MX2014006545A - Metodo y aparato de inyeccion de gas. - Google Patents

Metodo y aparato de inyeccion de gas.

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Abstract

Un método y aparato para inyectar un gas en un líquido en el cual un impulsor helicoidal (30) giratorio dentro de un tubo de aspiración (20) sumergido en el líquido crea un flujo de líquido dentro del tubo de aspiración. Se inyectan burbujas de gas al tubo de aspiración ya sea arriba o abajo o al lado del impulsor helicoidal o en las tres ubicaciones. El líquido es arrastrado al tubo de aspiración con una velocidad superficial mayor que una velocidad ascendente final sustancialmente uniforme de las burbujas de gas para permitir el arrastre de las burbujas de gas sin disolver en el grueso de líquido en el líquido que se arrastra al tubo de aspiración. Las burbujas de gas se inyectan con un diámetro uniforme de entre aproximadamente 10.0 micrones y aproximadamente 1.0 milímetros. El tamaño pequeño de burbuja aumenta la disolución del gas en el líquido y permite también el arrastre del gas al líquido que se arrastra al tubo de aspiración. El gas puede ser oxígeno, ozono o dióxido de carbono.

Description

M ÉTODO Y APARATO DE INYECCIÓN DE GAS Campo de la Invención La presente invención se refiere a u n método y aparato de inyección de gas en donde se inyecta u n gas en un líq uido con el uso de u n impulsor helicoidal colocado dentro de u n tubo de aspiración y movido por un motor. Más particularmente, la presente invención se refiere a tal método y aparato en donde el gas se inyecta en el tubo de aspiración arriba o abajo o al lado del impulsor helicoidal mediante un inyector colocado dentro del tubo de aspiración que puede ser un rociador o boquillas para producir burbujas de gas de un tamaño pequeño uniforme para aumentar la disolución del gas en el líquido y la recirculación de bu rbujas de gas sin disolver de reg reso al tubo de aspiración .
Antecedentes de la I nvención Una variedad de procesos involucra la disolución de gases en líquidos. Por ejemplo, en sistemas de tratamiento aeróbico de aguas resid uales , se req uiere oxígeno por las bacterias que permiten la remoción de los residuos orgán icos en el agua . La cantidad requerida de oxígeno puede disolverse efectivamente en corrientes de proceso usando sistemas mezcladores agitados mecánicamente. De manera similar, en muchos sistemas de tratamiento de ag ua potabla, se ag regan productos qu ímicos tales como floculantes y coagulantes para facilitar la sedimentación y remoción de sólidos contaminantes en el líquido. Se ag rega dióxido de carbono para mantener condiciones óptimas de pH en algunos procesos de floculación y coagulación por medio de sistemas de disolución de gas agitados mecánicamente.
Aún cuando los sistemas de mezclado superficial y de disolución de gas se utilizan ampliamente, los sistemas de mezclado sumergido tienen ciertas ventajas. Una ventaja es que tales sistemas de mezclado sumergido pueden estar orientados verticalmente, horizontalmente o en un áng ulo para propósitos de mezclado direccional o more disolución óptima de gas. La profundidad tiene un impacto significativo en presiones efectivas del sistema; y se sabe que la solubilidad de los gases es afectada sig nificativamente por la presión . De aq u í que, u n sistema de mezclado sumergido cuando se opera en agua a una profundidad de diez metros puede permitir efectivamente la disolución de aproximadamente dos veces el volumen de gas de lo que sería posible si el mezclado ocurriera en la superficie.
U n aparato de mezclado sumerg ido se describe en US 6,273,402.
El aparato está adaptado para sumergirse en un ta nque que puede contener agua residual y lodo. En este dispositivo, un impulsor helicoidal conectado a un motor gira dentro de un tubo de aspiración sumergido. El tubo de aspiración y el motor están conectados a una cámara de lastre q ue puede ser llenados con lastre para provocar q ue el aparato se hunda dentro del líquido. La cámara de lastre tiene u n espacio de cabezal a través del cual se inyecta oxígeno y uno bajo la superficie que se proporciona con una ligera pendiente hacia aberturas de entrada al tubo de aspiración . El impulsor giratorio arrastra el líquido a la abertu ra de entrada para mezclado con el oxígeno q ue llega . La mezcla de gas-líquido resultante se descarga desde el otro extremo del tubo de aspiración en un flujo como chorro que se expande. Cualesquiera burbujas de oxígeno que no se disuelven se elevan dentro del líquido hacia la superficie. Una porción de estas burbujas de oxígeno quedarán atrapadas bajo la superficie de la cámara de lastre y serán arrastradas en el líquido que está siendo arrastrado a las aberturas de entrada . Otra porción de las burbujas de gas sin disolver escaparán desde la superficie del líquido.
Hay una cantidad de desventajas del sistema de mezclado y disolución de gas descrito en US 6,273,402. Una desventaja mayor es q ue el impulsor mismo proporciona succión para arrastrar el gas al líq uido. A medida que aumenta la cantidad de gas a ser arrastrado, habrá menos succión provista por el impulsor y consecuentemente, la cantidad de líquido que es capaz de ser arrastrado por tal dispositivo será limitado , hasta que eventualmente acurre una condición conocida como in undación , cuando no puede ser arrastrado más l íq uido por el impulsor.
Adicionalmente, no hay control sobre el tamaño de bu rbuja de las bu rbujas de gas que se producen por la acción del impulsor. Au nque hay muchos factores que tendrán una influencia en el régimen de disolución de gas dentro de u n líquido en tal dispositivo de mezclado, para un dispositivo dado sujeto a condiciones operacionales particulares, el tamaño de las burbujas determinará el área superficial interfacial disponible para contacto de gas-l íq uido y por lo tanto, la cantidad de gas que es capaz de ser disuelto en el líquido. Otra preocupación mayor es el hecho de que el dispositivo mostrado en esta patente puede ser operado solamente en una orientación vertical porque depende del lado de abajo de la cámara de lastre al recolectar gas q ue no está disuelto en el l íq uido para recircu lación de regreso al tubo de aspiración, y depende de la orientación horizontal de la cámara de lastre para mantener la estabilidad a cualq uier profu ndidad dada. En algunos sistemas de tratamiento de agua podría ser importante no d irig ir el fl ujo directamente desde el tubo de aspiración al fondo del estanque de tratamiento. Si el estanque es poco profundo y tiene u n fondo de tierra o revestimiento pol imérico , entonces el chorro de líquido puede dañar la superficie o capa del fondo. Sin embargo, aún cuando el estanq ue está hecho de un material sólido tal como concreto, si el líq uido que sale del tubo de aspiración golpea el fondo a alta velocidad, antes de que las bu rbujas se desprendan del líquido a alta velocidad, las burbujas se difundirán a una distancia suficiente que evitará q ue las burbujas que suben se recolecten en el lado de abajo de la cámara de lastre. Esto es exacerbado con tamaños grandes de burbujas que obtendrán u na velocidad ascendente final suficiente para escapar de la superficie del l íquido y evitarán el rearrastre con el líquido q ue se arrastra hacia el tubo de aspiración .
Han existido dispositivos que no tienen que operar en u na orientación vertical. En uno de tales dispositivos, el gas se inyecta a través de u n múltiple como anillo al interior del tubo de aspiración y abajo del impulsor. Este tipo de dispositivo tiene una serie de aberturas que son , cada una , de 0.31 7 centímetro. Esto produce bu rbujas grandes que alcanzarán u na velocidad ascendente final que es suficientemente alta para que una porción no insignificante del gas inyectado escape de la superficie del líquido. Además, el impulsor usado no es un impulsor helicoidal , sino más bien , un impulsor de aletas . Hay limitaciones en la cantidad de gas que puede ser disuelto en tal aparato porque, como se puede apreciar, conforme aumenta la cantidad de gas, no habrá suficiente líq uido para ser arrastrado y acelerado por el impulsor.
Como se discutirá, la presente invención proporciona un método y aparato en el cual el gas se inyecta directamente en el tubo de aspiración con un tamaño controlado de bu rbuja de gas que aumentará tanto el grado en el cual se puede disolver el gas en el líquido como también el grado en el cual el gas sin disolver será arrastrado en el flujo de líquido que se arrastra hacia el tubo de aspiración por el impulsor.
Breve Descri pción de la I nvención La presente invención proporciona u n método de inyección de u n gas en el cual se hace girar un impulsor helicoidal dentro de un tubo de aspiración colocado en el líquido. Esto crea un flujo de líquido med ia nte el arrastre del líquido hacia el tubo de aspiración desde por lo menos una abertura de entrada situada en u n extremo del tubo de aspiración y que descarga el flujo de líquido desde una abertura de descarga del tubo de aspiración colocada en el otro extremo del mismo. Se inyectan bu rbujas de gas en el tubo de aspiración , en por lo menos una ubicación situada arriba o abajo o en el lado del impulsor helicoidal de manera que u na porción de las burbujas de gas se disuelve en el flujo de líquido dentro del tubo de aspiración y una porción restante de las burbujas de gas se descarga desde la abertu ra de descarga. Las burbujas de gas descargadas desde la abertu ra de descarga se llevan al líq uido , dentro del flujo de l íquido , donde parte de la porción restante de las burbujas de gas disueltas en el líquido y una parte adicional de la porción restante de las burbujas de gas es arrastrada hacia el l íquido arrastrado al tubo de aspi ración a través de la por lo menos una abertura de entrada.
Las burbujas de gas se inyectan en el flujo de líquido con un diámetro u niforme de entre aproximadamente 1 0.0 micrones y aproximadamente 1 .0 milímetro para aumentar el área superficial de las bu rbujas de gas y por lo tanto, un rég imen de d isolución del gas dentro del líquido y para impartir una flotabilidad a la parte adicional de la porción restante de las bu rbujas de gas que resultará en por lo menos una velocidad ascendente final sustancialmente u niforme de las mismas. Se debe notar que, como se usa en la presente y en las reivindicaciones, el térmi no "aproximadamente" cuando se usa en conexión con el tamaño de las bu rbujas de gas sig nifica más o menos diez por ciento. El líquido es arrastrado hacia el tubo de aspiración con u na velocidad superficial mayor q ue la velocidad ascendente final sustancialmente uniforme de las burbujas para permitir el arrastre de la parte adicional de la porción restante de las burbujas de gas hacia el líquido mientras que se evita sustancialmente el escape del gas desde una superficie del líqu ido.
Las bu rbujas de gas pueden ser inyectadas desde una pluralidad de rociadores colocados dentro del tu bo de aspiración en ubicaciones radialmente separadas del mismo. Alternativamente, las burbujas de gas pueden ser inyectadas desde u na sección porosa interna de un rociador colocado dentro del tubo de aspiración y que tiene una config uración como anillo. En cualquiera de tales casos, el diámetro un iforme de las burbujas de gas está entre aproximadamente 10.0 micrones y aproximadamente 500.0 micrones. U na opción más es sumin istrar el gas suministrado a una pluralidad de boquillas colocadas dentro del tubo de aspiración en ubicaciones radialmente separadas del mismo y las burbujas de gas se inyectan desde la pluralidad de boqu illas. En el caso de inyección por boquillas, el diámetro u niforme de las burbujas de gas está entre aproximadamente 500.0 micrones y aproximadamente 1 .0 milímetro. El gas que se inyecta puede ser oxígeno, una mezcla que contiene ozono o dióxido de carbono .
La presente invención proporciona también u n apa rato para inyectar u n gas a u n l íq uido . El aparato tiene un tubo de aspiración adaptado para sumergirse en un líquido y que tiene por lo menos una abertu ra de entrada situada en u n extremo del tubo de aspiración y una abertu ra de desca rga colocada en el otro extremo del mismo. U n impu lsor helicoidal está colocado dentro del tubo de aspiración y un motor está conectado al tubo de aspiración . La flecha del motor se proyecta hacia el tubo de aspiración desde un extremo del tubo de aspiración y está conectada al impulsor helicoidal para hacer girar el impu lsor helicoidal y crear as í un flujo de líqu ido. Este flujo de líquido se crea arrastrando el líquido al tubo de aspiración desde la por lo menos una abertura de entrada y que descarga el flujo de líquido desde una abertu ra de descarga . Se proporcionan medios para inyectar burbujas de gas del gas al flujo de líq uido , dentro del tubo de aspiración , en por lo menos una ubicación situada arriba o abajo o a lado del impulsor helicoidal . Como resu ltado de tal inyección , una porción de las burbujas de gas disuelta en el flujo de líqu ido dentro del tubo de aspiración y una porción restante de las burbujas de gas se descarga n desde la abertura de descarga y se llevan al líquido , dentro del flujo de líquido. Parte de la porción restante de las burbujas de gas disuelta en el l íquido y una parte ad icional de la porción restante de las bu rbujas de gas son arrastradas al líquido arrastrado al tubo de aspiración a través de la por lo menos una abertura de entrada. El medio inyector de burbujas de gas está configurado para inyectar las burbujas de gas con un d iámetro uniforme de entre aproximadamente 10.0 micrones y aproximadamente 1 .0 milímetro para aumentar el área superficial de las burbujas de gas y por lo tanto, un régimen de disolución del gas dentro del líq uido y para impartir u na flotabilidad a la parte adicional de la porción restante de las burbujas de gas lo que resultará en por lo menos u na velocidad ascendente final sustancialmente uniforme de las mismas. El impulsor está configurado para y el motor es capaz de hacer girar el impulsor a una velocidad suficiente de manera que el líquido arrastrado hacia el tubo de aspiración tiene una velocidad superficial mínima mayor que la velocidad ascendente final sustancialmente u niforme de las burbujas de gas para permitir el arrastre de la parte adicional de la porción restante de las burbujas de gas hacia el líquido arrastrado hacia el tubo de aspiración mientras que se previene sustancialmente el escape de gas desde una superficie del líquido.
El medio i nyector de burbujas de gas puede comprender por lo menos un inyector que tiene por lo menos una abertura de inyección y un medio para suministrar el gas al por lo menos un inyector a un régimen de flujo predeterminado. La por lo menos una abertura de inyección está dimensionada para producir las burbujas de gas dentro del líqu ido con el por lo menos un diámetro sustancialmente uniforme al régimen de flujo predeterminado. El por lo menos un inyector de gas puede ser u na plu ralidad de rociadores colocada dentro del tubo de aspiración en ubicaciones radialmente separadas del mismo y la por lo menos una abertura de inyección es una pluralidad de aberturas de inyección formadas por u na capa superficial de bu rbuja ultrafina metálica , de metal sinterizado o polimérica . El por lo menos un inyector puede ser un rociador que tiene u na plu ralidad de aberturas de inyección. Tal rociador puede comprender un elemento como an illo colocado dentro del tubo de aspiración y que tiene una entrada para el gas q ue penetra u na pared lateral del tubo de aspiración . El elemento como an illo tiene una sección sólida externa y una sección porosa interna conectada a la sección sólida externa y formada por una capa superficial u ltrafina de burbuja , metálica , de metal sinterizado o polimérica para proporcionar la plu ralidad de abertu ras de inyección. En caso de rociado, la pluralidad de aberturas de inyección están dimensionadas para produci r las burbujas de gas dentro del líquido, al rég imen de flujo predeterminado, con el diámetro uniforme dentro de un rango de entre aproximadamente 1 0 micrones y aproximadamente 500 micrones. Alternativamente, el por lo menos un inyector de gas puede ser una pluralidad de boquillas colocadas dentro del tubo de aspiración en ubicaciones radialmente separadas del mismo y que proporcionan una plu ralidad de aberturas de inyección desde la pluralidad de boquillas. Cada u na de la plu ralidad de abertu ras de inyección está dimensionada para producir las burbujas de gas dentro del líquido, al régimen de flujo predeterminado, con el diámetro uniforme que está dentro de un rango de entre aproximadamente 500.00 micrones y aproximadamente 1 .0 milímetro.
En cualquier modalidad de la presente invención , el motor puede estar configu rado para sumergirse dentro del líquido junto con el tubo de aspiración . El tubo de aspiración puede tener un arreg lo cruciforme de álabes de gu ía en el otro extremo del tubo de aspiración.
Breve Descri pción de los Di bujos Aunque la especificación concluye con las reivindicaciones que señalan particu larmente el asunto materia que los Solicitantes contemplan como su invención, se cree que la invención se entenderá mejor cuando se tome en conexión con los dibujos anexos en los cuales: La Figu ra 1 es una vista en elevación de u n aparato para llevar a cabo un método de acuerdo con la presente invención , mostrado en un estado operativo en una base de tratamiento de aguas residuales mostrada en vista seccional , fragmentaria; La Figura 2 es una vista de planta superior del aparato mostrado en la Figura 1 ; La Figura 3 es una vista esq uemática , seccional, fragmentaria del aparato mostrado en la Figura 1 ; La Figura 4 es u na vista de planta superior de u n inyector de gas de acuerdo con la presente invención; La Figu ra 5 es una vista de planta superior de u n inyector de gas de acuerdo con la presente invención ; y La Figu ra 6 es u na vista de planta superior de un inyector de gas de acuerdo con la presente invención .
Descri pción Detallada de la Invención Con referencia a la Fig ura 1 , se ilustra un aparato 1 de acuerdo con la presente invención . El aparato 1 está diseñado para inyectar un gas indicado por la punta de flecha "A", por ejemplo, oxígeno, en un líquido 2 q ue para propósitos de ilustración se muestra como contenido en un tanque que tiene paredes laterales 3. Tal tanque podría ser parte de un sistema de tratamiento aeróbico de aguas residuales en el cual el l íquido 2 es licor mezclado que contiene agua residual y el gas "A" , oxígeno, se i nyecta en el licor mezclado de manera que se disuelve en el líquido. La presente invención, sin embargo, no está limitada a tal aplicación y lo precedente se menciona solamente para propósitos de ilustración .
Con referencia adicional a la Figura 2 , el aparato 1 está diseñado para ser sumergido completamente dentro del líquido 2 y por lo tanto, está suspendido dentro del líquido 2. Esto se logra en una manera convencional por medio de u n arreglo de flotadores 10 que están conectados por miembros 1 2 , los cuales están conectados a una pestaña superior 14. Un miembro 16 q ue se extiende hacia abajo está conectado a su vez a la pestaña superior 14 y al aparato 1 . Sin embargo , esto es para propósitos de ilustración solamente y el aparato 1 podría conectarse a una viga u otro miembro similar q ue abarca las paredes laterales 3 del tanque o de otro modo como se les ocurriría a aq uellos expertos en la técnica. Además, au nq ue el aparato 1 se ilustra en u na orientación vertical , es posible orientar el aparato 1 en un ángulo con la vertical.
Con referencia adicional a la Figura 3 , el aparato 1 está provisto con un tubo 20 de aspiración que tiene una abertura 22 de entrada formada por un extremo abierto 24 del tubo 20 de aspiración . Se entiende q ue las aberturas de entrada podrían estar situadas también en la pared lateral del tubo de aspiración con el extremo correspondiente del tubo de aspi ración cerrado. U na abertu ra 26 de descarga está colocada en el extremo opuesto 28 del mismo. U n impu lsor helicoidal 30 está colocado dentro del tubo 20 de aspiración que es impulsado por una flecha 32 un ida a un motor 34. El motor 34 está conectado al tubo 20 de aspiración por medio de elementos 36 como aletas. El motor 34 está conectado también al miembro 16 que se extiende hacia abajo para conectar así el aparato 1 con el miembro 1 6 que se extiende hacia abajo. El motor 34 puede ser un motor eléctrico del tipo que es capaz de fu ncionar mientras está sumergido en el l íq uido. También son posibles motores impulsores de gas. Sin embargo, las modalidades del aparato 1 son posibles en las cuales las operaciones se conducen cerca de la superficie del líquido 2 ; y en tal caso, el motor 34 podría no ser del tipo q ue es capaz de operaciones sumergidas. El impulsor helicoidal 30 está diseñado de preferencia de manera que en cada revolución , se impulsa un volumen de líquido a través del tu bo 20 de aspiración que tiene un volumen que se aproxima al volumen de líquido próximo a , y situado abajo del impulsor helicoidal 30 en el tubo de aspiración . El diseño del impulsor helicoidal es tal que cada rotación del impulsor helicoidal Adicionalmente, debe hacer algún claro entre el impulsor helicoidal 30 y la pared lateral que forma el tubo 20 de aspiración . Este claro está diseñado para ser por lo menor que o igual a 30% del diámetro del impulsor.
Como se puede ver mejor en la Figura 1 , la rotación del impulsor helicoidal 30 crea un flujo de l íquido arrastrando el líquido 2 hacia el tubo 20 de aspiración desde la abertura 22 de entrada como se indica por las puntas de flecha "B". El flujo de l íquido se descarga entonces desde la abertura 26 de descarga como se indica por la punta de flecha "C" . Como se muestra en la Fig ura 3, de preferencia, un arreglo de flujo cruciforme de álabes 29 de g uía puede ser proporcionado en la abertura 26 de salida como un enderezador de flujo para promover el flujo en la dirección de la punta de flecha "C" ayudando a remover la rotación dentro de tal flujo así como también para impartir corte adicional a la mezclun gas-l íquido.
Con referencia continuada a la Figura 3, situados dentro el tubo 20 de aspiración hay tres inyectores de gas separados que están d iseñados para inyectar burbujas de gas al flujo de líquido q ue pasa a través del tubo 20 de aspiración . Dos inyectores 38 de gas están situados arriba y abajo del impulsor 30 y un inyector 40 de gas está colocado ju nto al impulsor 30. Los inyectores de gas, inyectan burbujas de gas al flujo dentro del tubo 20 de aspiración . Con referencia a la Figura 4, cada uno de los inyectores 38 tiene una plu ralidad de rociadores alargados 42 colocados dentro del tubo 20 de aspiración en ubicaciones radialmente separadas que puede estar en una separación de 90 g rados. Si se proporciona un número mayor de rociadores 42 , entonces la separación sería menor que 90 grados. Cada uno de los rociadores 42 está formado por una capa de superficie de burbuja ultrafina metálica , de metal sinterizado o polimérica para formar u na pluralidad de aberturas de inyectores desde las cuales se inyectan las burbujas de gas al flujo dentro del tubo 20 de aspiración. Como se ilustra, los rociadores 42 son de configu ración cil indrica y las burbujas de gas emanarán principalmente de las superficies laterales curvadas de los mismos. Los rociadores 42 están conectados de preferencia a un múltiple 44 como anillo que está colocado también adentro del tubo 20 de aspiración . Las entradas opuestas 46 alimentan el múltiple como anillo con el gas "A" y por lo tanto, los rociadores 42. Se debe notar que se podría emplear una de tales entradas 46. Las entradas opuestas 46 están conectadas a y penetran la pared lateral que forma el tubo 20 de aspiración .
Con referencia a la Figura 5, el inyector 40 de gas comprende u n elemento 48 como anillo que tiene por lo menos u no y, como se ilustra, de preferencia dos entradas opuestas 50 para el suministro de gas. El elemento 48 como anillo tiene una sección sólida externa 52 y u n sección porosa interna 54 conectada a la sección sólida externa 52. La sección porosa interna 54 está formada por una capa superficial de burbuja ultrafina metálica, de metal sinterizado o polimérica para proporcionar la pluralidad de aberturas de inyección desde las cuales emanan las burbujas de gas. Con el fin de proporcionar un claro con el impu lsor helicoidal 30, el tu bo 20 de aspiración está dividido en dos secciones 56 y 58 que están conectadas por una sección 60 intermedia que se extiende hacia fuera de config uración anular. El inyector 40 de gas está montado dentro de la sección 60 intermedia que se extiende hacia fuera . Las dos entradas opuestas 50 penetran tal sección 60 que se extiende hacia fuera. Se debe notar que es posible formar el tubo 20 de aspiración en una sola sección con la superficie interna del inyector 40 de gas a ras con el impulsor helicoidal 30.
Con referencia específica otra vez a la Figu ra 1 , se proporcionan mú ltiples opuestos 61 y 62 que tienen conductos 64 y 66 de alimentación , respectivamente, que están conectados a su vez a las entradas opuestas 46 y 50 de los inyectores 38 de gas. El múltiple 61 está conectado al múltiple 62 por medio de u n conducto 68 de conexión y el múltiple 62 está conectado a su vez a u n tu bo 70 de suministro a través del cual se alimenta el gas "A" desde una fuente de gas comprimido .
Durante la operación del aparato 1 , se crea un circuito de recirculación para las burbujas de gas sin disolver q ue se descargan desde la abertura 26 de descarga y hasta el g rado de que tales burbujas de gas q ue permanecen sin disolver que son recaptu radas dentro del flujo de líquido "B' que se arrastra hacia la abertura 22 de entrada del tubo 20 de aspiración . En tal circuito de recirculación una porción de las burbujas de gas disuelto en el flujo de l íq u ido dentro del tubo 20 de aspiración y una porción restante de las bu rbujas 72 de gas se descargan desde la abertura 26 de descarga y son llevadas hacia el líquido 2 , dentro del flujo de líq uido, donde parte de la porción restante de las burbujas 72 de gas se disuelve en el l íq uido 2. U na parte ad icional de la porción restante de las burbujas 74 de gas debido a su flotabilidad sube dentro del líq u ido 2 a ser arrastrado hacia el líquido "B" arrastrado hacia el tubo 20 de aspiración a través de la abertu ra 22 de entrada . Con el fin de lograr, las burbujas de gas que se inyectan deben tener por lo menos un diámetro sustancialmente uniforme de entre 1 0.0 micrones y 1 .0 milímetros. U na burbuja de gas de diámetro dentro de este rango sirve para los dos propósitos. El tamaño pequeño de bu rbuja au mentará por supuesto el área superficial de las burbujas de gas y por lo tanto, un régimen de disolución del gas "A" dentro del líquido 2. Adicionalmente, la flotabilidad impartida a tales burbujas de gas, debido a su tamaño resultará en por lo menos una velocidad ascendente final uniforme sustancialmente baja q ue puede ser controlada. Este control de velocidad ascendente permitirá una ig ualación de tal velocidad con una velocidad superficial del líquido "B" q ue se arrastra hacia la abertu ra de entrada del tubo de aspiración . La velocidad superficial del l íq u ido "B" es controlada por la velocidad de rotación del impulsor 30 que se imparte al impulsor 30 por el motor 34 y la flecha 32 del mismo. Este arrastre , dependiendo de la cantidad de gas inyectada , puede actuar para evitar sustancialmente el escape del gas de una superficie del líquido 2. Habiendo dicho esto, las operaciones de la presente invención son contempladas donde hay algún escape del gas desde la superficie del líquido 2. Sin embargo, aú n en tales operaciones, el tamaño pequeño de bu rbuja controlado para obtener una velocidad ascendente final , uniforme menor q ue la velocidad superficial del líq uido "B" permitirá, no obstante, que una porción sustancial del gas se recapture para recirculación otra vez hacia el tubo 20 de aspiración.
Con el fin de obtener el tamaño de bu rbuja de las burbujas de gas inyectadas, los rociadores 42 de los inyectores 38 de gas y la superficie interna 54 del inyector 40 de gas se proporcionan con tamaños promed io de poros que son del tamaño deseado de burbuja dado que las bu rbujas de gas inyectadas no pueden ser más pequeñas que los poros a partir de los cuales se inyecta el gas al líq uido 2. En el caso de la capa de superficie de burbuja ultrafina metálica, de metal sinterizado o polimérica, el tamaño promedio de poro y por lo tanto el tamaño de bu rbuja puede variar entre aproximadamente 1 0 micrones y aproximadamente 500 micrones. En este respecto, en lugar de los rociadores 42 de los inyectores 38 de gas, como se muestra en la Figura 6, se pod rían usar inyectores 38' de gas que tienen boq uillas 42' en lugar de los rociadores 42. Cada boquilla 42' es de config uración cil ind rica y está provista con un pasaje cilindrico 43, axial, que termina en u na abertu ra desde la cual las bu rbujas de gas entran al líq uido. Tal pasaje puede variar desde 500 micrones hasta 1 mm de diámetro para formar burbujas de entre aproximadamente 500 micrones y aproximadamente 1 mm . Además de las boquillas 42', el inyector 38' de gas pod ría ser idéntico al inyector 38 de gas. Como sería conocido por aquellos expertos en la técnica , la presión "A" de gas debe ser suficiente para superar la caída de presión del inyector de gas. Eto es menos preocupante con inyectores de gas q ue tienen boq uillas. El flujo de gas a los inyectores de gas es importante porque si el flujo de gas es muy alto, las burbujas se recombinarán y por lo tanto, no estarán en el rango deseado de tama ño. Además, habrá invariablemente una ligera variación en el tamaño de poro de los rociadores que usan capas superficiales de burbuja ultrafinas de metal sinterizado o poliméricas. Consecuentemente, las variaciones de tamaño de burbuja de más o menos diez por ciento, como se discutió antes, son aceptablas en la práctica de u n método de acuerdo con la presente invención . En el caso de rociadores que utilizan capa superficial de burbuja ultrafina metálica, de metal sinterizado o polimérica, el área superficial de tal material tendrá una influencia directa sobre la cantidad de gas que puede ser disuelto en el líquido .
Aunq ue se ilustran tres inyectores de gas, 38 y 40 , es posible usar solamente uno de tales inyectores de gas, el inyector 38 de gas o el inyector 40 de gas en una sola ubicación , por ejemplo arriba o abajo del impu lsor helicoidal 30. En el caso del inyector 40 de gas, un sólo inyector pod ría estar situado al lado del impulsor helicoidal 30, como se ilustra en las Figuras. Adicionalmente, un solo inyector 38' de gas podría estar situado ya sea arriba o abajo del impulsor helicoidal 30. Depend iendo de la aplicación , el gas puede ser inyectado en cualquier nivel. Por ejemplo , en sistemas de alta viscosidad es benéfico para inyecta r un gas de proceso tal como oxígeno, arriba de un impulsor helicoidal de alto corte usando sistemas rociadores de metal sinterizado que permiten que las burbujas finas entren en contacto con el líq u ido en la región de alto corte próxima a y adentro de la región del impulsor helicoidal . I nyectar gases en el punto de máximo corte permite el contacto de gas-l íquido y la dispersión de burbujas óptimos. Se debe notar que si se usan o no múltiples inyectores de gas, se debe notar q ue el flujo del gas será menor al de u n inyector colocado arriba del impulsor helicoidal 30 dado que conforme aumenta el flujo de gas en tal u bicación , el gas desplazará el líquido y el impu lsor helicoidal será menos efectivo para motivar el flujo de líquido a través del tubo 20 de aspiración .
En términos más específicos, la cantidad de gas "A" disuelta d urante el proceso de contacto de gas-l íquido en el tubo 20 de aspiración se determina por varios factores que incluyen: (i) la longitud del tubo 20 de aspiración; (ii) la presión efectiva en el tubo 20 de aspiración ; (iii) la solubilidad del gas a condiciones de temperatu ra y presión en el tubo 20 de aspiración; (iv) las condiciones de corte y mezclado en el tubo 20 de aspiración ; (v) el tamaño de las burbujas , que determinará el área superficial interfacial dispon ible para el contacto gas-líquido; (vi) la proporción de los volúmenes de gas a líquido; y (vii) el tiempo disponible para el contacto de gas-líquido en el tubo 20 de aspiración . La cantidad de las burbujas 72 de gas sin d isolver que se expulsan en la abertura 26 de descarga del tubo 20 de aspiración se determina por lo tanto por la efectividad del proceso de transferencia de masa en el tubo 20 de aspiración como se expuso antes.
La acción de bombeo descendente del impulsor 30 en el tubo 20 de aspiración establace el circuito de recirculación , antes descrito, con un flujo volumétrico máximo que se determina por el vol umen libre, o de barrido en el tubo 20 de aspiración y la velocidad rotacional del impulsor 30. El rango cubierto por el circuito de recirculación es decir, su alcance horizontal será una fu nción de varias variables q ue incluyen : (i) altura de líquido sobre la abertura 22 de entrada ; (ii) arrastre intrínseco por succión de líqu ido que puede ser determinado multiplicando el volumen de barrido dentro del tubo 20 de aspiración o en otras palabras, el volumen de líquido evacuado del tubo de aspiración por el impulsor helicoidal 30 du rante cada rotación por la velocidad rotacional del impulsor helicoidal 30; y (iii) el claro del tubo 20 de aspiración desde el fondo del estanq ue que contiene el líquido 2 que en la ilustración es el fondo 4 del estanq ue. Este claro puede afectar la presencia o desarrollo de corrientes secundarias de mezclado que pueden ayudar o impedir el flujo primario de circulación. El rango horizontal del circuito de recirculación afecta cuántos de los gases sin disolver son recuperables. U n amplio rango horizontal permite que se capture u na cantidad más grande de gases sin disolver.
Las bu rbujas 74 de gas sin disolver son arrastradas en el chorro "C" de alta velocidad expulsado de la abertura 26 de descarga del tubo 20 de aspiración . Las burbujas continuarán siendo llevadas hacia abajo en este chorro siempre que el arrastre viscoso del líquido exceda la fuerza de flotabilidad hacia arriba de la burbuja . El chorro de líquido transfiere momentum a las capas próximas del volumen de líquido a medida que viaja hacia abajo. Como se muestra por las líneas " D", la velocidad del chorro "C" disminuirá debido al arrastre viscoso y de aquí que, el chorro del flujo de líquido q ue emana de la abertura 26 de salida tenderá a divergir conforme dismin uye la velocidad . A cierta profu ndidad crítica , las fuerzas viscosa y de flotabilidad se equilibran y las burbujas se desacoplan . En general , la velocidad ascendente final de las burbujas 72 de gas excede la velocidad del volumen del chorro de l íq uido arrastrado en este punto. Cualesquierun gases sin disolver captu rados en el circuito de circulación de l íquido necesitarán superar la alta velocidad de la corriente de arrastre para romper la superficie del líquido. Por ejemplo , suponiendo diámetros promedio de burbuja de 1 .0 mm , la ley de Stokes dicta que una burbuja esférica de gas en agua tend rá una velocidad terminal ascendente de aproximadamente 0.55 metros/segu ndo. En contraste, para el sistema especificado en la Tabla 1 , la velocidad superficial del flujo de l íquido del flujo de líq uido "B" que se arrastra hacia la abertura 22 de entrada del tubo de aspiración es aproximadamente de 6.4metros/segundo. En este respecto , como se usa en la presente y en las reivindicaciones, el término "velocidad superficial" cuando se usa en relación con la velocidad del flujo de líquido del flujo de l íq uido "B" significa el régimen de flujo a través del tubo 20 de aspiración dividido entre el área seccional transversal del mismo. El mayor valor de la velocidad superficial del líq uido en el tubo de aspiración para la velocidad terminal ascendente de la burbuja asegura que los gases sin disolver sean arrastrados en el flujo circulatorio del líquido y no rompan la superficie. Aseg urando q ue se mantenga un valor relativamente mayor de velocidad superficial del líquido en el tubo de aspiración para la velocidad ascendente terminal de la burbuja , se pueden log rar la captu re confiable y la recuperación de gases sin disolver sin u na campana de recolección o superficie de contención .
La siguiente Tabla ilustra u n ejemplo calculado de aparato 1 que fu nciona en un entorno de ag ua residual en el cual el tubo 20 de aspiración está cerca de la superficie del líqu ido 2.
TABLA 1 Para propósitos del Ejemplo, el impulsor helicoidal está diseñado de manera que durante cada revolución , el impulsor helicoidal impulsa un volumen de flujo de l íquido proporcional al volumen dentro del tubo de aspiración que está situado cerca de y abajo del impulsor helicoidal. El régimen de bombeo efectivo en el ejemplo es de 26.3 m3/min, o 1 578 m3/hr. Otra vez, para este ejemplo, puesto q ue el tubo de aspiración está cerca de la superficie, la presión atmosférica en el líq uido q ue se bombea por el tubo de aspiración es aproximadamente de 1 .0 atmósferas; y a tal presión y suponiendo una temperatu ra de aproximadamente 20°C , la solubilidad de oxígeno es aproximadamente de 45.0 mg 02/litro, o 0.045 kg 02/m3. Dado un régimen de bombeo de 1 578 m3/h r, el límite de disolución a satu ración para el oxígeno en el tubo de aspiración ascenderá a la cantidad para la solubilidad de oxígeno (0.045 kg 02/m3) multiplicada por el régimen de bombeo (1 578 m3/hr), es decir, 0.045 kg 02/m3 x 1 578 m3/hr lo que sería igual a 71 .01 kg 02/hr. En el ejemplo, el valor calculado de 71 .01 kilogramos por hora representa la cantidad máxima teórica de oxígeno q ue se disolvería en el flujo de líquido si todo el oxígeno inyectado se disolviera en el tubo de aspiración . Esto correspondería a una proporción de volumen de gas i nyectado Vg y el volumen del flujo efectivo de líquido VI igual a 0.0321 . Sin embargo, el aparato 1 de la presente invención es capaz de disolver más oxígeno en el flujo de líquido que se descarga del tubo de aspiración , en el l íquido ambiental que rodea el flujo de líquido y en recircular por lo menos una porción del oxígeno que permanece sin disolver de regreso al tubo de aspiración . Como tal operación teórica de la presente invención está contemplada en donde a una eficiencia de transferencia estándar de oxígeno ("SOTE") mayor que 90 por ciento, se inyectan 1 10.5 kg/hora de oxígeno. Esto correspondería a u na proporción de Vg/VI de 0.05. Prácticamente , en el límite inferior, se perderían 1 1 .05 kg/hora de oxígeno en la superficie del liquido. Sin embargo , 99.45 del oxígeno inyectado no se perderían y parte del exceso arriba de 71 .01 kg/hora se disolvería en el líquido y u na parte adicional del mismo se recircularía de regreso al tubo de aspiración dado el tamaño pequeño de bu rbuja que se inyecta al tubo de aspiración . La inyección directa de bu rbujas de tamaño pequeño al tubo de aspiración , permite que la presente invención supere los límites de inducción de gas del sistema , consecuentemente, hay capacidad de inyectar más gas al líquido que en la técnica anterior.
Au nq ue la presente invención se ha descrito con referencia a modalidades preferidas, como se les ocurrirá a aquellos expertos en la técnica , se pueden ser numerosos cambios, adiciones y omisiones sin apartarse del espíritu y el alcance de la invención como se expone en las reivindicaciones anexas.

Claims (12)

REIVINDICACIONES
1. Un método de inyección un gas en un líquido que comprende: hacer girar un impulsor helicoidal dentro de un tubo de aspiración colocado en el líquido para crear un flujo de líquido aspirando el líquido hacia el tubo de aspiración desde por lo menos una abertura de entrada situada en un extremo del tubo de aspiración y descargar el flujo de líquido desde una abertura de descarga del tubo de aspiración colocada en el otro extremo del mismo; inyectar burbujas de gas al tubo de aspiración, en por lo menos una ubicación situada arriba o abajo o al lado del impulsor helicoidal de manera que una porción de las burbujas de gas se disuelve en el flujo de líquido dentro del tubo de aspiración y una porción restante de las burbujas de gas son descargadas desde la abertura de descarga y se llevan hacia el líquido, dentro del flujo de líquido, donde parte de la porción restante de las burbujas de gas se disuelve en el líquido y una parte adicional de la porción restante de las burbujas de gas es arrastrada hacia el líquido arrastrado al tubo de aspiración a través de la por lo menos una abertura de entrada; las burbujas de gas inyectadas al flujo de líquido con un diámetro uniforme de entre aproximadamente 10.0 micrones y aproximadamente 1.0 milímetro para aumentar el área superficial de las burbujas de gas y por lo tanto, un régimen de disolución del gas dentro del líquido y para impartir una flotabilidad a la parte adicional de la porción restante de las burbujas de gas que resultará en por lo menos una velocidad ascendente final sustancialmente uniforme del mismo; y el líquido arrastrado al tubo de aspiración con una velocidad superficial mayor que la velocidad ascendente final sustancialmente uniforme de las burbujas de gas para permitir el arrastre de la parte adicional de la porción restante de las burbujas de gas hacia el líquido.
2. El método de la reivindicación 1 , en donde: las burbujas de gas se inyectan desde una pluralidad de rociadores colocados dentro del tubo de aspiración en ubicaciones radialmente separadas del mismo; y el diámetro u niforme está entre aproximadamente 10.0 micrones y aproximadamente 500.0 micrones.
3. El método de la reivindicación 2 , en donde: las bu rbujas de gas se inyectan desde una sección interna porosa de un rociador colocado dentro del tubo de aspiración y q ue tiene una configuración como anillo; y el diámetro u niforme está entre aproximadamente 1 0.0 micrones y aproximadamente 500.0 micrones.
4. El método de la reivindicación 1 , en donde: el diámetro uniforme está entre aproximadamente 500.0 micrones y aproximadamente 1 .0 mil ímetro; el gas se suministra a una pluralidad de boquillas colocadas dentro del tubo de aspiración en ubicaciones radialmente separadas del mismo; y las burbujas de gas del gas se inyectan desde la pluralidad de boquillas.
5. El método de la reivindicación 1 , en donde, el gas es oxígeno, una mezcla que contiene ozono o dióxido de carbono.
6. U n aparato para inyectar un gas en un l íquido que comprende: un tubo de aspiración adaptado para ser sumergido en un líq uido y que tiene por lo menos una abertura de entrada situada en un extremo del tubo de aspiración y una abertu ra de descarga colocada en el otro extremo del mismo; un impulsor helicoidal colocado dentro del tubo de aspiración ; u n motor conectado al tubo de aspiración y una flecha que se proyecta hacia el tubo de aspiración desde el un extremo del tubo de aspiración y conectada al impulsor helicoidal para hacer girar el impulsor helicoidal y así para crear un flujo de líquido aspirando el líquido hacia el tubo de aspiración desde la por lo menos una abertura de entrada y descargar el flujo de líquido desde una abertura de descarga; medios para inyectar burbujas de gas del gas hacia el flujo de líquido, dentro del tubo de aspiración , en por lo menos una ubicación situada arriba o abajo o al lado del impulsor helicoidal de manera q ue una porción de las bu rbujas de gas se disuelve en el flujo de líquido dentro del tubo de aspiración y una porción restante de las burbujas de gas son descargadas desde la abertura de descarga y son llevadas hacia el líquido, dentro del flujo de líquido, donde parte de la porción restante de las bu rbujas de gas se disuelve en el líquido y una parte adicional de la porción restante de las bu rbujas de gas es arrastrada hacia el líquido arrastrado al tubo de aspiración a través de la por lo menos una abertura de entrada; y el medio inyector de burbujas de gas configurado para inyectar las burbujas de gas con por lo menos un diámetro sustancialmente uniforme de entre aproximadamente 1 0.0 micrones y aproximadamente 1 .0 mil ímetro para aumentar el área superficial de las burbujas de gas y, por lo tanto, un régimen de disol ución del gas dentro del líq u ido y para impartir una flotabilidad a la parte adicional de la porción restante de las burbujas de gas que resultará en por lo menos una velocidad ascendente final sustancialmente uniforme de las mismas; y el impulsor config urado y el motor capaz de hacer girar el impulsor a una velocidad suficiente de manera que el líquido arrastrado al tubo de aspiración tenga una velocidad superficial m ínima mayor q ue la velocidad ascendente final sustancialmente uniforme de las burbujas de gas para permitir el arrastre de la parte adicional de la porción restante de las burbujas de gas hacia el líquido arrastrado al tubo de aspiración .
7. El aparato de la reivindicación 6, en donde el medio inyector de burbujas de gas comprende: por lo menos u n inyector que tiene por lo menos u na abertu ra inyectora; medios para suministrar el gas al por lo menos un inyector a u n régimen de flujo predeterminado; y la por lo menos una abertura inyectora dimensionada para prod ucir las bu rbujas de gas dentro del líquido con el diámetro u niforme al régimen de flujo predeterminado.
8. El aparato de la reivindicación 7, en donde: el por lo menos un inyector de gas es una plu ralidad de rociadores colocados dentro del tubo de aspiración en ubicaciones radialmente separadas del mismo; la por lo menos una abertura inyectora es una pluralidad de aberturas inyectoras formadas por una capa de superficie de burbuja ultrafina metálica , de metal sinterizado o polimérica; y la pluralidad de aberturas inyectoras están dimensionadas para producir las burbujas de gas dentro del líquido, al régimen de flujo predeterminado, con el diámetro uniforme dentro de u n rango de entre aproximadamente 1 0 micrones y aproximadamente 500 micrones.
9. El aparato de la reivindicación 7, en donde: El por lo menos un inyector es un rociador que tiene una pluralidad de aberturas inyectoras; el rociador q ue comprende un elemento como anillo colocado dentro del tubo de aspiración y que tiene una entrada para el gas que penetra una pared lateral del tubo de aspiración ; el elemento como an illo que tiene una sección sólida externa y una sección interna porosa conectada a la sección sólida externa y formada por una capa de superficie de burbuja ultrafina metálica, de metal sinterizado o polimérica para proporcionar la pluralidad de aberturas inyectoras; y la pluralidad de abertu ras inyectoras están dimensionadas para produci r las bu rbujas de gas dentro del l íquido, al régimen de flujo predeterminado, con el diámetro uniforme dentro de u n rango de entre aproximadamente 1 0 micrones y aproximadamente 500 micrones.
1 0. El aparato de la reivindicación 7, en donde el por lo menos un inyector de gas es una pluralidad de boquillas colocadas dentro del tubo de aspiración en ubicaciones radialmente separadas del mismo y que proporcionan una pluralidad de aberturas inyectoras desde la pluralidad de boquillas; y cada una de la pluralidad de abertu ras inyectoras está dimensionada para producir las bu rbujas de gas dentro del líquido, al régimen de flujo predeterminado, con el d iámetro uniforme dentro de un rango de entre aproximadamente 500.00 micrones y aproximadamente 1 .0 milímetro.
1 1 . El aparato de la reivindicación 6 o la reivindicación 7 o la reivindicación 8 o la reivindicación 9 o la reivindicación 1 0, en donde el motor está configurado para ser sumergido dentro del líq u ido junto con el tubo de aspiración .
12. El aparato de la reivindicación 1 1 , en donde el tubo de aspiración tiene u n arreg lo cruciforme de aletas de gu ía en el otro extremo del tubo de aspiración . RESUM EN Un método y aparato para inyectar un gas en un líquido en el cual un impulsor helicoidal (30) giratorio dentro de u n tubo de aspiración (20) sumergido en el l íquido crea u n flujo de l íquido dentro del tubo de aspiración . Se inyectan bu rbujas de gas al tubo de aspi ración ya sea arriba o abajo o al lado del impulsor helicoidal o en las tres ubicaciones. El líquido es arrastrado al tubo de aspiración con una velocidad superficial mayor que una velocidad ascendente final sustancialmente uniforme de las bu rbujas de gas para permitir el arrastre de las burbujas de gas sin disolver en el grueso de liquido en el líq u ido que se arrastra al tubo de aspiración. Las bu rbujas de gas se inyectan con u n diámetro un iforme de entre aproximadamente 1 0.0 micrones y aproximadamente 1 .0 milímetros . El tamaño peq ueño de bu rbuja aumenta la disolución del gas en el líquido y permite también el arrastre del gas al líquido que se arrastra al tubo de aspiración . El gas puede ser oxígeno, ozono o dióxido de carbono.
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