ES2257151B1 - Dispositivo y procedimiento para romper gotas y burbujas de tamaño milimetrico y micrometrico. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo y procedimiento para romper gotas y burbujas de tamaño milimétrico y micrométrico. La presente invención describe un dispositivo y un procedimiento para producir la rotura de pequeñas gotas o burbujas en fragmentos más pequeños. El rango de tamaños de las burbujas que se pueden romper puede ir desde unas micras hasta varios milímetros, produciéndose fragmentos que tienen un tamaño típico diez veces menor que el de la burbuja de la que proceden. Cuando gotas o burbujas que fluyen en el seno de una corriente de líquido se pasan a través de un pequeño orificio, la fuerte aceleración que sufre el fluido promotor del movimiento produce la extrusión de las mismas. Al salir por el orificio las gotas o burbujas son fragmentadas debido a las fuerzas de presión que actúan sobre ellas. El dispositivo y procedimiento objeto de la presente invención son aplicables a campos como la oxigenación y aireación de líquidos, la ingeniería química, la combustión y la tecnología de alimentos, donde lageneración de pequeñas burbujas de gas o gotas de líquido en el seno de una corriente líquida sea una parte importante del proceso.
Description
Dispositivo y procedimiento para romper gotas y
burbujas de tamaño milimétrico y micrométrico.
La presente invención describe un dispositivo y
un procedimiento para producir la rotura de pequeñas gotas o
burbujas (fase dispersa) en el seno de una fase continua, siendo
ambos fluidos inmiscibles. El rango de tamaños de las burbujas que
se pueden romper puede ir desde unas micras hasta varios
milímetros, produciéndose fragmentos que tienen un tamaño típico
diez veces menor que el de la burbuja de la que proceden.
Cuando gotas o burbujas que fluyen en el seno de
una corriente de líquido se pasan a través de un pequeño orificio,
la fuerte aceleración que sufre el fluido promotor del movimiento
produce la extrusión de las mismas. Al salir por el orificio las
gotas o burbujas son fragmentadas debido a las fuerzas de presión
que actúan sobre ellas.
Mediante este procedimiento se consiguen unas
burbujas extremadamente pequeñas, pudiendo llegarse a burbujas de
tan sólo unas micras. Como ventaja adicional se produce una elevada
agitación de la mezcla, aumentando considerablemente la
transferencia de gas al líquido. Los caudales de aire y líquido
pueden controlarse mediante válvulas de regulación, alcanzándose la
máxima eficiencia cuando la relación de caudales es del orden de la
unidad. La tasa de eficiencia de aireación estándar (SAE) puede
alcanzar valores muy superiores a los 5 kg de oxígeno por
kilovatio-hora.
El dispositivo y procedimiento objeto de la
presente invención son aplicables a campos como la Oxigenación y
Aireación de líquidos, la Ingeniería Química, la Combustión y la
Tecnología de Alimentos, donde la generación de pequeñas burbujas
de gas o gotas de líquido en el seno de una corriente líquida sea
una parte importante del proceso.
Los métodos de oxigenación o aireación
existentes se basan en el aumento de la superficie de contacto
gas-líquido con objeto de llevar la concentración
de oxígeno disuelto hasta el valor de saturación. La mayoría de los
sistemas que se emplean actualmente (C.E. Boyd, Acuicultural
Engineering 18, 9-40, 1998) tratan de fragmentar
una masa de líquido en aire, que se reincorpora seguidamente a la
masa de líquido, o bien producen burbujas que son introducidas
directamente en el líquido.
Existen algunos dispositivos que producen la
rotura de un chorro de gas en presencia de una corriente de
líquido, como pueden ser los venturis o algunas bombas que son al
mismo tiempo propulsoras y succionadoras de aire, pero son poco
eficientes ya que su eficiencia de oxigenación estándar (SAE) no
supera los dos kilogramos de oxígeno por cada
kilovatio-hora consumido.
La forma más eficiente de generar burbujas es
inyectar gas en el seno de un coflujo de líquido. Este coflujo,
generalmente, descarga en una atmósfera de líquido en reposo.
Dependiendo de si la inyección de gas se realiza en el núcleo
potencial del coflujo líquido o en la zona donde la turbulencia está
completamente desarrollada, el ligamento de gas se disgregará de
una forma u otra, dando lugar a distribuciones de tamaños
distintas. En efecto, supongamos primero que el gas es inyectado en
la zona potencial. En esta situación existen dos subcasos
distintos:
- a)
- La influencia de la capa de cortadura exterior que se genera entre el coflujo de líquido y la atmósfera de líquido en reposo es despreciable. En este caso, la producción de burbujas es monodispersa y la física involucrada en este proceso está bien descrita en Oguz y Prosperetti (1993) (Journal of Fluid Mechanics 257, 111-145) y en Sevilla, Gordillo y Martínez-Bazán (Journal of Fluid Mechanics, en revisión). Estos autores demuestran que el tamaño de la burbuja es único y su diámetro siempre es del orden del de la aguja inyectora de gas.
- b)
- La influencia de la capa de cortadura exterior en la zona potencial es notable en la rotura de las burbujas. En este caso el ligamento de gas se rompe en burbujas de distintos tamaños, pero éstos pueden ser muy inferiores a los del orificio de inyección si el número de Weber basado en el espesor de la capa de cortadura que se desarrolla entre el chorro de líquido y la atmósfera exterior (e), la velocidad del líquido (U) y la tensión superficial aire-agua (\sigma) (We=\rho U^2 e / \sigma, donde \rho es la densidad del líquido) es lo suficientemente grande. En este tipo de rotura se han realizado recientes progresos (Higuera 2004, Physics of Fluids 16, 1156-1159; A. Sevilla 2004, Tesis Doctoral de la Universidad Carlos III de Madrid).
En el caso de que el gas sea inyectado
directamente en la zona turbulenta desarrollada del chorro líquido,
el proceso de la generación de burbujas está bien documentado en
Martínez-Bazán, Montañes y Lasheras (1999) (Journal
of Fluid Mechanics 401, 157-182 y
183-207). En este caso los esfuerzos turbulentos
son los causantes de la disgregación de las burbujas. En el
dispositivo presentado en este informe el tipo de rotura que ocurre
es el correspondiente al caso (b). Esto hace que las burbujas
obtenidas puedan tener tamaños significativamente menores que el
ligamento de gas del que son generadas.
La mayoría de los métodos de atomización
existentes convierten una parte de la energía que se suministra al
sistema (energía cinética en el caso de los atomizadores
neumáticos, eléctrica en los sónicos y ultrasónicos
piezoeléctricos, mecánica en los rotativos, electroestática en los
atomozadores electrohidrodinámicos, etc.) en energía de tensión
superficial, ya que la superficie de la interfaz
líquido-gas aumenta drásticamente en estos
procesos. En las aplicaciones que se citan en esta patente eso
supone que la energía aportada aumenta al disminuir el tamaño de las
gotas o burbujas formadas. Sin embargo, en muchos atomizadores (y
en el dispositivo que aquí se describe) parte de la energía se
transfiere al fluido en forma de energía cinética y esto junto con
el aumento de la superficie gas-líquido puede
permitir acelerar en gran medida la transferencia de partículas o
iones a través de la interfaz. En cualquier caso existirá un óptimo
a partir del cual un aumento de la energía aportada no supone una
mejora de la eficiencia del proceso y viceversa, una disminución de
la energía aportada para la atomización supone una disminución del
rendimiento.
El método aquí propuesto permite romper de forma
eficiente gotas y burbujas de diámetros comprendidos en el rango
del milímetro o inferiores, generando gotas o burbujas de mucho
menor tamaño. Esto puede permitir entre otras aplicaciones una
eficiente disolución de gases en líquidos o, análogamente, un
aumento considerable de la velocidad de las reacciones que se
producen en los reactores químicos líquido-gas o
líquido-líquido.
Figura 1. Representación esquemática de un
prototipo fragmentador de burbujas. El presente dispositivo consta
de los siguientes elementos esenciales:
- 1.
- Alimentación del gas.
- 2.
- Alimentación del líquido promotor del movimiento.
- 3.
- Cámara de presión.
- 4.
- Orificio en el que se produce la extrusión.
- 5.
- Zona de expansión y ruptura de las burbujas.
- P_{o}
- = presión en el interior de la cámara de presión,
- P_{s}
- = presión en la cámara de expansión y rotura.
Un caudal de líquido es suministrado a la cámara
de presión (3). En esta misma cámara a presión, un caudal de gas en
forma de burbujas es suministrado a través del conducto de
alimentación 1. La cámara a presión está conectada a otra,
denominada de descarga (5) a través de una placa a la que se le han
realizado una serie de orificios.
Figura 2. Representación esquemática del proceso
de extrusión y disgregación de una gota o burbuja por los vórtices
de la capa de cortadura formada a la salida de los orificios que
comunican la cámara de presión con la de descarga, siendo "e"
el espesor de la capa de cortadura.
Las burbujas son extrusionadas a través de los
orificios de la placa perforada. Por otra parte, los vórtices de la
capa de cortadura que se genera en la cámara de descarga por la
corriente de líquido que rodea a la burbuja desprenden trozos del
núcleo principal de la burbuja. Son por tanto las fluctuaciones
turbulentas de presión del líquido en la cámara de expansión las
que, al vencer a las fuerzas de confinamiento de tensión
superficial, arrancan de la burbuja principal trozos de menor
tamaño.
Figura 3. Proceso de fragmentación de una
burbuja de aire en agua tomada a la salida de un orificio. Se trata
de un caso real donde se observa cómo del núcleo principal son
desprendidos fragmentos de tamaños sensiblemente inferiores al de
la burbuja original.
Figura 4. Vista lateral de las cámaras de
presión y de descarga En la figura 4 se muestra una vista lateral de
las cámaras de presión y de descarga, separadas entre sí por una
placa perforada. La cámara a presión está conectada a un conducto
de alimentación de líquido. La alimentación del gas a la cámara a
presión se realiza a través de una aguja que descarga en la cámara
de presión y que es alimentada a través de la conexión marcada en
la figura.
Figura 5. Vista cenital del dispositivo
mostrando la placa perforada. En el extremo de la aguja que descarga
el gas en la cámara de presión se generan las burbujas que
posteriormente serán fragmentadas al pasar a través de la placa
perforada mostrada en la figura.
El objeto de la presente invención es un
procedimiento de atomización y fragmentación de gotas o burbujas en
el seno una corriente líquida. De entre muchos de los
procedimientos habitualmente empleados para producir burbujas de
tamaño micrométrico esta invención utiliza el extrusionado de
burbujas, que pueden haberse producido por cualquier otro método
alternativo, para su posterior rotura en fragmentos de mucho menor
tamaño. El dispositivo objeto de esta invención, cuya geometría ha
sido ilustrada en las figuras anteriormente descritas, consta de
una cámara a presión de área transversal comprendida entre
10^{-10} y 10^{4} m^{2}. La placa perforada tiene un número
indeterminado de orificios cuyas longitudes transversales
características están comprendidas entre 10^{-4} y 100 mm. Los
caudales inyectados de la fase continua como de la dispersa, que
han de ser fluidos inmiscibles, están comprendidos entre 10^{-15}
y 10 m^{3}/s. Para asegurar que tanto la fase dispersa como la
continua pasan a través de los orificios de la placa perforada la
relación de presiones entre la cámara de descarga y la de presión,
P_{s}/P_{o}, ha de estar comprendida entre 0 y 1.
Los materiales de que puede estar fabricado el
atomizador pueden ser cualesquiera (metal, plástico, cerámica,
vidrio), dependiendo fundamentalmente de la aplicación específica
en la que vaya a emplearse el dispositivo.
La deformación de las burbujas en la zona de
aceleración del líquido es consecuencia de una abrupta disminución
de la presión desde la zona aguas arriba del orificio a la zona
aguas abajo del mismo. Una vez que la burbuja extrusionada sale del
orificio se produce simultáneamente su expansión y su rotura en
pequeños fragmentos.
Cuando se mantienen constantes los caudales de
los dos fluidos introducidos en el dispositivo, las burbujas o
gotas que se forman aguas arriba de los orificios, mediante por
ejemplo un inyector neumático, van extruxionándose en una corriente
laminar de líquido, por lo que las velocidades típicas que se
alcanzan a la salida del orificio son del orden de
U =
\sqrt{2(P_{o} -
P_{s})/\rho_{l}},
donde P_{o} y P_{s} son la
presión aguas arriba y aguas abajo del orificio respectivamente y
\rho_{l} es la densidad de la fase
continua.
El número de Weber (cociente entre las fuerzas
dinámicas y las de tensión superficial) es
We =
\frac{\rho_{l}U^{2}d}{\sigma},
donde \sigma es la tensión
superficial y d el diámetro del orificio. En el rango de interés
para las aplicaciones que aquí se incluyen los valores de We suelen
ser muy grandes, lo que significa que en el proceso de ruptura de
una burbuja o gota que tuviera un diámetro del orden de el del
orificio, la tensión superficial no jugaría un papel importante,
siendo las fuerzas de presión y las dinámicas las dominantes. Esto
quiere decir que se pueden producir mediante este procedimiento
gotas o burbujas de un tamaño mucho menor que las del orificio,
aunque ciertamente de esta ruptura surgen tamaños muy
diversos.
En el rango de parámetros para las aplicaciones
de interés se aseguran condiciones de funcionamiento tales que
We =
\frac{\rho_{l}U^{2}e}{\sigma} >
1,
donde e es el espesor de la capa de
cortadura (véase figura 2). Cuando se cumple esta condición, las
fluctuaciones turbulentas de presión del líquido en la cámara de
expansión vencen a las fuerzas de confinamiento de tensión
superficial, arrancando de la burbuja principal trozos de tamaño e.
Por ejemplo, en la rotura de burbujas de aire en agua (\sigma= 70
mN/m) en una corriente con velocidades de varios metros por
segundo, se pueden alcanzar altos valores del número de Weber,
basado en el espesor de la capa de mezcla, generando tamaños de
burbujas de unas pocas decenas de micras. Por otra parte, las
burbujas de mayor tamaño tienen diámetros que típicamente están
entre la quinta y la tercera parte del diámetro de la burbuja de la
que proceden, ya que después de formarse los fragmentos de menor
tamaño puede quedar un resto en el núcleo de la capa de cortadura
que la cada vez más débil turbulencia no es capaz de fraccionar. En
este proceso los consumos energéticos derivan de la impulsión de los
dos fluidos (que se invierten en aumentar la energía superficial,
la energía cinética y en disipación viscosa) y por lo tanto pueden
calcularse mediante la expresión W = (Q_{l} + Q_{g}) (P_{o} -
P_{s}), donde Q_{l} es el caudal del líquido promotor (fase
continua) y Q_{g} el del gas o líquido dispersado (fase dispersa).
Por ejemplo, para las aplicaciones de oxigenación o disolución de
gases en líquidos la eficiencia de disolución (E) en Kg de O_{2}
por Kw y hora puede obtenerse
de
E = [3600
Q_{g} \rho_{g}
\alpha_{O2}]/W
donde los caudales se expresan en
m^{3}/s, la densidad del gas, \rho_{g}, en Kg/m^{3} y la
potencia, W, en Kw; \alpha_{o2} es la fracción volumétrica de
oxígeno en el gas
inyectado.
Para una sobrepresión de tan sólo 1 bar, en el
caso de utilizar aire en condiciones normales (1 atm y 20°C)
E = 9 D/(1 +
Q_{l}/Q_{g}),
donde D es el tanto por ciento de
oxígeno disuelto en el líquido. En el caso de usar oxígeno puro
(teniendo en cuenta entonces que el gas se suministra ya comprimido
y por lo tanto no hay que consumir energía para
impulsarlo)
E = 50
Q_{g}/Q_{l}.
Teniendo en cuenta los reducidos tamaños de
burbujas que se producen (las mayores burbujas están en el rango de
los cientos de micras) y de las propiedades de la corriente
turbulenta en la que están inmersas (con fluctuaciones de velocidad
de varios metros por segundo), la tasa de disolución de oxígeno en
el líquido si el tiempo de residencia es suficientemente
prolongado. En estas condiciones la eficiencia resultante puede ser
muy elevada, pudiéndose llegar a más 4 kg O2/Kwh para aire y a más
de 20 kg O2/kWh para oxígeno puro. Aunque a estos valores les debe
ser aplicado el rendimiento de la bomba impulsora del líquido es
claro que pueden alcanzarse eficiencias muy superiores a las
obtenidas mediante otros procedimien-
tos.
tos.
El sistema propuesto requiere obviamente del
suministro de unos caudales de fluido promotor y de gas o líquido a
dispersar. Ambos caudales deben ser:
- \sqbullet
- Los apropiados para que el sistema esté dentro del rango parámetrico de interés. Puede recurrirse a la multiplexión si los caudales requeridos son superiores a los de una celda individual.
- \sqbullet
- Los apropiados para que la relación de caudales esté dentro de las especificaciones de cada aplicación. Puede suministrarse un mayor caudal del fluido en fase continua y del gas o líquido a dispersar por cualquier medio en aplicaciones específicas (oxigenación, reactores químicos, etc.) ya que esto no interfiere en el funcionamiento del atomizador.
Por lo tanto pueden usarse cualesquiera métodos
de suministro los fluidos introducidos en el dispositivo
(compresores, bombas volumétricas, botellas de gas comprimido,
etc.). Si se requiere multiplexión el caudal del fluido a dispersar
deberá ser lo más homogéneo posible entre los distintos orificios,
lo cual puede requerir la inyección a través de medios porosos,
placas perforadas o cualquier otro método capaz de distribuir un
caudal homogéneo entre los diferentes puntos de alimentación y, por
lo tanto, una frecuencia de paso de gotas o burbujas por los
distintos orificios extrusionadores lo más homogénea posible.
Si se requiere un rango de tamaños de gotas o
burbujas más homogéneo se pueden disponer varias placas con
orificios en serie, de forma que se produzca en varias etapas la
fragmentación de las gotas o burbujas de mayor tamaño.
En la figura 4 se muestra una vista lateral de
las cámaras de presión y de descarga, que en este ejemplo en
concreto están ambas construidas mediante tubos de PVC transparente
de 40 mm y 60 mm de diámetro respectivamente y separadas entre sí
por una placa perforada. La cámara a presión está conectada a un
conducto de alimentación de líquido (tubo de PVC de 20 mm de
diámetro). La alimentación del gas a la cámara a presión se realiza
a través de una aguja de diámetro exterior 400 micras que descarga
en la cámara de presión y que es alimentada a través de la conexión
marcada en la figura 4. En el extremo de esta aguja se generan las
burbujas que posteriormente serán fragmentadas al pasar a través de
la placa perforada mostrada en la figura 5. Esta placa perforada
tiene 7 orificios de 500 micras cada uno. En una aplicación de
disolución de gases en líquidos la parte de la cámara de expansión
está abierta a un tanque de grandes dimensiones en el que se
disuelve el gas inyectado. Este dispositivo ha sido usado para la
disolución de oxígeno en agua, utilizándose como gas tanto aire
como oxígeno puro. Se ha trabajado con un rango de caudales de agua
desde 0.2 a 3 l/min, mientras que la relación de caudales
líquido/gas se ha variado desde 1 hasta 10. En un tanque de 1
m^{3} sin ningún tipo de agitación, el porcentaje de disolución
de oxígeno toma valores típicos entre el 15 y el 40% del oxígeno
inyectado.
Claims (14)
1. Dispositivo para romper gotas y burbujas de
tamaño milimétrico y micrométrico caracterizado porque
consta de una cámara a presión P_{o} llena de dos fluidos
inmiscibles, un fluido en fase dispersa en forma de gotas o
burbujas en el seno de otro f luido (fase continua) y que está
conectada a través de una placa a la que se le ha practicado uno o
varios orificios con una cámara de descarga en la que la presión es
P_{s} menor que P_{o}.
2. Dispositivo según la reivindicación 1
caracterizado porque entre la cámara a presión y la de
descarga puede haber una o más placas perforadas con uno o varios
orificios en cada una.
3. Procedimiento de fragmentación de gotas y
burbujas utilizando el dispositivo descrito en la reivindicación 1
y 2 caracterizado porque al fluir conjuntamente las dos
fases fluidas a través de los orificios, la capa de cortadura que
se genera en la fase continua a la salida de los mismos genera
fluctuaciones de presión que fragmentan las gotas o burbujas de la
fase dispersa.
4. Procedimiento de fragmentación de gotas o
burbujas según las reivindicaciones 1 a 3 caracterizado
porque la longitud transversal de los orificio por los que fluyen
la fase continua y la gota o burbuja a fragmentar está comprendido
entre 10^{-4} y 100 mm.
5. Procedimiento de fragmentación de gotas o
burbujas según las reivindicaciones 1 a 4 caracterizado
porque el área transversal de la cámara a presión está comprendida
entre 10^{-10} y 10^{4} m^{2}.
6. Procedimiento de fragmentación de gotas o
burbujas según las reivindicaciones 1 a 5 caracterizado
porque el caudal de la fase continua está comprendido entre
10^{-15} y 10 m^{3}/s.
7. Procedimiento de fragmentación de gotas o
burbujas según las reivindicaciones 1 a 6 caracterizado
porque el caudal de la fase dispersa está comprendido entre
10^{-15} y 10 m^{3}/s.
8. Procedimiento de fragmentación de gotas o
burbujas según las reivindicaciones 1 a 7 caracterizado
porque la relación de presiones entre la cámara de descarga y la
cámara a presión, P_{s}/P_{o}, está comprendida entre 0 y
1.
9. Utilización del dispositivo según las
reivindicaciones 1 a 8 caracterizado porque se usa como
aireador de líquidos.
10. Utilización del dispositivo según las
reivindicaciones 1 a 8 caracterizado porque se usa como
oxigenador de líquidos.
11. Utilización del dispositivo según las
reivindicaciones 1 a 8 caracterizado porque se usa para la
disolución de gases en líquidos.
12. Utilización del dispositivo según las
reivindicaciones 1 a 8 caracterizado porque se usa para
reacciones químicas líquido-gas o
líquido-líquido.
13. Utilización del dispositivo según las
reivindicaciones 1 a 8 caracterizado porque se usa para la
producción de alimentos.
14. Utilización del dispositivo según las
reivindicaciones 1 a 8 caracterizado porque se usa para la
atomización de líquidos.
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