BR0008762B1 - Método e dispositivo para a separaçao materiais na forma de partículas e/ou gotas de um fluxo de gás - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO E

DISPOSITIVO PARA A SEPARAÇÃO DE MATERIAIS NA FORMA DE PARTÍCULAS E/OU GOTAS DE UM FLUXO DE GÁS". A presente invenção refere-se a um método para a separação de materiais na forma de partículas e/ou gotas de um fluxo de gás, em cujo método o fluxo de gás é direcionado através de uma câmara de coleta, cujas paredes externas são aterradas, e em cujo método alta tensão é direcionada para as pontas de produção de íon dispostas na câmara de coleta, de modo que um feixe iônico separando os materiais desejados do fluxo de gás é conseguido para as paredes funcionando como superfícies de coleta. A in- venção também refere-se a um dispositivo para aplicação do dito método.

No momento, filtros, ciclones ou métodos elétricos, tais como filtros elétricos ou um método de sopro iônico, são usados nos sistemas de purificação de gás e para separação de partículas de um fluxo de gás.

Quando usando filtros, a velocidade do gás fluente tem que ser mantida baixa nos filtros de tecido ou metal, porque o aumento da velocida- de gera uma forte resistência de ar. Também, a resolução dos filtros diminui junto com o aumento na velocidade. Por exemplo, com microfiltros, a veloci- dade de fluxo do gás é principalmente menor do que 0,5 m/segundo. Além disso, não é possível atingir bons resultados de limpeza com as técnicas conhecidas, quando partículas de categoria nanométrica são consideradas (isto é, partículas cujo diâmetro é de um nanômetro até umas poucas dúzias de nanômetros). A operação dos ciclones é baseada na diminuição da velocidade do fluxo de gás, de modo que partículas pesadas no fluxo do gás caem no órgão de coleta. Os ciclones são, então, aplicáveis para a separação de par- tículas pesadas, porque eles têm uma alta velocidade de queda.

Nos filtros elétricos, a separação das partículas do gás é execu- tada sobre chapas de coleta ou nas superfícies interiores dos canos. A velo- cidade do gás fluente nos filtros elétricos tem que ser geralmente abaixo de 1,0 m/segundo, as recomendações dos fabricantes sendo aproximadamente 0,3-0,5 m/segundo. A razão para uma pequena velocidade de fluxo de gás é que uma velocidade de fluxo mais alta libera partículas acumuladas sobre as chapas, fazendo com que a resolução diminua consideravelmente. A opera- ção dos filtros elétricos é baseada na carga eletrostática das partículas. En- tretanto, não é possível eletricamente carregar partículas na categoria na- nométrica. Além disso, todos os materiais não são carregados eletricamente, como por exemplo, o aço inoxidável.

Em filtros elétricos, a baixa velocidade do fluxo de gás tem que ser usada também por causa do estágio de limpeza das chapas de coleta.

Quando limpando as chapas, um sopro é direcionado para as chapas, libe- rando o material de partícula coletado. A intenção é que somente a menor quantidade possível de material de partícula liberado das chapas durante o estágio de purificação retorne para o gás fluente. Com uma pequena veloci- dade de fluxo do gás, é possível atingir velocidades de passagem de partí- cula toleráveis. A técnica conhecida é a seguir descrita com referência aos de- senhos inclusos, nos quais A figura 1 mostra o equipamento usado no método de sopro iônico de acordo com a técnica conhecida e A figura 2 mostra um método da técnica conhecido para a purifi- cação do gás com o método de sopro iônico.

Na Figura 1, é mostrado um equipamento para a purificação de gás de acordo com a técnica conhecida. O equipamento mostrado compre- ende uma entrada 1 para o gás que chega para ser purificado, uma saída 2 para o gás purificado, um cabo de voltagem 3, um isolador 4, uma câmara de coleta aterrada 5, uma haste de fixação energizada 6, compreendendo várias pontas de produção de íon 7, uma disposição de vibrador 8, um canal de recuperação 9 para as partículas coletadas e uma fonte de voltagem 10.

Na figura 1, por exemplo, o ar que entra em uma construção ou o ar a ser reciclado é direcionado para a câmara de coleta 5 para purifica- ção. O ar a ser purificado entra na câmara de coleta 5 através da entrada 1, eleva-se e, depois da purificação, sai através da saída 2. A purificação é executada pela ionização do gás com pontas de produção de íon 7 dispostas na haste de fixação energizada 6 e conectadas na fonte de voltagem 10 através do cabo de voltagem 3, a fonte de voltagem 10 sendo capaz de dire- cionar alta tensão direta positiva ou negativa (como na figura) para a haste de fixação 6.

Em outras palavras, um sopro iônico é direcionado para o gás tanto positivo quanto negativo, e os íons e partículas carregadas, bem como partículas descarregadas, são transportados para a superfície de coleta 5 junto com o sopro iônico. As pontas de produção de íon 7 são direcionadas para a câmara de coleta aterrada 5 agindo como a superfície de coleta para as partículas. A câmara de coleta 5 é isolada das partes energizadas 6,7 pelo isolador 4. Uma voltagem de aproximadamente 70-150 kV é alimentada para as pontas de produção de íon 7 e a distância dessas da câmara de co- leta 5 é disposta de modo a gerar um efeito de sopro iônico cônico, de modo que as partículas carregadas e descarregadas são transportadas para a pa- rede da câmara de coleta 5 e aderem a ela devido à diferença de carga en- tre a carga 0 da parede da câmara de coleta 5 e a carga do sopro iônico. A distância entre as pontas de produção de íon e a parede de coleta 5 é tipi- camente 200-800 mm. A Figura 1 adicionalmente mostra a disposição do vibrador 8 para a purificação da câmara de coleta 5 pela vibração. A disposição do vi- brador é projetada, de modo que quando a câmara é vibrada, as partículas coletadas caem e saem através do canal de recuperação 9. A substância coletada pode também ser removida pelo enxágue com água. O método de sopro iônico é caracterizado por um efeito de coroa atingido pela alta voltagem, de modo que a intensidade da voltagem é au- mentada tanto que um efeito de sopro iônico é gerado das pontas de produ- ção de íon para a estrutura aterrada desejada. Uma série de pontas de pro- dução de íon a ser calculada separadamente é necessária para cada aplica- ção de separação de gás. O método de feixe iônico foi descrito mais atenta- mente, por exemplo, na publicação de patente EP-424 335.

Uma solução para a purificação do gás em uma câmara de co- leta com a ajuda de um método de sopro iônico de acordo com a técnica conhecida foi apresentada na Figura 2. A figura mostra uma saída 2 para o gás purificado, uma câmara de coleta aterrada 5 e uma haste de fixação energizada 6, compreendendo várias pontas de produção de íon 7. Além disso, a figura mostra o sopro iônico 11, acréscimos da partícula 12,13 e 14 na câmara de coleta 5 e o fluxo do gás 15. As soluções nas figuras 1 e 2 são caracterizadas pela posição das pontas de produção de íon nos anéis 22, com a ajuda do que a distância entre as pontas de produção de íon e a su- perfície de coleta é feita mais curta.

Especialmente na indústria, na qual vários quilogramas de substância têm que ser separadas de grandes fluxos de gás em um segun- do, o equipamento de feixe iônico é relativamente grande, especiaímente por causa da alta voltagem usada.

Em várias linhas industriais, é difícil encontrar o espaço neces- sário para o equipamento no método de sopro iônico. O objetivo da presente invenção é proporcionar um método e um dispositivo, com os quais os materiais na forma de partículas e/ou gotas po- dem ser separados do fluxo de gás, e a demanda de energia pode ser radi- calmente diminuída e os métodos de separação para o material de partícula acumulado sobre as chapas de coleta podem ser aperfeiçoados.

No método da invenção, as impurezas são separadas do fluxo de gás por um método equilibrado, que é caracterizado em que as superfí- cies de coleta que conduzem a eletricidade são eletricamente isoladas dos invólucros externos, e que a alta tensão é direcionada para as superfícies de coleta, a alta tensão tendo o sinal oposto da voltagem direta como a alta tensão direcionada para as pontas de produção de íon. Comparado com o método de sopro iônico conhecido descrito acima, a diferença é que o méto- do da invenção tem um campo elétrico entre as pontas de produção de íon e as paredes da câmara de coleta como energia adicional. Quando direcio- nando a alta tensão para as superfícies de coleta, um campo elétrico é gera- do em frente da superfície de coleta, puxando os íons com sinais opostos e partículas carregadas para a carga elétrica oposta para a superfície de co- leta. Com o dito método equilibrado, uma melhor separação é conseguida, de modo que as pontas de produção de íon não precisam ser dispostas nos anéis, mas elas podem ser presas diretamente na haste de fixação.

Pelo uso do método da invenção, a voltagem de operação diminui para 1/3-1/4 em relação ao método da técnica conhecida mostrado na figura 2. Ao mesmo tempo, os custos para obter a mesma quantidade de ar e o mesmo nível de pureza diminuem consideravelmente, até mesmo para 1/3.

Um objetivo adicional da invenção é proporcionar um dispositivo para executar o método da invenção descrito acima. É característico do dis- positivo da invenção que as superfícies de coleta que conduzem eletricidade sejam eletricamente isoladas dos invólucros externos, e que a alta tensão seja direcionada da fonte de voltagem para as superfícies de coleta, a alta tensão tendo o sinal oposto da voltagem direta como a alta tensão direcio- nada para as pontas de produção de íon. Em uma modalidade da invenção, existe um vazio produzido entre o isolamento elétrico e o invólucro externo. A invenção é a seguir descrita em mais detalhes, com referência aos desenhos inclusos nos quais: A figura 1 mostra um equipamento da técnica conhecida usado no método de sopro iônico, A figura 2 mostra um método da técnica conhecida para a purifi- cação do gás com a ajuda do método de sopro iônico e A figura 3 mostra a estrutura e o princípio de operação de um dispositivo de separação de acordo com a invenção.

As Figuras 1 e 2 foram descritas acima. A solução da invenção é a seguir descrita, com referência à figura 3 mostrando uma modalidade da invenção. A Figura 3 mostra um dispositivo de separação da invenção, sua estrutura e princípio de operação. A figura mostra uma saída 2 para o gás purificado, um invólucro externo aterrado 5 e uma haste de fixação energi- zada 6 compreendendo várias pontas de produção de íon 7.

Adicionalmente, a figura mostra feixes iônicos 11 e um fluxo de gás 15. Adicionalmente, a figura mostra uma lacuna de ar 16 disposta entre o invólucro externo 5 da câmara de coleta e a camada de isolamento elétrica 17, e uma superfície 18 conduzindo a eletricidade na superfície interior da camada de isolamento elétrico 17. A camada de isolamento elétrico 17 é presa no invólucro externo 5 com a ajuda de prendedores 21. A voltagem com o sinal oposto da voltagem direta, positiva na figura, como a alta tensão direcionada para as pontas de produção de íon 7 (negativa na figura), é dire- cionada para a superfície 18 que conduz a eletricidade. Assim, as voltagens são opostas, isto é positiva para as pontas de produção de íon 7 e negativa para a superfície 18 que conduz a eletricidade, ou negativa para as pontas de produção de íon e positiva para a superfície que conduz a eletricidade. A voltagem das pontas de produção de íon 7 é substancialmente igual a essa da superfície de coleta, isto é, a superfície 18 que conduz a eletricidade, mas também é possível usar voltagens de diferente magnitude. A vantagem de voltagens iguais é a estrutura mais simples dos centros de alta tensão. Me- lhores resultados de purificação também foram atingidos com voltagens iguais. A Figura 3 adicionalmente mostra um vazio 19 carregado com um campo elétrico positivo em frente da superfície 18 que conduz a eletrici- dade, o vazio 19 é positivamente carregado, porque alta tensão positiva é direcionada para a superfície 18. Quando a carga da superfície 18 que con- duz a eletricidade é invertida, isto é nesse caso negativa, a substância acu- mulada é liberada, e ela cai no canal de recuperação (número de referência 9 na figura 1) na base da câmara de coleta, quando o campo elétrico então libera as partículas acumuladas. Assim, nenhuma disposição de vibração é necessária no dispositivo da invenção. Entretanto, ela pode ser usada quan- do desejado. A purificação mais comum das superfícies de coleta é executa- da automaticamente pela lavagem com líquido, sendo então possível pro- gramar o intervalo desejado de purificação e o tempo de purificação. No en- xágue com líquido, o líquido de purificação é alimentado a partir do tubo de injeção 20, e quando ele flui ao longo da superfície de coleta 18, o líquido remove as partículas acumuladas da superfície 18. Quando desejado, é também possível usar, por exemplo, desinfetante no agente de purificação.

Como é mostrado acima, alterando-se a carga das superfícies de coleta condutivas 18, a substância acumulada tanto pode permanecer nas superfícies quanto se separar delas. As cargas usadas no dispositivo são de aproximadamente 10-60 kV, de preferência aproximadamente 30-40 kV e a corrente aproximadamente 0,05-5,0 mA, de preferência aproximada- mente 0,1-3,0 mA. O isolamento elétrico 17 disposto na superfície de coleta energi- zada 18 e mostrado na figura 3 pode ser de vidro, plástico ou alguma outra substância similar que isola a alta tensão, de preferência o isolamento 17 é estireno-butadieno-nitrilo-acrílico (ABS).

Adicionalmente, a camada planar que conduz a eletricidade mostrada na figura 3 e disposta no isolamento elétrico 17 é feita de metal, tal como uma chapa fina de metal ou película na camada de isolamento, ou de uma malha de fio disposta parcialmente ou inteiramente na camada de iso- lamento ou dentro dela. Especialmente preferível é que o órgão que conduz a eletricidade compreenda uma camada dura de cromo disposta na camada de isolamento e produzida por metalização com evaporação a vácuo. Tam- bém, outros métodos de metalização podem ser usados, da mesma manei- ra, adesão da película metálica e outros métodos de fixação.

Com o método de acordo com a invenção, até mesmo partículas sólidas muito pequenas na forma de partículas e gotas líquidas podem ser eficientemente separadas do fluxo de gás. O tratamento do gás acontece nas câmaras, túneis ou estruturas tubulares, nas quais o gás é direcionado para o feixe iônico. O feixe iônico gera uma força impulsiva para o material coletado contra a superfície de coleta e simultaneamente carrega eletrica- mente as partículas com capacitância. O campo elétrico com o sinal oposto produzido na superfície de coleta mune as partículas ou materiais na forma de gotas com uma força de tração na superfície de coleta. Assim, a força impulsiva do feixe iônico e a força de tração do campo elétrico ficam dispo- níveis para remoção das partículas do fluxo de gás.

No método de acordo com a invenção, a produção iônica pode ser de um tipo produzindo íons tanto negativos quanto positivos. O equipamento de feixe iônico de acordo com a invenção pode ser instalado, por exemplo, em laboratórios de pesquisa genética nos quais as partículas com um diâmetro de pelo menos 1 nm podem ser liberadas das cadeias de DNA. Nesses laboratórios, filtros elétricos tradicionais não funci- onam em uma maneira satisfatória, já que as partículas da categoria nano- métrica não podem ser eletricamente carregadas. A purificação do gás de acordo com a invenção é geralmente conduzida na purificação do ar, usos muito adequados, então, sendo tam- bém, por exemplo, salas de isolamento nos hospitais, salas de operação, fábricas que fabricam microchips e entrada de ar em tais salas nas quais armas biológicas devem ser repelidas.

Assim, os usos da invenção podem compreender todas as salas, e a purificação do ar de entrada e ar de descarga. A purificação do ar no ta- manho de partícula e gota de 1 nm - 100.000 nm é possível com o método da invenção, bem como a purificação contínua do ar também durante o en- xágue das superfícies de coleta quando a voltagem da superfície de coleta pode ser interrompida, se o modo de lavagem exige abundância de líquido. O método de acordo com a invenção pode adicionalmente ser aplicado em vários equipamentos de purificação para gás e gás de com- bustão, por exemplo em equipamento de purificação baseado em filtros de corrente, ciclones, filtros elétricos, divisores de material ou o método de so- pro iônico. Os modelos padrão do método são adequados para a purificação do ar de salas em casas e escritórios.

Com o método de acordo com a invenção, a separação pode ser executada para partículas com um diâmetro de um nanômetro até partículas do tamanho de centenas de micrômetros. Nem a gravidade específica nem a capacitância elétrica das partículas é um obstáculo para a separação. O gás pode ser purificado para a parte de tamanhos de partícula diferente até ga- ses puros. É óbvio para um versado na técnica que o método e dispositivo para a separação de materiais na forma de partículas e/ou gotas de um fluxo de gás não são limitados ao exemplo descrito acima, mas eles são basea- dos nas reivindicações seguintes.

Claims (10)

1. Método para a separação de materiais na forma de partículas e/ou gotas de um fluxo de gás, especialmente partículas e/ou gotas com um diâmetro de um nanômetro a poucas dúzias de nanômetros, em que: - o fluxo de gás (15) é direcionado através de uma câmara de coleta cujas paredes externas (5) são aterradas; - uma alta tensão é direcionada para as pontas de produção de íon (7) dis- postas na câmara de coleta, de modo que um feixe iônico (11) das pontas de produção de íon (7), separando os materiais desejados do fluxo de gás, é obtido na direção da superfície de coleta; - as superfícies de coleta (18) que conduzem a eletricidade são eletricamen- te isoladas da câmara de coleta (5) substancialmente sobre toda a área da superfície de coleta (18); e - alta tensão com o sinal oposto da voltagem direta em relação à alta tensão direcionada para as pontas de produção de íon é direcionada para a superfí- cie de coleta (18); caracterizado pelo fato de que a superfície de coleta (18) que conduz a eletricidade é uma camada, tal como uma malha de fio, que con- duz eletricidade e é disposta inteiramente ou parcialmente na superfície inte- rior da camada de isolamento (17) ou dentro da camada de isolamento (17)

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma voltagem de 10-60 kV, preferivelmente 30-40 kV é usada no método, e que uma corrente de 0,05-5,0 mA, preferivelmente 0,1-3,0 mA é usada no método.

3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a carga elétrica da superfície (18) que conduz a eletricidade é alterada, de modo que a substância acumulada nas paredes é induzida a separar das superfícies da parede.

4. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a substância acumulada nas paredes é removida pelo en- xágue das superfícies de coleta (18) com líquido.

5. Dispositivo para a separação de materiais na forma de parti- cuias e/ou gotas de um fluxo de gás, especialmente partículas e/ou gotas cujo diâmetro varia de um nanômetro a poucas dúzias de nanômetros, em que o dispositivo compreende: - uma entrada (1) para o ar que entra para ser purificado, - uma câmara de coleta, cuja parede externa (5) é aterrada, - uma saída (2) para o gás purificado, - uma fonte de voltagem (10) com atuadores, - um elemento de fixação energizado (6) no qual as pontas de produção de íon (7) foram dispostas e em cujo dispositivo: - alta tensão é direcionada para as pontas de produção de íon (7) produzin- do um feixe iônico (11) das pontas de produção de íon (7) para a superfície de coleta (18), - a superfície de coleta (18) que conduz a eletricidade é eletricamente isola- da da parede externa (5) da câmara de coleta por um isolamento elétrico; e - alta tensão com o sinal oposto da voltagem direta com relação à alta ten- são direcionada para as pontas de produção de íon (7) é direcionada da fon- te de voltagem (10) para as superfícies de coleta (18); caracterizado pelo fato de que a superfície de coleta (18) que conduz a eletricidade é uma camada, tal como uma malha de fio que ocnduz eletricidade e é disposta inteiramente ou parcialmente na superfície interior da camada de isolamento (17) ou dentro da camada de isolamento (17)

6. Dispositivo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que existe um vão de ar (16) produzido entre o isolamento elé- trico (17) e a câmara de coleta (5).

7. Dispositivo de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracteriza- do pelo fato de que o isolamento elétrico (17) das superfícies de coleta é vidro, plástico ou material similar que isola a alta tensão.

8. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 5 a 7, ca- racterizado pelo fato de que o isolamento (17) é estireno-butadieno-nitrilo- acrílico (ABS).

9. Dispositivo de acordo com uma das reivindicações 5 a 8, ca- racterizado pelo fato de que a superfície planar (18) que conduz a eletricida- de é feita de metal.

10. Dispositivo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a superfície de coleta (18) é uma camada fina de metal que é provida no isolamento (17) pelo uso de metalização com evaporação a vácuo.