ES2241156T3 - Aparato mejorado para mezclado y aireacion. - Google Patents

Aparato mejorado para mezclado y aireacion.

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ES2241156T3 ES98938531T ES98938531T ES2241156T3 ES 2241156 T3 ES2241156 T3 ES 2241156T3 ES 98938531 T ES98938531 T ES 98938531T ES 98938531 T ES98938531 T ES 98938531T ES 2241156 T3 ES2241156 T3 ES 2241156T3
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Abstract

Un proceso para mezclar y airear líquido utilizando un elemento mezclador (1), dicho elemento mezclador (1) comprendiendo: - un eje rotatorio (3); - un disco central (2) montado en forma coaxial a una parte inferior del eje (3); - una cantidad de placas mezcladoras superiores (4) montadas sobre el disco central perforado (2) y coaxiales con el eje (3), dichas placas mezcladoras superiores (4) espaciadas desde y paralelas a el disco central perforado (2) y cada una de dichas placas mezcladoras superiores (4) incluyendo una apertura central; que las aperturas centrales de la cantidad de placas mezcladoras superiores (4) definen juntas un espacio superior en forma de un agujero ahusado (10) teniendo un ápice en el disco central perforado (2) y una base en una placa mezcladora superior (4) más alejada del disco central perforado.

Description

Aparato mejorado para mezclado y aireación.
Este invento se relaciona con un proceso para mezclar y airear líquido utilizando un elemento mezclador.
El mezclado eficiente de fluidos disimilares, o fluidos y sólidos, es requerido en muchas situaciones, incluyendo procesado químico, tratamiento de aguas negras, aireación de aguas residuales, etc. La mezcla se consigue típicamente rotando aspas o impulsores que desplazan físicamente el fluido, de ese modo causando agitación que lleva al mezclado. La eficiencia de este proceso depende en gran parte del diseño de las aspas de mezclado y la naturaleza de los componentes a ser mezclados.
El número de patente de Estados Unidos
5 344 235, asignado a General Signal Corporation, describe un aspa impulsora mejorada, que tiene forma de ala. El aspa está cubierta con un material resistente a la erosión, para superar el problema del deterioro del aspa durante su uso debido al impacto con los sólidos que se están mezclando. La patente de General Signal Corp indica el estado presente en general de las mezcladoras y aireadores basados en impulsores.
Al evaluar el estado anterior, puede hacerse referencia al número de patente de Estados Unidos
4 865 459 asignada a Chuorika Co Ltd. Esta patente describe una mezcladora compuesta por un disco rotatorio montado sobre un eje a corta distancia de un disco fijo. Hay una hélice montada en el extremo del eje para aspirar líquido, el cual es forzado a través de aperturas en el disco rotatorio para ser atacado por fuerzas de corte entre los discos fijos y rotatorios. Se dice que las fuerzas de corte entre los discos producen un mezclado efectivo y uniforme.
Puede también hacerse referencia al número de patente de Estados Unidos 4 267 051 asignado a Rheintech Weiland. Esta patente describe un aireador compuesto de un grupo de placas paralelas hechas rotar cerca de la superficie de un líquido por un eje horizontal. Una cavidad rectangular en la periferia de cada disco atrapa aire y lo fuerza bajo el nivel del líquido al rotar los discos. Se sabe que el atrapar aire y soltarlo bajo la superficie del líquido es de eficiencia apenas moderada para aumentar el contenido de oxígeno en el líquido. Aunque es probable que este dispositivo sea más eficiente que simplemente hacer burbujear aire a través de líquido, es probable que la mejora sea pequeña.
Un aireador más eficiente se describe en el número de patente francesa 1 580 389 asignado a Société Parisienne. Esta patente describe un huso hueco que tiene montado en un extremo un distribuidor de aire compuesto de dos discos paralelos separados por cuatro placas. Hay una hélice montada en el huso ubicado encima del distribuidor de aire para absorber aire en el aparato para su distribución en el líquido. Aunque este dispositivo lograría forzar aire en el líquido, se formarán burbujas que se moverán inmediatamente a la superficie, por tanto minimizando el beneficio factible.
La Patente EE.UU. 2 626 135 A revela un dispositivo mezclador que incluye un eje, una serie de elementos rotores que incluyen un elemento rotor sólido y una variedad de elementos rotores, que tienen cada uno una apertura central. Las aperturas están formadas de modo tal que estén ahusadas hacia el elemento rotor adyacente al elemento rotor sólido. Debido a esto, se forma un rotor de interior ahusado. Este rotor de interior ahusado incluye una serie de elementos rotores posicionados por encima del elemento rotor sólido.
La Patente EE.UU. 3,273,865 A revela un aireador que incluye una variedad de discos con aperturas, los que están mantenidos en paralelo y espaciados en forma axial uno de otro por medio de barras de acople. Se fija un soporte en estrella al disco superior para conectar el disco a un eje, de modo que puedan ser rotados alrededor de su eje de rotación común, el cual es colineal con el eje. El soporte en estrella simplemente sostiene las placas mezcladoras, pero no es de mayor influencia en el procedimiento de mezclado o aireado ejecutado por el aireador.
La Patente EE.UU. 4,451,155 A revela una mezcladora compuesta de un eje rotatorio, un delgado miembro discoidal montado para rotación en el eje, y al menos un delgado anillo anular montado en el miembro discoidal en forma espaciada, paralela y concéntrica a éste. La sección cruzada del perímetro exterior del miembro discoidal y las secciones cruzadas de los perímetros exteriores de los anillos anulares, respectivamente, están todos ahusados, para producir un flujo de capa límite uniforme durante la rotación de estos miembros en un cuerpo de líquido receptor para establecer un flujo laminar y para evitar vórtices.
A pesar del amplio rango de diseños de aparatos mezcladores y la extensa actividad dirigida a mejorar aireadores y mezcladoras, aún hay espacio para mejoras considerables.
Es un objetivo del presente invento el proveer un proceso mejorado para mezclar y airear líquido utilizando un elemento mezclador de acuerdo con el preámbulo de la reclamación 1 para dispersar aire en forma regular tanto en el vórtice superior como en el inferior.
El objetivo del invento se consigue por medio de un proceso para mezclar y airear líquido utilizando un elemento mezclador, el cual está compuesto por:
-
un eje rotatorio;
-
un disco central montado en forma coaxial a una parte inferior del eje;
-
una cantidad de placas mezcladoras superiores montadas sobre el disco central perforado y coaxiales con el eje, dichas placas mezcladoras superiores espaciadas desde y paralelas a el disco central perforado y cada una de dichas placas mezcladoras superiores incluyendo una apertura central; las aperturas centrales de la cantidad de placas mezcladoras superiores definen juntas un espacio superior en forma de un agujero ahusado teniendo un ápice en el disco central perforado y una base en una placa mezcladora superior más alejada del disco central perforado; y
-
una cantidad de placas mezcladoras inferiores montadas sobre el disco central perforado y coaxiales con el eje, dichas placas mezcladoras superiores espaciadas desde y paralelas a el disco central perforado y cada una de dichas placas mezcladoras inferiores incluyendo una apertura central; las aperturas centrales de la cantidad de placas mezcladoras inferiores definen juntas un espacio inferior en forma de un agujero ahusado teniendo un ápice en el disco central perforado y una base en una placa mezcladora inferior más alejada del disco central perforado.
El proceso de acuerdo con el invento presente incluye los pasos de;
-
ubicar el elemento mezclador bajo la superficie de dicho líquido de modo que, al usarlo, un vórtice formado por el agujero ahusado de la variedad de placas mezcladoras superiores apenas alcance una superficie de un líquido para absorber aire en dicho agujero ahusado y dispersar el aire más allá de dichas placas mezcladoras superiores, y
-
rotar el elemento mezclador a una velocidad suficiente para formar un vórtice superior y un vórtice inferior.
En un modo de realización, por el uso de un eje hueco y canales formados en el disco central, con dichos canales proveyendo comunicación entre el eje central hueco y una periferia exterior del disco central, se absorbe aire a través de dicho eje rotatorio hueco y se dispersa a través de dichos canales.
Para ayudar a entender el invento, ahora se describirán los modos de realización preferidos de los aparatos de mezclado para su uso en el proceso de acuerdo con el invento, con referencia a las figuras siguientes en las cuales:
Fig 1 muestra un bosquejo de un primer modo de realización de un aparato mezclador convencional;
Fig 2 muestra un bosquejo de un segundo modo de realización de un aparato mezclador convencional;
Fig 3 muestra una vista en perspectiva de un modo de realización de un aparato mezclador desde abajo;
Fig 4 muestra una vista en sección cruzada lateral del modo de realización de la figura 3
Fig 5 indica el flujo de fluido durante la operación del aparato;
Fig 6 muestra en operación el aparato mezclador mostrado en las figuras 3 a 5;
Fig 7 muestra otro modo de realización de un aparato mezclador;
Fig 8 muestra una vista en sección cruzada lateral del aparato mezclador de la figura 7;
Fig 9 muestra un modo de realización del disco central;
Fig 10 es un bosquejo de otro modo de realización de un aparato mezclador;
y
Fig 11 es un bosquejo de aún otro modo de realización de un aparato mezclador.
Descripción detallada de los dibujos
En referencia a Fig 1, es mostrado un aparato mezclador convencional generalmente indicado como 1. El aparato mezclador 1 está compuesto de un disco central 2 conectado al extremo inferior de un eje rotatorio 3. El eje rotatorio 3 es impulsado por un motor (no mostrado) en un extremo superior.
Varias placas mezcladoras, tales como 4, están montadas en forma concéntrica al eje 3 y paralela al disco central 2. El disco central 2 y placas mezcladoras 4 están ensamblados en las varillas 5. Cada varilla está roscada en un extremo para permitir que la varilla sea atornillada al disco central 2 y tiene un cabezal en el otro extremo para capturar la placa mezcladora. Claramente la varilla puede ser invertida de modo que se atornille en la placa mezcladora superior con el cabezal capturando el disco central.
Las placas mezcladoras 4 están espaciadas uniformemente en las varillas por los espaciadores 4a (tal como se muestra en la Fig 4) colocados en las varillas. En los modos de realización preferidos, los espaciadores son todos del mismo tamaño para que las placas mezcladoras estén espaciadas en forma uniforme. Un espaciado uniforme no es esencial para la operación del invento. El inventor considera que en ciertas aplicaciones puede haber ventaja en aumentar o disminuir progresivamente el espaciado entre las placas.
Cada placa mezcladora 4 tiene un agujero central 6. El diámetro del agujero 6 en cada placa 4 es diferente. Las placas 4 están distribuidas de modo que los agujeros 6 estén distribuidos para formar un cono superior cerrado en el disco central y abierto hacia la placa superior. El ángulo del cono superior relativo al eje central del eje 3 puede estar en el rango de 20 grados a 80 grados, pero el inventor ha encontrado que un ángulo de 30 grados es el más adecuado. En operación, la rotación del aparato mezclador absorbe fluido a través del cono superior y lo expulsa a través de los espacios entre las placas. La operación es explicada con mayor detalle con referencia a Fig 5.
Otro aparato de mezclado convencional se muestra en Fig 2. El segundo modo de realización es similar al anterior, pero con los componentes invertidos. Como con el modo de realización anterior, un disco central 2 está montado en el extremo inferior del eje 3. Varias placas mezcladoras 7 están acopladas bajo el disco central 2 por medio de varillas 8 y separadas por espaciadores 7a (mostrado en Fig 4) montados en las varillas.
Aunque los espaciadores 4a, 7a se muestran como separados de las placas 4, 7, se apreciará que estos podrían estar integralmente formados con las placas.
Los agujeros centrales 9 en las placas mezcladoras 8 forman un cono inferior cerrado en el disco central y abierto hacia la placa inferior. La rotación del aparato mezclador absorbe fluido a través de la placa inferior y loo expulsa a través de los espacios entre las placas.
El inventor ha encontrado que se consigue un proceso de mezclado mejorado con el modo de realización mostrado en Fig 3. El modo de realización es una combinación del modo de realización convencional de Fig 1 y el modo de realización convencional de Fig 2. Como se describió anteriormente, un disco central 2 está fijado al extremo inferior de eje 3. En el modo de realización, seis placas mezcladoras 4 están apiladas sobre el disco central y cuatro placas mezcladoras 7 están apiladas bajo el disco central. Cada placa mezcladora tiene un agujero central con el diámetro del agujero reduciéndose hacia el disco central de modo que se forma un cono por encima y por debajo del disco central.
La estructura del aparato de mezclado del modo de realización se ve más claramente en Fig 4. Como puede verse en la figura, las varillas 5 y 8 se enroscan en el disco central 2 para sostener las placas mezcladoras 4, 7 en relación espaciada y paralela al disco central. Los diámetros de los agujeros 6, 9 disminuyen progresivamente hacia el disco central, para formar un cono superior 10 y un cono inferior 11. El agujero roscado 12 en el disco central 2 recibe un extremo roscado del eje.
En operación, el fluido es absorbido en el cono superior 10 y el cono inferior 11 y dispersado a través de los espacios entre las placas mezcladoras. El flujo de fluido durante la operación del aparato mezclador se muestra esquemáticamente en Fig 5. En Fig 5 el aparato mezclador 1 se muestra suspendido en un tanque 13 lleno con fluido 14. El aparato mezclador 1 es impulsado por un motor 15, el cual es soportado por un armazón 16. Un motor típico podría ser un motor eléctrico de dos caballos de fuerza rotando a 1440 rpm.
Como lo muestran las líneas de flujo 17, el fluido es absorbido a través de los conos y dispersado a través de los espacios entre las placas mezcladoras. Si el aparato mezclador está suspendido cerca de la superficie del fluido, se formará un vórtice y el aire será absorbido en el cono superior y dispersado a través de los espacios entre las placas mezcladoras superiores. El inventor ha encontrado que, cuando se opera de esta manera, el aparato mezclador es un aireador muy eficiente. Un aparato mezclador formado de placas de 150 mm, con seis placas sobre el disco central y cuatro placas debajo, y conos de 30 grados en las placas superior e inferior, cuando está impulsado por un motor eléctrico de 2 caballos de fuerza a 1440 rpm ha sido efectivo en matar algas en una presa pequeña a través de la aireación del agua.
En otro ejemplo de la operación del aparato mezclador, un aparato formado por placas de 250 mm, con seis placas sobre el disco central y cuatro placas debajo de éste, conos de 30 grados en las placas superior e inferior, impulsado por un motor eléctrico de 10 caballos de fuerza a 1440 rpm, y suspendido a 400 mm bajo la superficie de un tanque de 3500 litros, fue efectivo en mezclar los contenidos del tanque en unos 20 segundos. La operación del aparato mezclador en esta operación se muestra en Fig 6.
El inventor especula que la efectividad del aparato mezclador es, al menos en parte, debida a la operación del vórtice formado en los conos. El fluido a la entrada del vórtice rotará a o cerca de la velocidad de rotación del aparato mezclador. Sin embargo, cuando el fluido es absorbido en el cono el estrechamiento imparte una aceleración, de modo que la velocidad aumenta significativamente. El fluido acelerado es lanzado en el fluido circundante, causando una agitación masiva y por tanto un mezclado efectivo.
En forma similar, cuando el aparato de mezclado está colocado cerca de la superficie de un líquido, el aire es absorbido en el cono y acelerado. El aire acelerado es lanzado en el líquido circundante, causando una masiva aireación y turbulencia.
El inventor ha encontrado que se forma una capa límite de fluidos al girar el aparato mezclador. Esto tiene el beneficio inesperado de hacer al aparato mezclador completamente seguro si se le toca durante la operación. La capa límite provee una barrera efectiva entre el aparato mezclador y el ambiente. De hecho, es posible colocar una mano en el aparato durante su operación, sin causar absolutamente ningún daño.
Para mejorar la aireación del fluido mezclado, el modo de realización mostrado en Fig 7 puede ser utilizado en el proceso. Como con los modos de realización anteriores, el aparato de mezclado consiste en varias placas espaciadas por encima y por debajo de un disco central: Un cono es formado en las placas apiladas al formar agujeros en las placas de un diámetro progresivamente reducido. Sin embargo, en el modo de realización el eje 20 es hueco y se conecta a varios canales 21 en el disco central 22. El eje 20 tiene una o más aperturas 23 en una parte superior del eje hueco. En operación, el aire es absorbido por el eje y forzado a salir a través de los canales 21.
El flujo de aire en el modo de realización es ilustrado en Fig 8. El inventor considera que el modo de realización podría encontrar aplicación particular donde se requiere aireación profunda, tal como en un lago u otro depósito de agua. Si el aparato mezclador está colocado profundamente en el lago para conseguir un mezclado profundo, no sería posible que se absorbiera aire en el vórtice superior, así que en vez de ello el aire sería absorbido a través del eje hueco.
Una estructura adecuada para el disco central 22 del modo de realización se muestra en Fig 9. El disco central 22 está compuesto de tres componentes separados. Una placa media 24 está enroscada en el eje 20 y tiene canales 21 formados en ésta. Una placa superior 25 está sujeta a la placa media 24 para formar una conexión entre el eje y el disco central que disperse la tensión asociada con el arranque inicial del aparato mezclador. Una placa de refuerzo 26 está ubicada debajo de las placas superior y media. Las varillas 5, 8 están atornilladas en agujeros roscados 27 en la placa de refuerzo para completar el armado del modo de realización del aparato mezclador.
Otro modo de realización del invento se muestra en Fig 10. En Fig 10 hay dos aparatos mezcladores conectados a un eje común. En un extremo superior hay acoplado un aparato mezclador de acuerdo con el modo de realización de Fig 1. Más abajo en el eje hay acoplado un aparato mezclador de acuerdo con el modo de realización de Fig 2. El modo de realización de Fig 10 es útil para fluidos relativamente profundos en los cuales se requiere aireación (provista por el aparato mezclador superior) así como mezclado profundo (provisto por el aparato mezclador inferior).
En otro modo de realización, mostrado en Fig 11, dos aparatos mezcladores de acuerdo con Fig 3 son acoplados a un eje común. La separación entre los dos aparatos mezcladores se elige para adecuarse a la profundidad del fluido a mezclar. El inventor concibe que el modo de realización encontrará aplicación particular en fluidos profundos que requieran mezclado intensivo.
Aparte de las aplicaciones explicadas líneas arriba, el aparato mezclador es útil para dispersar polvo en un fluido para formar una suspensión. Por ejemplo materiales mezclados o suspendidos en agua han incluido cal, surfactantes, sangre y aceite. En pruebas preliminares se ha hallado que el aparato mezclador es más efectivo que las mezcladoras tradicionales. También se ha hallado que los vapores asociados con ciertas mezclas se reducen cuando se utiliza el aparato mezclador. El inventor especula que esto se debe a que los vapores soltados son encapsulados durante el proceso de mezclado. Los vapores pueden ser oxidados o disueltos.
En otra aplicación, agua residual ha sido tratada por descomposición aerobia de los contaminantes. La eficiencia de la descomposición aerobia de contaminantes depende de que los microbios puedan hacer contacto superficial con el material en descomposición. En las mezcladoras convencionales, las partículas pesadas se asientan en el fondo de la poza de tratamiento y se vuelven anaerobias. El aparato mezclador no sólo introduce grandes volúmenes de aire en el agua residual sino que también atrae partículas desde el fondo de la poza. En esta aplicación es importante que el espaciado entre placas mezcladoras sea mayor que el tamaño máximo de la partícula más grande.
El inventor ha encontrado que el aparato mezclador puede ser fabricado en forma adecuada de material plástico acoplado a un eje de metal. Sin embargo, la construcción no está limitada a material plástico así que otro material, tal como acero inoxidable, también es adecuado. De hecho, en ambientes agresivos el plástico puede no ser adecuado.
Se apreciará de la descripción anterior que el aparato mezclador no se basa en el contacto superficial con el fluido en la forma provista por anteriores mezcladores de rotor y aspa. En vez de ello, la acción de vórtice generada por el cono en las placas mezcladoras rotantes causa un extenso flujo de fluido, produciendo un mezclado sustancialmente homogéneo. Aunque es útil para el mezclado anaerobio, el aparato mezclador encuentra su mejor aplicación cuando está colocado cerca de la superficie de un fluido a ser mezclado. El cono superior forma un vórtice que absorbe aire en el fluido para un mezclado aeróbico.

Claims (2)

1. Un proceso para mezclar y airear líquido utilizando un elemento mezclador (1), dicho elemento mezclador (1) comprendiendo:
-
un eje rotatorio (3);
-
un disco central (2) montado en forma coaxial a una parte inferior del eje (3);
-
una cantidad de placas mezcladoras superiores (4) montadas sobre el disco central perforado (2) y coaxiales con el eje (3), dichas placas mezcladoras superiores (4) espaciadas desde y paralelas a el disco central perforado (2) y cada una de dichas placas mezcladoras superiores (4) incluyendo una apertura central; que las aperturas centrales de la cantidad de placas mezcladoras superiores (4) definen juntas un espacio superior en forma de un agujero ahusado (10) teniendo un ápice en el disco central perforado (2) y una base en una placa mezcladora superior (4) más alejada del disco central perforado (2); y
-
una cantidad de placas mezcladoras inferiores (7) montadas debajo del disco central perforado (2) y coaxiales con el eje (3), dichas placas mezcladoras inferiores (7) espaciadas desde y paralelas a el disco central perforado (2) y cada una de dichas placas mezcladoras inferiores (7) incluyendo una apertura central; que las aperturas centrales de la cantidad de placas mezcladoras superiores (7) definen juntas un espacio inferior en forma de un agujero ahusado (11) teniendo un ápice en el disco central perforado (2) y una base en una placa mezcladora inferior (7) más alejada del disco central perforado (2); el proceso incluyendo los pasos de: ubicar el elemento mezclador (1) bajo la superficie de dicho líquido de modo que, al usarlo, un vórtice formado por el agujero ahusado (10) de la cantidad de placas mezcladoras superiores apenas alcance la superficie de dicho líquido para absorber aire en dicho agujero ahusado y dispersar el aire más allá de dichas placas mezcladoras superiores; y rotar el elemento mezclador (1) a una velocidad suficiente para formar un vértice superior y un vértice inferior.
2. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el eje rotatorio (3) es hueco y el disco central (2) incluyendo canales (21) que proveen comunicación entre el eje rotatorio hueco (3) y una periferia exterior del disco central (2); caracterizado por absorber aire a través de dicho eje rotatorio hueco y dispersar el aire a través de dichos canales.
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