ES2331361T3 - Dispositivo para mezclar fluidos. - Google Patents

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ES2331361T3 ES04748892T ES04748892T ES2331361T3 ES 2331361 T3 ES2331361 T3 ES 2331361T3 ES 04748892 T ES04748892 T ES 04748892T ES 04748892 T ES04748892 T ES 04748892T ES 2331361 T3 ES2331361 T3 ES 2331361T3
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Abstract

Dispositivo para el mezclado de fluidos del tipo en el que un fluido de transporte atrae por succión un segundo fluido por medio de sus elementos componentes, provocando así que se mezclen los dos fluidos, que comprende: un tubo de inyección (1); una envoltura (4) que rodea el tubo de inyección (1); un difusor (2) conectado a la envoltura (4) un primer tubo de entrada (6) conectado a la envoltura (4); un segundo tubo de entrada (5) conectado al extremo aguas arriba del tubo de inyección (1); y caracterizado porque comprende además una tubo helicoidal (3) conectado al difusor (2) y porque el tubo de inyección (1) presenta un interior liso, presentando su superficie exterior, como mínimo, una espiral completa que se extiende desde la entrada del tubo de entrada (6) hasta casi el extremo de dicho tubo de inyección (1) con un paso de dos veces el diámetro exterior del tubo de inyección, constituyendo el extremo de dicho tubo de inyección (1) aproximadamente 1/10 de su longitud total, siendo ligeramente cónico y liso; permitiendo que el fluido de transporte sea inyectado vía el exterior del tubo de inyección por el primer tubo de entrada (6) o por el interior del tubo de inyección a través del segundo tubo de entrada (5).

Description

Dispositivo para mezclar fluidos.
El dispositivo para mezclar fluidos de la presente invención es un aparato estático con características similares a aquellas que constituyen el fenómeno natural del huracán, es decir diferencias de presión y fuerzas centrípetas y centrífugas. Dependiendo del fluido de transporte utilizado, el extractor es hidráulico o neumático y presenta características tanto de extractor como de mezclador de fluidos.
La extracción se efectúa arrastrando los elementos de succión (por ejemplo aire) mediante la circulación de un fluido de transporte (por ejemplo agua) inyectado a baja presión, mayor de 1 bar, con fuerza centrífuga y centrípeta y con compresión y descompresión.
Estas características hacen al extractor original, así como a las aplicaciones técnicas.
Antecedentes
Son conocidos varios mezcladores de fluidos por la técnica anterior, de los cuales queremos mencionar aquellos que constituyen el objeto de las patentes o solicitudes de patentes US 2004/0036185, EP 0465043, WO 03013712, WO 0200334, US 6044910, US 5051213 y EP 0 157 696.
El documento US 2004/0036185 hace referencia a un inyector diferencial para mezclar fluidos que presenta un entrada de fluido primario, una sección de garganta y una salida de descarga de diversión. Un fluido secundario es arrastrado hacia la salida de descarga, a través de ranuras entrantes anulares, por la acción de succión producida por el fluido primario del ventura. Una serie de canales llevan el fluido secundario a las ranuras anulares entrantes. Los canales pueden estar conectados a un puerto de inyección de fluido secundario a través de un anillo de inyección.
El documento EP 0465043 hace referencia a un eyector que comprende una tobera, a través de la cual un eyecta un fluido para producir un vacío en una cámara de vacío. La cámara de vacío incluye una abertura a través de la cual se introduce un segundo fluido. La cámara de vacío incluye, además, una entrada a través de la cual se introduce un tercer fluido en la cámara de vacío. El eyector puede ser utilizado en un sistema de purificación de agua, por ejemplo.
El documento WO 03013712 hace referencia a un dispositivo para mezclar fluidos, especialmente un válvula de inyección de gas, un válvula de tobera, una válvula mezcladora o un compresor a chorro. Se dispone un dispositivo de guiado de un primer fluido para guiar un primer fluido y se dispone un dispositivo de guiado de un segundo fluido para guiar un segundo fluido para guiar un segundo fluido. Los fluidos se mezclan entre sí en una zona de mezcla que está conectado a dicho dispositivo de guiado de fluido. Al menos uno de los dispositivos de guiado de fluidos está dotado de un medio para producir turbulencia en el fluido correspondiente, y un dispositivo calentador, que está asociado con dicho medio para producir turbulencia y que se dispone aguas abajo en relación a la dirección del flujo de dicho fluido. El dispositivo inventivo se usa para mezclar hidrógeno y vapor de agua saturado y se usa para alimentar un célula de combustible con dicha mezcla.
El documento WO 0200334 hace referencia a un método para mezclar fluidos en el que un contactor turbulento es usado para absorber un componente gaseoso seleccionado de una corriente gaseosa. La invención es aplica en particular a un método de distribuir un líquido en una corriente gaseosa que comprende proporcionar un líquido a un anillo en la periferia de una tubería en la que fluye una corriente gaseosa, arrastrando el flujo gaseoso al líquido en una película a lo largo de la superficie interior de la tubería hacia un extremo afilado al final de la tubería donde el líquido se separa de la superficie de la tubería y se mezcla íntimamente con el gas.
La patente US 6.044.910 hace referencia a un dispositivo mezclador para fluidos que introduce CO2 en un medio de extinción preferentemente líquido e incluye una carcasa con una línea de alimentación para fluido extintor, un tubería de alimentación de CO2, dotada de un válvula de medición, así como una línea de salida. El CO2 circula por el interior de la tubería de alimentación en el sentido de flujo contrario al fluido extintor; la longitud de la tubería de alimentación entre la válvula de medición y el dispositivo de inyección de fluido se dimensiona de manera tal que durante el funcionamiento con la válvula de medición cerrada se forma un colchón de gas en su lado aguas abajo.
La Patente US 5051213 hace referencia a un método y aparato que se utilizan para mezclar dos fluidos, dos gases o un fluido y un gas. La realización preferente es útil primariamente para la aireación de agua pero puede ser utilizado para mezclar cualquier gas con un líquido. El método incluye crear un movimiento relativo entre un elemento elongado y un fluido mediante el que se desarrolla una zona de baja presión en el lado de sotavento del elemento. El gas es luego admitido en la zona de baja presión y se forman burbujas. El elemento es preferentemente puntiagudo para formar una púa, y las burbujas se desplazan a lo largo de la púa mediante una componente del movimiento relativo hacia la
punta.
Finalmente, la patente EP 0 157 696 hace referencia a un aparato para la mezcla rápida "en línea" de dos fluidos: un fluido primario A y un fluido B, caracterizado porque comprende al menos una tobera para inyectar un fluido secundario constituido por una mezcla (kA + B) de una fracción (k) de fluido primario A y de fluido B, o simplemente por fluido B, siendo posicionada esta tobera en conducto dentro del que fluye el fluido A y provisto con diafragma posicionado y dimensionado de manera tal que se crea una corriente de flujo orientada radialmente a la salida de la tobera, mezclando rápidamente de esta forma los dos fluidos en una zona muy pequeña.
El objeto de la presente invención es totalmente diferente del de los mezcladores del estado de la técnica anterior, en particular los antes mencionados.
De hecho, ninguno de los dispositivos antes mencionados permiten que el fluido de transporte sea inyectado a través de un tubo conectado al interior del tubo de inyección y a través de otro tubo conectado al exterior del tubo de inyección. Esta posibilidad permite al dispositivo de la presente invención se utilizado como un elemento de extracción de gas o simplemente como un mezclador. Ninguno de los documentos citados ofrece esta posibilidad.
Breve descripción de los dibujos
La descripción que sigue se basa en los dibujos anexos que sin ningún carácter restrictivo, representan esquemáticamente las dos realizaciones de la presente invención, en los que:
la figura 1 representa la realización del aparto en la que el fluido de transporte es inyectado a través del tubo fuera del tubo de inyección; y
la figura 2 representa la realización del aparato en la que el fluido de transporte es inyectado a lo largo del interior del tubo de inyección.
Descripción detallada
De acuerdo con las figuras, el dispositivo de mezcla comprende una envoltura (4) que rodea el tubo de inyección (1), estando dicha envoltura conectada a un difusor (2) y acabando en un tubo helicoidal (3) unido al difusor (2), siendo dicho tubo helicoidal la única salida de fluido. Un tubo (5) para entrada de uno de los fluidos está unido al tubo de inyección (1), mientras que un tubo (6) para entrada del segundo fluido está unido a la envoltura (4). Los componentes antes citados pueden unirse para formar una única pieza. El tubo de inyección (1) es un tubo rectilíneo, con un interior liso y el exterior formado al menos por una espiral helicoidal completa cuyo paso es dos veces el diámetro exterior del tubo, y su extremo, que constituye aproximadamente un 1/10 de su longitud total, es ligeramente cónico y liso (sin espiral). Su longitud es igual a la distancia entre el extremo superior de la envoltura y la parte del difusor (2) con el mayor diámetro (extremo superior del cono del difusor -2-), si el fluido de transporte es inyectado por el interior del tubo de inyección (1) a través del tubo (5) figura 2, o igual a la distancia entre el extremo superior de la envoltura (4) y la parte del difusor (2) con el menor diámetro (extremo inferior del cono del difusor -2-), si el fluido de transporte es inyectado vía el exterior del tubo de inyección (1) por el tubo (6), figura 1. La sección transversal del interior del tubo de inyección (1), dado que es menor que la sección transversal de la entrada (5), provoca un aumento de la velocidad y una consiguiente depresión en el fluido de transporte cuando es inyectado por dicha entrada (5), y el área formada por la diferencia entre la sección transversal del difusor (2) con el menor diámetro y la sección transversal del exterior del tubo de inyección en su extremo (sin espiral), dado que es menor que la sección transversal formada por la altura de la espiral con su paso y menor también que la sección transversal de la entrada (6) provoca un aumento de velocidad y una consiguiente depresión en el fluido de transporte cuando es inyectado por dicha entrada (6). El propósito de la espiral helicoidal es crear movimiento helicoidal y fuerza contra las paredes del difusor (2) (fuerza centrífuga) en todo el fluido que circula por el exterior del tubo de inyección (1). El extremo del tubo de inyección en el exterior es ligeramente cónico y liso (sin espiral) y tiene la función de estabilizar y uniformizar el flujo del fluido que sale de dicho tubo de inyección (1). El propósito de la descarga del fluido, con movimiento helicoidal y fuerza centrífuga, al exterior del tubo de inyección (1), mediante la acción de la espiral helicoidal, es permitir que el fluido de succión sea arrastrado al interior del fluido de transporte en el tubo helicoidal (3), si el fluido de transporte es inyectado por la entrada (6), permitiendo así que el fluido de succión sea totalmente rodeado dentro del fluido de transporte, o permitir que el fluido de succión sea arrastrado fuera del fluido de transporte en el difusor (2), si el fluido de transporte es inyectado por la entrada (5), consiguiendo de esta manera una mayor agitación de los dos fluidos debido al conflicto entre el movimiento y la fuerza rectilínea del fluido de transporte y el movimiento helicoidal y fuerza centrífuga del fluido de succión.
El difusor (2) es un tubo cónico que constituye una tobera con un ángulo de entre 0º y 45º, extendiéndose desde el extremo de la envoltura (4) hasta una parte rectilínea de longitud igual a o mayor que la longitud de la envoltura (4). La longitud de la parte cónica se determina por su ángulo. Su sección transversal en la parte superior es la misma que la sección transversal de la envoltura (4) a la que está conectado, y su sección transversal en el fondo es la misma que la sección transversal de la entrada (5). La magnitud del ángulo se determina por el cono de expansión del fluido de transporte, que depende de la presión de inyección cuando se inyecta por la entrada (5), de manera tal que la intersección entre dicho cono y la extensión aguas abajo del cono del difusor ocurra en la parte rectilínea del
difusor (2).
Si el fluido de transporte se inyecta por la entrada (6), el tamaño del ángulo determina la presión de la zona de inyección y el grosor de la "manga" de fluido de transporte.
Su función es descomprimir el fluido de transporte, unir los fluidos provenientes de las dos entradas (5) y (6) y causar el arrastre del fluido que crea succión cuando el fluido de transporte es inyectado por la entrada (5) con un flujo de succión alto, debido a la existencia del ángulo en el difusor (2) y la alta agitación que causa que los fluidos se mezclen debido al conflicto entre la fuerza y el movimiento rectilíneo del fluido de transporte y la fuerza centrífuga y del fluido de transporte y la fuerza centrífuga y el movimiento helicoidal del fluido de succión.
El tubo helicoidal (3) unido al difusor (2) constituye la única salida y está conectada al difusor. Su sección transversal debe ser igual a la sección transversal de la salida del difusor (2) y su forma es determinada por la entrada de inyección. Si el fluido de transporte se inyecta por el tubo de inyección (1), es decir por el tubo (5), el tubo helicoidal (3) puede ser eliminado o reemplazado por un tubo rectilíneo; si el fluido de transporte se inyecta vía el exterior del tubo de inyección (1), es decir por el tubo (6), el tubo helicoidal (3) es al menos una helicoide completa con el mismo paso que el de las esperales alrededor del exterior del tubo de inyección (1). En esta situación, tras recibir el fluido de inyección con fuerza contra las paredes (fuerza centrífuga), y viniendo de la entrada (5) dentro de esta "manga" de fluido el segundo fluido de succión, su función es mezclar estos dos fluidos cuando se circulan por dicho tubo helicoidal (3) De hecho, cuando los dos fluidos (el fluido de transporte que forma una "manga" contra las paredes del tubo y el segundo fluido, que es succionado dentro de dicha "manga" de fluido de transporte) fluye a través de dicho tubo helicoidal (3) y se encuentra con resistencia a lo largo de las curvaturas, donde se encuentran obstáculos que provocan variaciones sucesivas de la velocidad y conlleva a una reducción de la fuerza centrífuga que impulsa al fluido de transporte, es decir, se crea un componente centrípeto. Estas variaciones tienden a convertir el movimiento helicoidal del fluido en la entrada en un movimiento rectilíneo del fluido a la salida y esta conversión de fuerza y movimiento provoca el arrastre del fluido de succión, con la total mezcla de los dos fluidos.
La envoltura (4) es un tubo rectilíneo que rodea el tubo de inyección (1), está acoplada a un tubo de entrada (6) a través de la que el fluido de succión o el fluido de inyección entran a través del exterior del tubo de inyección (1) y constituye el componente fundamental del dispositivo, ya que todos los demás elementos están conectados a él.
El tubo (5) acoplada al tubo de inyección (1) constituye la entrada hacia el interior del tubo de inyección y ajusta este último tubo a la envoltura mediante un elemento que, en la realización representada en la figura, tiene un área de por donde pasa el fluido que converge. No obstante, su forma puede ser indiferenciada y su sección transversal tendrá que ser mayor que la sección transversal del interior del tubo de inyección (1). Su función es recibir uno de los fluidos, el fluido de transporte o el fluido a ser arrastrado.
El tubo (6) conectada a la envoltura (4) constituye la entrada a través del exterior del tubo de inyección (1). Su forma es indiferenciada y su sección transversal tendrá que ser mayor que el diferencial entre la sección transversal de la parte del difusor (2) con el diámetro más pequeño y la sección transversal del exterior del extremo del tubo de inyección (1) (no espiral). Su función es recibir el fluido de transporte o el fluido a ser arrastrado.
El dispositivo de la presente invención presenta dos principios de operación, según la entrada del fluido de transporte utilizada, como sigue:
a)
Inyección del fluido de trasporte a través del exterior del tubo de inyección (1) a través del tubo (6), figura 1. El fluido de transporte se comprime al final del tubo de inyección (1) contra la pared del difusor (2) con el diámetro más pequeño, en el que el área por donde pasa el fluido de transporte es menor que el área formada por la altura de la espiral con su paso y también menor que la sección transversal de la entrada (6), incrementando de esta manera la velocidad de inyección. Debido a la influencia de la espiral alrededor del tubo de inyección (1), el fluido de transporte adquiere un movimiento helicoidal con fuerza contra la pared del difusor (2) (fuerza centrífuga), que se estabiliza y se vuelve uniforme al final del tubo de inyección en la parte sin espiral. En el difusor (2), el segundo fluido (fluido de succión) es dirigido hacia el interior del primer fluido o fluido de transporte (fluido de inyección), que forma un tipo de "envoltura", manteniendo cada fluido su posición relativa hasta alcanzar el tubo helicoidal (3). En este tubo, parte de los fluidos varía su velocidad a lo largo de las curvaturas, disminuyendo en las curvaturas más largas en relación con la otra parte de los fluidos, que viaja más rápidamente y con fuerza hacia el centro del tubo (3) (fuerza centrípeta) sobre las curvaturas más cortas, provocando así el arrastre del fluido de succión, que es comprimido por el fluido de transporte, provocando, de esta manera, que los dos fluidos se mezclen completamente, convirtiendo la fuerza centrífuga y el movimiento helicoidal de los fluidos en la entrada en fuerza y movimiento rectilíneo en la salida de dicho tubo helicoidal (3). Esta es la manera ideal de llevar a cabo la extracción con neutralización de los contaminantes provenientes, por ejemplo, de chimeneas. El ejemplo más significativo presenta como fluido de transporte agua inyectada en el tubo (6) mediante una bomba (no mostrada) y como fluido a arrastrar un fluido gaseoso, posiblemente cargado de elementos contaminantes.
b)
Inyección a través del interior del tubo de inyección (1), figura 2. El fluido de transporte se comprime dentro del tubo de inyección y cuando se expande dentro del difusor (2) forma u cono de expansión, que depende de la presión de inyección, interceptando el fluido de succión en la parte rectilínea del difusor (2). Esto depende del ángulo del difusor (2) y de la presión de inyección del fluido de transporte. La fuerza y el movimiento rectilíneo del fluido de transporte provoca el arrastre del fluido de succión, que se mezcla por fricción con el primer fluido (fluido de inyección) debido a la fuerza centrífuga y al movimiento helicoidal creado en el exterior del tubo de inyección (1) dentro de este fluido de succión. Este conflicto entre las fuerzas y movimientos de los dos fluidos facilita las posibles reacciones químicas entre los fluidos y/o partículas. Esta es la manera ideal de oxigenar el agua de manera natural mediante aireación forzada dentro del aparato. El ejemplo más significativo utiliza agua como fluido de transporte inyectada mediante una bomba (no mostrada) en el tubo (5) y el tubo de inyección (1) y aire atmosférico como segundo fluido a ser arrastrado y disponible a través del tubo (6) y el exterior del tubo de inyección (1), mezclando estos fluidos de manera íntima dentro de la parte rectilínea del difusor (2), proporcionando una excelente oxigenación de agua, por ejemplo, agua para piscinas.
El flujo del fluido de succión aumenta con el flujo del fluido de inyección y los dos aumentan con el aumento de la presión de inyección.
El dispositivo de mezclado de fluidos es técnicamente una pieza de equipamiento simple que resuelve de manera eficaz problemas medioambientales.
El uso de las características de extracción con el mezclado total de los elementos de succión mediante el fluido de transporte hace a este equipo eficaz en la neutralización química de aire, junto con la extracción de la contaminación de una chimenea.
El uso de las características de succión con el conflicto entre la fuerza y el movimiento de los dos fluidos hace a este equipo ideal para airear agua y efluentes. El método es eficiente en la oxidación de nutrientes presentes en el agua (grasa, hierro, nitratos, etc.) y en la respiración aeróbica de bacterias en efluentes debido al alto contenido de KlaV. Como la aireación tiene lugar dentro del aparato, esto evita el impacto medioambiental en el caso de la aireación de efluentes.
Las características de alta velocidad de flujo y fuerza de succión hacen que el aparato sea una alternativa a su uso como una bomba de vacío.
Las características de compresión y expansión del fluido de transporte con fuerza centrífuga hacen posible transferir calor directamente de un fluido al otro.

Claims (9)

1. Dispositivo para el mezclado de fluidos del tipo en el que un fluido de transporte atrae por succión un segundo fluido por medio de sus elementos componentes, provocando así que se mezclen los dos fluidos, que comprende:
un tubo de inyección (1);
una envoltura (4) que rodea el tubo de inyección (1);
un difusor (2) conectado a la envoltura (4)
un primer tubo de entrada (6) conectado a la envoltura (4); un segundo tubo de entrada (5) conectado al extremo aguas arriba del tubo de inyección (1); y
caracterizado porque comprende además una tubo helicoidal (3) conectado al difusor (2) y porque el tubo de inyección (1) presenta un interior liso, presentando su superficie exterior, como mínimo, una espiral completa que se extiende desde la entrada del tubo de entrada (6) hasta casi el extremo de dicho tubo de inyección (1) con un paso de dos veces el diámetro exterior del tubo de inyección, constituyendo el extremo de dicho tubo de inyección (1) aproximadamente 1/10 de su longitud total, siendo ligeramente cónico y liso;
permitiendo que el fluido de transporte sea inyectado vía el exterior del tubo de inyección por el primer tubo de entrada (6) o por el interior del tubo de inyección a través del segundo tubo de entrada (5).
2. Dispositivo para el mezclado de fluidos, según la reivindicación anterior, caracterizado porque la longitud del tubo de inyección (1) es igual a la distancia entre el extremo superior de la envoltura (4) y la parte del difusor (2) con el diámetro mayor, si el fluido de transporte se inyecta por el interior del tubo de inyección (1) a través del tubo (5), provocando dicho tubo de inyección (1) un aumento de la velocidad y depresión del mismo debido al hecho de que la sección transversal del interior del tubo de inyección (1) es más pequeña que la sección transversal del segundo tubo de entrada (5).
3. Dispositivo para el mezclado de fluidos, según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la longitud del tubo de inyección (1) es igual a la distancia entre el extremo superior de la envoltura y la parte del difusor (2) con el diámetro menor, si el fluido de transporte se inyecta vía el exterior del tubo de inyección (1) por el tubo (6) debido al hecho de que el área formada por la diferencia entre la sección transversal de la parte del difusor (2) con el diámetro menor y la sección transversal del exterior del tubo de inyección (1) en la parte sin espiral es menor que la sección transversal del primer tubo de entrada (6).
4. Dispositivo para el mezclado de fluidos, según la reivindicación 1, caracterizado porque el difusor (2) está constituido por una parte cónica convergente inicial con un ángulo entre 0º y 45º, siendo determinada su longitud por el ángulo de la parte cónica y por una parte rectilínea que es una extensión de la parte cónica de longitud igual o mayor que la longitud de la envoltura (4), y porque su sección transversal en la parte superior es la misma que la sección transversal de la envoltura (4) a la que se conecta y su sección transversal en la parte inferior es la misma que la sección transversal del segundo tubo de entrada (5), y porque:
-
el tamaño del ángulo de la parte cónica se determina mediante el ángulo del cono de expansión del fluido de transporte, que depende de la presión de inyección cuando se inyecta por el segundo tubo de entrada (5), de manera que la intersección entre el cono de expansión del fluido de transporte y la extensión aguas abajo del cono del difusor (2) ocurre en la parte rectilínea del difusor (2),
-
y si el fluido de transporte se inyecta por el primer tubo de entrada (6), el tamaño del ángulo determina el área de la presión de inyección y el grosor de la envoltura de fluido de transporte.
5. Dispositivo para el mezclado de fluidos, según la reivindicación 1, caracterizado porque el tubo helicoidal (3) acoplado al difusor (2) presenta, como mínimo, la forma de un helicoide completo con el mismo paso que la espiral del tubo de inyección (1) y una sección transversal igual a la sección transversal del extremo del difusor.
6. Dispositivo para el mezclado de fluidos, según la reivindicación 1, caracterizado porque el tubo helicoidal (3) se puede eliminar si el fluido de transporte se inyecta por el interior del tubo de inyección (1).
7. Dispositivo para el mezclado de fluidos, según la reivindicación 1, caracterizado porque la envoltura (4) rodea el tubo de inyección (1) y soporta la estructura completa del dispositivo.
8. Dispositivo para el mezclado de fluidos, según la reivindicación 1, caracterizado porque el tubo (5) acoplado al tubo de inyección (1) conecta el tubo de inyección (1) a la envoltura (4) y constituye la entrada del fluido de transporte inyectado por medio de una bomba o para que el fluido a ser arrastrado por succión a través del interior del tubo de inyección.
9. Dispositivo para el mezclado de fluidos, según la reivindicación 1, caracterizado porque el tubo (6) acoplado a la envoltura (4) constituye la entrada para el fluido se arrastra por succión o se inyecta a través del exterior del tubo de inyección (1).
ES04748892T 2004-08-06 2004-08-06 Dispositivo para mezclar fluidos. Expired - Lifetime ES2331361T3 (es)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/PT2004/000022 WO2006014120A1 (en) 2004-08-06 2004-08-06 Device for mixing fluids

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Publication Number Publication Date
ES2331361T3 true ES2331361T3 (es) 2009-12-30

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