BRPI0919602B1 - Methods for processing a fluid mixing in a hydrodynamic cavation device of various stages, and a hydrodynamic cavitation device of various stages for processing a fluid mixture - Google Patents

Description

MÉTODO PARA PROCESSAR UMA MISTURA DE FLUIDOS EM UM DISPOSITIVO DE CAVITAÇÃO HIDRODINÃMICA DE VÁRIOS ESTÁGIOS, E DISPOSITIVO DE CAVITAÇÃO HIDRODINÃMICA DE VÁRIOS ESTÁGIOS PARA PROCESSAMENTO DE UMA MISTURA DE FLUIDOS

DESCRIÇÃO

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO A presente invenção se relaciona geralmente aos misturadores e dispositivos de cavitação, que são utilizados para o processamento de fluidos heterogêneos e homogêneos, pela formação controlável de bolhas de cavitação. Cada bolha de cavitação serve como um mini- reator independente, e usa a energia liberada mediante a implosão da bolha para alterar rapidamente os fluidos. 0 dispositivo encontra aplicação nas indústrias química, de combustíveis, farmacêutica, de alimentos e outras indústrias na preparação de soluções, emulsões e dispersões, e para melhorar os processos de transferência de massa e calor.

Mais particularmente, a presente invenção refere-se à modificação de fluidos complexos compostos de muitos compostos individuais, e utiliza a energia de implosão da cavidade para melhorar a homogeneidade, viscosidade, e/ou outras características físicas dos fluidos, alterando sua composição química e convertendo compostos para obter aprimorados produtos mais úteis.

Tem sido relatado que pressão elevada e aumento da temperatura e vigorosa mistura fornecida por cavitação acústica ou hidrodinâmica iniciam e aceleram inúmeras reações e processos. A melhora da reação e dos processos por meio da energia liberada mediante o colapso de cavidades no fluxo encontrou aplicação em uma série de tecnologias, que são utilizadas para atualização, misturação, bombeamento, e aceleração de conversões químicas. Embora extrema pressão ou calor possa ser prejudicial, dispendioso e mecanicamente complicado, o resultado de tais tratamentos controlados é muitas vezes altamente benéfico.

Cavitação pode ser criada de diversas maneiras, como, por exemplo, induzida por hidrodinâmica, acústica, laser, ou gerada pela injeção direta de vapor em um líquido sub-resfriado, o que produz condições de colapso semelhantes às das cavitações hidrodinâmica e acústica (Young, 1999; Gogate, 2008; Mahulkar e outros, 2008). A cavitação por injeção direta de vapor acoplada à cavitação acústica exibe uma eficiência de até 16 vezes maior, em relação à cavitação acústica em separado. A formação de bolhas no fluido é perceptível, quando sua temperatura se aproxima do ponto de ebulição. Se fluido for irradiado com ondas de ultrassom ou processado em um reator de cavitação hidrodinâmica com a velocidade adequada, as bolhas de cavitação serão formadas em uma concentração de centenas por mililitro. Sua formação pode ser suprimida pelo aumento da pressão. As bolhas ocupam espaço normalmente ocupado por um fluido resistindo ao fluxo e aumentando a pressão. Se as bolhas de cavitação se deslocarem para uma zona de velocidade lenta e alta pressão (principio de Bernoulli invertido), elas irão implodir dentro de IO”8 a 10”6 s. A implosão é acompanhada por uma acentuada elevação localizada na pressão e temperatura, tanto quanto 1.000 atm e 5.000 °C. Tais elevações na pressão e temperatura resultam na geração de correntes de jato locais com velocidades de 100 m/s ou superiores (Suslick, 1.989; Didenko e outros, 1.999; Suslick e outros, 1.999; Young, 1.999). O colapso das cavidades é acompanhado por ondas de choque, vigorosas forças de corte, e uma libertação de quantidades significativas de energia, que ativa átomos, moléculas e radicais localizados dentro das bolhas de fase gasosa e os átomos, moléculas e radicais no fluido circundante. A liberação de energia, que acompanha o colapso, inicia reações e processos químicos, e/ou se dissipa no fluido circundante. Em muitos casos, a implosão é isenta de emissões. Muitas vezes, ela é seguida pela emissão de luz ultravioleta e/ou visível, que pode induzir reações fotoquímicas e gerar radicais (Zhang e outros, 2008). Uma desvantagem da pressão extremamente alta é a geração de calor extremo, que pode se tornar importante, se o superaquecimento for prejudicial à qualidade e segurança do produto. 0 fenômeno da cavitação é categorizado pelo número de cavitação adimensional Cv, que é definido como: Cv = (P - Pv)/0.5pV2' onde P é a pressão recuperada a jusante da constrição, Pv é a pressão de vapor do fluido, V é uma velocidade média do fluido no orifício, e pé sua densidade.0 número de cavitação, em que começa a cavitação, é o número de início da cavitação, CVi· A cavitação idealmente começa com CVi = 1, e uma Cv < 1 indica um maior grau de cavitação (Gogate, 2008; Passandideh-Fard e Roohi, 2008). Outro fator importante é a relação de transformação, que corresponde a um número de eventos de cavitação em uma unidade de fluxo. 0 efeito da tensão superficial e tamanho das cavidades na pressão hidrostática é definido, como a seguir: Pi = Po + 2a/R, onde Pi é a pressão hidrostática, a é a tensão superficial, e R é o raio da bolha. Quanto menor for a bolha, maior será a energia liberada durante sua implosão. A cavitação é mais dramática em fluidos viscosos. Se, por exemplo, petróleo se mover em alta velocidade, fazendo com que sua pressão caia abaixo da pressão de vapor de alguns componentes de hidrocarboneto, a cavitação ocorrerá. A cavitação separa os compostos de fase líquida, com alto ponto de ebulição, e suas partículas suspensas em compostos líquidos, dos gases aprisionados, vapor de água e vapores dos compostos afetados. Pequenas partículas e impurezas servem como núcleos para as bolhas de cavitação, que podem chegar a poucos milímetros de diâmetro, dependendo das condições. A cavitação gerada por ondas sonoras nas faixas sônicas (20 Hz a 20 KHz) ou ultrassônicas (acima de 20 KHz) não oferece um método otimizado. A desvantagem desta metodologia é seu ambiente em lote. Essa metodologia não pode ser usada com eficiência em um processo contínuo, porque a densidade de energia e o tempo de permanência serão insuficientes para produção elevada. Por exemplo, o limiar de intensidade de cavitação ultrassônica na água é superior a 0,3 W/cm2.'A tecnologia de cavitação por ondas sonoras também sofre de outras desvantagens. Como o efeito da cavitação diminui com o aumento da distância da fonte de radiação, a eficácia do tratamento depende do tamanho do recipiente, ou seja, menor eficácia com vasos maiores. Além disso, alterações no fluido não são uniformes e podem ocorrer em determinados locais de alta intensidade, dependendo dos padrões de freqüência e interferência das ondas sonoras. A cavitação hidrodinâmica, não requer o uso de um determinado tipo de recipiente, como ocorre com a cavitação induzida por ultrassom. Numerosos dispositivos hidrodinâmicos de fluxo passante são conhecidos. Veja, por exemplo, a Patente dos EUA N° 6.705.396 de Ivannikov e outros, e as Patentes dos EUA N° 7.207.712, 6.502.979 e 5.971.601 (Kozyuk), que descrevem diferentes reatores de cavitação hidrodinâmica e seu uso. A Patente dos EUA N° 7.338.551 de Kozyuk revela um dispositivo e método para gerar bolhas em um fluido, que passa através de uma primeira constrição local do dispositivo de cavitação hidrodinâmica a uma velocidade de pelo menos 12 m/s e, depois, é misturado com gás para aumentar a implosão dentro do segundo campo de cavitação. Embora esse dispositivo forneça duas zonas de cavitação, sua eficácia não é satisfatória, quando um maior número de cavidades consecutivas é desejado.

Outra abordagem ilustrada na Patente dos EUA N° 5.969.207 de Kozyuk usa uma passagem de fluxo passante acomodando um corpo de defletor, que gera uma cavitação hidrodinâmica com número de cavitação (Cv) de pelo menos 1 para iniciar transformações químicas e para alterar a composição qualitativa e quantitativa de hidrocarbonetos líquidos. A Patente Russa N° 2143312, B 01 J 10/00 descreve um sistema gás-líquido composto por um dispositivo de cavitação por vórtice cercado por um alojamento cilíndrico vertical. O dispositivo de cavitação é posicionado na parte central desse alojamento e é equipado com câmaras de misturação e espuma acoplada através de um bico de constrição. O tubo de alimentação é coaxialmente alinhado com a câmara de misturação e funciona como um bico de cavitação com um divisor cônico. Para produzir o fluxo de redemoinho, o tubo de alimentação tem oito roscas quadradas, com as aberturas separadas por uma distância de 2-5 mm. As principais desvantagens desse aparelho são a complexidade de fabricação e a alta resistência ao fluxo, devido ao elemento de redemoinho.

Outra Patente Russa N° 2126117, F 24 J 3/00 revela um dispositivo de cavitação por aquecimento, compreendendo . um alojamento cilíndrico, um bico do tipo Venturi e um corpo de defletor, que é colocado dentro dele. O bico do tipo Venturi abriga um rotor posicionado na frente do corpo do defletor ao longo do fluxo. A superfície externa do corpo do defletor tem ranhuras longitudinais, que são conformáveis ao rotor e são acopladas à outra extremidade do corpo do defletor, com os furos. A principal desvantagem do referido dispositivo é seu custo de produção. Além disso, o rotor é propenso a emperramento, o que diminui a eficiência do tratamento. A patente da Rússia N° 2158627, B 01 J 5/08 introduz um misturador de cavitação, compreendendo uma câmara cilíndrica de trabalho, um bico alimentador de fluido em forma de cone convergente, e um bico de cone para descarregar o fluido atomizado. A entrada da câmara aloja um bico de jatos múltiplos para misturação de fluidos, que é seguido por um bico para uma introdução opcional de componentes adicionais. A câmara de trabalho tem uma corrediça circular de formato extremo, fixada no seu interior. A superfície interna da extremidade traseira da câmara compreende as nervuras radiais longitudinais. Esse dispositivo não é capaz de gerar um campo de cavitação uniforme dentro da câmara, e, como resultado, a eficiência de processamento é insuficiente.

No presente momento, com o custo da energia subindo rapidamente, e altamente desejável reduzir o tempo de processamento e reduzir o consumo de energia para garantir a maior margem de lucro possível. As técnicas da arte anterior não oferecem o método mais eficiente para aprimorar fluidos, especialmente misturas complexas e líquidos viscosos não-newtonianos, no mais curto espaço de tempo possível.

Portanto, há necessidade de um avançado dispositivo de fluxo passante para processamento de mistura com um reduzido tempo de tratamento e custo de energia, resultando em produtos com melhoradas características, que possam ser mais fáceis de manusear. 0 dispositivo avançado, compacto e altamente eficiente é particularmente desejado nos locais de mineração e refinarias, onde o rendimento é um fator chave. A presente invenção proporciona tal dispositivo, enquanto que fornecendo produtos aprimorados dentro de um curto período de tempo.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO A presente invenção fornece um método e dispositivo para geração de cavitação de vários estágios em fluxo de fluido dentro de pelo menos três câmaras de cavitação consecutivas. Esta meta é alcançada, através da concepção do dispositivo de cavitação de vários estágios destinado para modificação rápida de fluidos complexos. De acordo com a presente invenção, o método inclui a alimentação de um fluido no dispositivo de cavitação hidrodinâmica de várias câmaras com fluxo passante, utilizando uma pressão de entrada controlada e sustentada por uma bomba e aplicação de reagentes e condições selecionadas. A presente invenção é dirigida a um método para processar uma mistura de fluidos em um dispositivo de cavitação hidrodinâmica de vários estágios. 0 método começa com o fornecimento de um caminho de fluxo passante através do dispositivo de cavitação hidrodinâmica. Em seguida, a mistura de fluidos é bombeada através de um bico de jatos múltiplos tendo uma pluralidade de canais. 0 bico de jatos múltiplos cria recursos de cavitação na mistura fluidica. A mistura de fluidos é, então, passada por uma pluralidade de guias espirais disposta em uma câmara de trabalho. As guias espirais também criam recursos de cavitação na mistura fluidica. A mistura de fluidos é, a seguir, conduzida por uma pluralidade de guias de fluxo em uma câmara de vórtice. As guias de fluxo e a câmara de vórtice criam recursos cavitacionais na mistura fluídica. Finalmente, a mistura de fluidos é introduzida em um cone de atomização com uma elevada área transversal. A mistura fluidica perde todos os recursos cavitacionais no cone de atomização. A câmara de trabalho é delimitada pela parede externa de um cone guia e a parede interna de um cone convergente. 0 cone guia e o cone convergente são dispostos ' coaxialmente ao longo do caminho de fluxo, de modo que a câmara de trabalho acompanhe as paredes frontais interna e externa dos respectivos cones. As guias espirais são organizadas sobre a parede externa do cone guia, e têm um passo decrescente seguindo o diâmetro decrescente da câmara de trabalho. Os guias espirais se estendem do bico de jatos múltiplos ao pico do cone guia. 0 bico de jatos múltiplos, de preferência, inclui quatro canais. Cada um desses canais tem contrações e expansões abruptas ao longo do caminho de fluxo. Os canais podem ser do tipo Venturi, que têm uma entrada cônica com perfil arredondado, uma garganta cilíndrica, e uma saída cônica. A mistura de fluidos pode ser processada várias vezes. Isso pode ser conseguido por meio de múltiplas passagens através de um único dispositivo de cavitação hidrodinâmica de vários estágios, ou passagem através de múltiplos dispositivos de cavitação hidrodinâmica de vários estágios dispostos em série. O dispositivo de cavitação hidrodinâmica de vários estágios para processar uma mistura de fluidos compreende um alojamento cilíndrico com um caminho de fluxo no seu interior e um cone de entrada disposto em uma entrada para o caminho de fluxo. Um bico de jatos múltiplos está posicionado no caminho de fluxo após o cone de entrada. 0 bico de jatos múltiplos tem uma pluralidade de canais dispostos em torno de um anel perimetral do bico de jatos múltiplos.

Uma câmara de trabalho tendo um formato cônico geralmente anular com um diâmetro decrescente é posicionada no caminho de fluxo após o bico de jatos múltiplos. Uma pluralidade de guias espirais é disposta na câmara de trabalho se estendendo dos canais no bico de jatos múltiplos através da câmara de trabalho.

Um gerador de vórtice acompanha a câmara de trabalho ao longo do caminho de fluxo. 0 gerador de vórtice é composto por um disco dianteiro, um disco traseiro e um corpo cilíndrico disposto entre eles. Os discos dianteiro e traseiro incluem guias de fluxo curvas se estendendo de um furo central para uma abertura anular em torno do corpo cilíndrico. Um cone de atomização acompanha a câmara de vórtice ao longo do caminho de fluxo. 0 bico de jatos múltiplos, de preferência, tem quatro canais, cada canal tendo uma contração abrupta e uma expansão abrupta ao longo do caminho de fluxo.

Alternativamente, cada canal pode ser um canal do tipo Venturi composto de uma entrada cônica tendo um perfil arredondado, uma garganta cilíndrica e uma saída cônica. 0 formato cônico geralmente anular da câmara de trabalho é definido por uma parede externa de um cone guia e uma parede interna de um cone convergente coaxialmente disposto ao longo do caminho de fluxo com o cone guia. As guias espirais são dispostas ao redor da parede externa do cone guia e têm um passo decrescente acompanhando o diâmetro decrescente da câmara de trabalho em direção a um pico do cone guia. 0 número de guias espirais, de preferência, se iguala ao número de canais no bico de jatos múltiplos.

Outros recursos e vantagens da presente invenção tornar-se-ão evidentes a partir da descrição mais detalhada a seguir, tomada em conjunto com os desenhos anexos, que ilustram, a título de exemplo, os princípios da invenção.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Os desenhos anexos ilustram a invenção. Nesses desenhos: a figura 1 é um diagrama, ilustrando uma modalidade preferida do dispositivo inventivo de cavitação de vários estágios; a Figura 2 é uma vista transversal do dispositivo de cavitação de vários estágios, tomada ao longo da linha 2-2 da FIG. 1; a Figura 3 é uma vista transversal da parte frontal da câmara de trabalho do sistema de cavitação, tomada ao longo da linha 3-3 da FIG. 2; a Figura 4 é uma vista transversal do elemento de vórtice, tomada ao longo da linha 3-3 da FIG. 2; a Figura 5 é uma vista transversal de uma modalidade de um canal em um bico de jatos múltiplos, tomada ao longo da linha 5-5 da FIG. 3; a Figura 6 é uma vista transversal de uma modalidade alternativa de um canal em um bico de jatos múltiplos, tomada ao longo da linha 5-5 da FIG. 3.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERIDAS A presente invenção é dirigida a um método de geração de micro-bolhas em um fluido resultante da alteração das propriedades fisicas e/ou químicas do dito fluido. 0 fluido é bombeado para dentro de um reator de cavitação hidrodinâmica de vários estágios com fluxo passante, controlando a intensidade de cavitação por variação da pressão de entrada da bomba, e continuação da aplicação dessa cavitação por um período de tempo suficiente para alterar o dito fluido e obter o produto melhorado. 0 termo fluido inclui, mas não é limitado a, misturas complexas homogêneas ou heterogêneas, fluidos existentes em uma fase liquida, imediatamente antes da cavitação, um sistema bifásico ou multifásico composto de hidrocarbonetos, petróleo, água e/ou quaisquer outros líquidos imiscíveis, soluções de sais, gases e/ou outros solutos, dispersões, emulsões, suspensões, sólidos derretidos, gases em condições supercríticas e suas misturas. 0 fluido pode ser desgaseifiçado ou misturado com hidrogênio, nitrogênio, dióxido de carbono, outros gases ou suas misturas. 0 sistema de cavitação hidrodinâmica com fluido passante é especialmente adequado para o processamento de misturas complexas viscosas de origem diversa, como, por exemplo, óleo convencional ou não convencional, extratos de células, polpa de frutas etc..

Assim, além dos objetos e vantagens do rápido aprimoramento do fluido complexo acima descrito, vários objetos e vantagens da presente invenção são: (1) facilitar a operação, melhorar a produtividade e reduzir o consumo de energia do processamento de fluidos; (2) fornecer um dispositivo de fluxo contínuo para aprimoramento do petróleo, de uma maneira dramaticamente acelerada, com custos de energia otimizados; (3) fornecer um método para misturar e alterar fluidos, submetendo-os ao menos a três operações consecutivas de cavitação hidrodinâmica em temperatura gradualmente crescente, diminuindo o limiar de cavitação; (4) fornecer um método para a alteração gradual em cascata de fluidos, submetendo os componentes originais dos ditos fluidos a um primeiro evento de cavitação, seguido por sujeição dos compostos residuais originais e produtos das reações a subsequentes eventos de cavitação; (5) fornecer um dispositivo para manipulação de fluidos no local da produção; (6) fornecer um método para alterar petróleo, para obtenção de mudanças semelhantes ao craqueamento, sem as temperaturas e pressões elevadas sistêmicas associadas ao craqueamento; (7) produzir um campo de cavitação uniforme ao longo de um volume de fluido por um tempo suficiente para sintetizar novas moléculas estáveis e produzir outras mudanças; (8) fornecer um método, no qual dois ou mais sistemas de cavitação hidrodinâmica de vários estágios com fluxo passante possam ser empregados.

Os objetos da presente invenção são alcançados, forçando os fluidos dentro do aparelho de cavitação hidrodinâmica com fluxo passante a induzir reações químicas e/ou alterar as propriedades físicas dos fluidos. Cavitação hidrodinâmica assume a formação de bolhas de vapor dentro de um fluido acelerado a uma alta velocidade. Na prática, o fluido é acelerado com uma bomba de alta pressão. O fenômeno é chamado de cavitação, porque cavidades se formam, quando a pressão do fluido tiver sido reduzida à sua pressão de vapor. As bolhas de vapor de expandem, à medida que elas avançam e de repente entram em colapso, criando uma região de alta pressão. 0 colapso violento provoca enormes aumentos localizados na pressão e temperatura, e intensas forças de cisalhamento, resultando em reações químicas. Ao submeter o fluido à cavitação hidrodinâmica com fluido passante, as moléculas são ativadas e são convertidas em novos componentes estáveis.

Torna-se uma decisão de custo do equipamento, qual tipo de configuração do dispositivo de cavitação hidrodinâmica com fluxo passante usar, uma vez que uma série de abordagens são tecnicamente viáveis, seja para aprimoramento em larga escala, ou tratamento de pequenos volumes. Um método para assegurar as melhores condições é a criação de cavitação uniformemente por todo o fluxo, evitando o desperdício de energia. Idealmente, a energia aplicada deve ser reduzida a um nivel otimizado, quando a cavitação ainda ocorrer de forma eficiente e o gasto energético for mínimo.

Com referência aos desenhos em anexo, figs. 1-6, um método e dispositivo para a criação dos processos de cavitação em fluxos de fluido, resultando em regiões localizadas de aumento de pressão, calor e mistura vigorosa para gerar mudanças nos fluidos, são divulgados. 0 método e dispositivo incluem o uso de um reator de cavitação hidrodinâmica de vários estágios com fluxo passante para promover processos e reações químicas e físicas, que ocorrem em um curto espaço de tempo e resultam em produtos aprimorados bem misturados. Intenso calor localizado, libertado devido à compressão de gás e formação de microjato, que acompanha a implosão das bolhas de cavitação, excita moléculas contidas em vapores e nas camadas adjacentes do fluido circundante transitoriamente enriquecido com o(s) ingrediente(s) de alto ponto de ebulição, provocando assim várias reações e processos químicos.

Uma modalidade preferida do dispositivo de cavitação em vários estágios da presente invenção é ilustrada nas Figs. 1 e 2, que retratam um sistema de cavitação hidrodinâmica de vários estágios com fluxo passante capaz de alcançar os objetos da presente invenção. Dito sistema compreende um alojamento definindo uma parte externa substancialmente cilíndrica, uma entrada de fluido no dito alojamento, uma câmara de trabalho, uma saída de fluido na câmara de trabalho posicionada para retirada de fluido da câmara, uma: saida da, câmara de vórtice, e um cone de atomização coaxialmente alinhado com os compartimentos a montante. A entrada do fluido está posicionada para ■ introduzir fluido nos canais de alojamento do bico de jatos múltiplos a montante tendo contrações e expansões abruptas. A câmara de trabalho é uma parte chave do sistema e é moldada como um cone convergente. A câmara de trabalho aloja elementos orientadores de fluxo, e é onde ocorre o primeiro evento de cavitação. A saída do fluido acelera e direciona o fluido para dentro de uma câmara de vórtice, onde ocorre o segundo evento de cavitação. O fluido enriquecido com bolhas saindo do atomizador é submetido ao terceiro tratamento de cavitação. 0 dispositivo de cavitação, como mostrado nas figuras 1 e 2, é composto por um corpo cilíndrico 10 feito preferencialmente de metal, um tubo de entrada 12 e um tubo de saida 14. Um cone de entrada 16 está localizado em frente a um bico de jatos múltiplos 18 ao longo do trajeto de fluxo. Um cone guia 20 é posicionado atrás do bico 18 e incorpora guias espirais 22. 0 bico de jatos múltiplos 18 é moldado como um disco tendo um anel perimetral 19 e possui quatro canais 24, que têm contrações e expansões transversais abruptas (Figuras 2 e 3). O número de guias espirais 22 é igual ao número de canais 24 no bico de jatos múltiplos 18. Os canais 24 estão distribuídos uniformemente em toda a superfície do bico de jatos múltiplos 18 e direcionam fluxo ao longo da câmara de trabalho 26. A câmara de trabalho 26 está localizada atrás do bico de jatos múltiplos 18 ao longo do trajeto de fluxo e tem uma parede interna formada pelo cone 20 e uma parede externa formada por um cone convergente 28. O cone convergente 28 está alinhado coaxialmente com o cone guia 20. Uma saída 42 do cone convergente 28 leva a um gerador de vórtice 29.

Por trás do.cone convergente 28 existe o gerador ou. câmara de vórtice 29 composto dos discos 30, 32, com guias de fluxo curvas 34 e furos centrais 36, que são coaxialmente alinhados (FIG. 4) . Um espaço anular 38 está localizado entre os discos dianteiro e traseiro 30, 32 e em ■ torno de um corpo cilíndrico 40 de diâmetro ligeiramente menor do que a câmara de vórtice 29, que bloqueia o caminho direto do jato emergindo do furo central 36 no disco dianteiro 30. As guias de fluxo curvas 34 são elevadas com relação aos discos 30, 32, a fim de se estenderem para fora do corpo cilíndrico 40.

As guias de fluxo 34 criam vários caminhos de fluxo curvos a partir do furo central 36 no disco dianteiro 30 até o espaço anular 38 do gerador de vórtice 39. Caminhos semelhantes são criados a partir da abertura anular 38 da câmara de vórtice 39 até o furo central 36 no disco traseiro 32, na parte traseira do corpo cilíndrico 40. Os furos centrais 36, a saída 42 do cone convergente 28 e uma entrada 44 do cone atomizante 4 6, que fica por trás do gerador de vórtice 29 ao longo do trajeto de fluxo, todos têm o mesmo diâmetro. O dispositivo inventivo de cavitação 9 pode ser fabricado a partir de materiais diversos, embora existam algumas restrições colocadas sobre eles. Os materiais devem ser de fabricação e brasagem simples, ser capazes de suportar alta pressão e temperatura, e apresentarem alta resistência à corrosão, permitindo assim que o sistema seja operado de forma continua e/ou por várias vezes com uma variedade de fluidos. Os materiais devem ser mecanicamente compatíveis para garantir propriedades similares de dilatação do material após o aquecimento. Um revestimento de plástico é possível. Em uma modalidade preferida da invenção, o dispositivo é feito de um aço temperado inoxidável. As superfícies internas podem ser revestidas com catalisadores sólidos, de preferência óxidos metálicos.

As dimensões interna e externa do sistema dependem da utilização prevista para o dispositivo. Um sistema de cavitação pequena é preferível, quando a quantidade de fluido a ser cavitada for limitada, ou o seu custo for demasiado elevado. Um sistema de grande porte com um diâmetro interno de 10 polegadas ou maior fornece uma alta produção de tratamento e gera maiores recursos de cavitação. Na modalidade preferida, o dispositivo de cavitação 9 possui cerca de 14 pol. de comprimento, com um diâmetro externo de cerca de 3 polegadas. 0 sistema de cavitação atual fornece, pelo menos, três zonas de cavitação principais e funciona da seguinte forma. Fluido presumivelmente suficiente, por exemplo, uma emulsão aproximadamente dispersa, é inicialmente pressurizado com uma bomba de pressão adequada e introduzido na entrada 12, que tem um diâmetro externo uniforme de 1,5 polegadas na modalidade preferida. 0 fluido entra no topo do cone de entrada 16, que é cercado pela parede periférica interna do alojamento 10. O fluido acelera sobre o cone de entrada 16 e se move para dentro dos canais 24 do bico de jatos múltiplos 18. Para aumentar a misturação e a cavitação, os canais 24 do bico de jatos múltiplos 18 são exclusivamente moldados e contêm contrações 52 e expansões 54. Mais especificamente, os diâmetros transversais dos canais 24 variam ao longo do trajeto de fluido, como ilustrado na FIG. 5.

Conforme ilustrado na FIG. 6, os canais 24 podem ser alternativaraente fabricados como bicos tipo Venturi para separar vórtices e gerar pulsações de pressão em frequências características. Um bico tipo Venturi é definido como um dispositivo de aceleração composto de uma entrada cônica 56 com um perfil arredondado, uma garganta cilíndrica 58 e uma saída cônica (difusor) 60. 0 bico Venturi gera fluxo instável, que pode ser calculado (Fedotkin e Gulyi, 2000, Mahesh e outros, 2004; Li e outros 2008) .

Quando o fluido se move através dos canais 24, os vórtices, jatos completamente independentes e possível cavitação são produzidos. Eles agem sobre o fluido, alterando a homogenia da emulsão, melhorando o grau de dispersão, e modificando as superfícies das partículas. As correntes saindo dos canais adjacentes 24 são misturadas, passando através das frestas formadas pelas guias espirais 22 montadas entre o segundo cone 20 e as paredes do cone convergente 28, e fluindo através da câmara de trabalho 26.

Embora essa configuração seja preferida, deve ser entendido que as guias espirais 22 não precisam ser montadas em um ângulo especifico ou em um local especifico em relação aos canais 24, a fim de gerar cavitação na câmara de trabalho 26. A configuração preferida das guias 22 tem uma diminuição gradual no passo da espiral em direção ao pico do cone guia 20, a fim de acelerar a velocidade do fluxo. Isso permite que o fluido forme padrões e jatos no fluxo e forme vórtices e cisalhamento, quando as camadas superiores do fluxo se separarem daquelas dispostas por debaixo, por causa da diferença significativa nas velocidades. O fluido dirigido pelas guias 22 exibe cavitação significativa dentro da câmara de trabalho 26. A implosão das cavidades geradas resulta na formação de ondas de choque, jatos locais de alta velocidade e dissipação de calor, melhorando as taxas de reação e a transferência de massa. As velocidades do jato e a intensidade dos vórtices e cavitação dependem da interação de uma mistura de fluido - vapor com vapor. Quando o número de cavitações diminui, cavidades oscilantes com desprendimento de vórtices periódicos, cavidades preenchidas com fluido - vapor dentro de uma esteira turbulenta, e cavidades preenchidas com vapor são observadas. Na região de cavitação, ocorre uma forte transferência de impulso entre as camadas de maior e menor fluxo. Na zona central da região, a velocidade de fluxo é alta e bem distribuída. A região de baixa velocidade diminui, quando o caminho do fluxo se move a jusante. As dimensões das bolhas de cavitação e a intensidade do campo de cavitação aumentam, conforme o fluido se move em direção à parte central da câmara de trabalho 26. Um aumento na diferença entre as pressões de fluxo favorece a formação de cavitação e vórtice. A área da seção transversal da câmara de trabalho 26 diminui ao longo do trajeto de escoamento, devido ao diâmetro decrescente do cone guia 20, e ao diâmetro correspondente do cone convergente 28, resultando na aceleração do fluxo de fluido. Com o aumento da velocidade, a pressão do fluido cai, favorecendo condições adequadas para a cavitação. Além disso, ao sair da câmara de trabalho 26, o fluido é mais acelerado, ao deslizar sobre as guias espirais 22. O fluído passa, então, através do furo central 36 no disco dianteiro 30, entra nas guias de fluxo 34, passa para a abertura anular 38, e depois acompanha as guias de fluxo 34 do disco traseiro 32 para o furo central 36. 0 drástico aumento na área transversal do caminho de fluxo, mudanças abruptas na direção de fluxo e vigorosa formação de vórtice promovem a nucleação, crescimento e coalescência de recursos cavitacionais. Na câmara de vórtice 39, as bolhas de cavitação são submetidas ao aumento da pressão, causado pela dinâmica do fluxo, isto é, forças centrifugas e de Coriolis aparentes. Conseqüentemente, as bolhas implodem a uma maior velocidade de fluxo do que a normal.

Saindo da câmara de vórtice 38, o fluido, que foi aquecido pelo processo de cavitação, entra nos canais formados pelas guias 34 e acelera, devido ao estreitamento da área transversal. Quando o fluido se move ao longo dos canais curvos, ele provoca atrito de rolamento, o que exige muito menos força para ser superado do que o atrito de deslizamento. As guias de fluxo, 34 dos discos 30, 32 do gerador de vórtice 39 são formadas como arcos curvos, ou círculos, a fim de reduzir a energia necessária para dirigir fluido no gerador de vórtice 39. A energia necessária para forçar o fluxo ao longo da seção convexa das guias curvas 34 é muito menor. A força necessária para superar o atrito de rolamento na seção côncava das guias 34 depende de sua curvatura. 0 fluxo de vórtice sai do furo central 36 no disco traseiro 32 e atomiza dentro do cone 46. O drástico aumento da área transversal, fortes alterações na direção do fluxo e na sua natureza de vórtice promovem a formação e expansão de recursos cavitacionais, e outros efeitos. Na saída 14 do atomizador 50, a vazão cai com perdas mínimas de energia, até atingir o nível aceitável por parte dos requisitos de segurança da linha de tubulação a jusante. Com o aumento de pressão hidrostática, as bolhas de cavitação entram ■ rapidamente em colapso, e o impacto negativo da cavitação sobre a linha de tubulação a jusante e os equipamentos rapidamente desaparece. 0 processo de cavitação por fluxo passante pode ser acoplado a tratamentos com ultravioleta e/ou luz visível, para melhorar a eficiência. 0 fluido também pode ser irradiado com ondas de som ou ultrassônicas, antes e/ou após a cavitação por fluxo passante. O presente dispositivo de cavitação com vários estágios fornece pelo menos três zonas, onde ocorre a vigorosa formação de vórtice e intensa cavitação. A primeira zona de cavitação está dentro da câmara de trabalho 26, a segunda zona de cavitação está no gerador de vórtice 39, e a terceira zona de cavitação está no cone de atomização 46. Esta configuração é particularmente econômica em um tratamento de grandes volumes. No entanto, . os mesmos princípios podem ser aplicados a qualquer alteração em menor escala. Note que equipamentos geradores de radiação ultrassônica não são suficientes para induzir a cavitação uniforme em grandes vasos.

No caso de um tratamento de cavitação de um fluido com vários componentes, a composição da bolha de cavitação não é uniforme. As bolhas contêm vapores dos compostos, que são voláteis nas dadas condições. A implosão da bolha libera energia, que provoca reações químicas e/ou aquece o fluido. A mistura processada contém os produtos dessas reações, isto é, os compostos estáveis recém-formados. 0 tamanho das cavidades depende da natureza do fluido em tratamento, do projeto de engenharia do dispositivo de cavitação, e de outras condições, tais como a velocidade do fluxo sustentado pela bomba. A pressão da bomba pode ser aumentada, até que uma intensidade adequada de cavitação seja alcançada. Além de determinar o tamanho, concentração e composição das bolhas e, como conseqüência, a quantidade de energia liberada, a pressão de entrada regula as reações dos constituintes.

Quanto mais rápida for a vazão, menor será o número de cavitação. Um número menor de cavitação (especialmente números de cavitação menores que 1) implica em um elevado grau de cavitação. A modalidade preferida da presente invenção otimiza a cavitação, para executar alterações uniformes de fluido, através da aplicação da pressão de bomba mais adequada, selecionada em uma faixa de 50-5.000 psi. Se muita energia for aplicada, ou o tempo de tratamento for muito longo, então o custo de atualização sobe. A aplicação de cavitação hidrodinâmica a uma pressão de bomba, projetada para causar cavitação e conversão química de forma consistente em todo o fluido, faz com que alterações de propriedade ocorram e um resultado desejável seja produzido. 0 dispositivo 9, esquematicamente apresentado nas Figuras 1 - 6, é utilizado para realização do método, de acordo com a presente invenção. De acordo com a presente invenção, o fluido é tratado de forma contínua ou periódica, passando através do dispositivo de cavitação com vários estágios 9. 0 aparelho pode ser colocado em qualquer lugar em um local de produção, na coluna de refinação, ou em qualquer outro corpo. Existe outro projeto, em que o dispositivo 9 pode ser fixo na posição, ou móvel. Além disso, vários dispositivos 9 podem ser combinados em uma configuração em série ou paralela, Na prática, é necessário levar em conta o custo do dispositivo 9, sua capacidade de produção e o custo da energia, manutenção e operação subseqüente. Deve-se ressaltar que um operador do dispositivo de cavitação 9 não é obrigado a usar os produtos de segurança de alto desempenho para proteção auditiva, tais como abafadores ou tampões para ouvidos, como seria no caso da cavitação de alta freqüência. A ocorrência de implosão da bolha de cavitação vem acompanhada pela formação de inúmeras microbolhas deformadas. Pressão e temperatura dos vapores contidos nessas bolhas são muito elevadas. Se o fluido enriquecido com essas bolhas se mover para dentro da zona de pressão reduzida, elas vão se tornar núcleos, que são menos estáveis do que aquelas originalmente presentes no fluido, e vão se expandir. As bolhas de cavitação desenvolvidas por esses núcleos aumentam a intensidade do campo de cavitação. 0 processo continuo de multiplicação, expansão, e implosão da bolha diminui o limiar de cavitação, porque as bolhas de cavitação crescem a partir dos núcleos de vapor, cujos volumes são maiores do que os núcleos naturalmente presentes.

Quando o fluido é submetido a cavitações consecutivas com vários estágios, ele é aquecido e se torna enriquecido com esses núcleos. Isso reduz os limiares de cavitação, intensifica o processamento, e permite a ocorrência de reações químicas seletivas, visando os compostos de interesse. Isso faz com que o presente dispositivo seja único e especialmente apropriado para tratamento de fluidos viscosos com vários componentes, como, por exemplo, petróleo, óleo, gordura animal derretida, extratos de células e outras matérias-primas de alto valor econômico.

Com a radiação sônica e ultrassônica, os resultados são misturados, a menos que a cavitação seja uniforme em todo o fluido. No entanto, a criação de cavitação acústica uniforme em grandes tanques, como os usados na produção comercial, é particularmente desafiadora. 0 presente dispositivo realiza alteração de fluidos, através da utilização de uma cavitação hidrodinâmica de vários estágios com fluxo passante. A cavitação empregada, em conformidade com a modalidade preferida da presente invenção, é obtida com uma pressão de bomba selecionada a partir do intervalo de aproximadamente 50-5.000 psi. Portanto, uma abordagem prática para o grau desejado, de melhoria é o estabelecimento de uma pressão, que forneça energia de implosão suficiente da bolha para misturação. e atualização. As pressões ideais produzem cavidades em quantidades suficientes para atingir um grau elevado de tratamento. No, entanto, como entendido por uma pessoa hábil na arte,, diferentes fluidos e misturas requerem diferentes energias obtidas através da cavitação, para que sua alteração ocorra. Qualquer pressão de entrada acima de 50 psi é suficiente para alterar as propriedades dos fluidos. Portanto, o intervalo de 50-5.000 psi é, de modo algum, destinado a limitar a utilização da presente invenção. A energia liberada, por causa da implosão da bolha durante o processo de cavitação hidrodinâmiça por fluxo passante, ativa moléculas, forçando-as a reagir e formar compostos inteiramente novos. O resultado é um produto melhorado de maior valor comercial, cujos componentes são mais fáceis de manusear.

Os dispositivos hidrodinâmicos por fluxo passante são projetados para tratar grandes volumes de fluido em geral, em temperatura e pressão ambiente. O processo de cavitação cria aumentos localizados na temperatura e pressão. Outras linhas e sistemas deslizantes podem ser adicionados para ampliar a capacidade de produção. Esses sistemas podem ser facilmente montados e transportados, tornando-os adequados para produção, misturação, transporte e refino.

Os efeitos benéficos obtidos através da presente invenção não podem ser alcançados através de cavitação com rotor - estator, ou cavitação induzida por som ou ultrassom, porque as condições criadas nesse processo simplesmente não existem e não podem ser repetidas por outros meios, incluindo cavitação em um e dois estágios. Em um processo induzido por som, bolhas de cavitação formam uma barreira para transmissão e atenuação das ondas sonoras, devido à sua dispersão e desvio, o que limita a distância efetiva. Além disso, a irradiação ultrassônica modifica as moléculas em locais específicos dentro do líquido, dependendo da freqüência e da potência da fonte. A presente invenção supera estas limitações, alterando química e fisicamente a composição do fluido, de maneira uniforme. Essa invenção altera as estruturas moleculares em maior escala, reduzindo o tamanho das moléculas, por meio do fornecimento de energia suficiente para provocar reações radicais. Portanto, essa invenção proporciona um melhor meio de melhoramento e produção de misturas com superior homogenia. A presente invenção utiliza energia libertada durante a implosão das bolhas de cavitação para alterar fluidos. A cavitação hidrodinâmica é o fenômeno da formação de cavidades de vapor no fluxo de fluido, que é seguido pelo colapso das bolhas em uma zona de alta pressão. Na prática, o processo é realizado da seguinte forma: o fluxo de fluido é alimentado na passagem de entrada do reator. Na zona localizada, a velocidade acelera, fazendo com que a pressão no fluxo caia (principio de Bernoulli). Isso resulta na formação de bolhas cheias com os vapores de compostos, que fervem sob as dadas condições. Quando as bolhas de cavitação se movem além do limite da zona afilada, a pressão no fluxo aumenta e elas entram em colapso, expondo os vapores encontrados em seu interior a uma alta pressão e temperatura, força de cisalhamento, ondas de choque, vibração acústica e irradiação eletromagnética. Cada bolha de cavitação serve como um mini-reator independente, onde alterações químicas são realizadas. A pressão e a temperatura desenvolvidas são significativamente superiores às de muitos outros processos industriais. Outra alteração da composição fluida resulta das reações químicas, que ocorrem dentro das bolhas em colapso e/ou nas camadas adjacentes de fluido. A presente invenção facilita o controle da intensidade do campo de cavitação, utilizando corretamente o dispositivo projetado e a modulação da pressão de entrada. A alta viscosidade dos líquidos viscosos pode ser reduzida com o pré-aquecimento, adição de solventes e surfactantes, aplicando-se campos elétricos ou magnéticos externos (Tao e Xu, 2006) ou uma combinação dos dois. A desintegração e fragmentação de grandes moléculas reduz ainda mais a viscosidade do fluido. A presente invenção cria condições favoráveis, que não podem ser repetidas. A eficiência do processo é aumentada, por meio das múltiplas aplicações consecutivas dos processos de cavitação, criando regiões de alta pressão, calor elevado, turbulência e mistura vigorosa em um curto período de tempo. As modalidades preferidas da presente invenção aplicam níveis otimizados de pressão e temperatura, através da cavitação hidrodinâmica controlada com fluxo passante. 0 processo é independente das temperaturas e pressões externas, e fornece um meio para alterar a composição química, propriedades físicas e outras características dos fluidos uniformemente por todo o fluido.

Importantes benefícios econômicos são também experimentados através da implementação da presente invenção. 0 uso otimizado de um reator de cavitação hidrodinâmica de vários estágios com fluxo passante serve para baixar os custos dos equipamentos, manuseio e energia, pois ele melhora a eficiência e a escala do tratamento.

Certas modalidades detalhadas da presente invenção são aqui divulgadas. No entanto, deve ficar claro, que as modalidades divulgadas são meramente exemplares da invenção, que pode ser incorporada de várias maneiras. Várias modificações podem ser feitas, sem se afastar do escopo e espirito da invenção. Assim, a invenção não deve ser limitada, exceto pelas reivindicações anexas. - REIVINDICAÇÕES -

Claims (12)

1. MÉTODO PARA PROCESSAR UMA MISTURA DE FLUIDOS EM UM DISPOSITIVO DE CAVITAÇÃO HIDRODINÂMICA DE VÁRIOS ESTÁGIOS, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 7 a 12, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: fornecer um caminho de fluxo através do dispositivo de cavitaçâo hidrodinâmica; bombear a mistura de fluídos através de um bico de jatos múltiplos tendo uma pluralidade de canais, em, que o bico de jatos múltiplos cria recursos de cavitaçâo na mistura fluidica; passar a mistura fluídica sobre uma pluralidade de guias espirais dispostas em uma câmara de trabalho, onde as guias espirais criam recursos de cavitaçâo na mistura fluidica; transmitir a mistura fluidica sobre uma pluralidade de guias de fluxo em uma câmara de vórtice, onde as guias de fluxo e câmara de vórtice criam recursos cavitacionais na mistura de fluidos; e introduzir a mistura de fluidos em um cone de atomização, que possui uma elevada área transversal, onde a mistura fluidica perde todos os recursos cavitacionais.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da câmara de trabalho ser delimitada por uma parede externa de um cone guia e uma parede interna de um cone convergente, coaxialmente disposto ao longo do caminho de fluxo com o cone guia, de modo que a câmara de trabalho tenha um diâmetro decrescente ao longo do caminho de fluxo.

3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato das guias espirais serem, organizadas sobre a parede externa do cone guia e terem um passo decrescente acompanhando o diâmetro decrescente em direção a um pico do cone guia.

4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do bico de jatos múltiplos incluir quatro canais, ditos canais tendo contrações e expansões abruptas ao longo do caminho de fluxo.

5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do bico de jatos múltiplos incluir quatro canais, ditos canais sendo· do tipo Venturi formados por uma entrada cônica tendo um perfil arredondado, uma garganta cilíndrica e uma saída cônica.

6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato ainda compreender a etapa de processamento da mistura de fluidos por várias vezes, por passagem múltipla através do dispositivo de cavitação hidrodinâmica de 'vários estágios, ou passagem através de múltiplos dispositivos de câvitaçào hidrodinâmica de vários estágios dispostos em série.

7. DISPOSITIVO DE CAVITAÇÃO HIDRODINÂMICA DE VÁRIOS ESTÁGIOS PARA PROCESSAMENTO DE UMA MISTURA DE FLUIDOS, caracterizado pelo fato de compreender; alojamento cilíndrico tendo um caminho de fluxo no seu interior e uni cone de entrada disposto em uma entrada para o caminho de fluxo; bico de jatos múltiplos posicionado no caminho de fluxo apôs o cone de entrada, o bico de jatos múltiplos tendo uma pluralidade de canais dispostos em torno de um anel perimetral do bico de jatos múltiplos; câmara de trabalho no caminho de fluxo apôs o bico de jatos múltiplos, a câmara de trabalho tendo um formato cônico geralmente anular, com um diâmetro decrescente ao longo do caminho de fluxo; pluralidade de guias espirais disposta na câmara de trabalho, se estendendo dos canais no bico de jatos múltiplos através da câmara de trabalho; gerador de vórtice no caminho de fluxo após a câmara de trabalho, o gerador de vórtice composto por um disco dianteiro, um disco traseiro e um corpo cilíndrico disposto entre eles, os discos dianteiro e traseiro incluindo guias curvas de fluxo se estendendo de um furo central para uma abertura anular em torno do corpo cilíndrico; e cone de atomizaçào no caminho de fluxo após a câmara de vórtice.

8. DISPOSITIVO DE CAVITAÇÃO HIDRODINÂMICA DE VÁRIOS ESTÁGIOS, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato do bico de jatos múltiplos ter quatro canais, e de cada canal tér uma contração abrupta e uma expansão abrupta ao longo do caminho de fluxo.

9. DISPOSITIVO DE CAVITAÇÃO HIDRODINÂMICA DE VÁRIOS ESTÁGIOS, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato do bico de jatos múltiplos ter quatro canais e de cada canal ser um canal do tipo Venturi composto de uma entrada cônica tendo um perfil arredondado, uma garganta cilíndrica e uma saída cônica.

10. DISPOSITIVO DE CAVITAÇÃO HIDRODINÂMICA DE VÁRIOS ESTÁGIOS, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato do formato cônico geralmente anular da câmara de trabalho ser definido por uma parede externa de um cone guia e uma parede interna de um cone convergente, coaxialmente disposto ao longo do caminho de fluxo com o cone guia.

11. DISPOSITIVO DE CAVITAÇÃO ΗIDRODINÂMICA DE VÁRIOS ESTÁGIOS, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato das guias espirais serem organizadas sobre a parede externa do cone guia e terem um passo decrescente acompanhando o diâmetro decrescente em direção a um pico do cone guia.

12. DIΞ POSITIVO DE CAVITAÇÃO ΗIDRODINÂMICA DE VÁRIOS ESTÁGIOS, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato do número de guias espirais ser igual ao número de canais no bico de jatos múltiplos.