un elemento distribuidor (no mostrado) , situado aguas arriba del conducto de entrada 10. "Aubin et al. Además describen que "[este paso de fluidización resulta tanto de la interacción de los dos chorros portadores de gas en el extremo de las boquillas 22, 24, como de la forma esférica de la cámara 20." [Col. 2, líneas 35-39.] Aubin et al. afirman que su sistema descrito es capaz de "extender su rango de utilización a polvos muy finos, de un tamaño de grano de aproximadamente 1 micra o menos."

En la Solicitud de Patente US2005/0127214, Marten et al. describen un método para reducir el tamaño medio de partículas de compuestos o aglomerados metálicos en suspensión en un fluido. El sistema de Marten et al. implica hacer fluir un fluido con partículas de compuestos o aglomerados metálicos en suspensión a través de un campo magnético para reducir el tamaño medio de una porción sustancial de las partículas de compuestos o aglomerados metálicos por lo menos 25%.

En la Solicitud de Patente US2005/0274833, Yadav, et al. describen un sistema para reducir aglomerados a partículas a través de "fuerzas de cizallamiento, u otro tipo de tensiones, " por ejemplo, "un molino de bolas, molino de chorro o, u otros tipos de molino, o sonicación, o por impacto de partículas en alguna superficie." Yadav et al lo describen además utilizar una temperatura elevada, en combinación con un catalizador, tal como un disolvente, para reducir el tamaño del aglomerado [0013] La patente US 4.261.521... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de fluidización de nanopolvos o nanoaglomerados, que comprende:

a . una cámara de fluidización;

b . una fuente de un medio de fluidización que comunica con la cámara de fluidización, siendo dirigido el medio de fluidización en una dirección hacia arriba respecto a la cámara de fluidización;

c . al menos una boquilla microchorro para suministrar un flujo de gas secundario a la cámara de fluidización, teniendo la al menos una boquilla micro-chorro un diámetro de entre unas 100 μm y 500 μm;

en el que el flujo de gas secundario es eficaz para mejorar el rendimiento de fluidización de nanopolvos o nanoaglomerados.

2. El sistema según la reivindicación 1, en donde la cámara de fluidización incluye al menos un deflector.

3. El sistema según la reivindicación 1, en donde el medio fluidificante se suministra a través de un distribuidor de gas poroso.

4. El sistema según la reivindicación 1, en donde el gas suministrado a la al menos una boquilla micro-chorro está sometido a una presión aguas arriba de aproximadamente 1 psi a 500 psi (unos 6.89 a 3447 kPa) ..

5. El sistema según la reivindicación 1, en donde entre aproximadamente 1 a 50% del flujo de gas a la cámara de fluidización está dirigido hacia la al menos una boquilla de micro-chorro.

6. El sistema según la reivindicación 1, en donde el flujo de gas a través de la al menos una boquilla de micro-chorro sale de la al menos una boquilla micro-chorro a una velocidad en el intervalo de 100 m/s a unos 5000 velocidad m/s, y la velocidad de flujo del medio fluidificante es de hasta 0.1 m/s.

7. El sistema según la reivindicación 1, en donde el flujo de gas a través de la al menos una boquilla micro-chorro es eficaz para aumentar la altura de lecho dentro de la cámara de fluidización en (i) al menos un factor de dos (2) respecto al rendimiento de la fluidización convencional, o en (ii) hasta diez (10) veces respecto al rendimiento de fluidización convencional, o (iii) ambos.

8. El sistema según la reivindicación 1, en donde el flujo de gas a través de la al menos una boquilla micro-chorro puede ser detenido después de conseguir la fluidización sin pérdida sustancial de expansión del lecho.

9. El sistema según la reivindicación 1, en donde el flujo de gas a través del al menos un micro-chorro es eficaz para modificar el comportamiento de un volumen de nanopolvo o nanoaglomerado de un comportamiento de fluidización burbujeante (ABF) de aglomerado a un comportamiento de fluidización particulada (APF) de aglomerado.

10. El sistema según la reivindicación 1, en donde una pluralidad de boquillas micro-chorro son posicionadas en y dirigidas hacia abajo respecto a la cámara de la fluidización.

11. Un método de fluidización de nanopolvos o nanoaglomerados, que comprende:

a . introducir nanopolvos o nanoaglomerados en una cámara de fluidización;

b . suministrar un medio fluidificante a la cámara de fluidización, siendo dirigido el medio fluidificante n una dirección hacia arriba respecto a la cámara de fluidización;

c . suministrar un flujo de gas secundario a la cámara de fluidización, siendo introducido el flujo de gas secundario a la cámara de fluidización por al menos una boquilla micro-chorro con un diámetro entre unas 100 μm y 500 μm;

en el que el medio fluidificante y el flujo de gas secundario son eficaces para fluidificar los nanopolvos o nanoaglomerados a un nivel predeterminado.

12. El método según la reivindicación 11, en donde el medio fluidificante es introducido a través de un distribuidor poroso.

13. El método según la reivindicación 11, en donde entre aproximadamente 1 a 50% del flujo de gas a la cámara de fluidización está dirigido hacia la al menos una boquilla de micro-chorro.

14. El método según la reivindicación 11, en donde el nivel predeterminado constituye una altura de lecho aumentada dentro de la cámara de fluidización en (i) al menos un factor de dos (2) respecto al rendimiento de la

fluidización convencional, o en (ii) hasta diez (10) veces respecto al rendimiento de fluidización convencional, o (iii) ambos.

15. El método según la reivindicación 11, que comprende además la interrupción del flujo de gas a través de la al menos una boquilla micro-chorro después de conseguir la fluidización al nivel predeterminado sin pérdida sustancial de expansión del lecho.

16. El método según la reivindicación 11 en donde los nanopolvos o nanoaglomerados comprenden un primer nanopolvo o nanoaglomerado y un segundo nanopolvo o nanoaglomerado y el medio de fluidización y el flujo de gas secundario son eficaces para mezclar de forma sustancialmente uniforme el primer y el segundo nanopolvos o nanoaglomerados a escala nanométrica .