Dispositivo y procedimiento para la dispersión de gas.

Dispositivo para la dispersión de gas en un líquido con un número n de zonas consecutivas Z1,

Z2,..., Zn con elementos mezcladores estáticos, en donde cada zona Zi presenta una longitud Li y un diámetro efectivo Di, en donde las diferentes zonas están realizadas de tal manera que la aportación de energía mecánica Ei normalizada con respecto a la respectiva relación Li/Di, que actúa sobre un líquido, aumenta en la dirección de flujo de zona a zona, en donde n es un número entero mayor o igual que 3 e i es un índice que comprende los números enteros desde 1 hasta el número n de las zonas, caracterizado porque los elementos mezcladores dispuestos en las zonas Zi a Zn presentan la misma relación di/Di, en donde di es el diámetro medio, y presentan un diámetro efectivo Di que se reduce progresivamente de zona a zona en la dirección de flujo.

Dispositivo y procedimiento para la dispersión de gas

La presente invención se refiere a un dispositivo y un procedimiento para la dispersión de gas en un líquido.

La dispersión de gases en medios líquidos encuentra extensa aplicación en la industria química, por ejemplo, en hidrogenaciones, cloraciones u oxidaciones. En fermentaciones y en la depuración aerobia de aguas residuales, la aportación de oxígeno tiene una importancia fundamental. También en la generación de espuma ocurre una dispersión de gas en un medio líquido. En la técnica alimentaria, los gases son dispersados en líquidos altamente viscosos, a fin de producir, por ejemplo, cremas, gomaespuma o chocolate con una estructura porosa rellenada con aire (por ejemplo, como se describe en el documento WO 2/13618 A2).

El objetivo de una dispersión de gas consiste en la inclusión de gas en un fluido, preferentemente en forma de burbujas tan pequeñas como sea posible, a fin de producir una físico de limítrofe tan grande como sea posible entre la fase gaseosa y la fase líquida. Mientras mayor sea la superficie limítrofe entre las fases, mayor será el transporte de materia entre el gas y el líquido de acuerdo con la primera ley de Fick.

A este respecto, la dispersión del gas con frecuencia se realiza en dos etapas:

1. Inclusión del gas en el líquido en forma de burbujas

2. División de las burbujas

La forma de inclusión, generalmente por medio de toberas, fritas o chapas agujereadas, determina la distribución de tamaños de las burbujas primarias. En el artículo "Gasdispergierung in Flüssigkeiten durch Düsen bei hohen Durchsátzen" (Dispersión de gas en líquidos a través de toberas de gran caudal), Chemie-Ingenieur-Technik, 28a generación 1956, N° 6, páginas 389 - 395, se describe, por ejemplo, qué influencia tienen parámetros tales como la anchura de la tobera, el caudal de gas, la viscosidad y la atención interface al sobre la distribución de tamaño de las burbujas de gas que se forman durante la inyección de un chorro de gas en un líquido a través de una tobera.

La división de las burbujas puede realizarse, por ejemplo, por medio de un mezclador dinámico o estático. Mientras que en los mezcladores dinámicos la homogenización de una mezcla se logra mediante órganos móviles, por ejemplo agitadores, en los mezcladores estáticos se aprovecha la energía de flujo del fluido: una unidad transportadora (por ejemplo, una bomba) empuja el líquido a través de un tubo dotado con deflectores mezcladores estáticos, en donde el líquido sigue la dirección del eje de corriente principal es dividido en corrientes parciales, que dependiendo del tipo de deflectores instalados son estirados, cizallados, arremolinados y mezclados entre sí. La ventaja en el uso de mezcladores estáticos consiste, entre otras cosas, en que no existen piezas móviles.

Un resumen de los diferentes tipos de mezcladores estáticos se ofrece, por ejemplo, en el artículo "Statische Mischer und ihre Anwendungen" (Mezcladores estáticos y sus aplicaciones), M. H. Pahl y E. Muschelknautz, Chem.- Ing.-Techn. 52 (198) N° 4, páginas 285-291. Como ejemplos de mezcladores estáticos se pueden mencionar los mezcladores SMX (véase el documento de patente US 462524) o los mezcladores SMXL (véase, por ejemplo, el documento de patente US 55246). Los mismos están formados por dos o más rejillas perpendiculares entre sí de tiras de chapa paralelas que están unidas entre sí en sus puntos de intersección y están posicionadas en un ángulo contra de la dirección de flujo principal del material a ser mezclado, a fin de dividir el líquido en corrientes parciales y mezclarlo. Un solo elemento mezclador individual resulta inapropiado como mezclador, debido a que el entremezclado sólo ocurre a lo largo de una dirección preferente, transversal a la dirección principal de la corriente. Por esta razón, normalmente se disponen de forma sucesiva varios elementos mezcladores, que respectivamente están girados entre sí por 9°.

Es conocido el uso de mezcladores estáticos para la dispersión de gas en un líquido. En el documento WO 25/13115A1 se describe, por ejemplo, el uso de un mezclador estático en un procedimiento para la fabricación de policarbonato de acuerdo con el procedimiento de transesterificación. Para remover los monómeros y otros componentes volátiles del policarbonato, se añade un agente espumante a la masa fundida de polímero. Mediante una reducción subsiguiente de la presión, el agente espumante se escapa bajo espumación de la masa fundida. La espuma produce un fuerte agrandamiento de la superficie que es ventajoso para la desgasificación, es decir, la eliminación de componentes volátiles. Como agente espumante se usa preferentemente un gas inerte, por ejemplo nitrógeno, que se introduce y dispersa en la masa fundida por medio de un mezclador estático, por ejemplo, un mezclador SMX.

En los documentos US 25/94482A1 y US 548589 se describen mezcladores estáticos para la dispersión de gases para la producción de espumas de alveolos cerrados. Allí no se describe una construcción escalonada para aumentar la eficiencia de la dispersión del gas.

Para la dispersión de gas en un líquido, generalmente se requieren mayores longitudes de mezcladores que he para la dispersión de líquidos.

El documento US-A-5 65 399 desvela un dispositivo de acuerdo con el término genérico de la reivindicación 1.

Partiendo del estado de la técnica, se plantea el objetivo de crear un dispositivo y un procedimiento para la dispersión de gas en un líquido, para permitir una dispersión más eficiente del gas que lo que es posible de acuerdo con el estado de la técnica previamente descrito. En comparación con el estado de la técnica, con la misma duración de mezclado se quiere lograr un tamaño medio de burbuja más pequeño en la salida del mezclador. Alternativamente, con la misma pérdida de carga a lo largo del mezclador entero se quiere lograr un tamaño de burbujas medio más pequeño en la salida del mezclador.

De manera sorprendente se ha encontrado que un mezclador estático, en el que en la dirección de flujo existe una aportación de energía específica creciente, dispone de un efecto de dispersión particularmente eficaz. Con un mezclador de este tipo es posible producir burbujas de gas más pequeñas con una pérdida de carga total comparable, en comparación con un mezclador estático en el que la aportación de energía permanece constante a lo largo de la longitud del mezclador. Asimismo, mediante un mezclador de este tipo también es posible producir burbujas de gas más pequeñas con una longitud total igual del mezclador, en comparación con un mezclador estático en el que la aportación de energía permanece constante a lo largo de la longitud del mezclador.

Por lo tanto, un primer objeto de la presente invención es un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1 para la dispersión de gas en un líquido con un número n de zonas consecutivas Z-i, Z2,..., Zn con elementos mezcladores estáticos, en donde cada zona Z¡ presenta una longitud L¡ y un diámetro efectivo D,, caracterizado porque las diferentes zonas están realizadas de tal manera que la aportación de energía mecánica £, normalizada con respecto a la respectiva relación L/D¡, que actúa sobre la mezcla de gas-líquido, aumenta en la dirección de flujo de zona a zona, en donde n es un número entero mayor o igual que 3 e / es un índice que comprende los números enteros desde 1 hasta el número n en las zonas.

Un objeto adicional de la presente invención es un procedimiento para la dispersión de gas en un líquido, en donde el gas y el líquido son transportados conjuntamente a través de un dispositivo mezclador y pasan allí por un número n zonas consecutivas Z-i, Z2,..., Zn con elementos mezcladores estáticos, en donde cada zona Z, presenta una longitud L,y un diámetro efectivo D¡, caracterizado porque las diferentes zonas están realizadas de tal manera que la aportación de energía mecánica E, normalizada con respecto a la respectiva relación L/D¡, que actúa sobre la mezcla de gas-líquido, aumenta en la dirección de flujo de zona en zona, en donde n es un número entero mayor o igual que 3 e / es un índice que comprende los números enteros desde 1 hasta el número n en las zonas.

Bajo líquido se entiende aquí en general un medio que puede ser transportado a través del dispositivo de acuerdo con la invención. A este respecto, también se puede tratar, por ejemplo, de una masa fundida o una dispersión (por ejemplo, emulsión o suspensión). En lo siguiente también se emplea el término fluido. A este respecto, el fluido preferentemente es de mayor viscosidad, es decir, presenta una... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo para la dispersión de gas en un líquido con un número n de zonas consecutivas Z-i, Z2,..., Zn con elementos mezcladores estáticos, en donde cada zona Z, presenta una longitud L¡ y un diámetro efectivo D¡, en donde las diferentes zonas están realizadas de tal manera que la aportación de energía mecánica E, normalizada con respecto a la respectiva relación L/Dj, que actúa sobre un líquido, aumenta en la dirección de flujo de zona a zona, en donde n es un número entero mayor o igual que 3 e / es un índice que comprende los números enteros desde 1 hasta el número n de las zonas, caracterizado porque los elementos mezcladores dispuestos en las zonas Z¡ a Zn presentan la misma relación d/D¡, en donde d¡ es el diámetro medio, y presentan un diámetro efectivo D, que se reduce progresivamente de zona a zona en la dirección de flujo.

2. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el diámetro de canal medio d, se reduce en la dirección de flujo en las zonas consecutivas Z^ a Zn.

3. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque las zonas Z1 a Zn disponen de elementos mezcladores de diferente tipo, que con la misma relación L/D¡ producen de zona a zona una pérdida de carga creciente en la dirección de flujo.

4. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque existe una primera zona Z que suministra una mayor aportación de energía específica E que la siguiente zona Z1 en la dirección de flujo.

5. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende adicionalmente un pequeño tubo o un tubo capilar delgado para la alimentación de gas en el dispositivo, caracterizado porque el pequeño tubo o el tubo capilar delgado está dispuesto delante de la disposición de elementos mezcladores.

6. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende adicionalmente un cuerpo poroso o en forma de tamiz para la alimentación de gas en el dispositivo, caracterizado porque dicho cuerpo está dispuesto delante de la disposición de elementos mezcladores.

7. Procedimiento para la dispersión de gas en un líquido, en el que el gas y el líquido son transportados conjuntamente a través de un dispositivo mezclador de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6 y pasan allí por un número n de zonas consecutivas Z^i, Z2,..., Zn con elementos mezcladores estáticos, en donde cada zona Z, presenta una longitud L¡ y un diámetro efectivo D¡, caracterizado porque la aportación de energía mecánica E, normalizada con respecto a la respectiva relación L/D¡ que actúa sobre la mezcla de gas-líquido, aumenta en la dirección de flujo de zona a zona, en donde n es un número entero mayor o igual que 3 e i es un índice que comprende los números enteros desde 1 hasta el número n de las zonas.

8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque el líquido presenta una viscosidad entre 2 mPas y 1.. mPas, más preferentemente entre 1 mPas y 1.. mPas.