Aparato, sistema y procedimiento para emulsionar aceite y agua.

Sistema para la emulsificación de aceite en agua o de agua en aceite que comprende:

- un dispositivo venturi (50) que tiene una boquilla (66) para la fase continua y una entrada (52) para la fase dispersa,

- en el cual la boquilla para la fase continua tiene un primer diámetro (d1) que dirige el flujo de una fase continua en una sección de mezcla (80) del dispositivo venturi, y

- la entrada para la fase dispersa introduce una fase dispersa en la sección de mezcla con el fin de formar una emulsión de la fase dispersa y de la fase continua; y

- en el cual dicho dispositivo venturi tiene una boquilla (60) para la fase mezclada que tiene un segundo diámetro (d2) por el cual la emulsión se arrastra de la sección de mezcla hacia una salida del dispositivo venturi,

- siendo dicho segundo diámetro (d2) de dicho dispositivo venturi (50) más importante que dicho primer diámetro (d1) en una relación superior a 1:1 e inferior a 4:1,

- caracterizado porque el sistema está diseñado para que la fase continua

o sea introducida a una presión que va de aproximadamente 1000 kPa hasta aproximadamente 5000 kPa y

o a una velocidad que se encuentra en el intervalo de aproximadamente 10 a 100 m/s a través de la boquilla para la fase continua.

Aparato, sistema y procedimiento para emulsionar aceite y agua Campo de la invención La presente invención se refiere a un aparato, un sistema y un procedimiento para emulsionar aceite y agua que son particularmente útiles en la preparación de emulsiones acuosas de agentes de encolado para el encolado interno o de superficie del papel y del cartón o para la inversión de los productos polímeros en emulsión inversa utilizados en el tratamiento del papel y del cartón.

Antecedentes de la invención Los aditivos utilizados en la industria del papel con el fin de hacerlo resistente a los penetrantes acuosos se llaman generalmente agentes de encolado. El documento US 1.540.592, publicado en 1925, describe un aparato con un eyector y una bomba de turbina en serie El documento WO99/25466 A1 se refiere a un sistema de alimentación de polímeros y a su procedimiento de utilización. La divulgación de este documento forma la base para el preámbulo de las reivindicaciones 1, 7, y 15.

Los dos agentes de encolado sintéticos más comunes son el dímero de alquilceteno (AKD) y el anhídrido alquenilsuccínico (ASA) .

Estos dos agentes, ASA y AKD, son materias hidrófobas, no solubles en agua. Estas materias se pueden añadir a la pasta líquida antes de la formación de la hoja, lo que se denomina encolado interno, o se pueden aplicar a la superficie de la bobina formada, lo que se denomina encolado de superficie. Para las dos aplicaciones, para ser eficaz, el agente de encolado debe estar bien repartido en el sistema acuoso. Por esta razón, estos aditivos no solubles en agua se añaden generalmente en forma de emulsiones acuosas de aceite en agua.

Las emulsiones acuosas de los agentes de encolado se pueden proporcionar a la fábrica de papel en esta forma, o se pueden preparar en el sitio. En efecto, es más ventajoso, para ciertos agentes de encolado sintéticos que reaccionan con la celulosa, emulsionarlos en el sitio. El ASA, por ejemplo, se emulsiona en el sitio debido a la inestabilidad de la función anhídrido después de la emulsificación con agua.

Hasta la fecha, se utilizan en la industria dos clases de tecnologías de emulsificación en el sitio: (1) la tecnología de alto cizallamiento, y (2) la tecnología de bajo cizallamiento. Con la emulsificación de alto cizallamiento se hace pasar el ASA (u otro agente de encolado) y un polímero sintético, el almidón, o un coloide protector a través de una bomba de turbina de alto cizallamiento o de un dispositivo de homogeneización, con o sin adición de agentes tensioactivos. Las limitaciones de este método residen en la necesidad de tener que recurrir a "un equipo pesado, costoso y relativamente complejo capaz de ejercer presiones y/o cizallamiento de homogeneización altos, así como a procedimientos estrictos con respecto a las temperaturas, proporciones de emulsificantes, etc., con el fin de producir una emulsión estable satisfactoria de la cola específica". (Patente de Estados Unidos Nº 4.040.900) .

Con el fin de paliar estas limitaciones con respecto a la emulsificación de alto cizallamiento, se han propuesto estrategias basadas en la emulsificación de bajo cizallamiento, comenzando por Mazzarella (Patente US. No. 4.040.900) en 1977 que ha divulgado las mezclas de ASA con 3-20 partes en peso de un aditivo activo de superficie (agente tensioactivo) que "se puede emulsionar fácilmente con el agua en ausencia de fuerzas de cizallamiento altas y en unas condiciones de presión normal, simplemente agitando y haciendo pasar por un grifo mezclador o un aspirador común". Desafortunadamente, una emulsificación de este tipo con bajo cizallamiento puede conducir a problemas de aparición de espuma y a una eficacia mediocre de encolado debido al hecho de que el aumento del nivel del agente tensioactivo provoca la acumulación de agente tensioactivo en el sistema. (C.E Farley et RB Wasser, "Sizing with Alkenyl Succinic Anhydride", Chapitre 3 en The sizing of Paper, 2nd Edition, W.F. Reynolds, Ed. Tappi Press, 1989, pp 51-62) .

Más recientemente, Pawlowska, et al. (documento WO2006/096216) , divulgan "un procedimiento mejorado para el encolado de papel en la parte húmeda que utiliza un equipo de bajo cizallamiento más sencillo y menos costoso para la emulsificación con ASA.". Pawlowska et al. divulgan un procedimiento de encolado que comprende el hecho de "formar, en ausencia de fuerzas de cizallamiento altas, una emulsión de encolado acuoso que comprende un compuesto de anhídrido alquenilsuccínico" que se diluye a continuación con ayuda de un compuesto catiónico. La diferencia principal entre Pawlowska y Mazzarella reside en la dilución posterior de la emulsión con un compuesto catiónico con el objetivo de mejorar la retención. Los ejemplos demuestran de manera sostenida que las emulsiones ASA de bajo cizallamiento postdiluidas con ayuda de un almidón catiónico son agentes de encolado menos eficaces que las emulsiones ASA de alto cizallamiento, pero se defiende que la simplicidad del proceso de emulsifîcación de las emulsiones ASA de bajo cizallamiento aporta al fabricante de papel "ventajas operacionales y de costes".

Otras patentes divulgan la utilización de almidones modificados (por ejemplo, la patente de Estados Unidos 6.210.475) o de polímeros (por ejemplo, la patente de Estados Unidos 6444024 B1) con el fin de mejorar el rendimiento de los sistemas de emulsificación de bajo cizallamiento, sin embargo, ninguna de estas patentes resuelve las cuestiones relacionadas con el comportamiento y con el rendimiento básico que caracterizan al sistema

de bajo cizallamiento.

En la bibliografía, se tiene la tendencia a utilizar definiciones cualitativas de las condiciones de "cizallamiento bajo" con respecto a las condiciones de "cizallamiento alto". Típicamente, se utiliza una lista de equipos adecuados o no al descriptor. Los sistemas de "cizallamiento alto" están: "presentes en los mezcladores Waring, las bombas de turbinas, u otros agitadores de muy altas velocidades, etc.", y "se les encuentra en los equipos de homogeneización de pistones o de otros tipos" (Mazzarella) . Los sistemas de "cizallamiento bajo" consisten: "simplemente en la agitación, el paso por una válvula mezcladora o un aspirador común o por medio de la agitación habitual presente en un sistema de preparación de la pasta" (Mazzarella) o, las condiciones de cizallamiento "creadas por un dispositivo seleccionado del grupo constituido por bombas centrífugas, mezcladores en línea estáticos, bombas peristálticas, y sus combinaciones" (Pawlowska) . Pero estas definiciones se confunden en las listas de equipos de emulsifîcación comerciales que constan de unidades industriales de alta y baja presión tales como los "emulsionadores de turbina a baja presión Cytec de Cytec Industries, Inc, los sistemas emulsionadores de alta presión Nalco, y los emulsionadores venturi y las turbinas de National Starch" lo que sugiere que se encuentran bombas de turbinas que entran en la categoría de cizallamiento bajo. Además, los mezcladores Waring se utilizan para producir emulsiones ASA de alta y baja energía (Chen and Woodward, Tappi J. Aug 1986, pg 95) haciendo variar la tensión eléctrica. Por lo tanto, los sistemas de "cizallamiento bajo" y de "cizallamiento alto" no se pueden definir únicamente por el tipo de equipo.

En los "Principles of ASA Sizing" (CE Farley, 1987 Tappi Sizing Short Course, pg 89) se encuentra una definición más cuantitativa de los sistemas de emulsificación de "cizallamiento alto" y de "cizallamiento bajo": "la emulsificación de cizallamiento alto se elabora con una bomba de turbina con tolerancias precisas. El trabajo efectuado por la bomba es tal que el diferencial de presión entre la salida y la entrada de la bomba es de aproximadamente 830 a 970 kPa (8, 3 a 9, 7 bares) . Se mezclan el ASA y el almidón a nivel de la entrada de la bomba de turbina o en su proximidad." "En la emulsificación de cizallamiento bajo, el ASA, el almidón así como un agente tensioactivo se mezclan y después se les hace pasar a través de una serie de dispositivos venturi. La relación típica de almidón: ASA:agente tensioactivo es de aproximadamente 2, 5:1:0, 05. Un inconveniente potencial de este procedimiento es el nivel más alto de agente tensioactivo utilizado, lo que puede conducir a lo que se llama un "desencolado" y una eficacia mediocre del ASA así como problemas de aparición de espuma." Por lo tanto, la distinción que hace Farley entre el cizallamiento alto y el cizallamiento bajo es que los sistemas de cizallamiento alto tienen un diferencial de presión del orden de 830 a 970 kPa (8, 3 a 9, 7 bares) .

Igualmente, Dilts et al. (documento US 2008/0277084 A1) define el cizallamiento bajo por la capacidad de bombear un líquido a través de una bomba... [Seguir leyendo]

1. Sistema para la emulsificación de aceite en agua o de agua en aceite que comprende:

- un dispositivo venturi (50) que tiene una boquilla (66) para la fase continua y una entrada (52) para la fase dispersa, -en el cual la boquilla para la fase continua tiene un primer diámetro (d1) que dirige el flujo de una fase continua en una sección de mezcla (80) del dispositivo venturi, y -la entrada para la fase dispersa introduce una fase dispersa en la sección de mezcla con el fin de formar una emulsión de la fase dispersa y de la fase continua; y -en el cual dicho dispositivo venturi tiene una boquilla (60) para la fase mezclada que tiene un segundo 10 diámetro (d2) por el cual la emulsión se arrastra de la sección de mezcla hacia una salida del dispositivo venturi, -siendo dicho segundo diámetro (d2) de dicho dispositivo venturi (50) más importante que dicho primer diámetro (d1) en una relación superior a 1:1 e inferior a 4:1, - caracterizado porque el sistema está diseñado para que la fase continua o sea introducida a una presión que va de aproximadamente 1000 kPa hasta aproximadamente 5000 kPa y o a una velocidad que se encuentra en el intervalo de aproximadamente 10 a 100 m/s a través de la boquilla para la fase continua.

2. El sistema de la reivindicación 1, que comprende además una bomba (22) destinada al bombeo de la fase 20 continua al interior del dispositivo venturi (50) .

3. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, diseñado para que la fase continúa comprenda el agua o una solución acuosa de almidón o una solución a base de polímero.

4. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, diseñado para que la fase dispersa comprenda una o varias emulsiones inversas.

5. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, diseñado para que la fase dispersa comprenda uno o varios compuestos de encolado de papel que no reaccionan con la celulosa o compuestos de encolado de papel que reaccionan con la celulosa, tales como el anhídrido alquenilsuccínico (ASA) , el dímero de alquilceteno (AKD) , los dímeros de ceteno, los multímeros de ceteno, los epóxidos orgánicos que contienen de aproximadamente 12 a 22 átomos de carbono, los halogenuros de acilo que contienen de aproximadamente 12 a 22 átomos de carbono, los anhídridos de ácidos grasos procedentes de ácidos grasos que contienen aproximadamente 12 a 22 átomos de carbono, o los isocianatos orgánicos que contienen de aproximadamente 12 a 22 átomos de carbono.

6. Un procedimiento para la emulsificación de un agente de encolado para utilizar en el tratamiento de papel o de cartón, comprendiendo dicho procedimiento el hecho de -introducir bajo presión en un dispositivo venturi (50) una fase continua que contiene el agua, disponiendo dicho 35 dispositivo venturi de una boquilla (66) para la fase continua de un primer diámetro (d1) que dirige dicha fase continua en una sección de mezcla (80) ;

- introducir en la sección de mezcla (80) del dispositivo venturi una fase dispersa que contiene al menos un agente de encolado con el fin de formar una emulsión de la fase dispersa y de la fase continua;

- conducir la emulsión a través de una boquilla (60) para la fase mezclada de un segundo diámetro (d2) en dicho 40 dispositivo venturi, -siendo dicho diámetro (d2) de la boquilla para la fase mezclada de dicho dispositivo venturi más importante que dicho diámetro (d1) de la boquilla para la fase continua con una relación superior a 1:1 e inferior a 4:1.

- caracterizado porque la fase continua o se introduce con una presión que va de aproximadamente 1000 kPa a aproximadamente 5000 kPa y 45 o a una velocidad de aproximadamente 10 a 100 m/s a través de la boquilla para la fase continua.

7. El procedimiento de la reivindicación 6, en el cual la fase continúa comprende el agua o una solución acuosa de almidón o una solución a base de polímero.

8. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 7, en el cual la fase dispersa comprende compuestos de encolado de papel que no reaccionan con la celulosa o compuestos de encolado de papel que reaccionan con la celulosa, tales como el anhídrido alquenilsuccínico (ASA) , el dímero de alquilceteno (AKD) , los dímeros de ceteno, los multímeros de ceteno, los epóxidos orgánicos que contienen de aproximadamente 12 a 22 átomos de carbono, los halogenuros de acilo que contienen de aproximadamente 12 a 22 átomos de carbono, los anhídridos de ácidos grasos procedentes de ácidos grasos que contienen aproximadamente 12 a 22 átomos de carbono, o los isocianatos orgánicos que contienen de aproximadamente 12 a 22 átomos de carbono.

9. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, en el cual la fase dispersa comprende además uno o varios agentes tensioactivos en una proporción que va de 0, 1 % a aproximadamente 5 % en peso de dicha fase dispersa.

10. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9, en el cual la emulsión tiene un tamaño medio de partículas por debajo de 2 micras.

11. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 10, en el cual la emulsión presenta una concentración de la fase dispersa/fase continua que va de 2 a 50 por ciento en peso.

12. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 11, que comprende además el hecho de diluir posteriormente la emulsión y de añadir la emulsión post-diluida bien a una parte húmeda o bien a una prensa de encolado o recubridora para un sistema de fabricación de papel o de cartón.

13. Un procedimiento de inversión de una emulsión inversa, comprendiendo dicho procedimiento:

- introducir bajo presión en un dispositivo venturi (50) una fase continua que contiene agua, disponiendo dicho dispositivo venturi de una boquilla (66) para la fase continua de un primer diámetro (d1) que dirige dicha fase continua en una sección de mezcla (80) ;

- introducir en la sección de mezcla (80) del dispositivo venturi una fase dispersa que contiene al menos una emulsión inversa con el fin de formar una emulsión de la fase dispersa y de la fase continua;

- conducir la emulsión a través de una boquilla (60) para la fase mezclada de un segundo diámetro (d2) en dicho dispositivo venturi, siendo dicho diámetro (d2) de la boquilla para la fase mezclada de dicho dispositivo venturi más importante que dicho diámetro (d1) de la boquilla para la fase continua con una relación superior a 1:1 e inferior a 4:1.

- caracterizado porque la presión de la fase continua se encuentra en el intervalo de aproximadamente 1000 a 4000 kPa, con preferencia de aproximadamente 1500 a 2500 kPa, y la fase continúa tiene una velocidad de aproximadamente 10 a 50 m/s, con preferencia de aproximadamente 25 a 35 m/s, a través de la boquilla para la fase continua.

14. El procedimiento de la reivindicación 13, en el cual la emulsión inversa comprende uno o varios agentes de ayuda a la retención y al drenaje para utilizar en los sistemas de fabricación de papel o de cartón.