ES2295689T3 - Dispositivo de agitacion de un liquido y de inyeccion de un gas en este liquido con saturacion limitada. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de agitación de un líquido en un reactor y de inyección de un gas en un líquido, que comprende: - un dispositivo de accionamiento (1) dispuesto por encima del recipiente, provisto - de un eje de salida (2) vertical equipado en su extremo inferior con al menos un móvil de flujo axial (4) sumergido en el líquido, y - de una turbina autoaspirante (5) sumergida en el reactor y que puede ser accionada por el eje de salida (2), estando el eje de salida envuelto coaxialmente por un cilindro (6) cuyo extremo inferior (6a) desemboca en la turbina autoaspirante y cuyo extremo superior está unido de manera estanca al dispositivo de accionamiento (1) y está perforado con una abertura (14) de inyección de un gas en un intervalo anular (15) delimitado por el eje y el cilindro, estando la turbina constituida por dos discos superpuestos (8, 9) y un conjunto de álabes radiales (11) dispuestos entre los discos y fijados a estos, estando el disco superior (8) perforado por un orificio central (12) en el que penetra el extremo inferior (6a) del cilindro (6) que delimita con el borde de dicho orificio un espacio al menos parcialmente anular (13) por el que se aspira líquido en la turbina, - unos medios para dirigir hacia el móvil de flujo axial (4) la dispersión gas-líquido expulsada radialmente por la turbina (5), caracterizado porque la superficie del disco inferior (9) de la turbina autoaspirante (5) es inferior a la superficie del disco superior (8) de dicha turbina.
Description
Dispositivo de agitación de un líquido y de
inyección de un gas en este líquido con saturación limitada.
La presente invención se refiere a un
dispositivo de agitación de un líquido en un reactor y de inyección
de un gas en este líquido, utilizando una turbina autoaspirante.
El documento
EP-A1-0995485 describe un
dispositivo de agitación de un líquido en un reactor y de inyección
de un gas en este líquido, según el preámbulo de la reivindicación
1. Este dispositivo comprende un motor de accionamiento de un eje
vertical dispuesto por encima del reactor. El eje del motor lleva y
acciona en su extremo inferior una hélice sumergida en el líquido;
lleva y acciona igualmente una turbina autoaspirante situada entre
la superficie del líquido y la hélice. La turbina autoaspirante está
conectada a una fuente de gas, generalmente un gas oxigenado, de
manera que cuando es accionada por el eje del motor, aspira a la
vez gas y líquido en el que está sumergida, formando así una
dispersión gas-líquido. La dispersión
gas-líquido generada por la turbina autoaspirante
es dirigida hacia la hélice con ayuda de un cajón anular que forma
un deflector que envuelve la turbina autoaspirante.
Se ha podido constatar que, en ciertas
condiciones de utilización de este tipo de dispositivo de la técnica
anterior, la capacidad de aspiración del gas en la turbina estaba
limitada por la saturación de gas del volumen definido por la
turbina y el cajón anular. De esta forma, la evacuación de la mezcla
gas-líquido fuera del cajón anular se complica: por
una parte, hay ausencia de dispersión del gas en el reactor, por
otra parte, el gas presente bajo el cajón anular tiende a escapar
por los medios de admisión del líquido en la turbina, lo que
conduce a una ausencia de transferencia del gas en el líquido y a un
despilfarro del gas que sube a la superficie sin ser utilizado.
El objeto de la presente invención es proponer
un dispositivo de este tipo según la reivindicación 1 en el que la
capacidad de aspiración del gas en la turbina aumenta.
Con este fin, la invención se refiere a un
dispositivo de agitación de un líquido y de inyección de un gas en
este líquido tal como se ha definido anteriormente, en el que la
superficie del disco inferior de la turbina autoaspirante es
inferior a la superficie del disco superior de dicha turbina.
Otras características y ventajas de la invención
aparecerán tras la lectura de la descripción siguiente. Se dan a
modo de ejemplo no limitativos unas formas y unos modos de
realización de la invención, ilustrados por los dibujos adjuntos, en
los cuales:
las figuras 1A y 1B son vistas esquemáticas de
un dispositivo según la técnica anterior;
las figuras 2 y 3 son vistas esquemáticas de
turbinas autoaspirantes utilizables en el dispositivo según la
invención;
la figura 4 representa las curvas de límite de
saturación de diferentes dispositivos según la invención y según la
técnica anterior.
A continuación, el término "reactor"
significa "recipiente" natural así como "depósito" con
paredes más o menos cercanas y con techo más o menos cerrado.
La invención se refiere, por tanto, a un
dispositivo de agitación de un líquido y de inyección de un gas en
dicho líquido, que comprende:
- un dispositivo de accionamiento dispuesto por
encima del líquido, provisto de un eje de salida vertical
equipado:
- -
- en su extremo inferior, con al menos un móvil de flujo axial sumergido en el líquido, y
- -
- con una turbina sumergida en el reactor y accionada por el eje de salida,
estando el eje de salida envuelto coaxialmente
por un cilindro cuyo extremo inferior desemboca en la turbina
autoaspirante y cuyo extremo superior está unido de manera estanca
al dispositivo de accionamiento y está perforado con una abertura de
inyección de un gas en un intervalo anular delimitado por el eje y
el cilindro,
estando la turbina constituida por dos discos
superpuestos y un conjunto de álabes radiales dispuestos entre los
discos y fijados a estos, estando el disco superior perforado por un
orificio central en el que penetra el extremo inferior del cilindro
que delimita con el borde de dicho orificio un espacio al menos
parcialmente anular por el que se aspira líquido en la turbina,
- unos medios para dirigir hacia el móvil de
flujo axial la dispersión gas-líquido expulsada
radialmente por la turbina,
y en el que la superficie el disco inferior de
la turbina autoaspirante es inferior a la superficie del disco
superior de dicha turbina.
Las figuras 1A y 1B permiten caracterizar el
dispositivo según la técnica anterior y que es mejorado por la
presente invención. El dispositivo según la invención comprende un
dispositivo de accionamiento (1), por ejemplo un motor, dispuesto
por encima de la superficie del líquido, provisto de un eje
giratorio de salida (2) que se extiende verticalmente y
parcialmente sumergido en el líquido. El eje (2) lleva en su extremo
inferior (3) un móvil de flujo axial, preferentemente una hélice
(4), sumergida en el líquido. El eje (2) lleva igualmente,
dispuesta entre la hélice (4) y la superficie del líquido, una
turbina autoaspirante (5) que está, por tanto, sumergida en el
reactor y es accionada por el eje de salida (2) a la misma velocidad
que la hélice (4). El eje de salida (2) está envuelto coaxialmente
por un cilindro (6) unido en su extremo superior al dispositivo de
accionamiento (1), con la interposición de un dispositivo de
estanqueidad (7), y cuyo extremo inferior (6a) desemboca en la
turbina (5) coaxialmente al eje (2). En el extremo superior del
cilindro (6) está perforada una abertura (14) de inyección de un
gas en el intervalo anular (15) delimitado por el eje (2) y por el
cilindro (6). El sistema de inyección de gas en el agujero (14) no
está representado.
La turbina autoaspirante (5) está constituida
por dos discos (8, 9) situados horizontalmente y por un conjunto de
álabes radiales (11) situados entre los discos (8, 9) y fijados a
estos. La característica esencial de la invención depende de la
naturaleza de la turbina autoaspirante utilizada. Según la
invención, la superficie del disco inferior (9) de la turbina
autoaspirante (5) debe ser inferior a la superficie del disco
superior (9) de dicha turbina. Esta característica puede obtenerse
mediante la utilización de diferentes tipos de turbinas.
Según una primera variante del dispositivo según
la invención, el disco inferior (9) de la turbina autoaspirante (5)
puede presentar un diámetro inferior al diámetro del disco superior
(8). Preferentemente, el diámetro del disco inferior (9) es al
menos superior o igual al diámetro del espacio al menos parcialmente
anular (13) por el cual el líquido es aspirado en la turbina. Este
tipo de turbina es ilustrado por la figura 2.
Según una segunda variante del dispositivo según
la invención, el disco inferior (8) está al menos parcialmente
vaciado. Por "vaciar" se entiende el hecho de eliminar una
parte del disco. El disco inferior (8) puede ser, por ejemplo, al
menos parcialmente vaciado en forma de un anillo, es decir, una
forma de anillo está eliminada del disco inferior. Este tipo de
turbina es ilustrado por la figura 3. Se puede utilizar también una
turbina en la que se ha eliminado todo el centro del disco inferior
salvo una corona exterior. En este último caso, el disco inferior
está solamente compuesto por una corona de metal. También se puede
utilizar una turbina en la que se ha eliminado al menos un sector
angular, preferentemente varios sectores angulares distribuidos
simétricamente.
Finalmente, es posible combinar estas diferentes
variantes y utilizar turbinas cuyo disco inferior está parcialmente
vaciado combinando diferentes formas de vaciado como un vaciado por
anillo y un vaciado por sector. De esta forma, se puede utilizar
una turbina cuyos sectores angulares de anillos están vaciados.
El eje de salida (2) atraviesa axialmente los
discos (8, 9) de la turbina (5) estando fijado al disco inferior
(9), de manera que cuando el dispositivo de accionamiento (1) es
activado, el eje (2) acciona la turbina (5) y el móvil de flujo
axial (4) en rotación a la misma velocidad. La rotación de la
turbina (5) crea la aspiración del gas que llega por el agujero
(14), por medio del cilindro (6), así como la aspiración de una
parte del líquido que se introduce por el intervalo anular (13) que
queda libre entre la turbina (5) y el cilindro (6).
El dispositivo según la invención comprende unos
medios para dirigir hacia la hélice (4) la dispersión
gas-líquido expulsada radialmente por la turbina
(5) entre sus álabes (11). Según el modo preferido, estos medios
pueden comprender un cajón anular (16) que forma un deflector, que
envuelve la turbina (5) y perfilado con el fin de dirigir hacia el
móvil de flujo axial (4) un flujo emitido radialmente por la
turbina, perforado con dos aberturas centrales superpuestas (17,
18) coaxiales al eje (2). Preferentemente, el diámetro de la
abertura inferior (18) es superior al diámetro de la abertura
superior (17) y sensiblemente igual al diámetro del disco superior
de la turbina autoaspirante (5). Los medios para dirigir hacia la
hélice (4) la dispersión gas-líquido puede
comprender también un conjunto de placas (19) sensiblemente
verticales, formando unas contrapalas, dispuestas radialmente en
torno al cajón deflector (16) y fijadas a este. Con este fin, cada
contrapala (19) penetra radialmente al interior del cajón deflector
(16), al que se fija por unos medios apropiados, por ejemplo
soldadura o remachado. Las contrapalas (19) pueden estar dispuestas
alrededor de la turbina autoaspirante (5) y de la hélice (4) en un
número adecuado y a intervalos angulares determinados. En el borde
interior de cada contrapala (19) está dispuesta, al nivel de la
hélice (4), una muesca (21) en la que pueden penetrar unos extremos
de las palas de la hélice (4).
Un dispositivo según la invención permite
rechazar el límite de saturación de un aparato del mismo tipo según
la técnica anterior. De esta forma, un dispositivo según la
invención funciona normalmente y permitirá inyectar gas en el
líquido y agitar el líquido, en las condiciones en que el
dispositivo según la técnica anterior está saturado.
Una ventaja del dispositivo según la invención
es que, a potencias idénticas, el dispositivo según la invención
permite aumentar el caudal de gas inyectado en el líquido con
respecto al dispositivo según la técnica anterior. Este aumento es
de al menos un 30%.
Otra ventaja es que el dispositivo según la
invención presenta un funcionamiento simplificado con respecto al
dispositivo de la técnica anterior. Así, ningún móvil de agitación
adicional se sitúa sobre el eje de salida por debajo de la turbina
autoaspirante, al contrario que en la versión optimizada del
dispositivo según la técnica anterior.
Unos dispositivos como los descritos en la
figura 1 han sido equipados con diferentes tipos de turbinas
autoaspirantes.
Una primera serie de turbina testada corresponde
a la puesta en práctica de la primera variante de la invención
(superficie del disco inferior de la turbina inferior en la
superficie del disco superior de la turbina). Las características
de estas diferentes turbinas según la primera variante se definen en
la tabla 1 siguiente.
Se han realizado otras pruebas con una turbina
correspondiente a la puesta en práctica de la segunda variante de
la invención (diámetro de los dos discos idénticos y disco inferior
de la turbina parcialmente vaciada). La turbina testada, denominada
Turbina 4, presenta unos discos de diámetro 80 mm y en su disco
inferior se ha vaciado un anillo de 5 mm de anchura a partir de una
distancia de 25 mm del centro del disco.
La saturación de gas de los dispositivos de
agitación según la figura 1 equipados con las diferentes turbinas 1
a 4 ha sido comparada con la saturación del dispositivo según la
técnica anterior equipado con la turbina 0 y un móvil de agitación
adicional situado sobre el eje de salida por debajo de la turbina 0.
Con el fin de detectar la saturación, el caudal de gas en el
dispositivo ha sido aumentado conservando la velocidad del
dispositivo de accionamiento constante. El gas empleado es aire a
una presión de 2 bares absolutos. La detección de la saturación se
hace visualmente por observación, por una parte, de la parada de la
dispersión del gas en el reactor y, por otra parte, de la
evacuación del gas por los medios de admisión del líquido en la
turbina (espacio anular 13).
La curva de la figura 4 representa, para cada
dispositivo de la figura 1 equipado con turbinas 0, 1, 2, 3 y 4,
los caudales de gas (Q en l/h) observados en la saturación para
diferentes valores de velocidad de rotación (N en min^{-1}). Se
constata que, a una velocidad idéntica, la saturación de los
dispositivos que utilizan las turbinas 1 a 4 se obtiene para
caudales de gas más elevados que para el dispositivo que utiliza la
turbina 0.
Por simulación numérica, se han calculado
también las depresiones generadas por cada una de estas turbinas en
el cilindro (6) que rodea al eje (2) y en el que circula el gas. Las
depresiones han estado caracterizadas por la medición del número de
Euler y están representadas en la tabla 2. El número de Euler
traduce la capacidad del dispositivo para inducir el gas en la
turbina: cuanto más elevado sea, la turbina creará una depresión más
importante en el cilindro (6). El número de Euler se calcula de la
siguiente forma: Eu =
\DeltaP/(\rho_{L}(ND)^{2}), en la que:
\DeltaP es la depresión generada por la turbina en el cilindro (6)
expresada en Pa, D es el diámetro definido por las palas de la
turbina expresado en m, N es la velocidad de rotación de la turbina
expresada en s^{-1}, y \rho_{L} es la masa volumétrica del
líquido en kg/m^{3}. D tiene un valor de 80 mm para todas las
turbinas testadas.
Se observa que, aunque el dispositivo según la
invención equipado con la Turbina 1 permite reducir el límite de
saturación de manera importante, presenta un número de Euler débil
y, por tanto, una escasa capacidad de inducción del gas. Los
dispositivos según la invención equipados con Turbinas 2 a 4
presentan un número de Euler satisfactorio que reduce los límites
de saturación del dispositivo según la técnica anterior (Turbina
0).
Claims (8)
1. Dispositivo de agitación de un líquido en un
reactor y de inyección de un gas en un líquido, que comprende:
- un dispositivo de accionamiento (1) dispuesto
por encima del recipiente, provisto
- -
- de un eje de salida (2) vertical equipado en su extremo inferior con al menos un móvil de flujo axial (4) sumergido en el líquido, y
- -
- de una turbina autoaspirante (5) sumergida en el reactor y que puede ser accionada por el eje de salida (2),
estando el eje de salida envuelto coaxialmente
por un cilindro (6) cuyo extremo inferior (6a) desemboca en la
turbina autoaspirante y cuyo extremo superior está unido de manera
estanca al dispositivo de accionamiento (1) y está perforado con
una abertura (14) de inyección de un gas en un intervalo anular
(15) delimitado por el eje y el cilindro,
estando la turbina constituida por dos discos
superpuestos (8, 9) y un conjunto de álabes radiales (11) dispuestos
entre los discos y fijados a estos, estando el disco superior (8)
perforado por un orificio central (12) en el que penetra el extremo
inferior (6a) del cilindro (6) que delimita con el borde de dicho
orificio un espacio al menos parcialmente anular (13) por el que se
aspira líquido en la turbina,
- unos medios para dirigir hacia el móvil de
flujo axial (4) la dispersión gas-líquido expulsada
radialmente por la turbina (5),
caracterizado porque la superficie del
disco inferior (9) de la turbina autoaspirante (5) es inferior a la
superficie del disco superior (8) de dicha turbina.
2. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado porque el disco inferior (9) de la turbina
autoaspirante (5) presenta un diámetro inferior al diámetro del
disco superior (8).
3. Dispositivo según la reivindicación 2,
caracterizado porque el diámetro del disco inferior (9) es al
menos superior o igual al diámetro del espacio al menos
parcialmente anular (13).
4. Dispositivo según una de las reivindicaciones
1 a 3, caracterizado porque el disco inferior (8) está al
menos parcialmente vaciado.
5. Dispositivo según la reivindicación 4,
caracterizado porque el disco inferior (8) está al menos
parcialmente vaciado en forma de anillo.
6. Dispositivo según una de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque el móvil de flujo axial (4)
es una hélice.
7. Dispositivo según una de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque los medios para dirigir
hacia el móvil de flujo axial (4) la dispersión
gas-líquido expulsada radialmente por la turbina (5)
comprenden un cajón anular (16) que forma un deflector, que
envuelve la turbina (5) y perfilado con el fin de dirigir hacia el
móvil de flujo axial (4) un flujo emitido radialmente de la turbina,
perforado con dos aberturas centrales superpuestas (17, 18)
coaxiales al eje (2).
8. Dispositivo según una de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque ningún móvil de agitación
adicional está situado sobre el eje de salida por debajo del móvil
de flujo axial (4).
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