ES2240783T3 - Metodo y sistema para disolver gas en un liquido. - Google Patents
Metodo y sistema para disolver gas en un liquido.Info
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Abstract
Un método para disolver gas en un líquido, cuyo líquido fluye en un tubo (10, 110), en el que hay montado un inyector (12, 112) para el suministro del gas al flujo de líquido, cuya mezcla de gas y líquido es hecha fluir a través de uno o más elementos iniciadores de turbulencia que comprenden una boquilla; caracterizado porque: - la mezcla es obligada a fluir en una dirección perpendicular a la dirección del flujo a través de la boquilla, inmediatamente después de dicha boquilla, y en el elemento iniciador de la turbulencia (15, 115), con lo que se consigue así en el líquido una solución molecular de gas aproximadamente saturada.
Description
Método y sistema para disolver gas en un
líquido.
La presente invención se refiere a un método para
disolver gas en un líquido de acuerdo con el preámbulo de la
reivindicación 1, un sistema para hacer lo mismo de acuerdo con el
preámbulo de la reivindicación 5, y el uso de dicho sistema. Más
específicamente, la presente invención se refiere a un líquido que
fluye dentro del cual se inyecta gas. El líquido fluye en un tubo
hasta la parte superior de un mezclador. Hay un inyector dispuesto
para el suministro de gas al flujo de líquido en el tubo. El gas y
el líquido fluyen a través del mezclador, donde dichos líquido y gas
son mezclados. La presente invención puede ser utilizada para el
enriquecimiento del oxígeno del agua, así como en las
piscifactorías u otras instalaciones de cría de animales acuáticos.
Por ejemplo, la invención puede ser utilizada en piscifactorías de
base terrestre.
El documento US 4.171.681 muestra un sistema para
piscifactorías o instalaciones de cría de peces, en las que agua
procedente de un lago y de un pozo son mezcladas y bombeadas a
través de un dispositivo para el suministro de oxígeno a la mezcla
de agua. El agua enriquecida con oxígeno se envía luego hasta un
depósito de cría de peces con base en tierra. En esta base, dicho
depósito tiene una salida para vaciar el agua. Esta solución se
refiere a un sistema para la cría de peces como tal, y no describe
cómo el oxígeno es realmente introducido en el agua y disuelto en
ella.
El documento FR 2 750 880 describe un dispositivo
de inyección para la introducción de gas dentro de un líquido para
uso en la oxigenación del agua para la cría de peces. El
dispositivo de inyección comprende una membrana de difusión
elástica perforada hecha de caucho, El gas fluye helicoidalmente en
torno a la membrana de modo que entra en contacto con un flujo de
líquido. El dispositivo está diseñado para permitir que pequeñas
burbujas sean introducidas dentro de un flujo de líquido sin
perturbarlo demasiado.
Una desventaja de esta solución es que
cualesquiera cuerpos extraños en el flujo del gas, o depósitos de
material orgánico, pueden bloquear las aberturas en la membrana de
difusión. Esto puede traer consigo problemas de introducción de la
cantidad correcta de gas dentro del líquido, y en consecuencia dar
lugar a un funcionamiento inestable.
Otra desventaja es que las burbujas de gas son
introducidas directamente en el área en que, por ejemplo, se hallan
los peces. Esto puede originar un efecto perturbador, inductor de
tensión en los peces, con el resultado de que se reduzcan el
crecimiento y la calidad de aquéllos, y puede haber menos biomasa
por unidad de volumen.
El documento DE 42 35 558 describe un dispositivo
para disolver un gas en un líquido, que comprende un recipiente
alargado que tiene insertadas tres placas con orificios pasantes.
El tamaño de estos orificios está destinado a ejercer un efecto de
boquilla en la disolución del gas en el líquido. El flujo a través
de este dispositivo mezclador es en general axial.
El documento
WO-A-01/56936 describe un aparato
para purificar un flujo de agua mediante la disolución de ozono. El
aparato comprende una cámara mezcladora que cuenta con al menos dos
pantallas y tiene la forma general de un tubo "venturi". El uso
del aparato es para combatir la formación de la bacteria
Legionella en el agua caliente superior. El flujo a través
de la cámara de mezcla será en general axial, con una cierta forma
de onda.
Una desventaja general de las soluciones de la
técnica anterior es que la efectividad o utilización del gas puede
ser relativamente baja, en particular con cantidades grandes de gas
(cuando grandes cantidades de dicho gas han de ser disueltas en
agua, por ejemplo un flujo parcial). Esto puede traer consigo
costes aumentados del gas y/o la necesidad para unidades mayores de
poder tratar más agua, lo que a su vez da por resultado altos
costes de inversión.
Las anteriores desventajas pueden ser evitadas
con la presente invención. Con ésta, es posible para el oxígeno ser
mezclado bien dentro del agua. La presente invención es también
sencilla, robusta, y fiable en su funcionamiento. Permite también
que cantidades grandes de gas sean disueltas con una buena
utilización de dicho gas.
El objeto de la presente invención es mejorar la
disolución del gas en un líquido mediante un flujo mezclado
mejorado, como se define en las reivindicaciones independientes 1 y
5.
Realizaciones particulares de la invención son el
objeto de las reivindicaciones dependientes.
La presente invención será descrita con más
detalle en lo que sigue, con ejemplos y figuras en las que:
-la fig. 1 muestra un sistema para el
enriquecimiento con oxígeno de agua que es añadida a un depósito
para la cría de peces, y en el que un separador es colocado fuera
del mezclador;
-la fig. 2 muestra un sistema para el
enriquecimiento con oxígeno de agua que es añadida a un depósito
para la cría de peces, y en el que un separador está integrado en
la base del mezclador;
-la figura 3 es una corte axial a través de un
mezclador equivalente al mostrado en la fig. 2;
-la fig. 4 muestra los detalles de la entrada del
mezclador a gran escala.
La fig. 1 muestra un depósito 1 para la cría de
peces, en el que hay una cierta cantidad de agua 2 enriquecida con
oxígeno. En un lado del depósito 1 hay un tubo inyector 3 para el
suministro de agua enriquecida con oxígeno a través de una o más
aberturas de salida 4, 4', 4'', 4''', 4'''', 4'''''. En el ejemplo,
el tubo inyector 3 está diseñado de modo que se extienda hacia
abajo dentro del depósito 1, en una posición principalmente
vertical.
El equipo para el enriquecimiento con oxígeno del
agua comprende, entre otras cosas, un tubo de suministro 5 para
agua, que puede consistir en una mezcla de agua dulce y agua salada
que es introducida por un extremo de aguas arriba del tubo de
suministro 5 a través de los tubos de entrada 6 y 7,
respectivamente. Entre el tubo de suministro 5 y los tubos de
entrada 6 y 7 pueden estar las válvulas 8 y 9, para regular la
cantidad de agua que fluya dentro de los tubos de entrada 6 y 7. El
flujo del agua puede interrumpirse también completamente con el uso
de válvulas. En este ejemplo, el tubo de suministro 5 está
dispuesto en una posición vertical, y en su extremo superior se
forma un parte horizontal 10 que comunica con una entrada 14 en la
parte superior de un mezclador 11. En la parte horizontal 10 hay un
inyector 12 para la inyección de gas de oxígeno procedente de un
tubo 13 de suministro de oxígeno. Una válvula 30 de
regulación/cierre puede estar instalada en el tubo 13, para
controlar el flujo de oxígeno hacia el inyector 12.
El agua que fluye y rebasa el inyector 12 portará
con ella gas de oxígeno en forma de burbujas de tamaño variable,
hasta la entrada 14 del mezclador. El mezclador 11 puede ser
descrito como un tubo enfrentado hacia abajo que puede tener
preferiblemente un área de la sección transversal mayor que la del
tubo de suministro 5. La forma de la sección transversal puede ser
redonda o circular. No obstante, pueden ser utilizadas también
otras formas de sección transversal viables. Uno o más elementos
iniciadores de turbulencia 15. 15', 15'', 15''', 15'''', 15''''',
están instalados dentro del mezclador. Estos hacen que el flujo a
través del mezclador 11 sea turbulento, de modo que se consiga una
disolución óptima del gas de oxígeno en el agua. Los elementos
iniciadores de la turbulencia utilizados en el ejemplo pueden estar
diseñados como un primer disco 16 con uno o más orificios pasantes,
en los que la periferia exterior del disco 16 está en contacto con
la superficie interna de pared del mezclador 11. La fig. 1 muestra
un disco 16 con un orificio circular 17 situado centralmente. A una
corta distancia del orificio, aguas abajo (debajo) de él, hay un
segundo disco 18 de tamaño menor que el primer disco. Esta instalado
de modo que se forma un hueco entre la pared interna del mezclador
11 y la periferia exterior del disco. Los discos 16 y 18 pueden
estar instalados en posición fija en el mezclador, o pueden estar
dispuestos de modo que la distancia entre ellos pueda variar (no
mostrado).
La función de dicho elemento 15 iniciador de
turbulencia es que cuando una mezcla de líquido y gas fluye
verticalmente hacia abajo a través del mezclador 11 y dentro de
dicho elemento 15, el flujo cambiará de ser axial a ser radial en el
elemento. En función de la elección de las dimensiones tales como
la sección transversal del flujo en el mezclador 11, el tamaño del
orificio 17 en el primer disco, y el tamaño del segundo disco 18,
así como la distancia entre los discos, será posible iniciar un
cambio en la velocidad en el medio fluyente sobre el elemento 15,
además de un cambio relativamente extenso en la dirección del flujo
que se produce aquí.
Con el elemento 15 se ha demostrado que es
posible iniciar un flujo turbulento efectivo que contribuye a una
buena mezcla del gas y del líquido. En el ejemplo mostrado, son
utilizados seis elementos iniciadores de la turbulencia. No
obstante, el número puede ser, por supuesto, más alto o más bajo,
en función de lo que sea necesario para cumplir con las
especificaciones del sistema en cuestión.
En el extremo inferior del mezclador 11 hay una
salida 19 conectada a un tubo 20, que puede discurrir
horizontalmente y estar conectado también a una entrada 21 en la
base de un separador 22. La finalidad de dicho separador 22 es
separar el exceso de gas/oxígeno de la mezcla que procede del
mezclador 11. La mezcla de agua y gas de oxígeno que viene del
mezclador 11 en este ejemplo puede estar supersaturada con oxígeno,
es decir, que contiene más oxígeno del que puede ser disuelto en el
agua. Como se muestra en la fig. 1, el separador 22 comprenderá
tanto una fase líquida 23 como una fase gaseosa 24. La fase
gaseosa, que generalmente consiste en oxígeno es tomada de la parte
superior del separador 22 a través del tubo de retorno 25, que
puede estar dotado de una válvula 26 de cierre/regulación. El tubo
de retorno 25 conduce el sobrante de gas/retorno de gas de vuelta
al inyector 12, de modo que siga de nuevo el flujo del agua al
interior del mezclador 11, junto con una cantidad mayor o menor de
oxígeno procedente del tubo 13. Alternativamente, el gas de retorno
puede ser conducido de nuevo al mezclador 11 a través de un tubo de
retorno conectado a su propio inyector, es decir, sin estar
conectado al tubo 13 y al inyector 12.
La fase líquida procedente del separador 22 es
conducida desde una salida 28 al depósito 1 de la cría de peces a
través del tubo 27. Dicho tubo 27 está dotado de una válvula
reguladora 29 manual o automática, que mantiene la presión operativa
deseada en el mezclador y mide la cantidad correcta de agua. La
expresión fase líquida es utilizada aquí por razones prácticas,
aunque el líquido esté saturado con gas de oxígeno. Con la presente
invención, el gas disuelto en el líquido después del separador 22
será disuelto como oxígeno molecular, sin un contenido
significativo de burbujas de gas.
La fig. 2 muestra un sistema para el
enriquecimiento con oxígeno del agua que se añade a un depósito 101
para la cría de peces, en el que un separador 122 de gas/líquido
está integrado en la base de un mezclador 111. Como en la fig. 1, en
un lado del depósito 101 hay un tubo inyector 103 para el
suministro de agua enriquecida con oxígeno a través de una o más
aberturas de salida 104, 104'. 104''. 104''', 104'''',
104'''''.
Como en el caso del sistema mostrado en la fig.
1, este sistema comprende un tubo de suministro 105 para agua, que
puede consistir en una mezcla de agua dulce y agua salada que es
introducida en un extremo de aguas arriba del tubo de suministro 105
a través de los tubos de entrada 106 y 107, respectivamente. Entre
el tubo de suministro 105 y los tubos de entrada 106 y 107 puede
haber unas válvulas 108 y 109 para regular la cantidad de agua que
fluye dentro de los tubos de entrada 106 y 107 o cortar el flujo de
agua completamente. El tubo de suministro 105 está dispuesto, como
se muestra, en posición vertical, y en su extremo superior tiene
una parte horizontal 110 que comunica con una entrada 114 en la
parte superior del mezclador 111. En la parte horizontal 110 hay un
inyector 112 para la inyección de gas de oxígeno desde un tubo 113
de suministro de oxígeno. Una válvula 130 de cierre/regulación
puede estar instalada en el tubo 113 para controlar el flujo de
oxígeno al inyector 112.
El agua que fluye rebasa el inyector 112 y porta
con ella gas de oxígeno en forma de burbujas de tamaño variable,
hasta la entrada 114 del mezclador. Dicho mezclador 111 con el
separador integrado 122 se describen con todo detalle más adelante
con referencia a las figs. 2 y 3.
La fig. 3 muestra una sección axial a través de
un mezclador 111 con un separador integrado 122, como se muestra en
la fig. 2. Puede verse que el diseño de la salida del separador
difiere algo del mostrado en la fig. 2. Uno o más elementos
iniciadores de turbulencia 115, 115', 115'', 115''', 115'''' están
instalados en el interior del mezclador. Dichos elementos hacen que
el flujo a través del mezclador 111 sea turbulento, de tal modo que
se consigue así una disolución óptima del gas de oxígeno en el agua.
Los elementos iniciadores de la turbulencia utilizados en el
ejemplo pueden estar diseñados como un primer disco 116'' con uno o
más orificios pasantes, y la periferia exterior del disco 116''
está en contacto con la superficie de la pared interior del
mezclador 111. La figura muestra un disco 116'' con un orificio
circular que junto con un tubo de retorno 125 forma un anillo 117''
situado centralmente. El tubo 125 puede estar montado coaxialmente
en relación con el orificio en el disco 116'', y será descrito en
detalle más adelante. A una corta distancia del anillo 117'', aguas
abajo de él, hay un segundo disco 118'' de menor tamaño que el
primer disco. Está instalado de modo que hay un hueco formado entre
la pared interior del mezclador 111 y la periferia exterior del
disco. El disco 118'', como se muestra en la figura, está diseñado
con un orificio central a través del cual pasa el tubo 125, que
preferiblemente forma una obturación contra la superficie del
orificio. Los discos 116'' y 118'' pueden ser fijos o variables,
equivalentes al descrito para el mezclador 11 mostrado en la fig.
1.
Con el elemento 115 se ha demostrado que es
posible iniciar un flujo turbulento efectivo que contribuya a una
buena mezcla del gas y del líquido. En el ejemplo mostrado son
utilizados los elementos iniciadores de la turbulencia. No obstante,
el número puede ser, por supuesto, superior o inferior, en función
de lo que resulte necesario para cumplir con las condiciones del
sistema en cuestión.
El separador 122, que está situado en la base del
mezclador 111, puede tener el mismo diámetro que el resto del
mezclador 111, o un diámetro mayor que éste. El tamaño es
dimensionado sobre los requerimientos básicos, de modo que la
velocidad del agua hacia abajo en dirección vertical sea
suficientemente baja como para permitir que las burbujas de gas se
eleven. El gas separado es devuelto a la parte superior del
mezclador 111 a través del tubo 125 de retorno vertical dentro del
mezclador 111, y sale a través de un elemento 131 de disolución. En
su extremo inferior (extremo de entrada), el tubo de retorno 125
cuenta de modo ventajoso con un elemento colector 126, para reunir
las burbujas de gas hacia la entrada. El elemento colector puede
ser formado de manera oportuna por el montaje de una pestaña anular
127 sobre el lado inferior del disco más inferior 118'''' en el
elemento de iniciación de la turbulencia 115''''. El elemento de
disolución 131 está diseñado de modo que el agua que fluye dentro
del mezclador sea distribuida radialmente y fuera del disco más
inferior en el elemento 115. Dicho elemento de disolución 121 está
diseñado con orificios laterales (en torno a todo él) a través de
los cuales escapa el gas. Además de la distribución del agua y del
retorno del gas en el mezclador 111, el elemento de disolución 131
tiene la función de evitar que el agua entrante discurra hacia abajo
a través de la entrada, donde se produce el retorno del gas. El gas
en exceso/gas de retorno fluye hacia arriba a través del tubo de
retorno 125, entre otras cosas debido a que las burbujas de gas
tienen flotabilidad (burbujas flotantes) y debido también a la
diferencia en la presión (altura) entre la parte superior y la
parte inferior del tubo. El líquido que fluye rebasa la abertura en
el elemento de disolución y produce un cierto efecto eyector.
La fase líquida procedente del separador 122 es
conducida desde una salida 119 (que puede estar en la base o en el
costado, etc. del separador, en función de las condiciones), hacia
el depósito 101 de la cría de peces a través de un tubo 120. La
salida puede consistir en un tubo 132 que es colocado a través del
mezclador 111 y que discurre por él. Un extremo del tubo 132 puede
estar obturado y el otro conectado al depósito 101 de cría de
peces. El tubo 132 tiene un rebaje que mira hacia abajo en su pared,
que permite que el agua fluya en el tubo desde el separador 122. El
tubo 120 está dotado de una válvula de regulación 129 manual o
automática, que mantiene la presión de trabajo deseada en el
mezclador y mide la cantidad correcta de agua. La expresión fase
líquida es utilizada aquí por razones prácticas, aunque el líquido
puede estar saturado con gas de oxígeno. Con la presente invención,
el gas disuelto en el líquido después del separador 122 será
disuelto como oxígeno molecular, sin un contenido significativo de
burbujas de gas visibles.
La fig. 4 muestra los detalles de la entrada 114
del mezclador a escala ampliada. El elemento 115 iniciador de la
turbulencia tiene un primer disco 116 y un segundo disco 118. El
elemento de disolución 131 está montado centralmente en relación con
el disco 118, y tiene una abertura de entrada 135 que comunica con
el tubo de retorno 125 (fig. 3). El elemento de disolución 131
puede estar diseñado con una o más aberturas de salida 134, 134' en
dirección principalmente radial, y tiene una forma rotatoria
simétrica de modo que el flujo de líquido sea distribuido
uniformemente en la dirección radial sobre el disco 118.
Aunque los ejemplos tratan de la disolución de
gas de oxígeno en un líquido, el sistema puede ser utilizado en
relación con líquidos o mezclas de líquidos diferentes, para
disolver gases o mezclas de gases diferentes. En relación con la
cría de peces, etc., pueden ser disueltos gases distintos al
oxígeno, tales como CO_{2} o aire.
Por ejemplo, una mezcla de CO_{2} y O_{2}
puede ser disuelta en agua para aturdir a los peces antes del
sacrificio. Otro ejemplo relacionado con la cría de peces es
disolver una mezcla de CO y un gas inerte en el agua a utilizar en
un depósito de sangrado para el sacrificio de peces, para evitar el
oscurecimiento de sus agallas.
Otras aplicaciones de la invención pueden
resumirse como sigue:
- ajuste del pH de agua de beber dura y agua de
desecho alcalina;
- separación de residuos de aceite en agua
tratada mediante la disolución de un gas inerte, seguido por
expansión;
- extracción del oxígeno u otros gases de agua
tratada, por disolución de gas de nitrógeno;
- disolución de oxígeno en agua en etapas de
purificación biológica;
- disolución de CO_{2} en agua mineral,
limonada, o similar. Obtención de una alta disolución mediante alta
presión;
- disolución de CO_{2} en fluidos tratados en
procedimientos industriales para control del pH, tal como pulpa y
papel, y efluentes (aguas de desecho).
Claims (12)
1. Un método para disolver gas en un líquido,
cuyo líquido fluye en un tubo (10, 110), en el que hay montado un
inyector (12, 112) para el suministro del gas al flujo de líquido,
cuya mezcla de gas y líquido es hecha fluir a través de uno o más
elementos iniciadores de turbulencia que comprenden una
boquilla;
caracterizado porque:
- la mezcla es obligada a fluir en una dirección
perpendicular a la dirección del flujo a través de la boquilla,
inmediatamente después de dicha boquilla, y en el elemento
iniciador de la turbulencia (15, 115), con lo que se consigue así
en el líquido una solución molecular de gas aproximadamente
saturada.
2. Un método de acuerdo con la reivindicación
1;
caracterizado porque:
- líquido con gas disuelto y cualquier exceso de
gas fluye hacia el interior de un separador (22, 122), para la
separación del exceso de gas de la mezcla saturada.
3. Un método de acuerdo con la reivindicación
2;
caracterizado porque:
- el exceso de gas es devuelto a través de un
tubo de retorno (25, 125) a la entrada (14, 114) del mezclador,
para ser reinyectado dentro del flujo de líquido.
4. Un método de acuerdo con las
reivindicaciones 1 o 2, en el que el líquido es agua dulce o agua
salada, y el gas es oxígeno;
caracterizado porque:
- el líquido con el gas disuelto es conducido a
través de un tubo de inyección (3, 103) a un depósito de cría de
peces (1, 101) para efectuar dicha cría o la de otros animales
acuáticos.
5. Un sistema para disolver gas en un líquido,
que comprende un tubo (10, 110) con un líquido fluyente y un
inyector (12, 112) unido al tubo (10, 110) para el suministro de
gas al flujo de líquido, cuyo sistema comprende también un mezclador
(11, 111) que está aguas abajo del inyector (12, 112) y que
comprende uno o más elementos (15, 115) iniciadores de turbulencia
que comprenden una boquilla;
caracterizado porque
- la boquilla en el elemento (15, 115) iniciador
de turbulencia comprende un primer disco (16, 116) que a su vez
comprende uno o más orificios pasantes (17, 117), y un segundo
disco (18, 118) situado a una cierta distancia del primer disco y
con un tamaño menor que el diámetro interno del mezclador, y porque
el flujo resultante sobre el elemento es principalmente en la
dirección radial.
6. Un sistema de acuerdo con la reivindicación
5;
caracterizado porque:
- el primer disco (16, 116) es circular y tiene
un orificio circular central (17) o anillo (117), mientras que el
segundo disco (18, 118) es circular y es también de tamaño
ligeramente mayor que el del orificio (17) o anillo (117) del primer
disco (16, 116).
7. Un sistema de acuerdo con las
reivindicaciones 5 y 6;
caracterizado porque:
- comprende un separador (122) con una salida
(119) en la base del mezclador (111), y porque el exceso de gas es
conducido desde el separador (122) hacia arriba a través de un tubo
de retorno vertical (125) dentro del mezclador (111), y sale a
través de un elemento de disolución (131) colocado a la entrada del
mezclador (114).
8. Un sistema de acuerdo con la reivindicación
7;
caracterizado porque:
- el elemento de disolución (131) es
rotatoriamente simétrico y tiene una o más aberturas de salida
(134) dispuestas principalmente en la dirección radial.
9. Un sistema de acuerdo con las
reivindicaciones 5 o 6;
caracterizado porque:
- comprende un separador (22) dispuesto aguas
abajo del mezclador (11) con una salida para la retirada del exceso
de gas, que es conducido a través de un tubo de retorno (25) hacia
la entrada del mezclador (14), y una salida (28) para la retirada
del líquido con el gas disuelto.
10. Un sistema de acuerdo con las
reivindicaciones 5 a 9, en el que el líquido es agua dulce o agua
salada;
caracterizado porque:
- el sistema de aguas abajo está conectado a un
tubo de inyección (3, 103) dispuesto en un depósito de cría de
peces (1, 101) para el suministro de agua enriquecida con gas para
dicho depósito de cría de peces u otros animales acuáticos.
11. El uso del sistema de acuerdo con las
reivindicaciones 5 a 10;
caracterizado porque:
- el gas es oxígeno.
12. El uso del sistema de acuerdo con las
reivindicaciones 5 a 10;
caracterizado porque:
- el gas es CO_{2}.
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