ES2345048T3 - Procedimiento y aparato para mezclar dos fluidos. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para mezclar un fluido y un gas, en el que se provoca que el fluido fluya en un cámara de mezclado orientada verticalmente (1) que principalmente presenta una forma cilíndrica con paredes lisas en su interior, y en el que se alimentan el fluido y el gas a la cámara en su parte superior, en el que se mezcla el gas en el fluido antes de la cámara de mezclado, caracterizado porque el fluido se suministra a la cámara a una presión de 1,5 a 10 bares mediante una boquilla (7), de manera que el fluido fluya en la cámara a una velocidad elevada y llene la cámara, y en el que, durante el funcionamiento se forma una fase de gas/líquido turbulenta con recirculación interna en la parte superior de la cámara y principalmente una fase de fluido en la parte inferior de la cámara, en el que se evita la pérdida de presión esencial en la cámara manteniendo la presión en la cámara de mezclado entre 1,35 y 9 bares y en el que se extrae la fase de fluido con gas disuelto de un conducto de salida (8) dispuesto en la parte inferior de la cámara, en el que el conducto de salida (8) presenta una boquilla (9) y por lo menos la boquilla (9) del conducto de salida (8) que está lleno con la fase de fluido con gas disuelto, está sumergida en fluido cuando se libera la presión.
Description
Procedimiento y aparato para mezclar dos
fluidos.
La presente invención se refiere a un
procedimiento para mezclar dos fluidos y a un aparato para realizar
dicho procedimiento.
La invención se refiere especialmente a la
mezcla de agua (agua salada y/o agua dulce) con un gas como oxígeno
o dióxido de carbono. El uso de la invención puede estar relacionado
con el tratamiento de aguas, como el tratamiento de agua de boca,
aguas residuales, el procesado de agua o el tratamiento de agua para
su uso en conexión con la piscicultura/el tratamiento de animales
acuáticos. La invención también se puede utilizar para procesar
agua que contenga partículas o fibras.
La patente US nº 4.210.534 se refiere a un
sistema de oxigenación para suministrar oxígeno a aguas residuales.
Se suministran agua y aire a una cámara de mezclado horizontal
respectivamente mediante la ayuda de una boquilla central y una
cámara anular dispuesta coaxialmente. La cámara de mezclado presenta
una forma con paredes inclinadas convergentes en dos etapas, con
una forma cilíndrica aguas abajo de la misma. Además, la cámara de
mezclado prevé equipamiento, como una bomba sumergida, una fuente
de aire presurizado, y se recoge mediante una construcción
flotante. La cámara de mezclado descrita presenta una geometría
relativamente compleja, así como unos costes de producción
relativamente elevados tanto si está construida mediante fundición
como por mecanizado. Además, la forma de esta cámara de mezclado
con una zona en sección transversal gradual tiene como resultado una
pérdida de presión que consume energía.
A partir de la patente US nº 4 735 750 se conoce
un procedimiento y un dispositivo para la disolución de gas en
líquido. El líquido se introduce a presión a través de una placa de
boquilla en un espacio de reacción, donde una mezcla de gas y
solución fluye por las salidas lateralmente en la parte inferior en
un depósito de solución y el gas recircula por las entradas en la
parte superior cerca de la placa de boquilla. El depósito de
solución prevé un colchón de gas y está lleno hasta un nivel entre
las entradas y las salidas a una presión media; el cuerpo disuelto
de gas se suministra posteriormente mediante un regulador de flujo
de gas y se extrae la solución de dicho depósito de solución en un
nivel de presión inferior mediante una válvula de control como una
solución supersaturada. El dispositivo prevé un diseño de la cámara
de reactor complejo y en el que también resulta necesario el
control del nivel. El dispositivo no resulta adecuado para la
aeración de agua salada ni para fluidos que contengan fibras, dado
que los orificios se atascan fácilmente.
La solicitud de patente sueca publicada nº 375
704 describe un dispositivo dispuesto verticalmente para la
aireación de agua. Está prevista una boquilla para el suministro de
gotitas de agua distribuidas de manera muy fina en la parte
superior del dispositivo. Dicho dispositivo se llena de agua hasta
un colchón de gas debajo de la boquilla. Cuando las gotitas golpean
la superficie del fluido, el gas es succionado hacia el agua. La
parte inferior del dispositivo bien está sumergida en el agua para
su aireación, o el fluido con burbujas de gas se dirige al agua
mediante una conducción. Este dispositivo es un aireador con una
capacidad de disolución reducida. Se hace funcionar a una presión
baja. El gas no se disuelve en el fluido, sino que se mantiene como
burbujas.
El documento
WO-A-8101700 da a conocer otro
procedimiento y aparato para disolver gas en un líquido. El
documento GB-A-2 177 618 da a
conocer un procedimiento de acuerdo con el preámbulo de la
reivindicación 1, y un aparato de acuerdo con el preámbulo de la
reivindicación 9.
El objetivo de la presente invención consiste en
mezclar y disolver un gas en un líquido con la mayor eficiencia
posible. Otro objetivo consiste en retener la presión y crear
turbulencias para la recirculación interior del gas. Un objetivo
adicional consiste en obtener un diseño sencillo de la mezcladora
con unos costes de funcionamiento y mantenimiento reducidos.
Estos y otros objetivos de la invención se
consiguen mediante el procedimiento según la reivindicación 1 del
aparato según la reivindicación 9.
Así, la invención se refiere a un procedimiento
y un aparato para la mezcla de un fluido y un gas, en el que se
provoca que el fluido fluya en una cámara de mezclado orientada
verticalmente, que principalmente presenta una forma cilíndrica con
paredes lisas en su interior, y donde el fluido y el gas se
alimentan a la cámara por su parte superior. El gas se mezcla en el
fluido antes de la cámara de mezclado y se suministra a la cámara
mediante una boquilla, de manera que el fluido fluya en dicha cámara
a una velocidad elevada y la llene. Durante el funcionamiento, se
forma una fase turbulenta gas/líquido con recirculación interna en
la parte superior de la cámara y se evita principalmente una fase
de fluido en la parte inferior de la cámara y una pérdida de
presión necesaria. Se extrae una fase de fluido con gas disuelto a
partir de una conducción de salida dispuesta en la parte inferior
de dicha cámara.
Preferentemente, la entrada se dispone de manera
que el fluido fluya axialmente en la cámara. Dicho fluido se bombea
desde una conducción o depósito con anterioridad a su mezcla con el
gas en la cámara de mezclado y el fluido con gas disuelto,
finalmente se vuelve a suministrar en la conducción o depósito. La
presión se libera cuando por lo menos la boquilla del conducto de
salida que se ha llenado con la fase de fluido con gas disuelto
está sumergida en el fluido.
El fluido se suministra a la cámara de mezclado
con una presión de 1,5 a 10 bares, preferentemente entre 2 y 4
bares, con mayor preferencia 3 bares, y la presión en la cámara de
mezclado se mantiene entre 1,35 y 9 bares, preferentemente entre
1,8 y 3,6 bares, con mayor preferencia 2,7 bares. El fluido podría
ser agua con o sin contenido en sal, fibras, o partículas y el gas
es oxígeno, dióxido de carbono o cualquier gas que se pueda
disolver.
El aparato preferentemente prevé un inyector de
gas para el suministro de gas al fluido más allá de la cámara de
mezclado. El conducto de salida está adaptado para su inmersión en
líquido y está equipado con una boquilla para el suministro de
líquido con gas disuelto al fluido ambiente. El tamaño de la
boquilla dependerá de la presión de control de la cámara de
mezclado. Dicha cámara de mezclado está adaptada para recibir fluido
desde una conducción o depósito a través de una bomba situada entre
la conducción y la mezcladora. Preferentemente, d1<d3<d2,
donde d1 es el diámetro de la entrada, d2 es el diámetro de la
cámara de mezclado y d3 es el diámetro de la salida. Se prefiere
que la razón L:d2, donde L es la longitud de la cámara de mezclado y
d2 es el diámetro de la cámara de mezclado, se encuentre dentro del
intervalo 15:1 y 20:1.
La presente invención tiene como resultado una
mezcladora orientada verticalmente, en la que se pueden evitar
muchos de los problemas mencionados anteriormente. Dicha mezcladora
según la presente invención presenta una geometría sencilla, y
presentará unos costes de producción reducidos. La mezcladora no
funciona con un colchón de gas y, así, no precisa un dispositivo de
control de colchón de gas. Además, se ha apreciado que la eficiencia
de disolver gas en el fluido se encuentra en un nivel elevado
aceptable.
A continuación se describirá la invención
haciendo referencia también a las figuras y ejemplos, en los
que:
la figura 1 representa un diseño de una
mezcladora integrada en un conducto de agua principal,
la figura 2 representa el modo de funcionamiento
y el diagrama de flujo de la mezcladora,
la figura 3 representa una mezcladora con unos
parámetros determinados, que se utiliza en experimentos,
la figura 4 representa una foto de una
mezcladora durante los experimentos con oxígeno y agua dulce.
\vskip1.000000\baselineskip
Tal como se muestra en la figura 1, una
mezcladora 1 está adaptada para recibir un flujo de fluido de una
conducción 2, por medio de una bomba 3 dispuesta entre la conducción
y la mezcladora y además por medio de conducciones 4, 5. El fluido
puede ser agua (agua salada y/o dulce) u otros fluidos. El fluido
puede contener fibras o partículas. La conducción 5 que conduce el
fluido a la mezcladora también está equipada con un inyector 6 para
el gas, de modo que el gas presurizado se puede suministrar al
fluido con anterioridad a la conducción de éste a la mezcladora.
También se puede suministrar el gas directamente a la mezcladora 1.
El gas en este ejemplo es dióxido de carbono, pero la mezcladora
también puede tratar con otros tipos de gas, por ejemplo, oxígeno.
La entrada de fluido incluye en el presente ejemplo una boquilla 7
con un diámetro ya determinado, cuya función es suministrar fluido
con una velocidad elevada como un chorro en la cámara de mezclado.
En el ejemplo, el fluido se suministra axialmente en la cámara.
Desde la mezcladora, el fluido y el gas mezclados se conducen a
través del conducto 8 hasta un eyector o boquilla 9, dispuesto en la
conducción 2. Dicho eyector lleva a cabo el mezclado adicional del
fluido mezclado en el flujo de fluido en la conducción 2.
Alternativamente, el eyector se puede disponer en un depósito,
recipiente o contenedor abierto.
\vskip1.000000\baselineskip
La mezcladora puede estar constituida por una
cámara vertical cilíndrica, que es lisa en su interior, y recibe
fluido mezclado con gas a una velocidad elevada de la boquilla que
está dispuesta en la parte superior de la cámara. Dicha mezcladora
se llena con fluido. La figura 2 ilustra la función y el diagrama de
flujo en la mezcladora. Se introduce en la parte central un chorro
concentrado de agua y gas y se crea una recirculación interna.
Durante el funcionamiento, principalmente se formará una mezcla de
gas y fluido en la parte superior de la cámara (I), mientras que
principalmente una fase de fluido (con una disolución molecular de
la fase de gas) ocupará la parte inferior de dicha cámara. Durante
los experimentos que se han llevado a cabo con una mezcladora
transparente, se ha observado una fase de burbujas muy turbulenta en
la parte superior de la cámara, que crea una gran zona de contacto
y resulta favorable para la rotura de las burbujas grandes. En el
centro de la cámara tiene lugar una fase "laminar" con unas
burbujas flotantes muy pequeñas (II). En la parte inferior de la
cámara (III) se observa una fase clara sin burbujas visibles, que
indica que se ha disuelto la totalidad del gas y se ha obtenido un
fluido saturado con gas.
Durante los experimentos, se suministró una
cantidad de gas cada vez mayor, y se observó que la fase de burbujas
ocupa una parte cada vez mayor de la cámara, lo que indica que
avanza lentamente cerca de la parte inferior de la cámara. A carga
máxima las burbujas empiezan a seguir el agua a la parte exterior de
la mezcladora.
Los experimentos han demostrado que el grado de
disolución del gas en el fluido se ve afectado por varias
condiciones. Una de las más importantes es la pérdida de presión
sobre la cámara de mezclado y, especialmente, la selección de la
abertura de la boquilla 6 en la entrada. El diseño de dicha abertura
contribuirá al mismo tiempo a la velocidad del chorro hacia abajo
en la zona turbulenta de la mezcladora.
El cuadro 1 muestra los resultados de los
experimentos con distintos diámetros de la boquilla 6. Dicha
boquilla consiste en un disco con una abertura central. La abertura
presenta una inclinación en la entrada/salida, a fin de reducir la
pérdida de presión. La mezcladora utilizada en los experimentos
presenta las dimensiones siguientes (véase la figura 3): D2: 117
mm, D3: 65 mm, L: 2.000 mm. D4 (referencia Cuadro 1) es el diámetro
de la boquilla (eyector) (9) en el conducto principal (después de la
mezcladora).
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\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
N.A. (no analizado)
\vskip1.000000\baselineskip
A partir de los resultados del cuadro 1, se
selecciona la razón óptima entre la abertura de la boquilla
(mezcladora) y la abertura del eyector (conducto principal,
etc.).
Los resultados siguientes se obtienen a partir
de las pruebas realizadas con oxígeno y agua dulce. La pérdida de
presión total en el ejemplo descrito resultará influenciada, entre
otros factores, por el diseño del eyector o boquilla 9 y por el
diámetro y la altura de la cámara de mezclado.
La figura 3 muestra una mezcladora con unos
parámetros determinados que se utilizó en los experimentos. En el
cuadro 2 siguiente se proporcionan otros parámetros:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
- *
- Extensión de la fase de burbuja = 1,0 indica que la mezcladora está llena de burbujas. Ha alcanzado el límite de su capacidad y el gas no disuelto sigue al agua como burbujas al exterior de dicha mezcladora.
\vskip1.000000\baselineskip
La figura 4 muestra una foto de una mezcladora
durante los experimentos con oxígeno y agua dulce, y se muestra una
clara división (marcada con una flecha) entre la fase de gas y la
fase de fluido en dicha mezcladora.
Claims (13)
1. Procedimiento para mezclar un fluido y un
gas, en el que se provoca que el fluido fluya en un cámara de
mezclado orientada verticalmente (1) que principalmente presenta una
forma cilíndrica con paredes lisas en su interior, y en el que se
alimentan el fluido y el gas a la cámara en su parte superior, en el
que se mezcla el gas en el fluido antes de la cámara de mezclado,
caracterizado porque el fluido se suministra a la cámara a
una presión de 1,5 a 10 bares mediante una boquilla (7), de manera
que el fluido fluya en la cámara a una velocidad elevada y llene la
cámara, y en el que, durante el funcionamiento se forma una fase de
gas/líquido turbulenta con recirculación interna en la parte
superior de la cámara y principalmente una fase de fluido en la
parte inferior de la cámara, en el que se evita la pérdida de
presión esencial en la cámara manteniendo la presión en la cámara
de mezclado entre 1,35 y 9 bares y en el que se extrae la fase de
fluido con gas disuelto de un conducto de salida (8) dispuesto en
la parte inferior de la cámara, en el que el conducto de salida (8)
presenta una boquilla (9) y por lo menos la boquilla (9) del
conducto de salida (8) que está lleno con la fase de fluido con gas
disuelto, está sumergida en fluido cuando se libera la presión.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se dispone la entrada de manera que el
fluido fluya axialmente en la cámara.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque el fluido se bombea desde una conducción
o depósito antes de su mezclado con el gas en la cámara de mezclado
y el fluido con el gas disuelto finalmente se vuelve a suministrar
en la conducción o depósito.
4. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el fluido
se suministra a la cámara de mezclado a una presión de 2 a 4
bares.
5. Procedimiento según la reivindicación 4,
caracterizado porque el fluido se suministra a la cámara a
una presión de 3 bares.
6. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la presión
en la cámara de mezclado se mantiene entre 1,8 y 3,6 bares.
7. Procedimiento según la reivindicación 6,
caracterizado porque la presión en la cámara de mezclado se
mantiene a 2,7 bares.
8. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el fluido
es agua con o sin un contenido en sal, fibras o partículas y el gas
es oxígeno, dióxido carbono o cualquier gas que se pueda
disolver.
9. Aparato para mezclar y disolver un gas en un
fluido que comprende una cámara de mezclado (1) que está orientada
verticalmente y presenta una parte superior y una parte inferior y
una forma principalmente cilíndrica con paredes lisas en su
interior, una entrada para fluido y una entrada para gas (6), en el
que la cámara de mezclado (1) se conecta a una conducción (2) o
depósito que contiene un fluido, la entrada para el fluido comprende
una boquilla (7) en la parte superior de la cámara (1) para el
suministro de fluido que contiene gas a la cámara a una velocidad
elevada, y en el que se extrae una fase de fluido que comprende gas
disuelto de un conducto de salida (8) dispuesto en la parte
inferior de la cámara (1), caracterizado porque la entrada
para fluido está conectada a una bomba (3) que está conectada a la
conducción (2) o depósito y porque el conducto de salida (8) está
sumergido en el fluido en la conducción (2) o depósito y está
provisto de una boquilla (9) para el suministro de fluido con gas
disuelto al fluido en la conducción (2) o depósito.
10. Aparato según la reivindicación 9,
caracterizado porque presenta un inyector de gas (6) para el
suministro de gas al fluido delante de la cámara de mezclado
(1).
11. Aparato según la reivindicación 9 ó 10,
caracterizado porque comprende además una bomba (3) dispuesta
entre la conducción (2) o depósito y la cámara de mezclado (1).
12. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 9 a 11, caracterizado porque d1<d3<d2,
en el que d1 es el diámetro de la entrada, d2 es el diámetro de la
cámara de mezclado y d3 es el diámetro de la salida.
13. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 9 a 12, caracterizado porque la razón L:d2,
en el que L es la longitud de la cámara de mezclado y d2 es el
diámetro de la cámara de mezclado, se encuentra en el intervalo de
15:1 a 20:1.
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