ES2203034T3 - Dispositivo para agitar un liquido en un reactor y para inyectar un gas en este liquido. - Google Patents

Dispositivo para agitar un liquido en un reactor y para inyectar un gas en este liquido.

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Abstract

Este dispositivo comprende un dispositivo de accionamiento (1) dispuesto encima del reactor, proviso de un árbol de salida (2) vertical equipado en su extremo con un elemento móvil con flujo axial, como una hélice (4) sumergida en el reactor; el árbol de salida del dispositivo de accionamiento lleva, así mismo, una turbina (5) autoaspirante, sumergida en el reactor que puede ser accionada por el árbol de salida (2), y este último está envuelto coaxialmente por un cilindro (6) unido en su extremo superior al dispositivo de accionamiento y cuyo extremo inferior (6a) desemboca en la turbina; en el extremo superior del cilindro se ha realizado una abertura (14) de inyección de un gas en un intervalo anular (15) delimitado por el árbol y el cilindro. Este dispositivo permite transferir de forma eficaz un gas en un líquido y asegurar una agitación que permita la colocación y el mantenimiento en suspensión de partículas. Encuentra aplicación en el tratamiento biológico de los efluentes industriales.

Description

Dispositivo para agitar un líquido en un reactor y para inyectar un gas en este líquido.
La presente invención tiene por objeto un dispositivo para agitar un líquido en un reactor y para inyectar un gas en este líquido, que comprende un dispositivo accionador dispuesto sobre el reactor, provisto de un eje de salida vertical equipado en su extremo con al menos un conjunto móvil de flujo axial sumergido en el líquido.
El gas inyectado en el líquido puede ser un gas oxigenado, con una proporción de oxígeno que varía de 20 a 100%, o bien un gas carbónico, o bien un gas ozonado, o bien un biogás... El líquido en el cual se ha de inyectar el gas, está dispuesto en reactores utilizados particularmente para tratamientos biológicos de efluentes industriales, y en los que la altura varía generalmente de 2 a 10 metros de profundidad.
En lo que sigue, el termino "reactor" significa "vasija" natural (laguna, estanque, lago...), así como "tanque" con paredes más o menos próximas y a cielo abierto o cerrado.
Los reactores en los cuales estos sistemas permiten inyectar el gas contienen generalmente lodos activados. Estos reactores pueden entonces ser bien vasijas naturales, o bien reactores a cielo abierto y de paredes próximas, o bien reactores cerrados, a presión o sin ella.
En el campo del tratamiento biológico de aguas, se conoce diferentes tipos de sistemas, en función de la inyección del gas, bien por la superficie o bien por el fondo de la vasija. Por ejemplo, existen en las turbinas de superficie cepillos que permiten transferir aire al líquido creando una agitación. Tales dispositivos son utilizables solamente para alturas bajas de agua, y tienen capacidades de oxigenación limitadas.
Así se describe en la patente EP-0.583.509 de PRAXAIR Technology, Inc., un sistema caracterizado principalmente por un impulsor situado en un eje hueco y que genera, durante su rotación y por efecto de Vortex a partir de la superficie del líquido, un gas y un líquido que se sitúan bajo una tapa sumergida. La mezcla gas-líquido así formada es propulsada hacia abajo. Las burbujas de gas que no se han disuelto suben en un radio de acción correspondiente globalmente al de la tapa en la que se recuperan para ser inyectadas de nuevo. El aporte de gas adicional y la purga, así que el nivel óptimo del líquido en la tapa, se regulan por la presión que hay bajo la tapa.
Aunque los rendimientos de transferencia anunciados sean muy buenos, los límites de este sistema son principalmente:
- la zona de acción limitada a un radio próximo a la de la tapa y a una profundidad de agua relativamente baja,
- el enriquecimiento de la fase gaseosa en CO_{2}, N_{2} y otros gases derivados de la actividad biológica, en el caso de aplicaciones de lodos activados, y la necesidad de realizar purgas que provocan pérdidas en O_{2}.
- la complejidad de la regulación de presión bajo la tapa,
- utilización de un gas a presión elevada: necesidad de utilizar un compresor después de un VSA o MPSA (unidad de producción en sitio por adsorción bajo presión o con regeneración a vacío).
Se conocen igualmente sistemas "de fondo", porosos, con inyección de gas y medios de agitación. Estos sistemas tienen una capacidad de oxigenación fija y limitada, y tienen tendencia a ensuciarse. Existen, por último, otros dispositivos "de fondo" que comprenden chorros, o el dispositivo conocido con la marca "Ventoxal" con inyección de gas (aire enriquecido en oxígeno, u oxígeno puro). El sistema "Ventoxal", desarrollado por el solicitante, está compuesto de una bomba, de un sistema de inyección tipo Venturi, de un repartidor de flujo y de un par eyector-tobera, por medio del cual la presión de inyección del gas depende de la altura del agua y se mantiene principalmente por encima de 1,5 bares absolutos. La agitación obtenida es satisfactoria en el fondo de la vasija, pero puede revelarse mediocre en el resto del volumen.
La invención tiene por objeto proponer un dispositivo para agitar un liquido y para inyectar un gas en este líquido, del tipo arriba mencionado, que permite la transferencia eficaz de un gas en un líquido y permite asegurar una agitación que permite la puesta y el mantenimiento en suspensión de partículas.
Según la invención, el eje de salida del dispositivo accionador tiene igualmente una turbina de autosucción sumergida en el líquido y que puede ser accionada por el eje de salida, y este último está envuelto coaxialmente por un cilindro unido en su extremo superior al dispositivo accionador y cuyo extremo inferior se abre a la turbina; en el extremo superior del cilindro se taladra una abertura para inyectar un gas en un espacio anular delimitado por el eje y el cilindro.
El eje de salida del dispositivo accionador acciona la turbina y el impulsor a la misma velocidad.
La rotación de la turbina provoca la aspiración del gas a través del cilindro hueco que envuelve al eje de salida del dispositivo accionador. Esta turbina propulsa radialmente la dispersión gas-líquido.
El dispositivo tiene medios para dirigir hacia el impulsor la dispersión gas-líquido expulsada radialmente por la turbina.
Según un modo de realización de la invención, dichos medios comprenden una caja anular que forma un deflector, que envuelve la turbina y está perfilada para dirigir hacia el impulsor el flujo que procede radialmente de la turbina, y un conjunto de paletas sensiblemente verticales que forman hojas que se mueven en sentido contrario, dispuestas radialmente y fijadas al deflector.
De forma ventajosa, dichos medios pueden comprender un conjunto móvil de agitación adicional y preferentemente accionado por rotación por el eje de salida, o por otros medios, preferentemente a la velocidad de rotación idéntica que la del eje.
El deflector que envuelve la turbina empuja la dispersión gas-líquido hacia el impulsor que propulsa burbujas de gas hacia el fondo, y crea un caudal de bombeo líquido que permite la agitación de la vasija. Las hojas que se mueven en sentido contrario permiten dirigir los diferentes flujos líquidos y gaseosos a fin de maximizar los resultados en términos de transferencia y de agitación.
La invención se describirá ahora con referencia a los dibujos anejos que ilustran una forma de realización como ejemplo no limitativo.
La figura 1 es una vista en corte axial vertical de una forma de realización del dispositivo para agitar un líquido y para inyectar un gas en este líquido conforme a la invención.
La figura 2 es una vista en elevación del dispositivo de la figura 1, que muestra particularmente el deflector que contiene la turbina, así como, en línea discontinua, una variante de la realización.
La figura 3 es una vista en perspectiva que muestra la turbina de autosucción dispuesta en el deflector del dispositivo de las figuras 1 y 2.
El dispositivo representado en los dibujos se destina a permitir la agitación de un líquido L en un reactor, así como la inyección de un gas en este líquido, siendo este gas preferente pero no exclusivamente oxígeno.
El dispositivo comprende un dispositivo 1, por ejemplo un motor, dispuesto en la parte superior de la superficie del líquido L, provisto de un eje de giro de salida 2 que se extiende vertical y sustancialmente sumergido en el líquido L. El eje de salida 2 está equipado en su extremo inferior 3 con un impulsor 4 sumergido en el líquido L. El eje 2 tiene igualmente, dispuesto entre el impulsor 4 y la superficie del líquido L, una turbina de autosucción 5 que se sumerge por tanto en el reactor y que puede ser accionada por el eje de salida 2 a la misma velocidad que el impulsor 4. El eje de salida 2 está envuelto coaxialmente por un cilindro 6 unido en su extremo superior al dispositivo accionador 1, con interposición de un dispositivo de hermeticidad 7 conocido per se, y cuyo extremo inferior 6a se abre a la turbina 5 coaxialmente al eje 2.
La turbina de autosucción 5 está constituido por dos discos superpuestos 8, 9, dispuestos horizontalmente, y por un conjunto de paletas radiales 11 dispuesto entre los discos 8, 9 y fijado a ellos. En el disco superior 8, se taladra un orificio central 12 delimitado por una brida sobresaliente, en la cual penetra el extremo inferior 6a del cilindro 6, lo cual delimita así con el borde de dicho orificio 12 un espacio anular 13.
En el extremo superior del cilindro 6 se taladra una abertura 14 para inyectar un gas en el intervalo anular 15 delimitado por el eje 2 y por el cilindro 6. El sistema de inyección de gas en el orificio 14 es conocido per se, y no se muestra aquí.
El eje de salida 2 traspasa axialmente los discos 8 y 9 fijándose al disco inferior 9, de manera que, cuando se acciona el dispositivo accionador 1, el eje 2 acciona la turbina 5 y el impulsor 4 por rotación a la misma velocidad. La rotación de la turbina 5 crea la aspiración del gas que llega por el orificio 14, por medio del cilindro 6, así como la aspiración de una parte del líquido que se introduce por el espacio anular 13 dejado libre entre la turbina 5 y el cilindro 6. Esta dispersión de gas-líquido se traduce en una población de burbujas cuyo tamaño está mayoritariamente comprendido entre 100 \mum y 2 mm.
El dispositivo comprende igualmente medios para dirigir hacia el impulsor 4 la dispersión de gas-líquido expulsada radialmente por la turbina 5 entre sus paletas 11. En el modo de realización descrito, dichos medios comprenden una caja anular 16 que forma un deflector, taladrada por dos aberturas centrales superpuestas 17, 18, coaxiales al eje 2, siendo el diámetro de la abertura inferior 18 sustancialmente superior al de la abertura superior 17 y sustancialmente igual al (d) de la turbina 5.
Los medios para dirigir hacia el impulsor 4 la dispersión de gas-líquido comprenden igualmente un conjunto de hojas 19 sensiblemente verticales, que forman hojas que se mueven en sentido contrario, dispuestas radialmente alrededor de la caja deflectora 16 y fijada a ésta. Con este fin, cada hoja 19 penetra radialmente a una cierta distancia en el interior de la caja deflectora 16, a la cual está fijada por medios apropiados conocidos en sí, por ejemplo por soldadura o remachado. Las hojas 19 se pueden colocar alrededor de la turbina 5 y del impulsor 4, en una cantidad apropiada a intervalos angulares determinados. En el borde interior de cada hoja 19 se realiza, a nivel del impulsor 4, una muesca 21 en la cual pueden penetrar los extremos de las paletas del impulsor 4.
Las hojas 19 se extienden verticalmente a partir de un nivel correspondiente sustancialmente al del líquido L, a una altura total H comprendida entre 0,7 veces y 12 veces el diámetro d de la turbina 5 (Figura 1).
El dispositivo para agitar un líquido y para inyectar un gas en este líquido, descrito antes, funciona de la manera siguiente.
Una vez el dispositivo accionador 1 se pone en marcha, el eje de salida 2 acciona por rotación, a la misma velocidad, la turbina de autosucción 5 y el impulsor terminal 4. El gas se inyecta o se aspira por la abertura 14 en el espacio anular 15 desde el cual se aspira hacia la turbina 5, como también una parte del líquido L en el espacio anular 13 entre la placa superior 8 y el cilindro 6 (como se indica por la flecha en la figura 1). Al menos se recoge el 90% de la dispersión de burbujas gracias a la presencia de las hojas 19 y del deflector 16 que dirige el flujo hacia el impulsor 4, como se indica por las dos flechas laterales en la figura 1. El impulsor 4, que consta de al menos dos paletas 4a, propulsa la dispersión de las burbujas a una velocidad entre, por ejemplo, 1 y 5 m/segundo, hacia el fondo de la vasija. El dimensionamiento y las condiciones de funcionamiento aplicadas pueden permitir propulsar las burbujas hasta 10 metros de profundidad conservando una velocidad horizontal en el fondo suficiente (es decir, superior a 0,1 m/s) para impedir o prevenir la formación de zonas de depósitos o de partículas sólidas en el fondo de la vasija.
Las burbujas proyectadas en el fondo de la vasija ascienden después en la periferia del conjunto móvil (4, 5) de agitación alrededor del eje central 2. El tiempo de recorrido de las burbujas de gas en el líquido es suficiente para asegurar la transferencia del oxígeno de la fase gas (si el gas inyectado es oxígeno) hacia la fase líquida. El oxígeno se puede utilizar así para necesidades de respiración de la biomasa o de la oxidación de algunos compuestos.
El caudal de bombeo inducido por la presencia del impulsor de recuperación 4 y de las hojas 19 permite asegurar el movimiento del volumen líquido alrededor del conjunto móvil 4 de agitación en un radio que depende de la potencia disipada por el impulsor 4 (potencia comprendida entre 40 y 90% de la potencia aplicada al eje motor 2). Este movimiento permite la puesta en suspensión de lodos y/o de partículas sólidas a fin de asegurar la homogeneización de la concentración de lodos y/o de partículas en el conjunto de los volúmenes removidos por el impulsor 4.
Cuando el gas inyectado por el orificio 14 está oxigenado, el dispositivo arriba descrito permite realizar tratamientos biológicos de los efluentes industriales o urbanos, transfiriendo el oxígeno al lodo activado y agitando la biomasa a fin de homogeneizar la concentración de lodos. El deflector 16 que envuelve la turbina 5 empuja a la dispersión gas-líquido hacia el impulsor 4 que propulsa las burbujas de gas hacia el fondo del reactor, y crea un caudal de bombeo líquido que permite la agitación del reactor. Las hojas 19 permiten dirigir los diferentes flujos líquidos y gaseosos a fin de maximizar los resultados en términos de transferencia y de agitación.
Ejemplo de puesta en marcha del dispositivo
Dimensionamiento de la turbina 5
Los criterios de extrapolación y de dimensionamiento de la turbina 5, después de ensayos de optimización, son los siguientes (Fig. 1):
H1 = 0,1 a 5d (siendo d el diámetro de la turbina 5)
H2 = 0,5 a 2d
H3 = 0,1 a 5d
d1 = 0,01 a 0,1 *d (d1 es la distancia radial entre la turbina 5 y cada hoja 19)
d2 = 0,01 a 0,1 *d (d2 es la distancia radial entre el fondo de una muescas 21 y los extremos de las paletas 4a)
Lcp = 0,5 a 2 * d (Lcp es la anchura de cada hoja que se mueve en sentido contrario)
Dh = 1 a 2 *d (Dh = diámetro del impulsor 4)
Las hojas 19 que se mueven en sentido contrario, en número de 4 en el ejemplo ilustrado en los dibujos, están orientadas radialmente con relación al eje de la turbina. Son al menos dos, cuyo contorno se amolda a la forma geométrica del rotor (impulsor).
Las hojas que se mueven en sentido contrario se añaden para transformar el flujo tangencial en un flujo axial orientado hacia el fondo de la vasija. Su cantidad se ha definido experimentalmente, a fin de repartir en toda la circunferencia las zonas de dispersión Gas/Líquido que ascienden hacia la superficie.
Estas hojas que se mueven en sentido contrario arrancan desde la superficie del líquido, y pueden bajar ventajosamente hasta una profundidad igual o mayor que 12 veces el diámetro de la turbina. Es necesaria su colocación con relación a la superficie para evitar la formación de un Vórtex que conduciría a la desconexión de la turbina.
Para el impulsor de recuperación de la dispersión Gas/Líquido, la cantidad de paletas 4a varía de 2 a 12. Se define para limitar los riesgos de atascamiento con relación a la zona de funcionamiento de la turbina en la relación Gas/Líquido.
El porcentaje de recuperación de la dispersión gas/líquido se puede aumentar ventajosamente añadiendo un conjunto móvil adicional 22 (figura 2), por ejemplo un impulsor con dos o más paletas. Este conjunto móvil 22 se puede fijar al eje de salida 2 como se muestra, y permite aumentar la velocidad periférica del líquido en la caja anular.
Los parámetros de funcionamiento de la turbina son:
- la inmersión I que es la distancia entre el nivel del líquido y el disco superior de la turbina
- la velocidad de rotación N
- el caudal gaseoso Qg
- la presión de inyección del gas Pg
Los criterios de extrapolación de estos parámetros de funcionamiento son los siguientes:
- I/d de 0,01 a 5: valor nominal = 0,4
- Froude modificado = Fr* = N^{2} * d^{2}/ g * I= fuerzas de inercia / fuerzas de gravedad
Fr * = de 0,1 a 25; valor nominal = 1,1 a 2,5
Fr * < 0,1 => aspiración de gas muy débil
Fr * > 25 => riesgos de atascamiento
- Potencia consumida = N^{3} * d^{5} * Np, siendo Np el número de potencia = f(Fr*)
Los modos de realización del dispositivo que es el objeto de la invención pueden ser los siguientes:
- Funcionamiento continuo:
- Funcionamiento a velocidad de rotación fija, realizándose la regulación del caudal gaseoso por un órgano de control del caudal puesto en la línea fluida,
- Funcionamiento a velocidad variable y producción gaseosa variable a fin de permanecer en las condiciones óptimas de funcionamiento de la turbina.
- Funcionamiento alterno/en secuencia:
Funcionamiento por ciclos alternando fases de agitación con inyección de gas y fases de agitación sin inyección de gas, y/o alternando fases de agitación con velocidades variables. Este funcionamiento encuentra particularmente su justificación y su interés para la nitrificación/desnitrificación en mono-vasija.
Las zonas de condiciones de funcionamiento son las siguientes:
- las cantidades específicas netas (ASN) medidas en Kg de O_{2}/kWh adsorbidas pueden variar de 0,5 a 8.
- la capacidad de aspiración de la turbina 5 puede llegar a 50 Nm^{3}/h de gas por kWh consumido por esta turbina.
Las velocidades de agitación son de alrededor de 50 a 1000 tr/min.
La relación inmersión/diámetro de la turbina 5 varía de 0,01 a 5.
El Froude modificado es sustancialmente de 0,1 y 25
La altura del agua en la vasija puede ser clásicamente entre alrededor de 2 y 10m.
- La relación de potencia disipada entre el impulsor 4 y la turbina 5 puede variar de 40/60 a 90/10.
El líquido puede ser unos de los siguientes: lodos activados, efluentes de desechos industriales o urbanos, agua de "proceso", agua de mar, lodos concentrados.
El sistema descrito antes puede ser incluido
- o bien en un reactor biológico y/o químico cerrado o abierto, que funciona bajo presión o no, acoplado a procedimientos de separación físico-químicos (decantadores, flotadores, membranas, filtros...)
- o bien en un reactor biológico y/o químico cerrado, que funciona bajo presión, con control del contenido de gas en el cielo gaseoso por medio de una purga.
En el caso de vasijas profundas (con altura de agua superior a alrededor de 7 metros) o de estaciones ya equipadas, el sistema puede funcionar con sistemas de transferencia de fondo de vasija al aire o al oxígeno, tal como "Ventoxal".
El dispositivo según la invención presenta las ventajas siguientes:
- aspiración del gas a presión baja (a partir de 0,7 bares absolutos), lo que permite una aspiración del aire atmosférico o la utilización del oxígeno producido en el sitio sin etapa de recompresión, o que proviene de otras etapas o procedimientos del sitio que utilizan gases,
- limitación de problemas de disminuciones del pH imputable a la reinyección del CO_{2} producido por las bacterias,
- el conjunto móvil de recuperación (4), cuya potencia se ajusta según las necesidades, tiene un gran radio de acción y permite propulsar la mezcla gas-líquido al fondo de la vasija obteniendo niveles de agitación satisfactorios, incluso para profundidades de agua importantes (alrededor de 7 a 10 metros).
- posibilidad de desacoplar la agitación y la inyección de gas, permitiendo así los diferentes modos de realización expuestos anteriormente (funcionamiento continuo y alterno/en secuencias).
Con relación al sistema Ventoxal, el sistema según la invención presenta las ventajas de permitir la inyección de gas a presión atmosférica o ligeramente inferior a ella, y aumentar los rendimientos de la transferencia de al menos 10% a 50% dependiendo de la altura del agua y del caudal de gas.
El sistema se puede equipar con uno o más conjuntos móviles de flujo axial, tales como impulsores montados coaxialmente en el eje 2.

Claims (8)

1. Dispositivo para agitar un líquido (L) en un reactor y para inyectar un gas en este líquido, que comprende un dispositivo accionador (1) dispuesto sobre el recipiente, provisto de un eje de salida (2) vertical equipado en su extremo con al menos un conjunto móvil de flujo axial (4) sumergido en el líquido, caracterizado porque el eje de salida del dispositivo accionador tiene igualmente una turbina de autosucción (5) sumergida en el reactor y que puede ser accionada por el eje de salida (2); porque este último está envuelto coaxialmente por un cilindro (6) unido en su extremo superior de una manera hermética al dispositivo accionador y cuyo extremo inferior (6a) se abre a la turbina, y porque en el extremo superior del cilindro se taladra una abertura (14) para inyectar un gas en un espacio anular (15) delimitado por el eje y el cilindro.
2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque la turbina (5) consta de dos discos superpuestos (8, 9) y de un conjunto de paletas radiales (11) dispuestas entre los discos y fijadas a ellos, y en el disco superior (8) se taladra un orificio central (12) en el cual penetra el extremo inferior (6a) del cilindro (6) que junto con el borde de dicho orificio delimita un espacio al menos parcialmente anular (13) a través del cual se puede aspirar un líquido a la turbina.
3. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque comprende medios para dirigir hacia el conjunto móvil de flujo axial (4) la dispersión gas-líquido expulsada radialmente por la turbina (5).
4. Dispositivo según la reivindicación 3, caracterizado porque dichos medios comprenden una caja anular (16) que forma un deflector, que envuelve la turbina (5) y perfilada para dirigir hacia el conjunto móvil de flujo axial (4) una corriente que se emite radialmente de la turbina, formándose una abertura central (18) en la cara inferior de esta caja, y hojas (19) sustancialmente verticales que forman hojas que se mueven en sentido contrario, dispuestas radialmente y fijadas al deflector (16).
5. Dispositivo según la reivindicación 4, caracterizado porque dichos medios comprenden además un conjunto móvil (22) de agitación adicional.
6. Dispositivo según una de las reivindicaciones 4 ó 5, caracterizado porque las hojas que se mueven en sentido contrario (19) son al menos dos y se extienden verticalmente a partir de un nivel sustancialmente correspondiente a aquél (L) de la superficie del líquido hasta una altura total (H) entre alrededor 0,7 veces y 12 veces el diámetro (d) de la turbina (5).
7. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el conjunto móvil de flujo axial es un impulsor (4).
8. Dispositivo según la reivindicación 7, caracterizado porque se cortan muescas radiales (21) en las hojas que se mueven en sentido contrario (19) para permitir a las paletas (4a) del impulsor (4) penetrar en ellas.
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