ES2933485A1 - Un sistema para saturar líquidos con gas y un procedimiento para saturar líquidos con gas usando este sistema - Google Patents

Abstract

Sistema para saturar líquidos con gas y procedimiento para saturar líquidos con gas usando el sistema. El sistema comprende fuentes de líquido y de gas, una cámara de disolución de gas y un depósito receptor de líquido, estando la fuente de líquido conectada, mediante una tubería equipada con una bomba, al sistema de cavitación, conectado mediante una tubería a la cámara de disolución de gas, donde el extremo de la tubería son unas boquillas atomizadoras situadas en la cámara de disolución de gas a la que conecta una fuente de gas a través de una tubería de gas con una boquilla; y la cámara de disolución de gas, mediante una tubería con una válvula de control, conecta a una cámara de retención con tabiques dispuestos de manera alternante y parcialmente abiertos, que, a través de una tubería con una válvula, conecta al depósito receptor de líquido saturado.

Description

DESCRIPCIÓN

Un sistema para saturar líquidos con gas y un procedimiento para saturar líquidos con gas usando este sistema

El objetivo de la invención es un sistema para saturar líquidos con gas y un procedimiento para saturar líquidos con gas.

La invención pertenece al campo de la técnica del tratamiento de aguas y de aguas residuales.

En el estado de la técnica se conocen dispositivos y procedimientos para saturar líquidos con gas. Etchepare R., Oliveira H., Nicknig M., Azevedo A., Rubio J. (2017). Nanobubbles: Generation using a multiphase pump, properties and features in flotation ("Nanoburbujas: Generación mediante una bomba multifásica, propiedades y características en la flotación”). Minerals Engineering, 2017 (Volume 112), pp. 19-26. Los autores en su solución usaron una bomba de saturación para producir una mezcla comprimida de agua-aire, que después expandieron para obtener nanoburbujas de aire. Esta solución se basa en la aspiración de aire a presión atmosférica y su mezcla con agua en forma líquida. La solución según la invención asegura la introducción de gas a una presión absoluta de 4 bares y la atomización del líquido saturado, lo que permite la creación de una superficie de contacto de fase significativa, lo cual se traduce en una alta eficiencia del proceso.

B. J. Vinci, B. J. Watten, M. B. Timmons, (1995). Modeling gas transfer in a spray tower oxygen absorber ("Modelización de la transferencia de gas en un absorbedor de oxígeno de torre de pulverización”). Aquacultural Engineering, Volume 16, Issues 1-2,1997. En su trabajo usan boquillas de pulverización para rociar agua en la columna a la que se suministra oxígeno. El problema de la obstrucción de la boquilla de pulverización con partículas sólidas no fue resuelto por los autores. En el caso de usar líquido sin limpiar, la boquilla del atomizador se obstruirá fácilmente, lo que aumentará la tasa de fallos del dispositivo. En la solución según la invención, las boquillas están equipadas con insertos de molienda estática que reducen significativamente el riesgo de obstrucción de las boquillas. Además, el uso de un atomizador garantizará la mayor atomización posible del agua suministrada.

S. Nazari, S.Z. Shafaei, B. Shahbazi, S. Chehreh Chelgani, (2018). Study relationships between flotation variables and recovery of coarse particles in the absence and presence of nanobubble ("Estudio de las relaciones entre las variables de flotación y la recuperación de partículas gruesas en ausencia y presencia de nanoburbujas”). Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. Volumen 559, 2018, pp. 284-288. En la solución presentada, los autores introducen aire comprimido en el agua, la mezcla tiene lugar en los dos mezcladores estáticos, después se dirige la mezcla de agua-aire al respiradero Venturi, donde como resultado de la cavitación hidrodinámica se van a formar nanoburbujas. Los autores no propusieron una mezcla de fases más eficaz que la de los mezcladores estáticos, lo que reduce significativamente la solubilidad del aire en el agua, lo cual se traslada directamente a la cantidad de burbujas de aire generadas.

R. Etchepare, H. Oliveira, M. Nicking et al. En la publicación titulada "Nanobubbles: Generation using a multiphase pump, properties and features in flotation" ("Nanoburbujas: Generación mediante una bomba multifásica, propiedades y características en la flotación") describen el sistema de generación de micro-nano burbujas usado posteriormente en el proceso de flotación, para mejorar la eficacia de la separación de los lodos en la cámara de flotación de las aguas residuales para eliminar la materia en suspensión. Para ello se usa un sistema equipado con una bomba multifásica. La solución propuesta difiere de la presentada en la publicación en que se usa para disolver el gas en un líquido, por lo que pretende disolver completamente el gas sin crear burbujas, lo que indica gas insoluble, mientras que el procedimiento de la publicación supone la producción de burbujas finas de gas, cuya función es elevar las partículas sólidas hasta el nivel de la superficie de agua residual para que se pueda seguir eliminando mecánicamente.

Kim Yu Beom, en la solicitud n° KR101771124 OXYGEN DISSOLUTION APPARATUS AND FARM WITH THE SAME (Aparato de disolución de oxígeno y granja con el mismo), describe un sistema de aireación de agua que usa boquillas de pulverización que reducen el tamaño de las gotas de líquido que pasan por la atmósfera de gas. La solución según la invención lleva a cabo el proceso bajo alta presión y mantiene el agua condensada mezclada con las moléculas de gas en una sobrepresión hasta que el gas está completamente disuelto en el líquido.

Agranonik R. J. y Pisklov G. A. en la solicitud RU 94030202 METHOD FOR SATURATION LIQUID WITH GAS (Procedimiento de saturación de líquidos con gas) describen el procedimiento de saturación de líquidos destinados al proceso de flotación con gas. En su solución, usan un termo-compresor para reducir el consumo de energía. En la invención según la solicitud se usa una bomba convencional y el aumento del oxígeno disuelto se basa en un período de retención prolongado.

Wiidley P.S. en la solicitud WO2013017935 DEVICE AND METHOD FOR SATURATING LIQUID WITH GAS (Dispositivo y procedimiento para saturar líquidos con gas) describe un procedimiento de aireación de líquidos usando un dispositivo que cruza flujos líquidos acelerados en una atmósfera de gas. La solución según la invención usa la caída libre de partículas líquidas a una sobrepresión significativa y un tiempo de retención prolongado a un caudal determinado.

Sulejmanov B.A.O en la solicitud EA030820 METHOD FOR PRODUCTION OF NANO-FLUID WITH GAS NONO-BUBBLES (Procedimiento de producción de un nano-fluido con nanoburbujas de gas) describe un procedimiento de producción de un líquido saturado de gas mediante la realización de un proceso presurizado. En la solución según la invención, el líquido se satura con micro-nano burbujas para aumentar su superficie de contacto con el oxígeno y después se retiene en el depósito de flujo para que el oxígeno se disuelva completamente antes de que el líquido se expanda.

Lugovkin A.N. y Kuznetsov A.D. en la solicitud RU2236898 DEVICE FOR SATURATION OF LIQUID WITH GAS (Dispositivo para la saturación de líquidos con gas) describen un dispositivo para mejorar la eficiencia de la saturación de líquidos con un gas, basado en un aumento de la eficiencia del proceso de pulverización de líquidos en la cámara. En la solución según la invención, el aumento de la eficiencia se basa en la combinación de la saturación con micro-nano burbujas y la prolongación del tiempo de retención de la hipertensión manteniendo un caudal adecuado.

Ignatkin V.I. en la solicitud RU2230700 METHOD OF AND DEVICE FOR SATURATION OF LIQUID WITH GAS AND DISPENSING OF LIQUID (Procedimiento y dispositivo para la saturación del líquido con gas y la dispensación del líquido) presenta un procedimiento para mejorar la eficiencia de la disolución del gas en un líquido usando un dispositivo que usa un intercambiador de calor para mejorar la solubilidad. En la solución según la invención todos los procesos tienen lugar a una temperatura constante.

Agranonik R.V. y Piskolev G.A. en la solicitud EP0700873 (A1) WASTE WATER TREATMENT METHOD, SUSPENSED MATTER SEPARATION METHOD, AND METHOD FOR SATURATING A LIQUID WITH A GAS (Procedimiento de tratamiento de aguas residuales, procedimiento de separación de materia en suspensión, y procedimiento de saturación de un líquido con un gas) describen el procedimiento de tratamiento de aguas residuales basado en la saturación de las aguas residuales con gas a presión y a continuación, antes de disolver el gas en el líquido, expandirlo para crear burbujas de aire que hagan flotar los contaminantes. En la solución según la invención, el objetivo es disolver total y completamente el gas en el líquido, lo que garantizará la ausencia de burbujas de gas después de expandir el líquido hasta la presión atmosférica.

En el estado de la técnica, las cámaras de lodos activados se airean mediante difusores de disco o de tubo de membrana, y mediante aireadores de superficie. La aireación mediante difusores dispuestos en el fondo de la cámara consiste en inyectar en ellos aire atmosférico mediante sopladores. En este proceso, en la superficie de la membrana se forman burbujas de aire de 1-2 mm de diámetro, que suben hacia la superficie de las aguas residuales. El procedimiento de aireación mediante aireadores de superficie se basa en el movimiento de las palas del aireador, que aspiran las aguas residuales desde el fondo del tanque hacia el aireador, en cuyo cuerpo se expulsan las aguas residuales cuando la dirección de estas cambia repentinamente de axial a radial. Durante este proceso, las aguas residuales se mezclan intensamente usando el aire atmosférico para la aireación. El coeficiente de transferencia de oxígeno de los difusores de membrana oscila en un nivel del 8 % por metro de profundidad de la cámara de lodos y, dependiendo del fabricante, no se puede conseguir un valor total que supere el 70 % aproximadamente para toda la cámara. Esto se traduce en una eficiencia de aireación estándar del orden de 3-8 kgO2/kWh. En el caso de los aireadores de superficie, la eficiencia de aireación estándar no supera los 3 kgO2/kWh. Los procedimientos de aireación aquí presentados, debido a su baja eficiencia energética, contribuyen a generar alrededor del 60 % de los costes de funcionamiento de toda la planta de tratamiento.

A diferencia del estado de la técnica conocido, en la solución según la invención, debido a la introducción de oxígeno comprimido en la cámara de disolución de gas donde previamente se satura la niebla de agua a presión con micro-nano burbujas, que gracias a los atomizadores usados tiene una superficie ampliada, es posible conseguir una alta concentración de oxígeno de >30 g/m3 en el agua aireada. Esto se traducirá en la posibilidad de obtener un coeficiente de transferencia de oxígeno del > 99 %, lo que en consecuencia permitirá alcanzar una eficiencia de aireación estándar de 10-12 kgO2/kWh. En comparación con los difusores de aire de alto rendimiento, esto conducirá a una reducción media de 15 veces en el volumen de fluido inyectado en las cámaras de lodos activados, aumentando significativamente el coeficiente de transferencia de oxígeno en función de la superficie de intercambio, la presión y la temperatura, manteniendo la misma concentración de oxígeno en la cámara, lo que afectará directamente a la aplicabilidad de sopladores mucho más pequeños. La producción de nanoburbujas también tiene una importancia clave a la hora de llevar a cabo la flotación, ya que cualquier reducción del tamaño de las partículas de flotación se traduce en un aumento de la eficacia del proceso y, por lo tanto, en una reducción del volumen de los dispositivos de flotación.

El propósito de la invención es obtener, de manera energéticamente eficiente, agua con una alta (> 30 g/m3) concentración de oxígeno para los fines del proceso de purificación.

La esencia de la invención es un sistema de líquido con saturación de gas que comprende una fuente de líquido, una fuente de gas, una cámara de disolución de gas y un depósito de recogida de líquido, donde la fuente de líquido está conectada por medio de una tubería equipada con una bomba a un sistema de cavitación, que está conectado por medio de una tubería a una cámara de disolución de gas, donde el extremo de la tubería es un conjunto de boquillas atomizadoras situadas en la cámara de disolución de gas a la que está conectada una fuente de gas por medio de una tubería de gas con una boquilla. La cámara de disolución de gas, mediante una tubería con una válvula de control, está conectada a una cámara de retención con tabiques dispuestos de manera alternante y parcialmente abiertos, que, mediante una tubería con una válvula, está conectada a un depósito de recogida de líquido saturado.

Preferentemente, el conjunto de boquillas atomizadoras está equipado con insertos estáticos, que preferentemente están hechos de material inoxidable, cuyos bordes están doblados hacia adentro en un ángulo de 20 a 40 grados desde el plano del inserto.

La esencia de la invención es el procedimiento de saturación de líquidos con gas mediante el sistema descrito anteriormente, donde el líquido procedente de la fuente de líquido es bombeado mediante una bomba, elevando la presión del líquido hasta al menos 4 bares de presión absoluta, a través de una tubería, hasta el sistema de cavitación, donde el líquido es saturado con gas en forma de micro-nano burbujas, posteriormente a través de una tubería es bombeado hasta un conjunto de boquillas atomizadoras mediante las cuales el líquido es pulverizado en una cámara de disolución de gas, donde el líquido se satura adicionalmente con gas procedente de una fuente de gas alimentada a través de la tubería y la boquilla de gas, donde el gas suministrado tiene una presión igual a la del líquido, después se bombea a través de la tubería el líquido hasta la cámara de retención, a través de la cual fluye en un tiempo no inferior a 13 minutos y con una velocidad lineal no superior a 0,5 m/s necesaria para disolver el gas, después, a través de la tubería, se bombea el líquido al depósito de recogida de líquidos.

Según la ley de Henry, el número de moles de un determinado gas que puede disolverse en un determinado líquido depende de la presión y de la constante que caracteriza al gas y al líquido dados, que depende de la temperatura a la que se satura el líquido. Por lo tanto, es totalmente claro que cualquier aumento de la presión del proceso de saturación del líquido conducirá a un aumento de la solubilidad del gas. Se decidió llevar a cabo el proceso de saturación a una presión de 4 bares (a), porque está justificado económicamente: es un compromiso entre el gasto energético y las concentraciones de gases disueltos obtenidas. La aplicación del mayor nivel de atomización del líquido es beneficiosa debido al aumento de la superficie de contacto de las fases gaseosa y líquida, lo que se traduce en un aumento de la eficiencia del proceso.

La aplicación de la cámara de retención en la solución presentada con un tiempo de retención no inferior a 10 minutos y la obtención de una superficie de contacto ampliada de las fases gaseosa y líquida garantiza una mezcla adecuada y el acceso del oxígeno a todo el volumen del líquido aireado. Para una presión de mezcla de 4 bares de presión absoluta y una velocidad de flujo en el intervalo de 0,4 - 0,6 m/s requerida, el tiempo mínimo de retención es de 10 minutos, por lo cual el diseño de la cámara de retención debe asumir un volumen suficiente para almacenar la mezcla, en la misma cantidad que fluye durante 600 segundos a través del sistema. La presión absoluta de 4 bares es el valor mínimo, sin embargo es posible realizar el proceso de oxigenación a una presión mayor y por cada bar de aumento de la presión absoluta, el tiempo de retención requerido disminuye en un 15 %, aunque la presión del proceso no debe superar los 6 bares de presión absoluta debido a las limitaciones asociadas a los dispositivos de separación del oxígeno del aire, cuya presión máxima después de la separación es de 6 bares de presión absoluta.

La invención se ilustra en los dibujos, en los que la Fig. 1 presenta una realización preferida del sistema de saturación de líquido con gas y la Fig. 2 presenta una realización preferida del conjunto de boquillas.

Ejemplo de implementación 1

El sistema consta de una cámara de disolución de gas (1) fabricada en acero inoxidable 316L, con un diámetro exterior de 500 mm, una altura de 2000 mm y un grosor de pared de 3 mm, un depósito de acumulación de aguas residuales (3), una bomba centrífuga (8) adaptada para el bombeo de líquidos con un diámetro máximo de partículas sólidas de 1 mm y una presión de bombeo de líquidos de hasta 4 bares (a), tubería (11) de polietileno, conjunto de boquillas atomizadoras (7) con diámetro de gotas de líquido atomizado no superior a 5 micras, fabricadas de plástico PVDF y equipadas con insertos estáticos de 1 mm de espesor de acero inoxidable 316L. Las boquillas (7) están conectadas mediante una tubería (16) de polietileno a un sistema de cavitación (14), que es un inyector de acero inoxidable 316L que aspira aire atmosférico en la cantidad de 3 Nm3/h, formando burbujas de aire con un diámetro de 100 nanómetros. La cámara de disolución de gas (1) está conectada a la fuente de gas (5), en forma de botella de oxígeno con una pureza superior al 95 %, a través de una tubería de gas (10) de acero inoxidable 316L y una boquilla (6) de acero inoxidable 316L. La cámara de disolución de gas (1), a través de una tubería (12) de acero inoxidable 316L con un diámetro de 80 mm y una válvula de cuchilla de control (9) de acero inoxidable 316L, está conectada a una cámara de retención (2) de acero 316L, de 2200 mm de diámetro, 1200 mm de altura y un espesor de pared de 3 mm, en la que se han colocado los tabiques semicirculares (17); que está conectada al punto de recogida de aguas residuales saturadas de oxígeno (4) a través de una tubería (13) de acero inoxidable 316L con un diámetro de 80 mm.

Ejemplo de implementación 2

El procedimiento de saturación de líquidos con gas, en el que el líquido procedente de una fuente de líquido (3), que es un tanque de amortiguación para aguas residuales municipales con un contenido de suspensión de 240 mg/l y BZT5 a un nivel de 250 mg/l en la cantidad de 20 m3/h y a una temperatura de unos 25 grados Celsius, se bombea mediante una bomba de circulación centrífuga adaptada para el bombeo de líquidos clasificados como aguas residuales municipales (8), elevando la presión del líquido a al menos 4 bares (a), a través de una tubería (11) hecha de polietileno, al sistema de cavitación (14) donde el líquido se satura con gas (aire atmosférico) con un diámetro de burbujas de entre 50 y 100 micras, y luego a través de una tubería (16) de polietileno, se bombea a un conjunto de boquillas atomizadoras (7) con un diámetro de gotas no superior a 5 micras, de plástico PVDF, equipadas con insertos estáticos de acero inoxidable 316L de 1 mm de espesor, cuya tarea es romper las partículas sólidas suspendidas agregadas en fracciones más pequeñas, para la protección de las boquillas de la obstrucción. Esto se consigue gracias al uso de un flujo turbulento y de las fuerzas que lo acompañan, mediante las cuales el líquido se pulveriza en una cámara de disolución de gas (1) fabricada en acero inoxidable 316L de 3 mm de espesor, 2200 mm de diámetro y 2000 mm de altura, donde el líquido se satura adicionalmente con gas (oxígeno con una concentración del 95 %) procedente de una fuente de gas (5) en forma de generador de oxígeno (PSA - Pressure Swing Adsorption Type) alimentado a través de una tubería de gas (10) fabricada en acero inoxidable 316L y boquilla (6), donde el gas suministrado tiene una presión igual a la del líquido.

Como resultado de la atomización del líquido en gotas de 5 mieras de diámetro y su inyección en un volumen de gas a presión en la cámara de disolución de gas (1), la superficie de intercambio líquido-gas se incrementa hasta un valor de 1200 m2, es decir, un 1000 % más que en una solución convencional, mientras que la presión mantenida de 4 bares (a) aumenta el coeficiente de disolución de gas en el líquido, siendo 5 veces el coeficiente observado en el caso de la aireación superficial, lo que permite un proceso de saturación de gas muy dinámico y eficaz. A continuación, a través de una tubería (12) de acero inoxidable 316L, se bombea el líquido a la cámara de retención (2) de acero 316L, de 2200 mm de diámetro, 1200 mm de altura y 3 mm de espesor de pared, en la que se colocan unos tabiques semicirculares (17), soldados de manera alternante, para forzar el tiempo de retención diseñado en la cámara y contrarrestar el tiempo de residencia irregular, que se produciría si la cámara de retención fuera continua (sin tabiques). Los tabiques (17) son de acero inoxidable 316L, de 5 mm de espesor, forzando un tiempo de retención en la cámara de retención (2) no inferior a 13 minutos y una velocidad lineal no superior a 0,5 m/s necesaria para disolver el gas. A continuación, a través de una tubería (13) de acero inoxidable 316L, se bombea el líquido al tanque de recepción de líquidos (4), que es la siguiente etapa del sistema de tratamiento biológico de aguas residuales, es decir, la flotación. Llevando a cabo la realización de la presente invención, se ha logrado su propósito. Tras aplicar el procedimiento descrito anteriormente, se ha obtenido un líquido con una concentración de oxígeno muy elevada, superior a 30 g/m3.

Claims (3)

REIVINDICACIONES

1. Sistema de saturación de líquidos con gas, que comprende una fuente de líquido (3), una fuente de gas (5), una cámara de disolución de gas (1) y un depósito receptor de líquido (4), caracterizado porque la fuente de líquido (3) está conectada, mediante una tubería (11) dotada de una bomba (8), a un sistema de cavitación (14) que está conectado mediante una tubería (16) a la cámara de disolución de gas (1), donde el extremo de la tubería (16) es un conjunto de boquillas atomizadoras (7) situadas en la cámara de disolución de gas (1) a la que está conectada una fuente de gas (5), a través de una tubería de gas (10) con una boquilla (6); y la cámara de disolución de gas (1), mediante una tubería (12) con una válvula de control (9), está conectada a una cámara de retención (2) con tabiques (17) dispuestos de manera alternante y parcialmente abiertos, que a través de una tubería (13) con una válvula (15) está conectada al depósito receptor de líquido saturado (4).

2. Un sistema de saturación de gas según la reivindicación 1, caracterizado porque el conjunto de boquillas de atomización (7) está equipado con insertos estáticos (7b), que están hechos preferentemente de material inoxidable, cuyos bordes están doblados en la dirección interior en un ángulo de 20 a 40 grados con respecto al plano del inserto.

3. Procedimiento de saturación de líquidos con gas mediante el sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque el líquido procedente de la fuente de líquido (3) es bombeado mediante una bomba (8), elevando la presión del líquido a al menos 4 bar, a través de la tubería (11), hasta el sistema de cavitación (14) donde el líquido es saturado con gas en forma de micro-nano burbujas y después, a través de una tubería (10) es bombeado hasta un conjunto de boquillas atomizadoras (7) mediante las cuales el líquido es pulverizado en la cámara de disolución de gas (1), donde se satura adicionalmente el líquido con gas procedente de una fuente de gas (5) alimentada a través de la tubería de gas (10) y la boquilla (6), donde el gas suministrado tiene una presión igual a la del líquido, entonces, a través de la tubería (12), se bombea el líquido a la cámara de retención (2) a través de la cual fluye durante no menos de 13 minutos y a una velocidad lineal no superior a 0,5 m/s necesaria para disolver el gas, a continuación, a través de la tubería (13), se bombea el líquido al tanque de recepción de líquido (4).