ES2893279B2 - Dispositivo sonorreactor intensificado a multifrecuencia - Google Patents

Description

DESCRIPCIÓN

DISPOSITIVO SONORREACTOR INTENSIFICADO A MULTIFRECUENCIA

CAMPO DE LA INVENCIÓN

El invento consiste en un dispositivo que comprende un sonotrodo tubular que homogeneiza el campo acústico generado a lo largo del sonotrodo sobre al menos un reactor tubular o una conducción por donde circula una mezcla líquida reactiva o no reactiva, donde la conducción se ubica sobre dicho sonotrodo.

El campo de aplicación de la presente invención es el sector industrial relacionado con los reactores aplicados principalmente en química fina, y en sonoquímica, de manera que la invención está destinada a habilitar el trabajo en continuo en procesos químicos o físicos (cristalización) permitiendo el manejo de sólidos en suspensión y/o la mejora de procesos heterogéneos (gas-líquido-sólido), en conducciones o reactores tubulares con diámetro y longitud variables con control de temperatura óptimo.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La química de flujo permite obtener las ventajas de la intensificación de procesos y la producción en continuo. Sin embargo, los procesos miniaturizados en los que intervienen gases, líquidos y sólidos se enfrentan a dos inconvenientes principales: la mala distribución del flujo multifásico y la obstrucción de los reactores capilares, algo que está divulgado, por ejemplo, en: https://rua.ua.eS/dspace/bitstream/10045/90920/1/tesis_francisco_jose_navarro_brull.pdf

Es sabido que los ultrasonidos de potencia son capaces de reducir la dispersión y mejorar el flujo de gases y líquidos en reactores tubulares de lecho empaquetado de partículas.

En el caso de reactores capilares, es sabido que la aplicación de ultrasonidos les permite manejar una alta concentración de sólidos suspendidos evitando obstrucciones en los mismos.

También es conocido que los ultrasonidos de potencia son utilizados, por lo general, de dos maneras: a través de baños de ultrasonidos (transmisión indirecta de potencia acústica) o mediante el contacto directo del medio con sonotrodos unidos a bocinas o transductores de ultrasonidos de potencia.

Las sondas de ultrasonidos operando a su frecuencia de resonancia generan ondas estacionarias que muestran nodos y antinodos periódicos a distancias establecidas por la longitud de onda, lo que hace que el sistema no vibre de forma homogénea en todos sus puntos. En este sentido, y cara a solucionar esa limitación técnica, es conocido lo divulgado en el documento ES2715659 donde se describe un reactor acústico capilar helicoidal con el que se logra distribuir los patrones de las ondas estacionarias creadas a lo largo del sonotrodo. Sin embargo, los usos industriales de sonotrodos helicoidales en el rango de ultrasonidos presentan una serie de desventajas operacionales impuestas por la propia física de propagación de vibraciones; en concreto, hay problemas:

en la conversión de los desplazamientos longitudinales en radiales y torsionales lograda por la sonda helicoidal, que también dispersa la potencia transmitida al medio al generar nuevas combinaciones de modos y frecuencias de vibración;

en la vibración máxima transmitida por sondas helicoidales, dado que es inevitablemente menor al presentar un mayor número de frecuencias (o picos) de resonancia;

al reducir la potencia máxima emitida por sondas helicoidales a lo largo del reactor capilar, aplicaciones que presentan mayor atenuación, como por ejemplo aquellas con mayor diámetro de conducción o espesor del tubo, materiales menos rígidos y/o mezclas o dispersiones con fluidos más viscosos o compresibles; quedan limitadas por estos efectos de dispersión en la sonda helicoidal;

en un aumento de potencia (o voltaje) para contrarrestar dichas desventajas que generaría problemas de alto consumo energético, aumento de temperatura, y/o fatiga localizados en diversos puntos de la sonda helicoidal, lo que podría comprometer la durabilidad del equipo;

en el uso de frecuencias de vibración en el rango de ultrasonidos que agrava el problema de dispersión, atenuación y fatiga, especialmente para diseños que requieran mayores longitudes de reacción y que impliquen un mayor diámetro de sonotrodo;

además de problemas en cuanto a la manufactura, mecanización y mantenimiento de sonotrodos helicoidales de mayor diámetro o escala con elementos alabeados, los cuales presenta un problema en cuanto a su compleja estructura, requiriéndose de soluciones que además puedan considerarse más simples.

Habida cuenta tanto de los antecedentes conocidos como de la problemática arriba comentada, se considera que continúa existiendo una necesidad de una conducción o reactor tubular que sea fácilmente escalable para grandes longitudes de reacción, que vibre de forma homogénea, a alta potencia, y que permita además un control de temperatura.

BREVE EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

El dispositivo objeto de la presente invención permite la sonicación de conducciones, reactores tubulares y capilares de mayores diámetros y grandes longitudes de reacción (y tiempos de residencia) con mínimo espacio en planta y simplificando los procesos de operación y fabricación.

La distribución homogénea del campo acústico se logra mediante vibraciones generadas por al menos un transductor que puede trabajar a varios rangos de frecuencia (combinando frecuencias de infrasonidos, sonidos audibles y/o ultrasonidos de 20 kHz a 120 kHz, por ejemplo) y modos de vibración, sin la necesidad de geometrías de sonotrodos helicoidales que tienen el inconveniente de que dispersan la potencia acústica. La eficiencia del dispositivo es que permite la operación a baja potencia, con los beneficios mecánicos como la eliminación de obstrucciones por acción vibratoria; o con ultrasonido de alta potencia, con los beneficios de cavitación, agitación mecánica, fluidización parcial de reactores de lecho fijo y sonoquímica.

La energía acústica puede ser aplicada de forma continua o pulsada, en todo el medio de reacción (fluido en el interior del tubo), mejorando el transporte de materia y el mezclado de sistemas multifásicos (reactores heterogéneos con interfases líquido-gas-sólido como los reactores de lecho empaquetado) y/o reduciendo las limitaciones de manejo de sólidos en flujo (suspensiones preparadas intencionadamente, productos de reacción o subproductos sólidos), evitando la obturación de la conducción para mezclas en flujo oscilante y/o continuo.

Al menos un transductor permite emitir/recibir varias frecuencias sobre la sonda y el reactor. Según la frecuencia y potencia de vibración necesaria, los actuadores pueden ser electromagnéticos (motores que transforman energía eléctrica en energía mecánica), transductores electroacústicos (tipo altavoces) y/o piezoeléctricos (tipo Langevin). El diseño simétrico del dispositivo permite la distribución correcta del campo acústico, sin la dispersión producida por la geometría de sonotrodos helicoidales, reduciendo los daños en el material por fatiga, así como la recuperación de energía si se añaden varios transductores, dado que, por ejemplo, un transductor puede actuar de emisor y el otro de receptor, de forma alternante.

El aislamiento del sonotrodo de los medios de reacción, es decir, el material del conducto tubular por donde circula el reactivo, permite el uso de varios materiales, como vidrio, p.ej. de borosilicato; o materiales metálicos como el acero inoxidable o cobre; o materiales poliméricos inertes como puede ser el politetrafluoroetileno (PTFE), el Perfluoroetileno/propileno (FEP), Perfluoroalcoxialcanos (PFA), Perfluoroalcoxialcanos (MFA), el Fluoruro de polivinilo (PVF) o Polieteretercetona (PEEK). La obtención de picos de mayor amplitud de la presente invención permite el uso de materiales de conducción menos rígidos, con mayor espesor, mayor diámetro o la aplicación de disposiciones tuboen-tubo con fluidos o mezclas más viscosas y/o compresibles.

La relación superficie/volumen más alta del sonotrodo permite un control de la temperatura mejorado utilizando tubos térmicos en vueltas secundarias en contacto con el sonotrodo (conducción) o mecanismos adicionales (líquidos o gases de intercambio mediante convección forzada, o por radiación). El espacio hueco interior puede ser aprovechado para la circulación de aire o fluido refrigerante.

La separación entre los transductores y el medio sonicado minimiza las ganancias de calor a baja y alta potencia, utilizando cambios de sección transversal para amplificar la potencia acústica emitida.

Por tanto, el sonorreactor tubular intensificado a multifrecuencia presenta una serie de ventajas únicas que no se pueden obtener con cualquiera de las configuraciones conocidas y supera, por ejemplo, a configuraciones complejas como las helicoidales. Esta configuración permite obtener las ventajas del uso de varias frecuencias (infrasonidos, sonidos audibles y ultrasonidos), generando una combinación óptima de antinodos que aparecen para las frecuencias de resonancia del conjunto sin la transformación y dispersión de los desplazamientos longitudinales en modos radiales y/o torsionales generada, por ejemplo, por sondas helicoidales u otras geometrías más complejas. La vibración máxima y potencia transmitida por sondas de geometría simplificada es mayor al presentar un número inferior de frecuencias, modos y picos de resonancia; al incrementar la amplitud de vibración recibida a lo largo de la conducción o reactor tubular, el presente conjunto permite aplicaciones industriales caracterizadas por mayor atenuación, como por ejemplo: mayor diámetro de conducción, mayor espesor o rigidez del tubo, disposiciones tubo-en-tubo, y la sonicación de fluidos o mezclas heterogéneas sólido-líquido-gas más viscosas y/o compresibles. Un aumento de potencia con el mismo voltaje (mayor eficiencia) generaría menores problemas de incremento de temperatura y fatiga. En cualquier caso, el uso de geometrías simples permite la predicción y localización exacta del comportamiento del sonotrodo, lo que permite reforzar el equipo y aumentar su durabilidad El uso de frecuencias de vibración en el rango de sonidos audibles e infrasonidos reduce los problemas de dispersión, atenuación y fatiga especialmente para diseños que requieran mayores longitudes de reacción y que impliquen un mayor diámetro de sonotrodo. La manufactura, mecanización y mantenimiento de sonotrodos de mayor escala o diámetro sin elementos alabeados o complejos, por tanto, presentan una mejora sustancial frente a soluciones previas.

Se ha de tener en cuenta que, a lo largo de la descripción y las reivindicaciones, el término "comprende” y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas o elementos adicionales.

BREVE EXPLICACIÓN DE LAS FIGURAS

Con el objeto de completar la descripción y de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, se presenta un juego de figuras y dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo se representa lo siguiente:

Figura 1. Muestra una vista en perspectiva libre y corte del dispositivo objeto de la presente invención con un diseño acústico y mecanización para el alojamiento de una conducción o reactor tubular que vibra a varias frecuencias.

Figura 2. Muestra unas vistas en perspectiva libre y corte del conjunto (sin conducción tubular alojada) que vibra a varias frecuencias generando una combinación de nodos y antinodos característica para los diferentes picos de resonancia del conjunto.

Figura 3. Muestra unos detalles y un ejemplo de los problemas de dispersión que aparecen en sondas helicoidales, las cuales redistribuyen los picos de resonancia reduciendo la amplitud lateral (u [^m]), reduciendo la potencia y eficacia acústica

Figura 4. Muestra una vista en perspectiva libre y corte del conjunto (sin conducción tubular) donde el acoplador y sonotrodo han sido escalados de forma longitudinal, con mayor longitud, manteniendo diámetro y espesor.

Figura 5. Muestra unas vistas en perspectiva libre y corte del conjunto (sin conducción tubular) donde el acoplador y sonotrodo que han sido escalados de forma diametral, es decir, con mayor diámetro, manteniendo longitud y reduciendo espesor de la pared del sonotrodo.

Figura 6. Muestra unas vistas en perspectiva libre y corte de un reactor tubular escalado de forma diametral donde se muestran los patrones de nodos y antinodos de vibración generados a dos frecuencias de resonancia próximas.

Figura 7. Muestra una vista en perspectiva libre y corte del diseño (sin conducción tubular) donde se compara las vibraciones generadas a frecuencias de ultrasonidos y frecuencias audibles.

Figura 8. Muestra una vista en perspectiva libre y corte del conjunto donde el acoplador y sonotrodo han sido escalados de forma longitudinal, presentando hendiduras en su geometría para guiar las vibraciones acústicas generados por los transductores.

Figura 9. Muestra unas vistas en perspectiva libre sin reactor tubular de un mismo diseño con transductor único vibrando a tres frecuencias de resonancia y generando vibraciones en diversas áreas de interés.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE UNOS MODOS DE REALIZACIÓN LA INVENCIÓN

El dispositivo sonorreactor objeto de la presente invención, tal como se puede observar en la Fig.1, es un dispositivo que comprende un transductor (1) en uno de sus extremos, que, mediante un acoplador mecánico (2), genera vibraciones a varias frecuencias en una conducción o reactor tubular (4) que es el conducto por donde circula el reactivo o mezcla y que como se ha comentado puede ser tubular o capilar, conducción o reactor tubular (4) que se ubica en la superficie de un sonotrodo (3) cilindrico, concretamente se encuentra alojado en un mecanizado realizado a tal efecto en la superficie lateral del sonotrodo, de forma que el dispositivo sonica de manera homogénea la conducción o reactor tubular (4) ubicado sobre la superficie lateral del cilindro y aumenta la eficiencia acústica.

El sonorreactor puede comprender más de un transductor. La energía mecánica puede recuperarse si se añade un segundo transductor (5) en el lado opuesto del dispositivo, el cual también puede actuar a diferentes frecuencias de forma alternada. El sonotrodo (3) puede presentar hendiduras (6) o ranuras a lo largo de su superficie que permiten obtener una distribución mejor de las vibraciones a altas frecuencias.

Adicionalmente, como se puede observar, los transductores (1, 5) están en conexión con un sistema o módulo de control (7) que tiene la particularidad de comprender un módulo generador de señales y un amplificador que trabaja a multifrecuencia, y con el que se transforma la energía de una fuente eléctrica (8), se modifica la frecuencia y se amplía la señal, de tal forma que el transductor hace vibrar el sonotrodo en resonancia.

Por otro lado, el sonotrodo (3), tal como se ha adelantado previamente, es cilíndrico, y preferentemente hueco frente a macizo, pudiendo ser de ambas formas, siendo mejor que sea hueco dado que hay una mayor superficie para refrigeración del conjunto, y permite en el interior del hueco del cilindro la circulación de aire o fluido refrigerante, posibilitando la regulación de la temperatura del conjunto.

Además, a nivel físico, la sonda debe mantener la dimensión (diámetro) transversal a la dirección de propagación de la onda que no sea superior a 1/3 de la longitud de onda, para lo cual, el invento puede comprender las hendiduras (6) en la superficie del sonotrodo.

En la Fig.2 se puede observar que el dispositivo objeto de la presente invención puede, frente a otros dispositivos conocidos, trabajar a varias frecuencias de resonancia (A, B, C) de forma alterna para homogenizar el desplazamiento en la superficie lateral (u [^m]) del sonotrodo (3) que aloja la conducción o reactor tubular (4). Concretamente, en esta figura se puede ver que un sonotrodo (3) puede vibrar a varias frecuencias generando una combinación de nodos y antinodos que aparecen en los picos de resonancia del conjunto. Las zonas sombreadas indican mayor desplazamiento en la superficie lateral sobre la que se aloja el reactor tubular (4).

La Fig.3 se muestra una comparativa entre el funcionamiento entre un dispositivo basado en una sonda helicoidal (9) y un dispositivo como el definido en la presente invención que comprende un sonotrodo (3) cilíndrico. Como se puede observar, una sonda helicoidal (9) requiere geometrías alabeadas que no facilitan un escalado simple cuando se requieren longitudes de reacción prolongadas o potencias acústicas mayores. En lugar de distribuir los nodos y antinodos tal y cómo hace la sonda helicoidal, el presente invento permite utilizar los picos de resonancia principales y amplificar la potencia acústica recibida.

Las sondas helicoidales (9) transforman las vibraciones longitudinales en radiales y torsionales, dispersando y redistribuyendo los picos de resonancia reduciendo la amplitud lateral (u [^m]) efectiva de la sonda. Frente a esto, la presente invención permite ampliar la potencia acústica transmitida a mayores escalas dado que la geometría del sonotrodo (3) es simétrica.

En este sentido, la sonda helicoidal distribuye los patrones de las ondas estacionarias creadas a lo largo del sonotrodo de una forma diferente a las generadas por el sonotrodo cilíndrico. La distribución de los desplazamientos mejora incluso con ultrasonidos de baja frecuencia de 28 kHz. Las ventajas que, por tanto, supone un sonotrodo cilíndrico frente a una sonda helicoidal o de forma compleja, es que, además de permitir una regulación de la vibración en diferentes partes del mismo, permite reducir el espacio en planta con formas geométricas simples (sonda helicoidal debe de estar enroscada sobre sí misma), manteniendo la longitud necesaria de reactor o conducción tubular.

Esto permite ver que la presente invención, en la que se incluye un sonotrodo cilíndrico y con configuración simétrica supera los problemas de dispersión presentes en las sondas helicoidales, dado que para un mismo voltaje redistribuyen los picos de resonancia reduciendo la amplitud lateral (u [^m]) reduciendo su potencia y eficacia acústica.

En la Fig.4 se puede observar que el sonotrodo (3) y los acopladores pueden tener diferentes espesores (10) dejando una cavidad (11) interna, y presentar hendiduras (6) o surcos superficiales simples que ayuden a distribuir el campo acústico sin dispersar los picos a las diferentes frecuencias de resonancia. En la Fig.5 se puede observar un sonorreactor que está escalado de diferente forma. Por tanto, teniendo en cuenta la Fig.4 y 5, la presente invención frente a otras tipologías conocidas, permite varios tipos de escalado para albergar una conducción o reactor tubular de mayor longitud (de reacción), por ejemplo, aumentando el diámetro del sonotrodo (Fig. 5), manteniendo longitud y reduciendo espesor del mismo. Como se ha adelantado anteriormente, el que el sonotrodo (3) sea hueco hace que se genere una cavidad (11) interna que comprende una circulación de aire o fluido refrigerante con la que regular la temperatura del conjunto.

Los patrones generados por un diseño que se excita en dos frecuencias de resonancia próximas se muestran en la Fig. 6, donde los nodos (12) y antinodos (13) se indican con escala de grises, y donde se advierten las variaciones según su disposición a lo largo de toda la superficie del sonotrodo (3). Se puede ver que esta invención es versátil, al trabajar a multifrecuencia y poder ser escalada según lo requerido por cada reactor tubular.

Otra de las ventajas técnicas de la presente invención frente a otras conocidas es que los transductores pueden generar modos de vibración a frecuencias más bajas de infrasonidos o sonidos audibles, pudiendo homogenizar la acción sobre la superficie lateral y aumentando la eficiencia acústica. En la Fig. 7 se ilustra un mismo diseño que compara los modos de vibración generados a frecuencias de 24 kHz en el rango de ultrasonidos (14) con frecuencias de sonido audibles de 855 Hz (15). Las zonas sombreadas indican mayor desplazamiento con un aumento de desplazamiento lateral de un orden de magnitud.

Frecuencias de vibración más bajas, incluyendo infrasonidos y sonidos audibles, permiten mayor eficiencia y escalados respetando la estructura general del invento donde la longitud del sonotrodo (3) puede ser ampliada tal y como se ilustra en la Fig. 8, manteniendo la misma estructura general descrita con anterioridad.

Los extremos del sonotrodo se pueden mecanizar y utilizar para alojar boquillas o tes que eviten obstrucciones o aumenten la intensificación acústica desde aguas arriba hasta aguas abajo del sistema del reactor. La superficie interior y/o exterior del sonotrodo puede albergar conducciones secundarias para la eliminación o aporte de calor mediante fluidos con convección natural o forzada (por ejemplo, baño de refrigeración en el interior de la cavidad generada). Un diseño simplificado se ilustra en la Fig.9, donde con tan solo un transductor se puede hacer vibrar el sonotrodo (3) en tres rangos, de frecuencia de ultrasonidos (16), de frecuencia audible (17) y de infrasonidos (18).

En una realización del dispositivo objeto de la presente invención, todos los elementos comprendidos en el dispositivo se acoplan en serie. Esto permite que la presente invención puede obtener otra ventaja respecto de las soluciones conocidas, dado que esto permite que se puedan unir diferentes dispositivos o sistemas en serie, conectando un transductor extremo de un dispositivo con el transductor de otro dispositivo, lo cual permite obtener la posible opción de escalado según lo conocido como escaldo por duplicación de elementos o “numbering-up".

Por tanto, el sonorreactor tubular intensificado a multifrecuencia es un dispositivo escalable que permite la distribución homogénea del campo acústico mediante vibraciones generadas por al menos un transductor que puede trabajar en varios rangos de frecuencia (combinando infrasonidos, sonidos y/o ultrasonidos de 20 kHz a 120 kHz, por ejemplo) y modos de vibración, sin la necesidad de geometrías de sonotrodo complejas (como las helicoidales) que dispersen la potencia acústica y por tanto no son adecuadas para trabajar en multifrecuencia (el control debe lidiar con un mayor número de picos de frecuencia de menor amplitud y más difíciles de predecir). Otra ventaja que se advierte y que se ha señalado con anterioridad, es que la presente invención, frente a otras conocidas, por ejemplo, la helicoidal, permite que el diámetro de la conducción o reactor tubular por donde circula la mezcla (reactiva o no) sea de dimensiones grandes, o al menos mayores que las que se permitían hasta la fecha. Un aumento de diámetro de la conducción y la sonda permite un escalado más eficiente (menor tamaño en planta con geometrías más simples). El escalado que con una configuración helicoidal solo se podía hacerse enrollándose sobre sí misma, sin embargo con la presente invención se puede realizar el escalado también por la opción de escalado por duplicación de elementos (en inglés, “numbering-up” en lugar de scale-up).

Claims (11)

REIVINDICACIONES

1. - Dispositivo sonorreactor intensificado a multifrecuencia, dispositivo que comprende al menos un transductor (1, 5) en al menos uno de sus extremos, que genera vibraciones y distribuye homogéneamente el campo acústico sobre un reactor tubular (4) o conducto por donde circula un reactivo o mezcla y que se ubica sobre la superficie de un sonotrodo (3), y que se caracteriza porque:

el sonotrodo (3) es cilindrico y queda unido al transductor (1 ,5) por medio de un acoplador mecánico (2);

donde el reactor tubular (4) se aloja en un mecanizado realizado sobre la superficie lateral del cilindro; y

donde el transductor (1, 5) está en conexón con un módulo de control (7) que comprende un módulo generador de señales y un amplificador que trabaja a multifrecuencia con el que se transforma la energía de una fuente eléctrica (8) y se modifica la frecuencia y se amplía la señal sobre el transductor (1,5) combinando y aplicando en el sonotrodo (3) diferentes frecuencias.

2. - Dispositivo sonorreactor intensificado a multifrecuencia, según la reivindicación 1, donde el sonotrodo (3) es un cilindro hueco con una cavidad (11) interna.

3. - Dispositivo sonorreactor intensificado a multifrecuencia, según la reivindicación 2, donde en la cavidad (11) del cilindro hueco comprende una circulación de aire o fluido refrigerante.

4. - Dispositivo sonorreactor intensificado a multifrecuencia, según la reivindicación 1, donde el sonotrodo (3) presenta hendiduras (6) o surcos a lo largo de su superficie lateral.

5. - Dispositivo sonorreactor intensificado a multifrecuencia, según la reivindicación 1, donde el sonotrodo (3) es un cilindro macizo.

6. - Dispositivo sonorreactor intensificado a multifrecuencia, según la reivindicación 1, donde los elementos comprendidos en el dispositivo se acoplan en serie.

7. - Dispositivo sonorreactor intensificado a multifrecuencia, según la reivindicación 1, donde el transductor (1,5) combina y aplica en el sonotrodo (3) frecuencias de infrasonidos, sonidos audibles y/o ultrasonidos.

8. - Reactor capilar con ultrasonidos, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el reactor tubular (4) que se ubica sobre el sonotrodo (3) es de vidrio.

9. - Reactor capilar con ultrasonidos, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, donde el reactor tubular (4) que se ubica sobre el sonotrodo (3) es de un polímero inerte.

10.

- Reactor capilar con ultrasonidos, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, donde el reactor tubular (4) que se ubica sobre el sonotrodo (3) es de material metálico.

11. - Reactor capilar con ultrasonidos, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, donde el reactor tubular (4) que se ubica sobre el sonotrodo (3) es de un material cerámico.