ES2233152A1 - Metodo de cavitacion y aparato para desaireacion. - Google Patents
Metodo de cavitacion y aparato para desaireacion.Info
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Abstract
Método de cavitación y aparato para desaireación que elimina el aire de un líquido, especialmente agua, que fluye a una primera velocidad y a una primera presión en una tubería que tiene una primera área de sección transversal, haciendo fluir a dicha corriente en y a través de una región en dicha tubería que tiene una segunda área de sección transversal menor que dicha primera área de sección transversal, con lo que en dicha región aumenta la velocidad de dicha corriente, disminuye la presión de la citada corriente, y el gas disuelto en dicha corriente se desprende de la mencionada corriente, y se recupera dicho gas desprendido por separado de dicho líquido antes de que se vuelva a disolver en dicho líquido.
Description
Método de cavitación y aparato para
desaireación.
El presente invento está relacionado con la
eliminación de gas disuelto o absorbido, especialmente aire, de
agua.
En muchos tratamientos que emplean agua, es
deseable que el contenido de aire o de oxígeno disuelto en el agua
sea menor que el contenido que se encuentra en el agua cuando el
agua entra procedente de una tubería municipal de suministro, o
bien cuando se recupera en una corriente de reciclado procedente de
otra etapa de tratamiento. Éste es especialmente el caso en los
tratamientos que emplean agua en la fabricación de bebidas. El aire
o el oxígeno disuelto contribuye a la formación no deseada de
espuma, a la degradación no deseable del sabor, o bien interfiere
con la disolución del dióxido de carbono en el agua durante la
fabricación de bebidas carbonatadas.
A la eliminación del aire o del oxígeno disueltos
del agua se hará referencia en la presente memoria como
"desaireación".
En la desaireación utilizada en la industria de
bebidas no alcohólicas se usa típicamente CO_{2} (dióxido de
carbono) como gas de separación. Esto tiene la ventaja de que
cualquier cantidad de CO_{2} que se absorba en el agua se
incorpora simplemente al producto carbonatado. Con el fin de
conseguir la separación deseada, es necesario que el desaireador
funcione a baja presión (de vacío o atmosférica.) En estas
condiciones, el equilibrio favorece la eliminación de gas, pero es
difícil la absorción de gas. Usualmente, esto quiere decir que se
absorbe poca cantidad de CO_{2} en el agua, con lo que las
pérdidas de CO_{2} son elevadas, típicamente de 1 volumen de gas
(a presión y temperatura estándar) por volumen de agua.
Los sistemas actuales de desaireación usan
grandes cantidades de gas, calor, vacío o una combinación de los
mismos para eliminar el aire del agua. Típicamente, los equipos
actuales simplemente desperdician elevadas cantidades de CO_{2}
para llevar a cabo la desaireación, o utilizan bombas de vacío y
hacen funcionar el desaireador a baja presión. El primer
procedimiento es caro en cuanto a los costes de las materias primas
(CO_{2}) y el segundo lo es en cuanto a los costes de energía,
mantenimiento, y equipo.
Por tanto, sigue existiendo la necesidad de un
método para conseguir la desaireación de agua, que sea más efectivo
que los métodos actuales y más eficiente en cuanto a la
desaireación conseguida por recursos gastados (tales como volúmenes
de dióxido de carbono y de equipos.)
Un aspecto del presente invento es un método para
desairear líquido, especialmente agua, que contiene aire, oxígeno,
nitrógeno u otro gas disueltos en el mismo:
(a) proporcionando una corriente de dicho líquido
que fluye a una primera velocidad y a una primera presión en una
tubería que tiene una primera área de sección transversal,
(b) haciendo fluir dicha corriente en y a través
de una región reductora de presión en dicha tubería que tiene una
segunda área de sección transversal menor que dicha primera área de
sección transversal, con lo que en dicha región reductora de
presión aumenta la velocidad de dicha corriente, disminuye la
presión de dicha corriente, y el gas disuelto en la citada corriente
se desprende de dicha corriente, y
(c) recuperando dicho gas desprendido por
separado de dicho líquido antes de que vuelva a disolverse en dicho
líquido.
Otro aspecto del presente invento es un aparato
útil para desairear un líquido que tenga gas disuelto en él, que
comprende:
un conducto para transportar una corriente de
dicho líquido, cuyo conducto tiene una primera área de sección
transversal y una región que tiene una segunda área de sección
transversal menor que dicha primera área de sección transversal,
y
un recipiente separador que tiene una entrada en
comunicación de fluido con la salida de dicha región.
La figura 1 es un diagrama de flujo de una
realización del presente invento.
La figura 2 es una vista en corte transversal de
la región de menor área de sección transversal utilizada en el
invento.
La figura 3 es un diagrama de flujo de otra
realización del presente invento.
Refiriéndose a la figura 1, que representa un
aparato útil en la práctica del invento, el agua de alimentación
entra como una corriente 5 y se transporta a y a través de la bomba
2. La corriente 9 que sale de la bomba 2 alimenta el agua al lado
de entrada del dispositivo 1 de cavitación, a una primera velocidad
determinada y a una primera presión determinada P_{1}. La tubería
9 que transporta el agua tiene una primera área de sección
transversal determinada. Preferiblemente, la tubería es de sección
transversal circular, pero puede tener otros perfiles.
El dispositivo 1 de cavitación se caracteriza
porque tiene una región más estrecha 11, que se ve en la figura 2,
cuya área de sección transversal es menor que el área de sección
transversal de la tubería 9. En el interior del dispositivo 1 de
cavitación, la corriente de agua se acelera en la región 11, lo
cual hace que la presión de la corriente disminuya hasta un valor
P_{2} que está por debajo del punto de borboteo para el gas o los
gases disueltos en la corriente. El o los gases disueltos se eluyen
del líquido.
Cuando la corriente sale del dispositivo de
cavitación como tal corriente 10, la presión del líquido tendera a
volver a subir hasta un nivel un poco Inferior a la presión inicial
P_{1} pero todavía por encima de la presión P_{2} en la región
11. Si no se adoptan medidas correctoras para este comportamiento,
entonces como la presión P_{3} es mayor que la presión en la
región 11, el gas o los gases tenderán a redisolverse en la
corriente de líquido. Por tanto, el dispositivo 1 de cavitación se
monta lo más cerca posible del recipiente separador 3 y de la
tubería 4 de inyección que alimenta la corriente 10 al recipiente
3. El recipiente 3, y preferiblemente también la tubería 4 de
inyección, se han diseñado de manera que tanto el gas desprendido
como el líquido desaireado se separen rápidamente con la mínima
superficie posible de contacto. De este modo, el gas se escapa a
través del orificio 8 de ventilación practicado en la zona superior
del recipiente 3 antes de que se reabsorba en la corriente de
líquido.
La corriente 12 de líquido desaireado se
recircula luego de vuelta a la bomba. Aunque la figura 1 muestra
que la corriente 5 de alimentación se introduce antes de la bomba,
dicha corriente 5 se puede alimentar también después de la bomba.
El tamaño de la bomba y la cantidad de líquido en el circuito de
recirculación vendrán determinados por el nivel deseado de
desaireación.
La figura 1 muestra la corriente 6 de producto,
que transporta agua desaireada, saliendo del sistema aguas abajo de
la bomba 2 y también aguas abajo del punto en que la corriente 5 de
alimentación entra en el sistema. Alternativamente, se puede tomar
de la corriente 12 la corriente 6 de producto antes del punto en que
la corriente 5 de alimentación entra en el sistema.
Opcionalmente, con el fin de mejorar la
desaireación, se puede añadir una corriente 7 de gas, denominado
"gas de separación" en la presente memoria, al agua situada
aguas arriba del dispositivo 1 de cavitación. El gas de separación
añadido se eluye del agua a su paso a través de la región 11, y este
gas ayuda a eliminar el gas objetivo disuelto del agua en la región
11 y al pasar e introducirse en el recipiente separador 3.
El método de inyectar el gas de separación puede
incluir el uso de otros dispositivos de mezcla de elevada
transferencia másica para mejorar la predisolución de los gases.
Por ejemplo, el agua se hace pasar a través de un dispositivo tal
como un inyector de gas que alimenta el gas a la corriente. Estos
dispositivos son capaces de crear finas burbujas de gas para
conseguir una rápida y excelente transferencia de masa entre las
fases gas-líquido. La mezcla de dos fases que salen
de esta etapa de adición se encuentran todavía a la presión de la
tubería, lo cual permite que se realice una disolución muy rápida
del gas en el líquido.
Se pueden usar otros tipos de dispositivos de
disolución de gas tales como los descritos en la patente de EE.UU.
nº 4.743.405. Se pueden utilizar también otros tipos de
dispositivos para disolución de gas en conducciones tales como los
mezcladores supersónicos desarrollados por Praxair, Inc. (por
ejemplo, patente de EE.UU. nº 5.061.406). Estos dispositivos de
disolución de gas instalados en el interior de tuberías se eligen
preferiblemente para esta aplicación debido a su capacidad para
crear burbujas superfinas de gas que se puedan disolver en un corto
tiempo de residencia.
La introducción de gas de separación en la
tubería 7 ayuda a la desaireación en el sentido de facilitar la
eliminación del gas de la corriente de líquido, en la región 11 y
en el recipiente 3, consistentemente con técnicas convencionales
para desaireación mediante la adición de un gas de separación. El
gas de separación puede ser preferiblemente aire, nitrógeno o
dióxido de carbono. En general, los caudales más elevados del gas
inyectado están asociados con un mayor grado de eliminación de gas
disuelto del agua.
En otra realización del presente invento se hace
pasar cíclicamente el agua dos o más veces a través del dispositivo
de cavitación, sin añadir agua adicional de alimentación o bien con
la adición de agua de alimentación en una cantidad no superior al
10% del volumen del agua de recirculación. En cada paso a través de
la región 11 y del recipiente separador se elimina un elevado
porcentaje del gas disuelto que todavía permanece en el agua, de tal
manera que repitiendo los ciclos se puede conseguir una
desaireación total del orden de 10^{2} veces a 10^{5}
veces.
Es posible también realizar el invento sin una
corriente de recirculación. Este sistema de un solo paso se muestra
en la figura 3, en la que los números de referencia tienen los
mismos significados que los de la figura 1. En el funcionamiento de
la realización de un solo paso, la mayoría de los principios son
los mismos, pero resulta más difícil controlar el funcionamiento
intermitente.
El método y el aparato del presente invento son
más efectivos y eficientes comparándolos con un sistema típico de
desaireación, que requiere un vacío en el orificio de ventilación,
o calentar el agua (sistemas térmicos), o bien grandes cantidades
de gas para separar el aire y retirarlo del líquido. De estos
sistemas, solamente la desaireación térmica puede lograr una
desaireación hasta niveles de ppb (partes por billón) de
desaireación sin utilizar múltiples etapas.
El presente invento usa la cavitación para crear
una zona de baja presión en la región 11 dentro del circuito. La
desaireación ocurre en la zona de baja presión, y funciona como un
sistema de vacío. Sin embargo, a diferencia de los sistemas de
vacío, no se requiere bomba de vacío, porque la energía se
suministra en el circuito que rodea la bomba mediante la bomba de
líquido y no por la bomba de vacío. No se emplea entrada de energía
térmica, ni de energía sònica, ni de radiación. Asimismo, toda la
transferencia másica se produce en el dispositivo de cavitación, y
no en el recipiente de almacenamiento. Esto se debe a que aguas
abajo del dispositivo de cavitación, el sistema vuelve a tener una
presión más alta donde se reabsorberán los gases separados. De ese
modo, el recipiente sirve únicamente como separador de gas/líquido,
y se reduce a un mínimo la transferencia másica.
En lo anterior ocurre lo contrario que en los
sistemas tradicionales, en los que el recipiente separador se hace
cargo de toda la transferencia másica. En los sistemas
tradicionales, el diseño de la superficie de contacto gas/líquido
en el recipiente está comprometido porque la normativa de calidad de
los productos alimenticios impiden utilizar los materiales de
contacto del estado de la técnica. Estos materiales de elevada
superficie de contacto proporcionan también un contacto elevado
para el crecimiento microbiológico, lo que hace difíciles la
limpieza y la higiene. Por tanto, estos recipientes son
dispositivos con una deficiente transferencia másica.
El sistema del presente invento resulta
particularmente atractivo para sustituir a los desaireadores
térmicos. Hasta ahora, la desaireación térmica era la única forma
atractiva de reducir el oxígeno hasta niveles suficientemente bajos
para cumplir la normativa más rigurosa en cuanto a gas disuelto en
aplicaciones de empleo final tales como la producción de cerveza.
Los métodos de vacío y de separación de gas requieren múltiples
etapas para el contacto de las dos fases líquido/gas, lo cual
supone una gran inversión de capital. Sin embargo, los sistemas
térmicos son también caros en su fabricación y tienen costes
elevados de energía. Se ha mostrado que el presente invento sirve
para desairear agua cumpliendo con la normativa más estricta sin
calentamiento, lo cual reduce significativamente los costes de
capital y de funcionamiento.
La presión absoluta P_{1} es típicamente de 200
kpa a 800 kpa. La presión absoluta P_{2} es típicamente de 0 kpa
a 30 kpa. El área de sección transversal de la región 11 es
típicamente entre el 10% y el 50% del área de sección transversal
de la tubería 9 de aguas arriba que entra en el dispositivo de
cavitación.
El presente invento ofrece ventajas sobre otros
métodos de desaireación. Los dispositivos que usan materiales de
empaquetadura para aumentar el contacto líquido-gas
no se pueden utilizar típicamente para desairear cuando se pretende
usar el agua desaireada en aplicaciones para alimentos y bebidas,
porque los materiales de empaquetadura tienen grandes superficies
de contacto gas-líquido y son difíciles de limpiar
e higienizar. Por tanto, el diseño de estos dispositivos debe ser
sencillo, con pequeña superficie de contacto, y como consecuencia,
resultan unos dispositivos con mala transferencia másica. Por
consiguiente, tienen que ser muy grandes para conseguir la
transferencia másica necesaria, y resulta elevada la inversión de
capital en estos sistemas.
Además, los sistemas que utilizan la inyección de
CO_{2} o de otro gas en el desaireador o el circuito de
recirculación o la alimentación de agua tienen sistemas de
inyección ineficaces. Esto da lugar a grandes pérdidas de gas sin
resultar particularmente efectivos en la desaireación. De ese modo,
aunque el consumo de energía podría ser menor que el consumo de
energía en el dispositivo de separación por cavitación, existen
costes significativos asociados con las grandes pérdidas del gas
inyectado, que contrarrestan cualesquiera ahorros de energía.
Otra ventaja significativa es la sencillez del
sistema de cavitación, y los menores costes en energía, equipos y
mantenimiento. Un sistema típico de vacío requiere un depósito muy
grande que debe estar reforzado para soportar la diferencia de
presión entre el interior y el exterior del depósito, así como dos
bombas y todo el mantenimiento asociado con ellas. El sistema del
presente invento solamente requiere una bomba y un depósito mucho
menor (sólo suficiente para separar el gas y el líquido) que no
necesita estar reforzado.
En las fábricas típicas de cerveza a gran escala,
la cerveza se fabrica en forma concentrada y el agua se añade
después de la fabricación. Típicamente, este agua de tratamiento
debe desairearse para eliminar el oxígeno hasta un nivel,
típicamente, de alrededor de 0,1 ppm. De lo contrario, el oxígeno
daría lugar al deterioro del producto.
El método preferido de desaireación en la
industria de la cerveza es la desaireación térmica. Esta constituye
la única forma práctica de alcanzar los bajos niveles de oxígeno.
Sin embargo, se ha descubierto que con el presente invento se
pueden alcanzar fácilmente niveles de oxígeno de 0,1 ppm, y ello con
un consumo mucho menor de energía.
Claims (7)
1. Un método para desairear líquido,
especialmente agua, que contiene aire, oxigeno, nitrógeno u otro
gas disuelto en el mismo, caracterizado por
(a) proporcionar una corriente de dicho líquido
que fluye a una primera velocidad y a una primera presión en una
tubería que tiene una primera área de sección transversal,
(b) hacer circular dicha corriente en y a través
de una región reductora de presión en dicha tubería que tiene una
segunda área de sección transversal menor que dicha primera área de
sección transversal, con lo que en dicha región aumenta la
velocidad de dicha corriente, disminuye la presión de dicha
corriente, y el gas disuelto en la citada corriente se desprende de
dicha corriente, y
(c) recuperar dicho gas desprendido por separado
de dicho líquido antes de que vuelva a disolverse en dicho
líquido.
2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1,
que comprende además inyectar gas de separación en la corriente
aguas arriba de dicha región reductora de presión, y retirar de
dicha corriente dicho gas de separación aguas abajo de dicha región
reductora de presión.
3. Un método de acuerdo con la reivindicación 2,
en el que dicho gas de separación es aire, nitrógeno o dióxido de
carbono.
4. Un método de acuerdo con la reivindicación 1,
en el que la etapa (c) comprende alimentar dicha corriente a un
recipiente separador en el que dicho gas desprendido y dicho
líquido se separan uno de otro, y dicho gas desprendido se ventila
al exterior de dicho recipiente.
5. Un método de acuerdo con la reivindicación 1,
en el que después de que dicho gas desprendido se recupera de dicho
líquido, el citado líquido es hecho recircular a dicha tubería,
aguas arriba de la mencionada región.
6. Un aparato útil para desairear un líquido que
tiene gas disuelto en él, que comprende
un conducto para transportar una corriente de
dicho líquido, cuyo conducto tiene una primera área de sección
transversal y una región con una segunda área, de sección
transversal menor que dicha primera área de sección transversal,
y
un recipiente separador que tiene una entrada en
comunicación con la salida de dicha región.
7. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 6,
que comprende además medios para inyectar gas en dicho conducto,
aguas arriba de dicha región.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20050601 Kind code of ref document: A1 |
|
| FC2A | Grant refused |
Effective date: 20060714 |