ES2263631T3 - Procedimiento y dispositivo para el tratramiento fisicoquimico de medios fluidos. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para tratamiento fisicoquímico de medios fluidos, caracterizado porque al menos dos caudales de medio fluido a tratar se conducen de modo forzado en una carcasa con una cámara de reacción con simetría de rotación, con sección longitudinal en forma de cardiode y cuya sección transversal se estrecha desde la entrada superior de medios hacia la salida inferior del medio, y un tubo de salida ajustable axialmente desde arriba, que llega casi hasta el extremo inferior de la cámara de reacción y que, en el área cercana a su boca, está configurado como tobera de Laval, a través de al menos una abertura de entrada dispuesta tangencialmente a la superficie lateral de la cavidad en un sentido de afluencia descendente a alta velocidad en forma de movimiento de traslación y rotación, de modo que puede formarse una capa límite turbulenta por técnica de fluidos, porque los caudales presentan una gran diferencia de velocidad entre sí, porque se producen una gran fricción entre las dos capas ygrandes fuerzas centrífugas en los distintos caudales y porque, en el extremo inferior de la cámara de reacción, la corriente que fluye en una línea helicoidal descendente se desvía hacia el centro de la corriente en una dirección ascendente.

Description

Procedimiento y dispositivo para el tratamiento fisicoquímico de medios fluidos.

La invención se refiere a un procedimiento y un dispositivo para el tratamiento fisicoquímico de medios fluidos. En el sentido de esta ciencia, se han de entender por medios fluidos o por fluidos sustancias gaseosas y líquidas y mezclas de sustancias gaseosas y/o líquidas.

El procedimiento según la invención conduce, en el fluido tratado, a la modificación de la tensión superficial y la viscosidad del fluido, a la fragmentación y destrucción mecánica de sustancias orgánicas y/o inorgánicas, microorganismos como por ejemplo gérmenes, bacterias, hongos o algas contenidos(as) en un fluido y a la oxidación o reducción química de sustancias arrastradas y compuestos de sustancias arrastrados.

El dispositivo según la invención realiza el procedimiento según la invención de un modo rápido, económico y respetuoso con el medio ambiente y con un tamaño reducido.

Los fluidos tratados de acuerdo con el procedimiento según la invención o con el dispositivo según la invención, tal como por ejemplo agua o combustibles, pueden emplearse en todas las áreas de la vida cotidiana. Los campos de aplicación más importantes son la industria, el artesanado, las necesidades domésticas particulares, la fabricación de alimentos, la agricultura y silvicultura, la gestión y eliminación de desechos, la técnica de depuración, la esterilización, la conservación, la construcción de maquinaria, la electrónica, la medicina y la terapia, la industria de la construcción, la técnica energética.

Hasta la fecha, la modificación de tensiones superficiales o viscosidades en fluidos se realizaba, por ejemplo en el caso del agua, añadiendo sustancias químicas adecuadas o bien por métodos físicos, como el tratamiento mediante imanes permanentes o electroimanes, a través de los cuales se mueve el fluido, produciéndose una reducción.

El empleo de, por ejemplo, agua de tensión superficial reducida va desde las lejías para la limpieza, pasando por la industria de la construcción para la fabricación de hormigón, la industria del carbón y del acero o el transporte de aceite para la inyección en estratos de roca porosos, hasta los cambiadores de calor o sistema de refrigeración. La utilización exclusiva de sustancias químicas requiere en muchos procesos industriales un tratamiento ulterior de los elementos que entran en contacto con esta agua o lejía, es decir un lavado abundante, para lo cual se consumen de nuevo grandes cantidades de agua. Además, la eliminación de las aguas residuales producidas resulta costosa en tiempo y dinero.

Los sistemas físicos tienen en cambio un límite natural para la reducción de tensión superficial, por ejemplo en el caso del agua de un 8-12%. Además, el agua así tratada sólo puede almacenarse de forma limitada, ya que después de un tiempo relativamente corto adopta de nuevo su estado original.

Hasta la fecha, las sustancias extrañas de naturaleza inorgánica u orgánica presentes en fluidos se separaban de los mismos hasta un tamaño determinado mediante filtrado. Otros procedimientos prevén una reacción química mediante la adición de componentes de reacción químicos o biológicos, para poder precipitar y eliminar del fluido por medios mecánicos los productos de desecho así formados. Otros procedimientos destruyen, con un gran gasto de energía, como por ejemplo mediante ultrasonidos, las estructuras existentes y las fragmentan hasta un rendimiento determinado. Todos estos procedimientos tienen en común que, además del consumo de energía, se requiere un aparato técnico relativamente grande y, en la mayoría de los casos, varias etapas de proceso para lograr el resultado deseado. El mantenimiento, control y explotación de tales plantas, requiere mucho tiempo y dinero.

Hasta la fecha, la depuración de aguas con contaminantes químicos o biológicos se realizaba mediante costosos procesos, en la mayoría de los casos de varias etapas. Se emplean procedimientos químico-biológicos para el tratamiento de aguas residuales, pero también procedimientos puramente químicos, como por ejemplo la adición de bactericidas a aguas de servicio y aguas industriales con contaminantes biológicos. Otros procedimientos utilizan el aporte de energía mediante rayos UV o la adición de precipitantes para la eliminación principalmente de contaminantes químicos o biológicos. Todos los procedimientos tienen en común que son costosos y requieren un gran aparato técnico, y que generan productos de desecho a eliminar.

Por los documentos AT 272278 y DE 19525920, por ejemplo, se conocen dispositivos para la depuración mecánica de líquidos o gases. La base de estos dispositivos es la utilización de una cámara de reacción en la que se inyectan tangencialmente agua o gases de escape, que se mueven rotando hacia el extremo inferior de la cámara, y en la que se añaden componentes de reacción a través de unas aberturas previstas en el vértice inferior del aparato y dichos componentes de reacción abandonan de nuevo la cámara a través de un tubo de salida previsto en el extremo inferior de la cámara de reacción en un sentido contrario al de la corriente existente hasta ese momento.

Según la descripción de estas memorias de patente, se alimenta a la cámara, por ejemplo, agua. A lo largo de la pared de esta última se produce un remolino que se desplaza con su vórtice orientado hacia abajo. En el vértice inferior, este remolino se mezcla con un reactivo por medio de una o varias toberas dispuestas coaxialmente y se desplaza después en forma de espiral sobre el lado interior en sentido opuesto para penetrar en un tubo de descarga prolongado y en éste en movimientos ciclónicos hacia arriba. Según los documentos AT 272278 y DE 19525920, el agua en movimiento cicloidal puede tener, en determinadas circunstancias, la capacidad de permitir síntesis de distintos tipos. Según el documento AT 272278, las reacciones comienzan en el vértice inferior y continúan en el tubo de descarga bajo movimientos cicloidales. Según el documento AT 272278, para la reacción resulta ventajoso que mediante un "...remolino de succión central interior se aspire aire complementario para la reacción".

Este tipo de turbulencias se conocen, entre otros, también en el caso de los separadores ciclónicos o las centrífugas y favorecen algo las reacciones químicas en el medio.

En el documento DE 19525920 se describe un complemento al dispositivo del documento AT 272278, en el que el medio que se ha de depurar fluye alternativamente de modo ascendente y descendente a través de unos tubos de admisión conectados entre sí y a continuación, después de abandonar la cámara, se conduce a un laberinto de tubos para la sedimentación o la recogida de los productos de desecho comprimidos.

Las desventajas de estos dispositivos consisten en la complicada realización, la poca manejabilidad para una aplicación técnica encauzada, la falta de capacidad de regulación y, por consiguiente, la mala reproducibilidad de los resultados.

Se conocen procedimientos y dispositivos exclusivamente para mezcla de medios fluidos utilizando cámaras de mezcla con simetría de rotación con distintas configuraciones (US 5391328, US 4521117, DE-OS 2741243, GB 1060540, US 3647357, US 5391328, US 4521117, DE-OS 2741243). Por los documentos DE 3912344 A1, EP 313086 A1, DE 4241603 Cl y US 5499871 A1 se conocen procedimientos y dispositivos para la fabricación de una emulsión aceite-agua, en los que se alimenta una mezcla bajo presión a una cámara de mezcla con simetría de rotación. El documento GB 1093046 da a conocer un dispositivo para la depuración de gases o vapores. El documento US 4190078 describe un dispositivo para la transformación de energía de torsión en energía de presión.

El objetivo de la invención consiste en la creación de un procedimiento no contaminante para el tratamiento fisicoquímico de medios fluidos para la degradación de sustancias orgánicas e inorgánicas contenidas en medios fluidos, la destrucción de microorganismos como bacterias, hongos, gérmenes, algas, etc., la fragmentación de compuestos moleculares de cadena larga y la degradación mediante reacciones químicas, la modificación de la viscosidad y/o la tensión superficial de fluidos, y la creación de un dispositivo para la realización del procedimiento.

Este objetivo se logra con las características indicadas en las reivindicaciones 1 y 7. En las reivindicaciones 2 a 6 y 8 a 23 se indican configuraciones ventajosas del procedimiento según la invención y del dispositivo según la invención.

Según la invención, se alimenta energía al fluido a tratar conduciendo uno dentro de otro o uno junto a otro, al menos, dos caudales del fluido a alta velocidad en caso de ser iguales los sentidos de flujo en forma de un movimiento de traslación y/o rotación con distinta velocidad, o en caso de ser opuestos los sentidos de flujo a una velocidad libremente elegible o en caso dado a igual velocidad, con un contacto superficial entre ellos, de modo que se produce una gran fricción entre las dos capas y grandes fuerzas centrífugas en los distintos caudales. Las características de las reivindicaciones secundarias 2 a 10 contienen otras configuraciones del procedimiento según la invención.

La conducción de los caudales se realiza preferentemente como conducción forzada en un sistema de tubos o depósitos de tal modo que sea posible un movimiento de rotación y traslación simultáneo de los caudales. Los caudales pueden proceder de distintas fuentes o producirse por división de un caudal en dos caudales parciales. Como alternativa, los caudales también pueden producirse mediante la desviación de un caudal, de modo que los procesos fisicoquímicos se desarrollen entre dos secciones del mismo caudal.

La velocidad de los caudales se ha de elegir de modo que pueda formarse una capa límite turbulenta por técnica de fluidos y los caudales presenten una gran diferencia de velocidad entre sí.

Los caudales se han de generar de modo que por la velocidad de flujo pueda producirse, únicamente en la capa límite turbulenta, una turbulencia y mezcla entre las dos capas límites. Los distintos caudales en sí pueden tener a partir de la capa límite forma de flujo laminar o de flujo turbulento.

Preferentemente se elige una combinación de movimiento de traslación y movimiento de rotación simultáneo tal que los caudales entren en contacto en sentidos opuestos o un caudal se desvíe de forma que la parte que se mueve en dirección a la salida tenga un sentido de movimiento opuesto al de la alimentación.

La elección de la velocidad del caudal depende del medio tratado y puede determinarse a partir de la fuerza del enlace de valencia secundaria o la solidez de las moléculas en función del fin prioritario del tratamiento. La fuerza centrífuga y/o la fuerza de traslación se han de elegir de modo que se produzca una rotura de, al menos, una parte de los enlaces de valencia secundaria, una rotura de los compuestos de sustancias y las cadenas moleculares de las sustancias extrañas y éstos(as) sean destruidos o fragmentados por medios mecánicos y/o las sustancias extrañas presentes o los átomos, moléculas o compuestos moleculares del medio fluido se ionicen o radicalicen al menos en parte.

La gran energía cinética, el aporte de energía por fricción de un caudal dentro otro o de un caudal junto a otro, la gran fuerza centrífuga y/o fuerza de traslación asociada, así como la fuerza de fricción, producen, mediante la rotura y nueva formación de los enlaces de valencia secundaria presentes, a causa de sus distintas masas atómicas y con ello distinta inercia másica, y mediante la colisión de las distintas partículas, los distintos átomos y agrupamientos atómicos y las distintas moléculas entre sí, una reordenación de la estructura molecular o reticular para lograr un estado y una unión óptimos, equilibrados y estables desde el punto de vista energético y con ello una modificación de la tensión superficial y/o viscosidad normalmente existentes.

Estas modificaciones pueden ajustarse variando las velocidades en función del medio presente. Mediante la reordenación así lograda de la estructura molecular se liberan los gases o las sustancias extrañas volátiles disueltos o disueltas en el fluido, con lo que además se produce una desgasificación. Mediante esta desgasificación se disminuyen o impiden adicionalmente las reacciones no deseadas de estas sustancias arrastradas en el propio medio a tratar con otras sustancias arrastradas o con sustancias que entran en contacto con el fluido, como detectores o paredes de tubos.

Con la elección de la velocidad de flujo puede lograrse en cada caudal una separación de sustancias, debido a los distintos pesos específicos de las sustancias que se hallan en el medio fluido, que se ve reforzada con el movimiento de traslación y rotación.

El fluido o la mezcla de fluidos tratado(a) según la invención conserva su estado de tensión superficial reducida o su viscosidad modificada durante un tiempo prolongado. Las sustancias arrastradas se disuelven de la estructura reticular del medio fluido y/o se separan del medio mediante la fuerza centrífuga debido a los distintos pesos específicos de las sustancias y a continuación pueden sedimentarse.

La gran energía cinética, el aporte de energía por fricción de un caudal dentro otro o de un caudal junto a otro, la gran fuerza centrífuga y/o fuerza de traslación asociada, así como la fuerza de fricción, producen en las sustancias extrañas, mediante la colisión de las sustancias orgánicas y/o inorgánicas, los compuestos de sustancias, los organismos vegetales y/o seres vivos orgánicos, como por ejemplo gérmenes, bacterias, hongos o algas, entre sí y con las distintas partículas, los distintos átomos y agrupamientos atómicos y las distintas moléculas del medio fluido, una destrucción y fragmentación mecánicas de dichas sustancias extrañas. Además, las materias o sustancias orgánicas o los compuestos de sustancias orgánicas, los organismos vegetales u otros seres vivos orgánicos, se destruyen por su propia inercia másica a causa de los distintos pesos específicos y la gran fuerza de traslación y/o centrífuga.

La cantidad y la calidad de esta destrucción y fragmentación mecánica pueden ajustarse variando las velocidades en función del fluido y las sustancias extrañas presentes. Dependen de la resistencia a las cargas mecánicas de las sustancias extrañas.

A continuación, las sustancias extrañas así destruidas pueden filtrarse, sedimentarse o fijarse de otro modo.

La gran energía cinética, el aporte de energía por fricción de un caudal dentro otro o de un caudal junto a otro, la gran fuerza centrífuga y/o fuerza de traslación asociada, así como la fuerza de fricción, producen, mediante la colisión de partículas más pequeñas, tales como partículas \alpha o electrones, con los átomos, moléculas y/o compuestos moleculares del fluido y/o del medio extraño, en éste una adición o pérdida de electrones y por consiguiente una carga negativa (aniones) o positiva (cationes) de estas sustancias. Mediante la disociación de moléculas y/o la adición de átomos o moléculas puede lograrse además una formación de radicales.

Estos iones o radicales presentes son productos con una gran afinidad química y reaccionan de inmediato, al alcanzar un estado energético atómico estable, con otros átomos, moléculas o compuestos moleculares presentes en el fluido, en las sustancias extrañas arrastradas o añadidas o entre sí, formando los productos de oxidación o reducción correspondientes.

Mediante oxidantes arrastrados y/o añadidos, como por ejemplo ozono u oxígeno, pueden oxidarse compuestos de hidrocarburos y/u otros compuestos orgánicos como gérmenes, bacterias y microorganismos. En este proceso se producen, entre otras cosas, H_{2}O y CO_{2}, es decir que en las sustancias orgánicas se produce una desnaturalización.

Para la realización del procedimiento se elige según la invención un dispositivo que presenta, al menos, una entrada y una salida, así como la posibilidad de dosificar de forma selectiva las sustancias que hayan de añadirse, que pueden tener forma gaseosa, líquida o sólida, y la longitud del recorrido de contacto de los dos caudales impide una mezcla completa a partir de la resistencia de fricción de los caudales resultante y la pérdida de energía asociada. El dispositivo está configurado de modo que la resistencia al flujo pueda ajustarse mediante las posibilidades de ajuste existentes en la entrada, el medio de adición y el propio aparato.

En una realización preferida de la invención se utiliza como dispositivo para el tratamiento fisicoquímico de medios fluidos un reactor de fluidos con las características según la reivindicación 10. Las características de las reivindicaciones 11 a 27 contienen configuraciones ventajosas de la invención.

El reactor de fluidos consta de una carcasa con una cavidad (la cámara de reacción) con simetría de rotación y con forma de corazón en sección longitudinal, una o varias entradas conectadas a la cámara de reacción y una salida para el medio a tratar, una entrada para un medio de adición y componentes periféricos, como latiguillos o tubos para el transporte del medio, válvulas, divisores de corriente, una unidad de tratamiento previo.

En la carcasa se halla una cavidad con simetría de rotación con, al menos, una entrada de medios y, al menos, un tubo de salida de medios. La cavidad y las aberturas de entrada y salida están configurados y dispuestos unos en relación con otros de tal modo que en el fluido a tratar se produzcan, al atravesar la cavidad de la entrada a la salida, tensiones de cizallamiento grandes dentro de lo posible y generadas por la fricción de las distintas capas de flujo entre sí y con la pared de la cavidad.

La carcasa dispone en su parte superior lateral de, al menos, una entrada de medios con una abertura de entrada que desemboca en la cavidad. La o las entradas de medios están dispuestas convenientemente de modo que el fluido a tratar entre en la cavidad, en la sección transversal de la abertura de entrada, tangencialmente a la superficie lateral de la cavidad y en un sentido de afluencia descendente.

También en la parte superior de la cavidad, la carcasa dispone de un paso de salida, que está dispuesto centralmente y conducido preferentemente en la dirección del eje longitudinal de la cavidad y, por ello, atraviesa la pared de la carcasa coincidiendo con este último.

A través de este paso de salida, un tubo de salida se introduce en la cavidad hasta casi el extremo inferior de la misma, estando el tubo de salida alojado en el paso de salida con posibilidad de desplazamiento, lo que permite ajustar la distancia entre la boca del tubo de salida y el extremo inferior de la cavidad.

En una configuración ventajosa de la invención, el tubo de salida está ejecutado como una tobera de Laval en el área próxima a la boca.

El contorno de la cavidad se asemeja en sección longitudinal al de un corazón.

En la parte inferior de la carcasa, en la posición de montaje, está dispuesta centralmente una entrada, con una o varias aberturas para un segundo medio que desembocan en la cavidad, cuya boca de salida sobresale al interior de la cavidad convenientemente en forma de una prolongación tubular del material de la carcasa. Desde el punto de vista constructivo, la prolongación tubular resulta del muñón que se forma por la inversión del contorno de la cavidad y que sobresale en el fondo de la misma. Con el fin de alimentar un segundo medio, dicho muñón está provisto de uno o varios taladros paralelos al eje longitudinal imaginario de la cavidad.

Para optimizar las condiciones de presión y flujo en la cámara de reacción, la entrada para el medio de adición puede estar realizada, análogamente al tubo de salida, como un elemento separado, unido a la carcasa del reactor con posibilidad de desplazarse en relación con la misma en la dirección del eje longitudinal imaginario de la cavidad.

El funcionamiento del dispositivo según la invención se basa esencialmente en la iniciación de reacciones químicas mediante la creación de condiciones de presión adecuadas delante del tubo de salida, en las fuerzas centrífugas y centrípetas que actúan con diferentes intensidades sobre componentes de distinto peso en el medio fluyente, y en las fuerzas de fricción producidas por las tensiones de cizallamiento entre capas de flujo con velocidades distintas. La configuración constructiva de la invención se ha elegido de modo que, al atravesar el medio la cámara de reacción bajo una presión de remanso definida, se le confiere una velocidad con el mayor valor máximo posible y el mayor gradiente en dirección radial posible.

El dispositivo según la invención cumple estas condiciones gracias a que en el medio a tratar se genera un ciclón a cuyo paso el caudal experimenta una velocidad que, en suma, crece en la dirección longitudinal y depende del
radio.

Las condiciones de flujo necesarias para producir un efecto de centrífuga lo más fuerte posible y tensiones de cizallamiento grandes dentro de lo posible en el fluido a tratar se consiguen mediante la configuración constructiva del reactor. Mediante el contorno de la cavidad del reactor, el caudal del medio a tratar se conduce de modo que en la rama descendente de la corriente (es decir entre la entrada de medios y la boca de la salida de medios) se forma un ciclón. La velocidad de flujo en el ciclón presenta un fuerte gradiente en dirección radial en toda la sección transversal del mismo. De este modo se producen tensiones de cizallamiento entre las distintas capas de flujo, pero también entre la pared de la cámara de reacción y el medio a tratar.

Las fuerzas de fricción generadas por las tensiones de cizallamiento y opuestas a las mismas dentro del caudal producen, a causa de una reordenación de los enlaces entre las moléculas del medio a tratar, una disminución de la tensión superficial y una modificación de la viscosidad del fluido.

Además se logra un efecto de trituración. La gran diferencia de velocidad entre el caudal y la pared de la cámara de reacción provoca una fragmentación de los componentes sólidos, como por ejemplo bacterias, algas y otros microorganismos. A continuación los fragmentos formados se degradan por métodos químicos.

Además, la sección transversal de la cámara de reacción se estrecha en el trayecto de la entrada de medios a la salida de medios, con lo que la corriente ciclónica se acelera fuertemente. El consiguiente crecimiento de la energía cinética de las partículas elementales del medio lleva a un aumento de la reactividad.

En el extremo inferior de la cámara de reacción, la corriente, que hasta el momento fluía en una línea helicoidal descendente, se desvía hacia el centro de la corriente y en el mismo en una dirección ascendente. En esta área se produce un fuerte efecto de centrífuga, porque las impurezas orgánicas y/o inorgánicas arrastradas en forma de partículas flotantes son empujadas del centro del ciclón hacia el borde del mismo debido a su mayor peso específico, mientras que los componentes gaseosos disueltos son empujados del borde del ciclón hacia su centro debido a su menor peso específico.

Con el cambio de dirección del caudal que se produce en la parte inferior de la cámara de reacción, las impurezas y los medios con distintos pesos específicos ya separados(as) se desplazan de nuevo en el sentido opuesto por la sección transversal del caudal.

Cuando estos componentes altamente reactivos del medio a tratar se encuentran, se producen reacciones químicas, como por ejemplo una oxidación en frío, como resultado de las cuales se degradan sustancias nocivas.

La intensidad de los efectos descritos, y por consiguiente la eficacia del dispositivo según la invención, dependen de la presión, la velocidad y la temperatura. El contorno interior con forma de cardiode de la cámara de reacción provoca en el ciclón que se forma una aceleración tan fuerte del caudal que también se aceleran los procesos biológicos, físicos y químicos que se desarrollan en el medio. El resultado de extensos ensayos con distintos contornos interiores y ajustes de los parámetros de proceso fue que con la utilización de un contorno interior con forma de cardiode, en combinación con el ajuste de parámetros variables específicos del medio, como el caudal, la presión de flujo y la presión de remanso del medio a tratar, el tipo y la cantidad del medio de adición, el contorno de la tobera de Laval y la posición de la entrada de medios de adición en relación con la de la salida de medios y la temperatura del medio, se logran resultados óptimos.

Mediante la configuración del tubo de salida en el área cercana a la boca en forma de tobera de Laval, en combinación con el caudal alimentado a la cámara de reacción, el medio se acelera y distiende fuertemente en el tubo de salida, con lo que en el caso de los líquidos es posible alcanzar o no llegar a la presión de vapor en el área del núcleo, y se crea una corriente con velocidades muy diferentes en el área del núcleo y el área marginal. Si las velocidades de flujo son bajas se produce un remolino hueco, en cuyo centro se forma un núcleo de fluido más ligero que en el campo de flujo restante. Con el aumento de las velocidades se generan turbulencias con filete de remolino o tubos de remolino o, en función del tipo de medio, un remolino sin torsión con núcleo de remolino, también conocido como remolino potencial. Con ello se logran de nuevo tensiones de cizallamiento en el medio fluyente, que favorecen aun más los procesos físicos y químicos.

Las ventajas particulares del dispositivo según la invención consisten en que, con poco gasto de espacio y dinero, sin la adición de sustancias químicas contaminantes y sin irradiación del medio u otras medidas potencialmente peligrosas, permite realizar un proceso eficaz y económico como resultado del cual es posible, en función del fin previsto, eliminar tóxicos y esterilizar aguas residuales para su nuevo aprovechamiento, mantener depósitos de agua exentos de gérmenes, asegurar un suministro de agua dulce en áreas con escasez de agua, aumentar la capacidad de humectación de distintos líquidos, disminuir de un modo significativo la utilización de sustancias químicas detergentes para los más diversos fines de limpieza en el hogar y la industria y reducir así el impacto ambiental, o diluir medios viscosos de un modo puramente mecánico y sin alteraciones químicas.

Las posibilidades de aplicación mencionadas son sólo algunos ejemplos de los múltiples usos y el carácter ecológico del dispositivo según la invención.

Para lograr resultados óptimos es absolutamente necesario observar algunos parámetros de proceso, como la presión de flujo del medio a tratar, el perfil de velocidad del ciclón y la presión de remanso en la cámara de reacción, la adición de reactivos afines en la concentración en cada caso necesaria, en función del fin previsto. Las condiciones previas necesarias para ello se crean por primera vez con el dispositivo según la invención.

Mediante la configuración geométrica de la cámara de reacción se generan en el medio las necesarias velocidades altas y con un fuerte gradiente. Éstas se requieren para lograr los efectos físicos, es decir la destrucción de componentes sólidos y la reordenación de enlaces moleculares, y para el desencadenamiento y la aceleración de procesos químicos mediante la alimentación de energía.

La utilización de bombas y/o compresores, en combinación con la posibilidad de ajuste del tubo de salida de medios y la relación entre el diámetro de entrada y el diámetro del tubo de salida de medios, crea la presión de remanso necesaria.

La alimentación dosificada de oxidantes u otros medios de adición que sirvan como reactivos no sólo en el tubo de salida de medios, sino también en la alimentación principal, es decir antes de que el medio a tratar entre en la cámara de reacción, tiene como resultado un aumento significativo de la velocidad de reacción. Ésta puede aumentarse aun más mediante un revestimiento de efecto catalítico de las partes del dispositivo por las que se conduce el medio y/o variando la temperatura.

Los procesos descritos pueden realizarse de un modo particularmente eficaz si se utiliza un dispositivo de control de proceso y regulación que, en virtud de magnitudes características relevantes para el proceso obtenidas por medición, adapte los parámetros arriba mencionados constantemente a las necesidades del momento.

La invención se explica más detalladamente por medio de dibujos, que muestran:

Figura 1 la cámara de reacción.

Figura 2 el reactor de fluidos.

Figura 3 el reactor de fluidos integrado en un circuito.

Figura 4 el reactor de fluidos con una regulación integrada.

La figura 1 muestra el diseño básico de la cámara de reacción del dispositivo según la invención en sección transversal (vista B-B) y en sección longitudinal (vista A-A).

En una carcasa (1) se encuentra una cavidad (2) con simetría de rotación, con sección longitudinal en forma de cardiode, que sirve como cámara de reacción. La carcasa (1) tiene conectadas(os) dos entradas de medios (3), un tubo de salida de medios (4) para el medio a tratar, una entrada de medios de adición (5) y componentes periféricos como latiguillos o tubos (6) para el transporte de los medios.

La cámara de reacción, las entradas de medios (3) y el tubo de salida de medios (4) están configurados y dispuestos uno en relación con otros de tal modo que en el fluido a tratar se produzcan, al atravesar la cavidad (2) de la abertura de entrada a la abertura de salida, tensiones de cizallamiento grandes dentro de lo posible y generadas por la fricción de las distintas capas de flujo entre sí y con la pared de la cavidad (2).

La cámara de reacción es una cavidad (2) de la carcasa (1) con simetría de rotación en relación con el eje longitudinal imaginario en la posición de montaje, que dispone en su parte superior lateral de, al menos, una entrada de medios (3) con una abertura de entrada que desemboca en la cavidad (2). La o las entradas de medios (3) están dispuestas convenientemente de modo que el fluido a tratar entre en la cavidad (2), en la sección transversal de la abertura de entrada, tangencialmente a la superficie lateral de la cavidad (2) y en un sentido de afluencia descendente.

También en la parte superior de la cavidad (2), la carcasa (1) dispone de un taladro que está dispuesto centralmente y conducido preferentemente en la dirección del eje longitudinal de la cavidad (2) y, por ello, atraviesa la pared de la carcasa (1) coincidiendo con este último.

A través de este taladro, un tubo de salida de medios (4) se introduce en la cavidad (2) hasta casi el extremo inferior de la misma, estando el tubo de salida de medios (4) alojado en el taladro con posibilidad de desplazamiento, lo que permite ajustar la distancia entre la boca del tubo de salida de medios (4) y el extremo inferior de la cavidad (2).

En una configuración ventajosa de la invención, el tubo de salida de medios (4) está ejecutado como tobera de Laval (7) en el área próxima a la boca.

El contorno de la cavidad (2) se asemeja en sección longitudinal a un corazón.

El radio de la sección transversal de la cavidad (2) aumenta primero de modo regresivo a lo largo del eje longitudinal, cuyo origen se supone en el límite superior de la cavidad (2), hasta que la tangente en el contorno de la sección longitudinal de la cavidad (2) se extiende paralelamente a dicho eje longitudinal. Este punto se alcanza aproximadamente a una distancia de 1/4 a 1/3 de la longitud total del eje longitudinal imaginario de la cavidad (2). El radio de la sección transversal de la cavidad (2) alcanza aquí su valor máximo.

Desde este punto, el radio de la sección transversal disminuye con el aumento de la coordenada longitudinal en primer lugar progresivamente hasta una coordenada longitudinal que corresponde aprox. a una distancia de 2/3 a 3/4 de la longitud total del eje longitudinal.

Después, el radio de la sección transversal de la cavidad (2) disminuye de modo regresivo, es decir que el contorno de la sección longitudinal de la cavidad (2) se acerca de forma asintótica a una línea paralela al eje longitudinal imaginario.

El cierre de la cavidad con forma de cardiode (2) lo constituye un contorno arqueado, en el que se invierte el recorrido del contorno, es decir que el contorno de la cavidad (2) se extiende ahora paralelamente al eje longitudinal imaginario, verticalmente hacia arriba en dirección al taladro. En el área de esta inversión del contorno, la sección transversal de la cavidad (2) tiene un radio interior y uno exterior. El radio interior forma la superficie lateral de un muñón (8) que sobresale del fondo de la cavidad al interior de la misma.

En la parte inferior, en la posición de montaje, de la carcasa (1) está dispuesta centralmente una entrada de medios de adición (5) con una o varias aberturas que desembocan en la cavidad (2) por el extremo del muñón tubular (8). Para optimizar las condiciones de presión y flujo en la cámara de reacción, la entrada de medios de adición (5) está realizada, análogamente al tubo de salida de medios (4), como un elemento separado, unido a la carcasa (1) con posibilidad de desplazarse en relación con la misma en la dirección del eje longitudinal imaginario de la cavidad (2).

Para lograr resultados óptimos resulta particularmente ventajosa la utilización de revestimientos catalíticos en la cámara de reacción y la tobera de Laval (7), así como en todas las demás partes del dispositivo por las que se conduce el medio, ya que con ello puede lograrse un desarrollo acelerado de las reacciones químicas deseadas.

La figura 2 muestra el diseño básico del reactor de fluidos según la invención.

El medio a tratar se alimenta a la cámara de reacción a través de una línea de toma principal (9). En la línea de toma principal (9) está dispuesta una válvula reguladora (10) para controlar el caudal. A continuación se hallan en la línea de toma principal (9) unos detectores (11) para registrar datos de medición relevantes para el proceso, como la presión, la temperatura, el caudal, la composición del medio o las cargas químicas y/o biológicas. Estos dispositivos de medición pueden estar realizados de modo que, además de indicarse visualmente los valores medidos en unas unidades de salida (12) adecuadas, éstos se pongan también a disposición de forma continua o discontinua para procesos de control o regulación subsiguientes.

A continuación está dispuesto un dispositivo de adición (13) para la dosificación de medios de adición, como por ejemplo aire, oxígeno, ozono, H_{2}O_{2}, que hayan de ponerse a disposición como componentes de reacción. La descarga del medio de adición en el dispositivo de adición (13) puede realizarse ventajosamente mediante una tobera de inyección de modo que, debido a una presión negativa existente en la línea de toma principal (9) condicionada por la técnica de fluidos, el medio de adición se auto-aspire.

En la línea de alimentación de medios de adición está dispuesto un dispositivo de cierre, como por ejemplo una válvula de retención (14) para evitar la entrada no deseada en la misma del medio a tratar. Para la dosificación manual o automática del medio de adición se ha previsto además una válvula de regulación fina (15b) en la línea de alimentación de medios de adición.

Si el medio de adición es gaseoso y un oxidante, como por ejemplo oxígeno o aire, éste puede ionizarse o convertirse en radicales, como por ejemplo ozono, mediante un dispositivo de tratamiento previo (16b) antepuesto, con el fin de mejorar las propiedades de oxidación.

Para aumentar el caudal del medio de adición por encima de la medida condicionada por la auto-aspiración, puede integrarse un dispositivo compresor (17) en la línea de alimentación de medios de adición o anteponerse al dispositivo de tratamiento previo (16b).

A continuación del dispositivo de adición (13), el caudal del medio a tratar se divide en dos o más caudales parciales, que se conducen por unos tubos de toma separados (6) a la cámara de reacción (2). Para ello resulta ventajosa la utilización de divisores de corriente (18) que, para optimizar las condiciones de flujo y reducir pérdidas de presión, presentan un ángulo de apertura inferior a 120º.

Los tubos de toma (6) conducen el medio a tratar a la carcasa (1), donde se introduce en las entradas de medios (3). Éstas desembocan en la cavidad (2) tangencialmente con respecto a la sección transversal de la misma, y con un sentido de flujo inclinado hacia el vértice inferior de la cámara de reacción. Así, el medio a tratar se conduce en una línea helicoidal orientada hacia abajo desde las entradas de medios (3) hasta la boca del tubo de salida de medios (4).

Dado que las reacciones químicas se desarrollan en la cavidad (2) misma debido a la alta presión y el tubo de salida de medios (4) con la formación típica de un remolino cicloidal adopta por ello únicamente la función de una reacción complementaria y una salida de proceso continua, es necesario establecer una presión de remanso alta en la cavidad (2) misma.

Ésta se logra mediante una selección correspondiente de la presión previa del medio a tratar, en combinación con el dimensionado de las entradas de medios (3) y del tubo de salida de medios (4) en sí. A este respecto, se ha comprobado que se requiere una presión de remanso de, al menos, 2,5 bares para lograr una reacción de gran rendimiento. Ésta puede lograrse, por ejemplo, haciendo que la suma de las secciones transversales de todas las entradas de medios (3) sea el doble de grande que la menor sección transversal de la salida de medios (4).

El tubo de salida de medios (4) está configurado en su parte inferior como tobera de Laval (7) y sobresale de forma axialmente ajustable al interior de la cavidad (2). El tubo de salida de medios (4) consta de dos o más partes unidas entre sí, estando la parte superior visible que sobresale de la carcasa (1) realizada como un tubo de control (19) de un material transparente y la parte inferior como una tobera de Laval (7).

El ajuste axial del tubo de salida de medios (4) se realiza mediante una unidad de ajuste mecánica. El tubo de salida de medios (4) está alojado en un cojinete axial (21a), que está unido fijamente a la carcasa (1) o fijo en relación con la misma, de modo que sea posible un ajuste axial durante el funcionamiento sin que varíe la posición del punto de intersección entre la carcasa (1) y la tubería de la línea de toma principal (9). Con ello es posible adaptar los parámetros de servicio en todo momento en función de las necesidades y sin un gran gasto.

La adición de medios para la reacción química complementaria en el tubo de salida de medios (4) también puede realizarse mediante presión o, lo que resulta ventajoso, mediante el aprovechamiento de la presión negativa en la tobera de Laval (7). Al igual que el tubo de salida de medios (4), la entrada de medios de adición (5) está realizada de modo que pueda ajustarse sin que varíe la posición del punto de intersección entre la carcasa (1) y la tubería de la línea de salida en caso de trabajos de reglaje.

Para ello, el mecanismo de ajuste de la entrada de medios de adición inferior (5) está configurado de modo que sea posible reajustarla o regularla con respecto al punto de presión negativa óptimo en el interior del tubo de salida de medios (4). Para ello, la entrada de medios de adición (5) está alojada con posibilidad de desplazamiento en un cojinete axial (21b), que está unido fijamente a la carcasa (1) o fijo en relación con la misma. El ajuste puede realizarse manualmente o mediante un algoritmo regulador por medio de la unidad de ajuste.

En la línea de alimentación de medios de adición están instaladas una válvula de retención (14) para evitar la salida no deseada del medio a tratar y una válvula de regulación fina (15a) para la dosificación manual o automática del medio de adición. Si el medio de adición es gaseoso y un oxidante, como por ejemplo oxígeno o aire, éste puede ionizarse o convertirse en radicales, como por ejemplo ozono, mediante un dispositivo de tratamiento previo (16a) antepuesto.

La figura 3 muestra una forma de realización preferida de la invención. En ella se representa el empleo de un reactor de fluidos según la invención en un circuito de medios con un depósito acumulador separado (23). El área encerrada por la línea de trazos y puntos corresponde a lo representado en la figura 2. Para una mayor claridad, en la figura 3 no todos los componentes del dispositivo se han provisto de una referencia en dicha área, por lo que remitimos a las indicaciones correspondientes de la figura 2.

El diámetro nominal de la línea de toma principal (9) es aquí de 25 mm. Para regular el caudal está instalada una válvula reguladora (10). Tras la válvula reguladora (10) está instalado un manómetro como detector (11), con una unidad de salida integrada (12), y después un dispositivo de adición (13) en forma de una tobera de inyección.

A causa de la presión negativa en la línea de toma principal (9), el dispositivo de adición (13) aspira automáticamente un oxidante, en este caso aire ambiente. Para impedir que el medio a tratar entre en la línea de aspiración, ésta está provista de una válvula de retención (14). El ajuste del caudal del oxidante se realiza mediante una válvula de regulación fina (15b).

Como oxidante se utiliza convenientemente aire ambiente, que se prepara mediante una unidad de ionización regulable, que sirve como dispositivo de tratamiento previo (16b). Tras el dispositivo de adición (13), el caudal se conduce en dos caudales de igual magnitud por medio de una pieza en Y, como divisor de corriente (18), cuyas ramas emergen en ángulo de 45º. La alimentación a la cámara de reacción se realiza mediante dos entradas de medios (3), que desembocan tangencialmente en la cavidad (2), están desplazadas 180º y están dispuestas de forma dextrógira en un ángulo de incidencia axial de 15º con respecto al eje longitudinal de la cavidad (2).

El diámetro mayor de la cavidad (2) es de 136 mm. El diámetro menor de la cavidad (2) es de 64 mm. El diámetro exterior del tubo de salida de medios (4) es de 36 mm. De estas dimensiones resulta una relación entre secciones transversales de 4300 mm^{2}:700 mm^{2}, es decir que la sección transversal mayor de la cámara de reacción es más de seis veces más grande que la sección transversal menor de la cámara. De este modo se logra la aceleración del caudal en el ciclón que se forma necesaria para un proceso de reacción eficaz.

El tubo de salida de medios (4) presenta tres partes; en su parte inferior está configurado como una tobera de Laval sustituible, con el menor diámetro de 15 mm. La parte superior consiste en un tubo de plástico transparente cambiable con un diámetro nominal de 25 mm. La parte central presenta el mismo diámetro nominal.

Todo el tubo de salida de medios (4) está conducido con posibilidad de ajuste por una parte en la carcasa (1) y por otra parte en un cojinete axial obturador (21a), que está unido fijamente a la carcasa (1). Para el ajuste del tubo de salida de medios (4), el cojinete axial (21a) está provisto de un dispositivo auxiliar, en este caso un hexágono con la anchura de una llave estándar.

En el extremo superior del cojinete axial (21a) se halla un racor (24) unido fijamente al cojinete, mediante el cual el se conecta el dispositivo a la tubería del usuario.

En el extremo inferior de la carcasa (1) se halla una entrada de medios de adición (5). Esta entrada de medios de adición (5) está configurada como un tubito ajustable axialmente y sobresale a través de la pared de la carcasa (1) en la cavidad (2) y, en esta última, al interior de la tobera de Laval (7). Para impedir retornos, la línea de alimentación hacia la entrada de medios de adición (5) está provista de una válvula de retención. El ajuste del caudal del oxidante se realiza mediante una válvula de regulación fina (15a).

También aquí se utiliza convenientemente aire ambiente como oxidante, que se prepara mediante una unidad de ionización regulable, que sirve como dispositivo de tratamiento previo (18b).

Para alcanzar la presión necesaria se utiliza una bomba de caudal (25) con una presión nominal de 4 bares. Todo el dispositivo está instalado en el sistema en un circuito independiente en un depósito acumulador (23) con salida libre (26), es decir sin contrapresión en el lado de salida.

La figura 4 muestra otra forma de realización preferida de la invención. En ella, el dispositivo según la invención se ha complementado con un elemento regulador (27) para todo el proceso de reacción. El área encerrada por la línea de trazos y puntos corresponde a lo representado en la figura 2. Para una mayor claridad, en la figura 4 no todos los componentes del dispositivo se han provisto de una referencia en dicha área, por lo que remitimos a las indicaciones correspondientes de la figura 2.

Aquí se registran de forma continua en la línea de toma principal (9) datos de medición significativos como el caudal, la velocidad de flujo, la temperatura, el valor pH, el valor redox, el número de gérmenes, el enturbiamiento y la presión del medio a tratar, así como el grado de ionización y el caudal del medio de adición. En la línea de salida (22) del dispositivo se registran datos relativos al enturbiamiento, la composición del medio, el valor redox y el número de gérmenes y se transmiten de modo continuo al elemento regulador (27).

Dentro del elemento regulador (27), que está realizado como un regulador en cascada, los datos de medición registrados se procesan en un algoritmo de cálculo A partir de leyes fundamentales de la química y se emiten las magnitudes de ajuste correspondientes a la bomba de caudal externa (25), a la válvula reguladora (10), a la válvula de regulación fina (15a) de la adición de medios en la carcasa (1), a la válvula de regulación fina (15b) de la adición de medios en la línea de toma principal (9), a la unidad de ajuste (20a) del tubo de salida de medios (4), a la unidad de ajuste (20b) de la entrada de medios de adición (5), al dispositivo de tratamiento previo (16a) de la línea de alimentación de medios de adición hacia la carcasa (1) y al dispositivo de tratamiento previo (16b) de la línea de alimentación de medios de adición hacia la línea de toma principal (9).

La utilización del elemento regulador (27) permite regular libremente la presión de remanso, según un algoritmo predeterminado, de acuerdo con las reacciones químicas deseadas y los productos de reacción deseados.

Mediante unos detectores (28) previstos en la línea de salida (22) del dispositivo, o en el tubo de salida de medios (4), o en un depósito acumulador subsiguiente (23), o mediante una realimentación, se determinan las magnitudes de entrada correspondientes para una regulación. En los procesos de regulación se utiliza como magnitud piloto el resultado deseado de la reacción por medio de un algoritmo determinado A partir de leyes fundamentales de la química, ya conocidas y magnitudes características del dispositivo o un valor de comparación, que también puede registrarse en la entrada del tramo de regulación.

Los ejemplos de realización siguientes sirven para explicar el procedimiento según la invención y el funcionamiento del dispositivo según la invención más detalladamente.

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Ejemplo de realización 1

Preparación de emulsiones de aceite lubricante

En la construcción de maquinaria y plantas, así como en la fabricación de metal, se utilizan frecuentemente en circuitos abiertos las, así llamadas, emulsiones y suspensiones refrigerantes o de aceite lubricante. Se trata de mezclas agua-aceite con una proporción de aceite de un 2-3%. Estas emulsiones de aceite lubricante sirven para enfriar cojinetes abiertos o por ejemplo para enfriar y al mismo tiempo lubricar en tareas con arranque de virutas como el taladrado o el torneado.

Tales emulsiones o suspensiones constituyen una excelente base nutritiva para gérmenes, bacterias y hongos, por lo que en un corto período se ven afectadas por procesos de putrefacción y causan molestias por olores en los talleres de fabricación. Por lo tanto, para que estas molestias sean las menores posibles, hasta la fecha se añadían a las emulsiones, de forma dosificada y en pequeñas cantidades, biocidas muy tóxicos también para las personas. Como resultado de la adición de biocidas puede lograrse una breve reducción de dichas molestias (por regla general sólo 3-5 días), no muy satisfactoria. La desventaja es que los microorganismos así combatidos sólo se matan y sus restos se acumulan en el circuito, lo que constituye de nuevo la base nutritiva para otros gérmenes y bacterias, y en la emulsión se producen cargas químicas adicionales por procesos de descomposición. Otra desventaja es que, dada la necesaria y frecuente renovación y eliminación de las emulsiones, se produce un gran aumento de los gastos de explota-
ción.

Mediante el empleo del dispositivo según la invención en un circuito abierto se redujeron, en sólo dos horas, el número de gérmenes en las emulsiones de 6.500.000 UFG (unidades formadoras de gérmenes) a 500.000 UFG y las molestias por olores debidas a los compuestos orgánicos presentes procedentes de procesos de putrefacción por debajo del umbral olfativo. Los gérmenes destruidos tampoco pueden detectarse ya en la emulsión como productos residuales descompuestos. Adicionalmente se mejoró la potencia lubricante en un 30%. Ya no era necesario añadir biocidas ni otras sustancias químicas. Se logró aumentar la vida útil de la emulsión por un factor de
14.

Para ello, el dispositivo se hizo funcionar en un circuito abierto. Desde el depósito acumulador de la emulsión de aceite lubricante se bombeó ésta de forma continua por medio de una bomba con una capacidad de elevación de 10 m^{3}/h y una presión de 3,5 bares, a través de un diámetro de alimentación principal de 34 mm. Debido a las proporciones geométricas del interior de la cavidad y del tubo de salida de medios, con su diámetro menor en el rango de la tobera de Laval de 16 mm, y en combinación con las capacidades de elevación de la bomba, se establece en el aparato una presión de remanso o presión de reacción correspondiente. La alta velocidad de flujo y el número de revoluciones del caudal en el aparato, de más de 60 revoluciones/seg, provocan una destrucción mecánica de los organismos presentes, con lo que aumenta la superficie de reacción de los compuestos orgánicos. En combinación con el oxígeno atmosférico disuelto en el agua y alimentado adicionalmente a la misma, en la cavidad se inicia y acelera bajo presión el proceso químico de oxidación. Adicionalmente se oxidan en el tubo de salida de medios, mediante la adición de oxígeno atmosférico, los compuestos orgánicos que se hallan en el filete de remolino existente. Tras el tubo de salida de medios, el agua tratada se alimenta de nuevo al depósito acumulador.

Ejemplo de realización 2

Esterilización de agua potable

A pesar del tratamiento del agua potable por parte de los productores, en los elementos conductores del medio del usuario, se forman nidos de gérmenes y bacterias, lo que puede ocasionar una contaminación del agua potable, entre otras cosas con peligrosos agentes patógenos. Un tipo muy peligroso de gérmenes y agentes patógenos en redes de agua potable es la Legionella Pneumophyla, comúnmente denominada Legionella. Para destruirla en las redes de agua potable se requieren medidas extraordinariamente costosas desde el punto de vista técnico. Así por ejemplo, el agua de las redes se calienta a una temperatura por encima de los 44ºC y se mantiene durante un tiempo prolongado a dicha temperatura, que a veces es de hasta 80ºC. Otra forma de reducir el número de gérmenes utiliza instalaciones técnicamente costosas con esterilización por UV. Todas las instalaciones empleadas hasta la fecha tienen en común el gran gasto técnico, la en parte baja eficacia del tratamiento en relación con el caudal de agua, un alto riesgo de nueva proliferación de gérmenes y altos gastos de explotación y mantenimiento.

Con el empleo del dispositivo según la invención en un circuito cerrado se logró una reducción de las Legionellas desde más de 110 UFG (unidades formadoras de gérmenes) en primer lugar hasta 7 UFG, y de forma duradera hasta 0 UFG. Una nueva proliferación de gérmenes en las redes de agua puede evitarse de modo permanente mediante el funcionamiento continuo o intermitente del dispositivo. Además de reducirse el número de gérmenes, no pudiendo detectarse éstos ni siquiera como restos descompuestos, mediante la modificación de la viscosidad y de la tensión superficial se logra una limpieza de toda la red de tuberías en el sentido de que también se degradan otras sustancias extrañas oxidables y se lavan incrustaciones minerales en virtud de las características capilares mejoradas del agua. Así pues, se realiza un saneamiento duradero de la red de tuberías y agua potable.

En el caso arriba descrito, el dispositivo se sometió por el lado de presión, mediante una derivación, a la presión de red existente de 4 bares. El caudal era de 12 m^{3}/h, el diámetro de entrada principal de 34 mm y el diámetro menor en el tubo de salida de medios de 16,8 mm. Con esto se logró la alta velocidad de flujo y el alto número de revoluciones en la cavidad, de 70 revoluciones/seg, necesarios para la fragmentación mecánica de los componentes orgánicos, y una presión de reacción suficientemente alta para la degradación acelerada de compuestos de hidrocarburos, especialmente proteínas y aminas, mediante una oxidación química en frío con el oxígeno atmosférico disuelto en el agua. Mediante la adición de oxígeno atmosférico ionizado por medio de auto-aspiración en el filete de remolino se oxidaron los últimos restos remanentes de gérmenes.

Por el lado de salida, el agua se alimentó de nuevo a la circulación de agua potable mediante una bomba montada a continuación del dispositivo para superar la presión de red existente. Una vez realizada una limpieza de base, bastó un funcionamiento intermitente del dispositivo para mantener un estado estéril estable de la red de agua potable.

Ejemplo de realización 3

Preparación de agua en instalaciones de lavado industriales

En la industria y el artesanado está muy extendido el uso de instalaciones de lavado de los más diversos tipos, que van desde las instalaciones de lavado de vehículos, como las instalaciones de lavado de camiones o ferrocarriles, hasta las instalaciones de limpieza de maquinaria o componentes.

Para lograr el efecto de limpieza deseado en el producto, todas estas instalaciones requieren grandes cantidades de detergentes, que entre otras cosas provocan y utilizan para el proceso de limpieza una disminución de la tensión superficial o de la viscosidad. Además de hacer necesario un tratamiento ulterior de los productos mediante un lavado con agua depurada, estos procedimientos resultan muy costosos en lo que se refiere al mantenimiento y la explotación de las instalaciones, así como a la eliminación de los productos de desecho. El consumo de agua dulce es muy elevado, debido al efecto de limpieza limitado de estos procedimientos. Además, si las aguas residuales se utilizan varias veces como aguas de circuito, se producen cargas de gérmenes extraordinariamente altas por bacterias y hongos, a veces de más de 600.000 UFG (unidades formadoras de gérmenes), que ocasionan procesos de putrefacción en el agua y, asociadas a los mismos, cargas de olor de más de 2.500 UO (unidades de olor).

Hasta la fecha, esta carga de gérmenes se limitaba en escasa medida mediante la adición en pequeñas dosis de distintos productos químicos o químico-biológicos, en la mayoría de los casos altamente tóxicos. El uso de detergentes no podía reducirse mucho debido a que esto implicaba una disminución de la eficacia del lavado.

El empleo del dispositivo según la invención en un circuito abierto produjo una reducción de la tensión superficial de más de un 15%. También pudieron detectarse una reducción de la viscosidad de más de un 15% y, con ello, propiedades de flujo y humectación mejoradas ostensiblemente. Después de dos horas de funcionamiento, la carga de gérmenes se había reducido a menos de 50.000 UFG y la carga de olor a menos de 700 UO.

La eficacia del lavado se mejoró en el sentido de que, en combinación con la utilización de agua completamente desalinizada, fue posible prescindir por completo de aditivos de limpieza en una instalación de lavado de compo-
nentes.

Gracias a la poca cantidad de agua en circulación, en este caso una instalación funciona con un caudal máximo de 5 m^{3}/h en un circuito abierto. Para ello, el agua sucia se aspiró del depósito acumulador y se alimentó al dispositivo a través de la entrada principal de 25 mm de diámetro mediante una bomba. Por medio de un inyector se alimenta a la entrada de la cámara de reacción aire en el que previamente se ha radicalizado el contenido en oxígeno mediante una instalación correspondiente. Con la presión de la bomba de alimentación existente de 3 bares, las proporciones geométricas en la cavidad, la entrada de 25 mm y el tubo de salida de medios, que en su parte estrechada presenta un diámetro de 9,8 mm y se ensancha hasta los 25 mm, se logran los parámetros de reacción necesarios. El agua alcanza en la cavidad una velocidad de más de 80 revoluciones/seg, la presión de reacción es de más de 2 bares.

Mediante la alta velocidad de rotación, las fuerzas centrífugas asociadas y la fricción se destruyeron los componentes orgánicos y, en las condiciones de reacción antes indicadas, se oxidaron directamente por los radicales de oxígeno presentes. Los productos de reacción, en el caso de los compuestos de hidrocarburo, son CO_{2} y H_{2}O.

Las grandes fuerzas centrífugas y de cizallamiento del sistema causan una modificación de la estructura de los enlaces de valencia secundaria del agua en el sentido de que las moléculas de agua se reordenan variando la viscosidad y la tensión superficial. La tensión superficial se redujo en más de un 15%, de 0,073 N/m a 0,062 N/m.

A continuación de la reacción principal se alimenta aire al núcleo de remolino en el tubo de salida de medios para favorecer la reacción complementaria. Con una presión inferior a la presión de vapor detrás de la tobera de Laval en el tubo de salida de medios, una parte del agua pasa a la fase de vapor y se mezcla con el oxígeno atmosférico añadido, con lo que se logra mejorar la reacción complementaria por oxidación en el filete de remolino gaseoso en más de un 100%.

Ejemplo de realización 4

Tratamiento previo de aguas residuales industriales

Las aguas residuales industriales no pueden compararse con las aguas residuales comunales. En particular los productos químicos de desecho condicionados por el proceso, que aumentan en gran medida el valor DQO (demanda química de oxígeno), hacen necesarias instalaciones caras y técnicamente costosas para disminuir estos valores. Los productos de desecho contenidos en las aguas residuales abarcan, entre otras cosas, toda la gama de las sustancias químicas orgánicas, desde los compuestos en cadena hasta los compuestos cíclicos. Las cargas de las aguas residuales alcanzan con no poca frecuencia valores de DQO desde 500 hasta más de 100.000 y no pueden conducirse con una concentración de esta magnitud a las plantas depuradoras biológicas corrientes.

La utilización del dispositivo según la invención produjo, en el plazo de 3 horas, una disminución de los valores de DQO de 2.400 a menos de 330, con lo que estas aguas residuales industriales pudieron conducirse a un tratamiento posterior mediante procesos biológicos.

Para ello se utilizó una instalación con una capacidad de tratamiento de 40 m^{3}/h, una entrada principal de 40 mm y un tubo de salida de medios cuyo diámetro menor en el área de la tobera de Laval era de 23 mm. La presión de elevación aplicada en el lado de la bomba era de 8 bares y la velocidad del fluido en la cavidad de más de 110 revoluciones/seg. Con ello, la presión de reacción era suficientemente alta para la oxidación de compuestos aromáticos y ésteres. Para acelerar y mejorar, así como iniciar, el proceso de oxidación, se añadió al fluido en la entrada aire cuya parte de oxígeno se había radicalizado previamente para producir ozono. Adicionalmente se aumentó la temperatura del fluido antes de la cavidad y en la misma. El aumento de temperatura de, en cada caso, 10 K duplicó la velocidad de
reacción.

A partir de estas condiciones de reacción tuvieron lugar en la cavidad procesos químicos de oxidación de los compuestos de hidrocarburos con el ozono y el oxígeno atómico presentes. Dentro del tubo de salida de medios, en el filete de remolino, se realizó un tratamiento ulterior del fluido en forma de una continuación del proceso de oxidación mediante una nueva adición de ozono. Para este proceso resultó útil el establecimiento de una presión inferior a la presión de vapor del fluido en el núcleo de remolino y con ello su estado parcialmente gaseoso. Como resultado de estas reacciones se produjeron, a partir de los compuestos de hidrocarburos, principalmente CO_{2}, que escapó tras la salida libre, H_{2}O y en pequeñas cantidades sales no oxidables y restos difíciles de oxidar de compuestos de hidrocarburos.

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Ejemplo de realización 5

Tratamiento previo de aguas residuales comunales

Las aguas residuales comunales se tratan en las plantas depuradoras de modo que además de las aguas residuales depuradas no se produzca como producto de desecho una gran cantidad de lodos de clarificación no reutilizables. Para su eliminación, estos lodos de clarificación han de concentrarse, lo que resulta costoso, y a continuación llevarse a vertederos, utilizarse para la combustión en las plantas correspondientes o, en casos aislados, utilizarse como abono en superficies cultivables. Estos procedimientos resultan costosos por la gran producción de lodos de clarificación y su composición en parte muy peligrosa para la salud.

Con el dispositivo según la invención se trataron lodos de este tipo, compuestos de flóculos individuales, de tal modo que estos componentes orgánicos se fragmentaron hasta alcanzar un 98% ópticamente ya no visible. El grado de disgregación de los lodos se determina aquí a partir de la velocidad de consumo de oxígeno y el resultado fue una disgregación de los flóculos de lodo de más de un 70% y hasta un 98% tras dos horas de tratamiento. Los valores DBO y DQO reducidos en más de un 50% tras varios tratamientos alcanzaron los niveles permitidos y compatibles con el medio ambiente, para poder descargar el agua así tratada directamente de nuevo a la naturaleza.

Para ello, el dispositivo utilizado se hizo funcionar en un circuito abierto, es decir que desde un depósito acumulador se alimentaron al dispositivo las aguas fangosas aún susceptibles de bombeo por medio de una bomba de gran rendimiento, con una potencia de más de 4 bares y una capacidad máxima de 80 m^{3}/h. Antes de alcanzar el caudal la cavidad, se añadió al mismo aire atmosférico cuya parte de oxígeno se había ionizado y radicalizado para formar ozono mediante un tratamiento previo correspondiente.

Con un diámetro nominal de entrada principal y la forma geométrica elegida para la cavidad del dispositivo, se alcanzó en el máximo un velocidad de más de 150 revoluciones/seg, por lo que la mezcla de lodos estuvo expuesta a una carga mecánica, fricción y fuerza centrífuga muy altas. Esta carga destruyó los flóculos, las bacterias y los gérmenes por medios mecánicos y aumentó su superficie de reacción, de modo que se produjo una oxidación acelerada con el oxígeno atmosférico añadido y el ozono para formar principalmente CO_{2} y H_{2}O.

La reacción tuvo lugar a temperatura ambiente y bajo una alta presión, resultante de las proporciones geométricas en la cavidad y los diámetros nominales de entrada. En el tubo de salida de medios, que en su corte transversal más estrecho presenta un diámetro de 24 mm y se ensancha hasta los 41 mm, se añadió adicionalmente al núcleo de remolino oxígeno atmosférico igualmente sometido a tratamiento, con lo que se produjo una reacción complementaria en forma de procesos de oxidación y, con ello, se logró una mayor eficacia del dispositivo. Tras el tubo de salida de medios, el agua así tratada se alimentó de nuevo sin presión al depósito acumulador.

Ejemplo de realización 6

Tratamiento previo de carburantes y combustibles a base de aceites vegetales

Los carburantes y combustibles líquidos, especialmente los aceites vegetales como el aceite de colza y de girasol, no son adecuados en su forma original para la utilización en los motores de combustión modernos. La causa de ello son compuestos químicos que tienden a la resinificación, así como especialmente la gran glutinosidad y viscosidad, que hacen casi imposible un transporte hasta la cámara de combustión. También los carburantes convencionales a base de petróleo han de tratarse convenientemente.

En el tratamiento de los aceites obtenidos de las plantas, especialmente el aceite de colza, para la utilización como combustibles, se les añaden "diluyentes" o agentes de fluidificación, como por ejemplo compuestos de metilo, para la dilución y ligadura de compuestos químicos no deseados para la combustión. Así tratados, estos aceites pueden utilizarse con reservas como combustible para motores Diesel. Otra forma de fluidificación consiste en disminuir la viscosidad de estos combustibles, es decir hacerlos más fluidos, calentándolos antes de la cámara de combustión.

Mediante el tratamiento de estos aceite vegetales con el dispositivo según la invención se logró, al contrario que con los procedimientos utilizados hasta la fecha, una modificación duradera de la viscosidad y con ello una fluidificación duradera, estable incluso a temperaturas inferiores a 0ºC. En relación con el producto de partida, el comportamiento de flujo se mejoró en aproximadamente un 50 - 70%. Los compuestos químicos orgánicos que antes producían espesamientos y resinificación en canales y líneas de alimentación ya no podían detectarse, es decir que las líneas de alimentación permanecían libres de incrustaciones incluso después de un funcionamiento prolongado. El valor calorífico bruto del aceite vegetal así tratado no se redujo en relación con el del estado inicial. Gracias a la mejora de la viscosidad, la mezcla aire-combustible era ostensiblemente mejor.

Esto se logró conectando el dispositivo como un circuito abierto a un depósito acumulador para aceites vegetales. El volumen de aceite se trató al menos 20 veces con el dispositivo para alcanzar la viscosidad deseada. Como medida de partida para el tratamiento, el rendimiento de tratamiento del dispositivo se define como de 20 m^{3}/h.

El aceite se alimentó al dispositivo con una potente bomba de más de 6 bares a través de la entrada principal y agregando oxígeno atmosférico ionizado o radicalizado a la cavidad del dispositivo. Un aumento adicional de la temperatura de, al menos, 10 K mejoró los subsiguientes procesos de oxidación de sustancias químicas acompañantes no deseadas y aumentó la velocidad de reacción en más de un 100%. Gracias a las proporciones geométricas de la cavidad, la entrada de 40 mm y el tubo de salida de medios con su diámetro estrechado hasta los 12 mm en la tobera de Laval y ensanchado hasta los 28 mm en el lado de salida, se alcanzan velocidades del fluido en la cavidad de más de 180 revoluciones/segundo, así como una alta presión de reacción para los procesos de oxidación que se desarrollan. Las grandes fuerzas de fricción, de cizallamiento y centrífugas asociadas causan una reordenación de la estructura molecular del aceite en el sentido de que la viscosidad, y con ella el comportamiento de flujo, mejora de forma duradera en al menos un 50%. Al mismo tiempo las sustancias químicas orgánicas extrañas, que debido a una inclusión en la estructura molecular podrían influir negativamente en ésta en dirección a una mayor glutinosidad, se oxidan bajo las condiciones de reacción existentes para formar principalmente CO_{2} y H_{2}O. Este proceso de oxidación se continúa y completa en el tubo de salida de medios, en el filete de remolino, añadiendo aire también sometido a tratamiento. Por el lado de salida, el aceite tratado se alimenta sin presión de nuevo al depósito acumulador.

Lista de referencias

1

Carcasa

2

Cavidad

3

Entrada de medios

4

Tubo de salida de medios

5

Entrada de medios de adición

6

Tubo de toma

7

Tobera de Laval

8

Muñón tubular

9

Línea de toma principal

10

Válvula reguladora

11

Detector

12

Unidad de salida

13

Dispositivo de adición

14

Válvula de retención

15a

Válvula de regulación fina de la línea de alimentación de medios de adición hacia la carcasa

15b

Válvula de regulación fina de la línea de alimentación de medios de adición hacia la línea de toma principal

16a

Dispositivo de tratamiento previo de la línea de alimentación de medios de adición hacia la carcasa

16b

Dispositivo de tratamiento previo hacia la línea de toma principal

17

Dispositivo compresor

18

Divisor de corriente

19

Tubo de control

20a

Unidad de ajuste del tubo de salida de medios

20b

Unidad de ajuste de la entrada de medios de adición

21a

Cojinete axial del tubo de salida de medios

21b

Cojinete axial de la entrada de medios de adición

22

Línea de salida

23

Depósito acumulador

24

Racor

25

Bomba de caudal

26

Salida libre

27

Elemento regulador

28

Detector

Claims (24)

1. Procedimiento para tratamiento fisicoquímico de medios fluidos, caracterizado porque al menos dos caudales de medio fluido a tratar se conducen de modo forzado en una carcasa con una cámara de reacción con simetría de rotación, con sección longitudinal en forma de cardiode y cuya sección transversal se estrecha desde la entrada superior de medios hacia la salida inferior del medio, y un tubo de salida ajustable axialmente desde arriba, que llega casi hasta el extremo inferior de la cámara de reacción y que, en el área cercana a su boca, está configurado como tobera de Laval, a través de al menos una abertura de entrada dispuesta tangencialmente a la superficie lateral de la cavidad en un sentido de afluencia descendente a alta velocidad en forma de movimiento de traslación y rotación, de modo que puede formarse una capa límite turbulenta por técnica de fluidos, porque los caudales presentan una gran diferencia de velocidad entre sí, porque se producen una gran fricción entre las dos capas y grandes fuerzas centrífugas en los distintos caudales y porque, en el extremo inferior de la cámara de reacción, la corriente que fluye en una línea helicoidal descendente se desvía hacia el centro de la corriente en una dirección ascendente.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque los caudales se producen por separación desde una entrada o se añaden como caudales separados de medios distintos.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque se transportan conjuntamente o se añaden oxidantes.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la velocidad de flujo se elige de modo que, con un movimiento de rotación, la fuerza centrífuga resultante es tan grande que los enlaces de valencia secundaria de las moléculas del medio fluido se rompen, al menos brevemente, y/o las moléculas de cadena larga de sustancias orgánicas y/o inorgánicas y/o los microorganismos se destruyen mecánicamente y/o se ionizan o radicalizan moléculas del medio y/o de sustancias arrastradas.

5. Procedimiento de acuerdo con alguna de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la velocidad de flujo se ha elegido de modo que, con un movimiento de traslación y/o de rotación, la fuerza centrífuga y/o fuerza de traslación resultante provoca un cambio en la orientación geométrica de las distintas moléculas a causa de sus diferentes masas atómicas y, por lo tanto, su inercia másica.

6. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la velocidad del caudal y/o la velocidad de rotación se eligen de modo que se logra una separación de las sustancias arrastradas o los compuestos de sustancias arrastrados y el medio fluido en cada uno de los caudales.

7. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque mediante la reordenación de la estructura de la red molecular se disuelven y liberan sustancias extrañas volátiles o gases de dicha estructura reticular, de modo que en el medio fluido se produce una desgasificación.

8. Dispositivo para tratamiento fisicoquímico de medios fluidos, compuesto de una carcasa con una cámara de reacción con simetría de rotación, con sección longitudinal en forma de cardiode y cuya sección transversal disminuye desde la entrada superior de medios a la salida inferior de medios, un tubo de salida ajustable axialmente desde arriba, que llega hasta casi el extremo inferior de la cámara de reacción y que, en el área cercana a su boca, está configurado como tobera de Laval, al menos una entrada para el medio a tratar dispuesta tangencialmente a la superficie lateral de la cámara de reacción en un sentido de afluencia descendente y especialmente con una entrada para un medio de adición.

9. Dispositivo según la reivindicación 8, caracterizado porque el área de la menor sección trasversal del tubo de salida o de la tobera de Laval integrada en el mismo es a lo sumo igual a 0,7 veces la suma de las áreas de las secciones transversales de todas las entradas de medios.

10. Dispositivo según una de las reivindicaciones 8 ó 9, caracterizado porque el tubo de salida que sobresale en la cámara de reacción está compuesto de varias partes, de las cuales la superior, que sobresale de la carcasa, está realizada como un tubo de control constituido de material transparente.

11. Dispositivo según una de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizado porque el medio a tratar puede llevarse a una temperatura de reacción definida antes de la cámara o en la misma.

12. Dispositivo según una de las reivindicaciones 8 a 11, caracterizado porque los elementos del dispositivo a través de los cuales se conduce el medio están revestidos con sustancias de efecto catalítico o compuestos de sustancias de efecto catalítico.

13. Dispositivo según una de las reivindicaciones 8 a 12, caracterizado porque la o las entradas de medios desembocan en la parte superior de la cámara de reacción tangencialmente a la pared de la cámara, formando sus ejes longitudinales con el eje de simetría de la cámara de reacción un ángulo menor que 90º y mayor que 45º, de modo que el medio entra en la cámara de reacción en sentido descendente.

14. Dispositivo según una de las reivindicaciones 8 a 13, caracterizado porque en la línea de toma principal está integrado un dispositivo de adición mediante el cual el medio a tratar se enriquece con un medio de adición antes de su entrada en la cámara de reacción.

15. Dispositivo según una de las reivindicaciones 8 a 14, caracterizado porque uno o varios dispositivos de tratamiento previo están dispuestos periféricamente de modo que el medio de adición se ioniza y/o se transforma en un radical antes de ser alimentado.

16. Dispositivo según una de las reivindicaciones 8 a 15, caracterizado porque el tubo de salida y la entrada de medios pueden colocarse manualmente de manera sencilla mediante una configuración correspondiente de dispositivos auxiliares como agujeros ciegos, anillo moleteado o abridores de llave.

17. Dispositivo según una de las reivindicaciones 8 a 16, caracterizado porque el tubo de salida de medios y la entrada de medios de adición pueden ajustarse en dirección axial y fijarse en su posición durante el funcionamiento por medio de unos dispositivos de ajuste, permaneciendo durante este proceso inalterada la posición de los puntos de intersección entre la carcasa y el sistema periférico de tuberías.

18. Dispositivo según una de las reivindicaciones 8 a 17, caracterizado porque el tubo de salida puede ajustarse mediante una unidad de ajuste mecánica, eléctrica, hidráulica o neumática.

19. Dispositivo según una de las reivindicaciones 8 a 18, caracterizado porque, cuando se utilizan varias entradas de medios, éstas se alimentan desde una línea de toma principal, utilizándose para la división del caudal uno o varios divisores de corriente en forma de Y, cuyas ramas del lado de salida forman un ángulo menor que 180º.

20. Dispositivo según una de las reivindicaciones 8 a 19, caracterizado porque las líneas de adición para medios de adición están protegidas mediante válvulas anti-retorno contra una entrada no deseada del medio a tratar.

21. Dispositivo según la reivindicación 20, caracterizado porque las válvulas anti-retorno presentan una presión de apertura menor que 0,55 bares.

22. Dispositivo según una de las reivindicaciones 8 a 21, caracterizado porque las líneas de adición para medios de adición están equipadas con válvulas reguladoras para la dosificación del medio de adición.

23. Dispositivo según una de las reivindicaciones 8 a 22, caracterizado porque en el lado de entrada y/o de salida están instalados unos dispositivos de medición que registran de forma continua o discontinua valores de medición relevantes para el proceso y los presentan y/o ponen a disposición en forma de señal analógica o digital para unidades de evaluación montadas a continuación.

24. Dispositivo según una de las reivindicaciones 8 a 23, caracterizado porque se influye sobre los parámetros que determinan el proceso de acuerdo con valores de medición relevantes para el mismo por medio de un dispositivo de medición, control y regulación a través de los elementos de ajuste correspondientes.