ES2282107T3 - Sistema y metodo para generar micro-burbujas de gas en un liquido. - Google Patents

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Abstract

Un sistema para generar micro-burbujas del tipo remolino en un líquido que comprende una unidad principal contenedora con una cámara de remolino cónica (10) con una entrada en el extremo pequeño y una salida en el extremo ancho, una entrada de líquido a presión (2; 20) abierta en dirección tangencial a una parte de la superficie circunferencial de la pared interior de dicha cámara de remolino, un orificio para la introducción del gas (4; 40) abierto sobre una abertura (30) en el extremo pequeño de dicha cámara de remolino cónica, y una salida de mezcla líquido-gas de remolino (5; 50) abierta en el extremo ancho de dicha cámara de remolino cónica.

Description

Sistema y método para generar micro-burbujas de gas en un líquido.
La presente invención se refiere a un sistema para generar micro-burbujas para disolver eficazmente un gas tal como el aire, oxígeno gas, etc., en un líquido tal como agua de ciudad, agua de río, etc., para purificar agua contaminada y para utilizar eficazmente el agua para reacondicionar y renovar el agua ambiental.
En los sistemas de aireación de tipo convencional, por ejemplo en la mayoría de los sistemas de aireación que usan sistemas para generar micro-burbujas instalados para el cultivo y crecimiento de animales acuáticos, las burbujas de aire se generan mediante la inyección de aire a presión en el agua a través de finos poros de un sistema para generar micro-burbujas plano o tubular instalado en el tanque, o las burbujas de aire se generan mediante la introducción de aire en un flujo de agua con fuerza cortante o mediante la vaporización del aire disuelto en el agua mediante la reducción de forma rápida de la presión del agua presurizada.
En el proceso de aireación que usa el sistema para generar micro-burbujas con las funciones anteriormente descritas, la operación básicamente se controla mediante el ajuste de la cantidad de aire suministrada o mediante el número de sistemas para generar micro-burbujas que se instalan, aunque es necesario disolver de forma eficaz el gas tal como aire, dióxido de carbono, etc., en el agua y además, promover la circulación del agua.
Sin embargo, en el sistema de aireación que usa el sistema para generar micro-burbujas de tipo convencional, por ejemplo el sistema de difusión basado en la inyección, aún cuando se disponen de finos poros, y cuando las burbujas de aire se inyectan bajo presión a través de dichos poros, el volumen de cada burbuja de aire se expande, y el diámetro de cada burbuja de aire aumenta a varios milímetros debido a la tensión superficial de las burbujas de aire durante la inyección. Así, es difícil generar burbujas de aire de pequeño diámetro. También, existen problemas tales como la obturación de los poros o el incremento del consumo de energía provocado por la operación durante largo tiempo.
En el sistema para generar burbujas de aire mediante la introducción de aire en un flujo de agua con fuerza cortante usando álabes y corriente de inyección de burbujas de aire, se necesita disponer de un numero elevado de revoluciones para generar la cavitación. También, existen problemas de incremento de consumo de energía y el problema de corrosión de los álabes o la vibración causada por la generación de la cavitación. Además, existen problemas pues sólo se puede generar una pequeña cantidad de micro-burbujas.
En el sistema en donde un flujo de dos fases gas-líquido colisiona con un álabe o proyección en movimiento, los peces o los pequeños animales en los lagos naturales o en los tanques de cultivos pueden resultar heridos, lo que causa problema para el desarrollo y el mantenimiento de la condición ambiental necesaria para el desarrollo de los peces y de otros animales acuáticos.
Además, en el sistema presurizado, el sistema se debe diseñar en un gran tamaño y requiere mayores costes, y también es alto el coste de operación.
El documento US-A 4.726.686 se refiere a una cámara de remolino que comprende un alojamiento, en el que su carcasa o pared lateral está conectada al menos a un puerto tubular con una línea central que está aproximadamente en ángulo recto y está espaciada del eje del alojamiento. En la cámara de remolino mejorada, al menos se extienden dos puertos tubulares a través de la carcasa o de las paredes laterales y en cuanto al radio de dicho alojamiento que intersecciona en los puertos en sus extremos interiores están inclinados en el mismo sentido que en la dirección periférica del alojamiento, estando el alojamiento cerrado en sus extremos opuestos por láminas de cierre o paredes de cierre, que interseccionan con el eje del alojamiento, y se dispone de un inyector de entrada en un de las placas de uno de los extremos y un tubo de descarga en el otro.
El documento JP-50-031471 muestra una cámara de remolino cilíndrica con un puesto de entrada en un extremo, un puerto de salida en el otro extremo y una entrada de fluido a presión tangencial.
El documento DE-A-39 23 480 se refiere a un dispositivo para enriquecer un líquido con un gas en el que se aplica gas a presión por encima de la superficie del líquido en un tanque cilíndrico en el que el líquido desciende en forma espiral y circula en torno a una abertura de venteo estrecha.
El documento DE-A-24 41 335 se refiere a un método en un aparato para enriquecer un líquido con gas en donde se introduce el líquido vía una entrada tangencial a una cámara de remolino cónica y al líquido se le imparte un movimiento en forma de remolino de forma que se generan burbujas de aire y éstas se mezclan con el líquido.
Se hace referencia al documento EP 0963784 A1 que representa alguna técnica anterior bajo el Art. 54(3) EPC. Además, se hace referencia al documento CH 343375.
En ninguna de las técnicas anteriores arriba descritas en este campo ha sido posible generar a escala industrial micro-burbujas con diámetro de más de 20 \mum.
\newpage
Después de firmes esfuerzos de estudio, los presentes inventores han desarrollado con éxito la presente invención, mediante la cual es posible generar a escala industrial micro-burbujas con un diámetro de no más de 20 \mum.
Específicamente, la presente invención proporciona:
Un sistema para generar micro-burbujas del tipo remolino y un método para la generación de micro-burbujas del tipo remolino tal como se reivindica en las reivindicaciones 1 a 7.
La Figura 1 es una vista frontal de un sistema para generar micro-burbujas del tipo remolino de la técnica anterior.
La Figura 2 es un dibujo que explica el principio de la presente invención y también explica el sistema de otra realización de la técnica anterior;
La Figura 3 es un dibujo para explicar un sistema de la invención;
La Figura 4 es una representación gráfica que muestra el diámetro de las burbujas de aire y la distribución de la frecuencia de generación de las burbujas cuando se instala un sistema de tamaño medio de la presente invención bajo el agua y las micro-burbujas se generan usando el aire como gas;
La Figura 5 es un dibujo para explicar un sistema de la técnica anterior adicional; y
La Figura 6 es un dibujo para explicar un sistema de la técnica anterior adicional.
Se debe notar que las Figuras 1, 2 y 5a a 6b no muestran una realización de la cámara de remolino tal como se reivindica en las reivindicaciones.
Como se muestra en la Figura 1, un sistema para generar micro-burbujas comprende una cámara de remolino cilíndrica con una parte posterior 1 que conforma un recipiente del sistema, una entrada de líquido a presión 2 dispuesta en dirección tangencial a una parte de la superficie circunferencial de la pared interna de la cámara de remolino, un orificio para la introducción de gas 4 colocado en el centro de la parte posterior 3 del espacio cilíndrico, y una salida para la mezcla líquido-gas de remolino colocada cerca de la parte superior de la cámara de remolino cilíndrica 1.
La Figura 1 (a) es una vista lateral, y la Figura 1 (b) es una vista de la sección a lo largo de la línea X - X de la Figura 1 (a).
La unidad principal del sistema o al menos, la salida de la mezcla líquido-gas de remolino 5 se instala en el líquido. Mediante la introducción forzada del líquido a presión al interior de la cámara de remolino cilíndrica 1, a través del orificio para la introducción del líquido a presión 2, se genera un flujo de remolino en la cámara de remolino, y en la proximidad del eje de la conducción cilíndrica se genera una porción en la cámara de remolino con una presión negativa.
Mediante esta presión negativa, el gas resulta succionado a través del orificio para la introducción del gas 4. Cuando el gas pasa por las proximidades del eje de la conducción en donde la presión es la más baja, se genera una cavidad de gas de remolino V en forma de delgado cordón.
En el espacio cilíndrico 1, cuando el flujo mezclado de gas y líquido de remolino pasa desde la parte posterior 3 de la cámara de remolino al orificio para la introducción del líquido a presión 2, se genera la cavidad de gas de remolino V en forma de delgado cordón. Ésta se reduce en diámetro, se estrecha y se desmorona para generar las micro-burbujas. A continuación, se envía hacia la salida de mezcla de líquido-gas de remolino 5 y se descarga mientras está con un movimiento en forma de remolino.
En asociación con el movimiento en forma de remolino, debido a la diferencia de la densidad específica entre el líquido y el gas, al mismo tiempo se aplica una fuerza centrípeta al gas. Como resultado de ello, una porción del líquido y una porción del gas se llegan a separar una de la otra. El gas se conforma en forma de cordón y continua fluyendo cerca del orificio para la introducción del líquido a presión 2 de la línea central de la cámara de remolino cilíndrica. A continuación, el remolino se debilita rápidamente. Además, el flujo de rotación se refuerza mediante el flujo rotante introducido a través del orificio para la introducción del liquido a presión. A continuación, cuando se forma aguas abajo un flujo de rotante en un perfil cónico, la velocidad de rotación de esta porción disminuye rápidamente.
Antes y después de la porción 10 en la Figura 1 (a), se genera una gran diferencia en la velocidad de rotación. Como resultado de ello, se reduce de una forma continua y sin cesar la cavidad de gas de remolino V en forma de delgado cordón. A continuación, se generan las micro-burbujas Mb, por ejemplo micro-burbujas de 10 - 20 \mum de diámetro, cerca de la salida de la mezcla líquido-gas de remolino 5, y estas se descargan en la salida del líquido del sistema.
Normalmente, la unidad principal del sistema, o al menos, la salida de la mezcla líquido-gas de remolino se instala en el líquido.
La Figura 2 es un dibujo para explicar el principio de la presente invención. La Figura 2 (a) es una vista lateral, y la Figura 2 (b) es una vista de la sección a lo largo del eje X - X de la Figura 2 (a).
La conducción para la introducción del gas 8 para introducir el gas se conecta al extremo posterior del orificio para la introducción del gas 4, y se dispone de una conducción de entrada de líquido a presión 7 para suministrar líquido a presión (por ejemplo agua presurizada) a la entrada de líquido a presión 2.
También, se abre una entrada de líquido a presión 2 en una dirección tangencial sobre la superficie circunferencial de la pared interior de la cámara de remolino cilíndrica 1.
Según la invención, tal como se muestra en la Figura 3, se propone un sistema de cámara de remolino cónico 10.
El sistema comprende una unidad principal contenedora con una cámara de rotación cónica 10 con una entrada estrecha, una entrada de líquido a presión 20 abierta en dirección tangencial a una parte de la superficie circunferencial de la pared interior de la cámara de remolino 10, un orificio para la introducción del gas 40 abierto en una abertura 30 (extremo cerrado) de la cámara de remolino cónica, y una salida de mezcla líquido-gas de remolino abierta en la parte superior de la cámara de remolino 10.
Existen tres casos: el caso en donde la unidad principal del sistema está instalada bajo la superficie del agua, el caso en donde se instala fuera y en contacto con el tanque del agua, y un caso en donde se instala en una llave de instalaciones de agua.
Según la presente invención, normalmente se usa agua como el líquido y el aire como el gas. Además, el líquido puede incluir un disolvente tal como tolueno, acetona, alcohol, etc., un combustible tal como petróleo, gasolina, etc., un alimento tal como aceite comestible, mantequilla, helado, cerveza, etc., una preparación de fármaco tal como bebida que contenga un fármaco, un productos para el cuidado personal tal como líquido de baño, o agua ambiental tal como agua de lagos o de pantanos, o el agua contaminada procedente de estaciones purificadoras de aguas residuales, etc. Además, el gas puede incluir un gas inerte tal como hidrógeno, argón, radón, etc., un agente oxidante tal como oxígeno, ozono, etc., un gas ácido tal como dióxido de carbono, cloruro de hidrógeno, gas ácido sulfuroso, óxido de nitrógeno, sulfuro de hidrógeno, etc., y un gas alcalino tal como amoníaco.
A partir del orificio para la introducción del gas 40, el gas se succiona automáticamente (auto-succionado), y se incorpora al flujo de mezcla gas-liquido de remolino en forma de cavidad de remolino V en forma de delgado cordón.
La cavidad de gas de remolino V en forma de delgado cordón en la porción central y el líquido de remolino que fluye alrededor de la misma se inyectan a través en la salida 50. Al mismo tiempo que tiene lugar esta inyección, el remolino se debilita rápidamente mediante el líquido estático que lo rodea debido a la gran diferencia existente en la velocidad de remolino. A continuación, la cavidad de gas de remolino V en forma de delgado cordón en el centro del flujo de remolino se desmorona de una forma continua y constante. Como resultado, cerca de la salida 50 se genera una gran cantidad de micro-burbujas, por ejemplo micro-burbujas de 10 - 20 \mum de diámetro.
En la Figura 1, la relación del diámetro del orificio d_{1} de la salida de la mezcla líquido-gas de remolino 5, el diámetro del orificio d_{2} del orificio para la introducción del gas 4, el diámetro del orificio d_{3} de la conducción para la introducción del líquido a presión, y la distancia L entre la salida de la mezcla líquido-gas de remolino 5 y la parte de atrás de la cámara de remolino cilíndrica viene dada por:
L = 0,5 \ a \ 3,0 \ x \ d_{1}
El intervalo de los valores numéricos debido a la diferencia del tipo del sistema es el siguiente:
1
Para el caso del sistema de tamaño medio, por ejemplo, la bomba tiene un motor de 200 - 400 W, un volumen de descarga de 40 litros/min., y una elevación de 15 m. Usando esta configuración se puede generar una gran cantidad de micro-burbujas. Durante la operación se acumularon aproximadamente 1 cm de espesor de micro-burbujas sobre la totalidad de la superficie de agua de un tanque de agua con un volumen de 5 m^{3}. Este sistema se podría usar para la purificación de agua en un estanque con un volumen de 2000 m^{3} o más.
Para un sistema de tamaño pequeño, por ejemplo, la bomba tiene un motor de 30 W y un volumen de descarga de 20 litros/min. Este sistema se podría usar en un tanque de agua con un volumen de 5 litros a 1 m^{3}.
Cuando este sistema se aplica a agua de mar se pueden generar micro-burbujas muy fácilmente, y además es posible extender la aplicación para su uso.
La Figura 4 es una representación gráfica del diámetro de las burbujas y la distribución de la frecuencia de generación de las burbujas cuando se instala bajo el agua un sistema de tamaño medio de la presente invención y se generan las micro-burbujas usando aire como gas. También, se muestran los resultados para el caso en donde se regula el volumen de succión del aire procedente del orificio para la introducción del gas 40. En esta figura, aún cuando el volumen de succión del aire se fija en 0 cm^{3}/s se generan burbujas de 10 - 20 \mum de diámetro. Esto puede estar causado por el hecho de que se separa el aire disuelto en el agua y así se generan las burbujas. Así, el sistema de la presente invención también se puede usar como un sistema de desaireación de un gas disuelto.
Como se describe arriba en la técnica anterior, se instala el sistema en el líquido, se proporciona líquido a presión (por ejemplo agua presurizada) a la cámara de remolino cilíndrica 1 desde la entrada de líquido a presión 2 vía la conducción de entrada de líquido a presión 7 usando una bomba y se conecta el conducto para la introducción del gas 8 (por ejemplo un conducto de suministro de aire) al orificio para la introducción del gas 4. Bajo esta condición, se pueden generar micro-burbujas de 10 - 25 \mum de diámetro y suministrarlas fácilmente al líquido (por ejemplo agua).
Según la presente invención, se usa una cámara de remolino con diámetro que se aumenta gradualmente en una dirección, por ejemplo, una cámara de perfil cónico como la mostrada en la Figura 3.
La generación de burbujas se puede controlar mediante la regulación de una válvula de regulación de caudal de gas conectada al extremo delantero del conducto para la introducción de gas 8 y se puede controlar fácilmente la generación óptima de micro-burbujas. Además, se pueden generar fácilmente burbujas con un diámetro de más de 10 - 20 \mum mediante la regulación de la válvula.
Además, en la Figura 5 se muestra una lámina deflectora 9 dispuesta con un pequeño espacio S inmediatamente antes de la salida de la mezcla líquido-gas de remolino 5 abierta en la parte superior de la cámara de remolino cilíndrica 1. En la Figura 5, la Figura 5 (a) es una vista de la sección longitudinal, y la Figura 5 (b) es una vista de la sección a lo largo del eje X - X. Se dispone una lámina deflectora como un disco con un pequeño espacio S de preferentemente 0,2 a 1,0 mm inmediatamente antes de la salida de la mezcla líquido-gas de remolino 5. Como resultado de ello, se pueden descargar micro-burbujas desde el sistema de una forma continua y en una gran cantidad.
Cuando se disminuye el pequeño espacio S, las micro-burbujas se transforman en finas burbujas, pero se reduce la cantidad de descarga. En este caso, mediante el suministro de gas a presión a través del orificio para la introducción del gas 4, se puede descargar una gran cantidad de burbujas.
Como se muestra en la Figura 6, es preferente que la lámina de partición 9 a se pueda unir inmediatamente antes de la salida de la mezcla de líquido-gas de remolino 5 abierta en la parte superior de la cámara de remolino cilíndrica 1, y que la salida 5 se pueda estar cerrada, dejando sólo una abertura parcial 5 a. En la Figura 6, la Figura 6 (a) es una vista de la sección longitudinal, y la Figura 6 (b) es una vista lateral realizada desde la izquierda. La lámina de partición 9 a se une por debajo de la salida de la mezcla líquido-gas de remolino 5 dejando una abertura 5a por encima de la salida. Como resultado de ello, se pueden descargar micro-burbujas desde el sistema de una forma continua y en una gran cantidad.
En particular, se pueden generar suficientemente micro-burbujas aún cuando el sistema mostrado en la Figura 5 y en la Figura 6 se usan en un lugar en donde se aplique una elevada presión de agua.
El sistema de la presente invención se puede construir de materiales tales como plásticos, metal, vidrio, etc., y es preferente que los componentes del sistema estén unidos juntos mediante uniones, conexiones atornilladas, etc.
Mediante el sistema para generar micro-burbujas del tipo remolino de la presente invención es posible generar a escala industrial fácilmente micro-burbujas. Debido a que el sistema es relativamente pequeño en tamaño y tiene una construcción sencilla es fácil fabricarlo, y el sistema contribuirá a la purificación del agua en estanques, lagos, pantanos, largos artificiales, ríos, etc., al procesado del agua contaminada usando microorganismos, y al crecimiento de peces y de otros animales acuáticos.
Las micro-burbujas generadas mediante el sistema según la presente invención se pueden usar en las siguientes aplicaciones:
(1)
Purificación de agua de calidad en lagos artificiales, lagos naturales, estanques, ríos, mar, etc., y preservación del medio natural a través del crecimiento de animales y microorganismos.
(2)
Purificación de aguas naturales y artificiales tales como biótopo y promoción del crecimiento de luciérnagas y algas, etc.
(3)
Aplicaciones industriales:
-
Difusión de temperaturas elevadas en la fabricación del acero.
-
Promoción de la limpieza con ácido hilos y láminas de acero inoxidable.
-
Eliminación de substancias orgánicas en factoría de fabricación de agua ultra-pura.
-
Eliminación de substancias orgánicas en agua contaminada mediante la formación de micro-burbujas de ozono, el incremento del oxígeno disuelto, la esterilización, la fabricación de espuma de resinas sintéticas tal como productos de espuma de poliuretano.
-
Procesado de diferentes tipos de aguas residuales y líquidos.
-
Esterilización mediante óxido de etileno, promoción de la mezcla del óxido de etileno con el agua en el esterilizador.
-
Emulsificación de agente antiespumante.
-
Aireación de agua contaminada en el método del tratamiento con lodos activos.
(4)
Aplicaciones agrícolas:
-
Incremento del oxígeno y del oxígeno disuelto a usar en cultivo de hidropónicos, y mejora de la capacidad de producción.
(5)
Piscifactorías:
-
Cultivo de anguilas.
-
Mantenimiento de la vida en tanques de sepias.
-
Cultivo de peces de cola caudal amarilla.
-
Desarrollo artificial de algas.
-
Promoción del crecimiento de peces.
-
Prevención de marea roja.
(6)
Aplicaciones médicas:
Uso de micro-burbujas en baños calientes para promover la circulación sanguínea y para mantener el agua caliente en baños.

Claims (7)

1. Un sistema para generar micro-burbujas del tipo remolino en un líquido que comprende una unidad principal contenedora con una cámara de remolino cónica (10) con una entrada en el extremo pequeño y una salida en el extremo ancho, una entrada de líquido a presión (2; 20) abierta en dirección tangencial a una parte de la superficie circunferencial de la pared interior de dicha cámara de remolino, un orificio para la introducción del gas (4; 40) abierto sobre una abertura (30) en el extremo pequeño de dicha cámara de remolino cónica, y una salida de mezcla líquido-gas de remolino (5; 50) abierta en el extremo ancho de dicha cámara de remolino cónica.
2. Un sistema según la reivindicación 1, en donde se dispone una pluralidad de entradas de líquido a presión abiertas en dirección tangencial a una parte de la superficie circunferencial de la pared interior de la cámara de remolino con espacios sobre la circunferencia de la pared interior de la cámara de remolino.
3. Un sistema según la reivindicación 1 ó 2, en donde el orificio para la introducción del líquido a presión se abre sobre una parte de la superficie circunferencial de la pared interior cerca de la parte superior ancha de dicha cámara de remolino.
4. Un sistema según una de las reivindicaciones 1 a 3, en donde la entrada de líquido a presión se abre sobre una parte de la superficie circunferencial de la pared interior cerca de la porción media de dicha cámara de remolino.
5. Un sistema según una de las reivindicaciones 1 a 4, en donde se coloca una lámina deflectora (9) inmediatamente antes de la salida de la mezcla de líquido-gas de remolino abierta en la parte superior de la cámara de remolino cónica.
6. Un sistema según una de las reivindicaciones 1 a 4, en donde se une una lámina de partición (9a) para cerrar la salida, dejando sólo una abertura parcial, inmediatamente antes de la salida de la mezcla de líquido-gas de remolino abierta en la parte superior ancha de la cámara de remolino cónica.
7. Un método para la generación de micro-burbujas de tipo remolino en un líquido, que usa un sistema según la reivindicación 1, en donde dicho método comprende:
una primera etapa de formar una cavidad de gas de remolino (V) mediante la generación de un remolino y guiar al gas que se succiona a una cámara de remolino (1; 10) mediante la generación de un flujo de remolino mientras se alarga y se estrecha el flujo de gas en la cámara de remolino;
una segunda etapa de generar una diferencia en la velocidad de remolino entre diferentes porciones en la cavidad del gas de remolino (V) y de cortar de forma contundente y de disgregar la cavidad de gas de remolino, generando así las micro-burbujas; y
una tercera etapa de incrementar la diferencia en la velocidad de rotación entre la porción de corte rotante y la porción disgregante mediante el corte y la disgregación de forma continuada de la cavidad de gas de remolino en dicha cámara de remolino, en donde el líquido que pasa a través de la porción de corte rotante se expande rápidamente en un perfil cónico mientras rota a una posición en donde el fluido que no contiene micro-burbujas se completa con el fluido rotante que se expande en un perfil cónico, siendo el ángulo de expansión del perfil cónico al menos 90°.
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