Aparato de dispersión de gas para la transferencia de masa gas - líquido mejorada.

Un método para el tratamiento de agua, comprendiendo el método:

(a) dirigir una corriente de agua a través de un conducto de pretratamiento;

(b) introducir la corriente de agua del conducto de pretratamiento dentro de una sección de expansión que incluye un extremo de aguas arriba que tiene una primera superficie de sección transversal y un extremo de aguas abajo que tiene una segunda superficie de sección transversal, estando conectado el extremo de aguas arriba al conducto de pretratamiento y siendo la segunda superficie de sección transversal mayor que la primera superficie de sección transversal;

(c) proporcionar una corriente de gas que contiene gas de ozono;

(d) introducir la corriente de gas en la sección de expansión en al menos un punto de inyección mientras la corriente de agua está fluyendo a través de la sección de expansión, lo que produce una corriente de fase mixta gas - líquido que comprende gas de ozono y agua en el extremo de aguas abajo; y

(e) hacer pasar la corriente de fase mixta a través de un monolito en una sección que tiene un superficie más grande que la sección transversal del conducto de pretratamiento y que está conectada al extremo de aguas abajo de la sección de expansión, lo que produce un producto de reacción en el que al menos una parte del gas de ozono está disuelto en el agua

en el que la sección de expansión disminuye la velocidad del agua que entra en la sección que contiene el monolito, y

en el que la etapa (d) comprende:

desviar una porción del agua de la corriente de agua en el conducto de pretratamiento en al menos un conducto de corriente lateral para formar al menos una corriente lateral, introducir la corriente de gas en la al menos una corriente lateral para formar una mezcla de gas - líquido, e inyectar la mezcla de gas - líquido en la sección de expansión en al menos un punto de inyección; o

introducir la corriente de gas en la sección de expansión en al menos un punto de inyección, comprendiendo el al menos un punto de inyección un difusor de gas.

Aparato de dispersión de gas para la transferencia de masa gas - líquido mejorada ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN El ozono es un poderoso desinfectante y se utiliza para oxidar los contaminantes orgánicos del agua potable, incluyendo los compuestos de origen natural que producen el sabor y mal olor. El ozono también se utiliza en el efluente del tratamiento secundario de las aguas residuales para eliminar las trazas de los contaminantes orgánicos y compuestos disruptores endocrinos (EDC) del agua antes de su reutilización como agua potable indirecta o su descarga a un cuerpo de agua. Los EDC se puede encontrar, por ejemplo, en residuos farmacéuticos, pesticidas y herbicidas, y muchos ingredientes de productos de cuidado personal. Esta aplicación de ozono para el tratamiento terciario de las aguas residuales está aumentando más rápidamente que los otros usos del ozono debido a la escasez de agua y las preocupaciones sobre el impacto de los EDC en la vida acuática. En la mayoría de las aplicaciones que implican el tratamiento de agua potable o de aguas residuales municipales antes de su eliminación en ríos y lagos, la dosis típica de ozono está en el rango de 3 mg de ozono por litro de agua a 5 mg /l. El caudal de agua en estas aplicaciones depende de la población a la que sirve y es habitualmente de aproximadamente 700 m3 / h o mayor. La dosis de ozono para el tratamiento de aguas residuales industriales y para aplicaciones especializadas tales como la eliminación de color se encuentra en el rango de 10 mg / l a varios cientos de mg / l pero el caudal de agua es menor a aproximadamente 150 m3 / h, o menos.

Para los contaminantes orgánicos sintéticos tales como MTBE, TCE, 1, 4 dioxano, etc., que se encuentran típicamente en los sitios de agua subterránea contaminada con productos químicos, se utiliza un proceso de "oxidación avanzada" en el tratamiento del agua. El proceso de oxidación avanzada combina peróxido de hidrógeno con ozono disuelto en agua para producir radicales hidroxilo altamente reactivos que oxidan los contaminantes orgánicos recalcitrantes. Los radicales hidroxilo son producidos por la reacción entre el ozono y el peróxido de hidrógeno o un catalizador en la fase acuosa. El proceso de oxidación avanzada se utiliza para tratar el agua de procesos industriales para su reutilización en la planta, o antes de la descarga del efluente contaminado a las alcantarillas municipales o al medio ambiente.

El gas de ozono se produce comúnmente en un generador basado en la descarga de corona de aire o de oxígeno de alta pureza. La concentración típica del ozono en fase gaseosa varía del 3% al 14%, dependiendo de la potencia del generador y de la concentración de oxígeno en la alimentación de gas utilizado para la generación del ozono. Los procesos de tratamiento de agua a base de ozono dependen de la transferencia de ozono desde la fase gaseosa a la fase acuosa para la oxidación de los contaminantes orgánicos. Varios procesos han sido utilizados para transferir ozono desde la fase gaseosa a la fase líquida con los propósitos de realizar el tratamiento de agua.

Todos estos procesos dependen de la creación de una mezcla o movimiento relativo en la interfase gas - líquido, y de la solubilidad del ozono en las condiciones de operación del proceso de transferencia del ozono de la fase gaseosa a la fase líquida. Los criterios clave para la selección de los equipos incluyen la energía consumida durante la operación, la tasa de dosificación de ozono deseada, el costo y el tamaño de los equipos, y la eficiencia de la transferencia de masa del ozono. La eficiencia de la transferencia de masa del ozono se define como el porcentaje del gas de ozono que se introduce durante el proceso que se disuelve en la fase acuosa. Para aumentar la cantidad de ozono transferido y por lo tanto la eficiencia de la transferencia de masa de ozono, es deseable utilizar ozono a alta concentración de aproximadamente el 8% o superior (en peso) a una presión de operación superior a la presión atmosférica. La alta concentración de ozono reduce la cantidad de gas que tiene que ser manejado en el aparato de mezcla de gas - líquido y aumenta la solubilidad del ozono en el agua. La operación del proceso a presión superior a la atmosférica también aumenta la solubilidad del ozono en el agua. El efecto combinado de la alta concentración de ozono y mayor presión de operación es de una fuerza impulsora de la transferencia de masa de gas aumentada, lo que mejora la eficiencia de la transferencia de masa de ozono. El ozono residual en la corriente de gas efluente del proceso representa la energía que se desperdicia en el generador de ozono y produce un aumento de los costes de oxígeno. La corriente de gas efluente tiene que ser pasada a través de una unidad de destrucción de ozono con el fin de eliminar el ozono sin disolver antes de descargar el gas de manera segura a la atmósfera.

Los generadores de ozono comerciales normalmente producen ozono a una presión de gas de 15 psig a 30 psig (100 kPa a 210 kPa) . A presiones más altas, la eficiencia energética y la capacidad de generación de los generadores de descarga de corona se reducen, por lo que es más caro producir ozono a presiones mayores de 15 psig (100 kPa) . Esto limita la fuente de gas de ozono económica a 15 psig (100 kPa) . Para aprovechar la mejor eficiencia de transferencia de masa a alta presión de gas, un proceso basado en un eductor Venturi es favorecido sobre otros métodos que operan en o ligeramente por encima de la presión atmosférica. Sin embargo, el eductor Venturi por sí mismo proporciona una baja disolución del ozono desde la fase de gas a agua. La transferencia de masa se produce sobre todo en la sección de garganta en la que el gas es aspirado por la corriente de agua motriz. Aguas abajo del eductor, la mezcla es ineficiente y proporciona solamente una transferencia limitada de masa adicional. Para mejorar la disolución de ozono aguas abajo del eductor, se utilizan mezcladores estáticos. El mezclador estático requiere altas velocidades de fluido que pasa a través del mismo con el fin de mezclar el gas en el agua para la transferencia del ozono. La velocidad mínima requerida es específica para el mezclador estático y produce una gran pérdida de presión a través del mezclador, aumentando así los requisitos de energía del proceso.

Un proceso conocido para la transferencia de ozono desde la fase gaseosa a la fase líquida para los fines de tratamiento de agua es un reactor de columna de burbujas o de cubeta, que comprende una gran columna o cubeta y difusores de gas situados en la parte inferior de la columna o cubeta. En algunas realizaciones, los difusores de gas pueden estar situados por debajo de aproximadamente 15 a 20 pies (4, 6 a 6, 1 metros) de agua. La columna o cubeta se llena continuamente con agua contaminada y el gas de ozono se introduce a través de los difusores de gas. Unas pequeñas burbujas de gas de ozono suben a través del agua en la columna o cubeta, lo cual proporciona la mezcla y la turbulencia del agua en la cubeta y promueve la disolución del ozono dentro del agua (también denominada en la presente memoria descriptiva como "transferencia de ozono") . La eficiencia de la transferencia de ozono puede ser mejorada mediante la captura y la recirculación del ozono no disuelto desde la parte superior de la columna o de la cubeta y / o haciendo pasar el ozono a través de una serie de columnas o pozos utilizando deflectores. Dependiendo de la dosis de ozono y del diseño de la cubeta, en algunas realizaciones se utilizan una o dos secciones de la cubeta para la aspersión del gas y las secciones restantes se utilizan para lograr la eliminación del gas disuelto y el tiempo de contacto (CT) deseado de ozono con el agua. El agua tratada se retira de la cubeta después de que se haya alcanzado el CT deseado.

El proceso de contactor de cubeta opera dentro de un rango estrecho de caudales totales de gas con el fin de lograr un buen mezclado y transferencia de masa en la cubeta. Si se reduce el caudal total de gas, las burbujas de gas ascienden a través de la columna de agua sin mezcla o turbulencia significativa en el agua. Esto reduce la eficiencia de la transferencia de masa de ozono en el contactor. Puesto que la generación de gas de ozono es el principal costo del proceso, la eficiencia reducida de la transferencia de masa de ozono en el contactor hace que el proceso sea menos económico. La falta de una mezcla adecuada debido al flujo de gas reducido también conduce a una distribución no uniforme del ozono en la cubeta, y podría reducir el CT por debajo de lo requerido por las normas de desinfección de agua pertinentes. Para superar estos problemas, el caudal total de gas se mantiene constante reduciendo la concentración... [Seguir leyendo]

1. Un método para el tratamiento de agua, comprendiendo el método:

(a) dirigir una corriente de agua a través de un conducto de pretratamiento;

(b) introducir la corriente de agua del conducto de pretratamiento dentro de una sección de expansión que incluye un extremo de aguas arriba que tiene una primera superficie de sección transversal y un extremo de aguas abajo que tiene una segunda superficie de sección transversal, estando conectado el extremo de aguas arriba al conducto de pretratamiento y siendo la segunda superficie de sección transversal mayor que la primera superficie de sección transversal;

(c) proporcionar una corriente de gas que contiene gas de ozono;

(d) introducir la corriente de gas en la sección de expansión en al menos un punto de inyección mientras la corriente de agua está fluyendo a través de la sección de expansión, lo que produce una corriente de fase mixta gas - líquido que comprende gas de ozono y agua en el extremo de aguas abajo; y

(e) hacer pasar la corriente de fase mixta a través de un monolito en una sección que tiene un superficie más grande que la sección transversal del conducto de pretratamiento y que está conectada al extremo de aguas abajo de la sección de expansión, lo que produce un producto de reacción en el que al menos una parte del gas de ozono está disuelto en el agua en el que la sección de expansión disminuye la velocidad del agua que entra en la sección que contiene el monolito, y en el que la etapa (d) comprende:

desviar una porción del agua de la corriente de agua en el conducto de pretratamiento en al menos un conducto de corriente lateral para formar al menos una corriente lateral, introducir la corriente de gas en la al menos una corriente lateral para formar una mezcla de gas - líquido, e inyectar la mezcla de gas - líquido en la sección de expansión en al menos un punto de inyección; o introducir la corriente de gas en la sección de expansión en al menos un punto de inyección, comprendiendo el al menos un punto de inyección un difusor de gas.

2. El método de la reivindicación 1, en el que la etapa (d) comprende:

(i) desviar una parte del agua de la corriente de agua en el conducto de pretratamiento dentro de al menos un conducto de corriente lateral para formar al menos una corriente lateral;

(ii) introducir la corriente de gas en la al menos una corriente lateral para formar una mezcla de gas - líquido; e (iii) inyectar la mezcla de gas - líquido en la sección de expansión en el al menos un punto de inyección.

3. El método de la reivindicación 2, que comprende, además, incrementar la presión del agua en el al menos un conducto de corriente lateral a una segunda presión, teniendo la corriente de agua en el conducto de pretratamiento una primera presión, siendo la segunda presión mayor que la primera presión.

4. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 3, que comprende, además: dividir la al menos una corriente lateral en una pluralidad de corrientes laterales aguas abajo de donde la etapa (d) (ii) se ejecuta; o dividir la

al menos una corriente lateral en una pluralidad de corrientes laterales aguas arriba de donde la etapa (d) (ii) se ejecuta, en el que la etapa (d) (ii) comprende, además, introducir la corriente de gas en cada una de la pluralidad de corrientes laterales para formar una mezcla de gas - líquido en cada una de la pluralidad de corrientes laterales; y en el que la etapa (d) (iii) comprende, además, inyectar la mezcla de gas - líquido de cada una de la pluralidad de corrientes laterales dentro de la sección de expansión en un punto de inyección diferente de una pluralidad de puntos de inyección.

5. El método de la reivindicación 1, en el que la etapa (d) comprende introducir la corriente de gas en la sección de expansión en al menos un punto de inyección, comprendiendo el al menos un punto de inyección un difusor de gas.

6. Un aparato de tratamiento de agua que comprende:

un conducto de pretratamiento para suministrar una corriente de agua; una sección de expansión conectada en comunicación de flujo con el conducto de pretratamiento, comprendiendo la sección de expansión un extremo de aguas arriba que tiene una primera superficie de sección transversal y un extremo de aguas abajo que tiene una segunda superficie de sección transversal, estando conectado el extremo de aguas arriba con el conducto de pretratamiento y siendo la segunda superficie de sección transversal mayor que la primera superficie de sección transversal; un conducto de corriente de gas para suministrar una corriente de gas que contiene gas de ozono, estando el conducto de corriente de gas en comunicación de flujo con la sección de expansión en al menos un punto de 65 inyección; y 16

un monolito en una sección que tiene un superficie más grande que la sección transversal del conducto de pretratamiento y que está conectado con el extremo de aguas abajo de la sección de expansión, teniendo el monolito un extremo de salida y un extremo de entrada y estando en comunicación de flujo con el conducto de pretratamiento, teniendo el monolito una pluralidad de canales en el mismo a través de los cuales la corriente de agua y la corriente de gas se pueden desplazar, en el que la sección de expansión funciona para disminuir la velocidad del agua que entra en la sección que contiene el monolito, y en el que el aparato comprende además:

al menos conducto de corriente lateral situado aguas arriba de la sección de expansión, teniendo el al menos un conducto de corriente lateral un primer extremo que se bifurca del conducto de pretratamiento y un segundo extremo opuesto al primer extremo que está en comunicación de flujo con la sección de expansión, en el que una porción del agua de la corriente de agua en el conducto de pretratamiento es dirigida a través del al menos un conducto de corriente lateral, estando conectado el conducto de corriente de gas en comunicación de flujo con la al menos una corriente lateral en al menos una juntura; o un difusor de gas situado en la sección de expansión, estando conectado el conducto de corriente de gas en comunicación de flujo con el difusor de gas.

7. El aparato de tratamiento de agua de la reivindicación 6, que comprende, además, al menos un conducto de corriente lateral situado aguas arriba de la sección de expansión, teniendo el al menos un conducto de corriente lateral un primer extremo que se bifurca del conducto de pretratamiento y un segundo extremo opuesto el primer extremo que está en comunicación de flujo con la sección de expansión, en el que una porción del agua de la corriente de agua en el conducto de pretratamiento es dirigida a través del al menos un conducto de corriente lateral, estando conectado el conducto de corriente de gas en comunicación de flujo con la al menos una corriente lateral en al menos una juntura.

8. El aparato de tratamiento de agua de la reivindicación 7, en el que el al menos un conducto de corriente lateral se divide en una pluralidad de conductos de corriente lateral en un punto de bifurcación, en el que cada una de la 30 pluralidad de corrientes laterales termina en, y está en comunicación de flujo con, la sección de expansión en un punto de inyección respectivo de una pluralidad de puntos de inyección; y en el que el conducto de corriente de gas está en comunicación de flujo con el al menos un conducto de corriente lateral en una juntura aguas arriba del punto de bifurcación, o el conducto de corriente de gas está en comunicación de flujo con cada uno de la pluralidad de conductos de corriente lateral en una juntura diferente de una pluralidad de junturas, encontrándose cada una de la pluralidad de junturas aguas abajo del punto de bifurcación.

9. El aparato de tratamiento de agua de la reivindicación 7 u 8, que comprende, además, un aparato de presurización situado en el al menos un conducto de corriente lateral que aumenta la presión del agua situada en el al menos un conducto de corriente lateral.

10. El aparato de tratamiento de agua de la reivindicación 6, que comprende, además, un difusor de gas situado en la sección de expansión, estando conectado el conducto de corriente de gas en comunicación de flujo con el difusor de gas.

11. El método o aparato de cualquier reivindicación precedente, en el que el monolito comprende una pluralidad de canales paralelos.