MXPA99011115A - Disolucion incrementada de gas - Google Patents

Abstract

Oxígeno u otros gases son disueltos en grandes cuerpos de líquido mediante inyección bajo un deflector para paso a un ensamble de medios impulsor-tubo-aspiración hueco sumergido para paso hacia abajo en el mismo. El líquido que contiene gas disuelto es dispersado por todo el cuerpo del líquido, mientras que cualquier gas no disuelto es recuperado y reciclado efectivamente. También se describe una modalidad diseñada especialmente para uso con gases que contienen oxígeno que tienen menos de 90%en volumen de oxígeno.

Description

DISOLUCIÓN I NCREMENTADA DE GAS ANTECEDENTES DE LA I NVENCIÓN CAMPO DE LA I NVENCIÓN Esta invención se refiere a la disolución de gases en líquidos. Más particularmente, se refiere a la oxigenación de grandes cuerpos de agua.

DESCRI PCIÓN DE LA TÉCN ICA ANTER IOR . La destrucción de desperdicios líquidos es lograda comúnmente a bajo costo mediante procesos de bio-tratamiento de fase lechada en lagunas, depósitos municipales superficiales y tanques grandes. En tales procesos, organismos biológicos, los cuales pueden ser ya sea autóctonos al cuerpo de desperdicio o sembrados en esos desde una fuente externa, consumen contaminantes orgánicos, tóxicos presentes en el cuerpo de desperdicio y los convierten a substancias menos dañinas.

Para tales propósitos de bio-tratamiento, los organismos aeróbicos son los más comúnmente empleados porque, en general , destruyen contaminantes orgánicos mucho más rápido que los organismos anaerobios. Será apreciado que debe suministrarse oxígeno a tales procesos con el fin de mantener un alto régimen de destrucción de contaminantes. La aireación superficial es un método común de suministro de oxígeno que puede usarse en operaciones de bio-tratamiento en fase lechada. Tal aireación superficial está descrita en la Patente de Haegeman de E. U . , No. 4,468,358. En este enfoque, el agua es bombeada desde un cuerpo de desecho al aire para el arrastre y disolución de oxígeno en el mismo. Se puede alcanzar una eficiencia de transferencia de oxígeno efectiva de aproximadamente 1 .9-2.6 Ib/hp-hr con esto. Los métodos de aireación superficial pueden causar espumado severo y, debido a que promueven contacto íntimo entre el material de desecho y el aire circundante, resulta en emisiones al aire muy altas de productos químicos orgánicos indeseables. Esparcir aire es otro método común para suministrar oxígeno a cuerpos de desecho para tales propósitos de bio-tratamiento. Sin embargo, los aspersores de aire convencionales resultan típicamente en la disolución de solamente 5- 10% del oxígeno inyectado en los cuerpos de desecho por esto. Así, por ejemplo, aproximadamente 4.65-9.30 m3 estándar de aire deben ser inyectados a los cuerpos de desecho con el fin de disolver 0.093 m3 estándar de oxígeno. Además, el esparcido de aire puede causar niveles inaceptables de emisiones de productos químicos orgánicos como un resultado de la acción de despojado de oxígeno y nitrógeno de desecho en compuestos volátiles, cuando están presentes en los cuerpos de desecho que son tratados. También puede ocurrir espumado severo durante las operaciones de esparcimiento de aire. Si el aire es reemplazado por oxígeno puro para propósitos de bio-tratamiento, se requiere un volumen de gas de alimentación mucho más pequeño para alcanzar el mismo nivel de oxígeno disuelto logrado mediante esparcimiento de aire, y resulta en niveles de emisión al aire grandemente reducidos. Sin embargo, la mayoría del oxígeno puro inyectado debe ser disuelto para que tal procesamiento sea económico. Además, la composición de cualquier removido gas debe estar fuera de los límites de inflamabilidad de productos químicos orgánicos contenidos en la laguna u otro cuerpo de líquido de desecho. El bio-tratamiento en fase lechada ha sido practicado, en un enfoque M IXFLO™ así llamado, bombeando una lechada de corriente lateral desde un tanque o laguna e inyectando oxígeno puro a la misma. La mezcla de dos fases resultante se pasa entonces a través de una tubería para hacer contacto en donde se disuelve aproximadamente 60% del oxígeno inyectado. La lechada así oxigenada y el oxígeno restante sin disolver son re-inyectados entonces al tanque o laguna mediante paso a través de eductores líquido/líquido. Aproximadamente 75% del oxígeno sin disolver que permanece en la entrada del eductor es disuelto por esto, resultando en la disolución global del 90% del oxígeno inyectado. La potencia de bombeo requerida para esta aplicación es relativamente alta, es decir, que tenga una eficiencia de transferencia de oxígeno efectiva de aproximadamente 0.9 kg/hp-hr. El Proceso U NOX® es un proceso de aireación superficial que usa un cabezal que contiene oxígeno puro. Se puede alcanzar una eficiencia de transferencia de oxígeno efectiva de 2.95-3.27 kg/hp-hr usando este proceso y sistema. Este enfoque puede causar espumado severo, y el líquido de desecho debe ser bombeado desde un tanque grande o laguna hasta un reactor de tanque externo, tratado en el mismo y regresado a dicho tanque grande o laguna. Así, está sujeto a costos de bombeo considerables.

Otros dos enfoques que se llevan a cabo de manera similar en sistemas de tanque confinado, cubiertos, son los procesos y sistemas Advanced Gas Reactor (AG R) y Liquid Organic Reactor (LOR) de Praxair, Inc. El sistema y proceso AGR, cubierto mediante la Patente de Litz de E. U . , Re. 32,562, usa un ensamble de tubo impulsor/aspiración de tornillo helicoidal en un reactor para aumentar la disolución de oxígeno desde un espacio de gas elevado. Conforme gira el impulsor, la lechada es bombeada a través del tubo de aspiración para crear, junto con deflectores colocados en la parte superior del tubo de aspiración, vórtices en el líquido bombeado que resulta en el arrastre de gas desde el cabezal del reactor. Cualquier gas no disuelto en un solo paso a través del tubo de aspiración es re-circulado al cabezal y reciclado. El enfoque AGR tiene una eficiencia de transferencia efectiva de aproximadamente 4.54 kg/hp-hr (eficiencia de transferencia estándar de 7.72-8.17 kg/hp-hr), y resulta en la disolución de casi 100% del oxígeno introducido al sistema. - También ingiere y destruye espuma por su paso a través del tubo de aspiración. El proceso y sistema LOR, cubierto por la Patente de Litz y colaboradores, de E. U. , No. 4,900,480, está diseñado para disolver oxígeno con seguridad en líquidos que contienen productos químicos orgánicos. En ciertas modalidades, un deflector horizontal está colocado arriba del tubo impulsor/aspirador para proporcionar una zona de inactividad de líquido arriba de la zona asignada para mezclado de gas-líquido. El oxígeno es inyectado directamente a la zona impulsora aun régimen suficiente para sostener un alto régimen de reacción, pero suficientemente bajo para mantener el nivel de oxígeno por debajo de los límites de inflamabilidad de contenidos orgánicos de reactor. El enfoque LOR, como el AGR, consume menos energía por kilogramo de oxígeno disuelto que los sistemas de bombeo, siendo la eficiencia de transferencia efectiva del LOR aproximadamente 4.54 kg/hp-hr. Ambos enfoques, el AGR y el LOR se llevan a cabo en sistemas de tanque confinado, cubierto. Debido a que los requisitos del tanque de estos y debido a los problemas de espumado adicionales asociados con el enfoque U NOX aludidos anteriormente, se desean en la técnica mejorías adicionales en disolución de oxígeno. Tales mejorías, en particular, se desean a la luz de los requisitos de energía elevados asociados con M1XFLO. Es un objetivo de la invención, por lo tanto, proporcionar una propuesta mejorada para la disolución de oxígeno en líquidos. Es otro objetivo de la invención, proporcionar un sistema para la disolución eficiente de oxígeno en grandes cuerpos de líquido. Con estos y otros objetivos en mente, la invención es descrita en detalle de aquí en adelante, siendo señalados particularmente los aspectos novedosos de la misma en las reivindicaciones adjuntas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA I NVENCIÓN Un ensamble de tubo impulsor o impulsor/aspirador está cubierto mediante un deflector de separación de aire/gas recirculante o medios de cubierta flotantes, y soportados o flotados en un cuerpo grande de líquido. Gas, tal como oxígeno o dióxido de carbono, es inyectado bajo el deflector o cubierta flotante y es ingerido a la succión del impulsor. El sistema se emplea sin un tanque externo de confinamiento para el líquido. Líquido rico en gas disuelto y cualquier gas no disuelto se descargan desde el fondo del tubo de aspiración. El gas no disuelto flota hacia la superficie y es recuperado por dicho deflector o medio de cubierta flotante para recirculación al ensamble impulsor o impulsor/aspirador. El líquido con gas disuelto se distribuye en el cuerpo grande de líquido.

BREVE DESCRI PCIÓN DE LOS DI BUJOS La invención se describe de aquí en adelante con referencia a los dibujos adjuntos en los cuales: La Figura 1 es un diagrama de flujo esquemático de una modalidad de la invención , colocada en una laguna u otro cuerpo grande de líquido; La Figura 2 es una gráfica de los perfiles radiales de distribución de gas en la parte superior y fondo de una modalidad particular de tubo de aspiración de la invención; La Figura 3 es una gráfica que muestra la eficiencia de transferencia de oxígeno por unidad de caballos de potencia a varios niveles de líquido en el sistema oxigenador in situ de la invención . La Figura 4 es un diagrama de flujo esquemático de una modalidad de la invención, para uso con un gas que contiene oxígeno que tiene entre 21 -95% en volumen de oxígeno.

DESCRI PCIÓN DETALLADA DE LA I NVENCIÓN Los objetivos de la invención se realizan empleando un sistema de oxigenación eficiente colocado en una laguna u otro cuerpo grande de líquido. El sistema comprende medios impulsores de bombeo hacia abajo o un ensamble de tubo impulsor/aspirador colocado en dicho cuerpo de líquido, sin un tanque externo de confinamiento, y cubierto por un deflector de separación de aire/gas recirculante o cubierta flotante. La cubierta flotante puede mantener su posición relativa en dicho cuerpo de líquido porque está soportada mediante un dispositivo de flotación pegado que es más ligero que el agua. En la alternativa puede ser autosoportado debido a su estructura hueca y/o su construcción de material de peso ligero. Gas, tal como oxígeno es inyectado al cuerpo de líquido, como en los enfoques AGR o LOR, con dicho gas que es inyectado bajo el deflector o cubierta flotante adaptada para atrapar el gas no disuelto que escapa. El gas es ingerido, mediante la succión del impulsor de bombeo hacia abajo, a la corriente de líquido que pasa hacia abajo en el tubo de aspiración, para disolución aumentada en el mismo. El líquido gasificado así, y cualquier gas sin disolver, son descargados desde el fondo del tubo de aspiración. Aunque se hace referencia más adelante a oxígeno para conveniencia al describir la invención, será entendido que el oxígeno es un ejemplo ilustrativo de los gases que pueden ser disueltos en un cuerpo grande de líquido en la práctica de la invención. En una modalidad de la invención mostrada en la Figura 1 de los dibujos, un cuerpo grande de líquido, v. g. , un lago, un depósito municipal superficial, tanque, estanque, laguna o los similares, está representado por el número 1 en el cual medio deflector 2, colocado de manera horizontal convenientemente y en forma como cónica comúnmente, está colocado, mediante flotadores 3. El tubo 4 hueco de aspiración está colocado bajo dicho medio deflector 2 y tiene medio impulsor 5 colocado en el mismo. Dicho medio impulsor 5 está impulsado por la flecha de impulsión 6 que se extiende hacia arriba por encima del nivel del agua de dicho cuerpo de líquido 1 y está impulsado por el motor impulsor 7. El oxígeno es inyectado al cuerpo de líquido a través de la línea 8 adaptada para inyectar el oxígeno de preferencia debajo, o en la proximidad de, el medio deflector 2 para ser ingerido en la succión del medio impulsor 5. De hecho, puede preferirse inyectar el gas directamente al vórtice creado por el impulsor, por razones que serán discutidas más adelante. Una derivación 9 de presión está provista tal que puede determinarse el nivel del l íquido bajo el medio deflector 2. Líquido oxigenado y cualquier oxígeno sin disolver son descargados desde el fondo del tubo de aspiración 4. El líquido oxigenado que pasa de la aspiración no es reciclado a la parte superior del tubo de aspiración para paso a través del medio impulsor 5, como en los sistemas AGR y LOR, debido a la ausencia de un tanque externo de confinamiento en operación con una laguna u otro cuerpo de líquido 1 en tales aplicaciones de cuerpos grandes de l íquido, es deseable recircular el líquido descargado a la succión del impulsor. Si el líquido que se descarga desde el fondo del tubo de impulsión fuera reciclado a la succión en el extremo superior del tubo de aspiración, el oxígeno disuelto no se dispersaría rápidamente hacia fuera hacia la masa de líquido en la laguna. En consecuencia, el l íquido en la zona de influencia del impulsor tendría un nivel de oxígeno disuelto muy alto, y el líquido lejos de esta zona estaría privado de oxígeno. Para todas las modalidades de esta invención, es lo más deseable poner en contacto el oxígeno puro directamente con el líquido agotado en oxígeno con el fin de obtener el régimen máximo de transferencia de oxígeno. Cualquier oxígeno no disuelto en el líquido por paso a través de la zona impulsora en el tubo de aspiración que se eleva cerca de la pared del tubo de aspiración, v. g. , en el patrón de flujo 10, debido a su flotabilidad, es capturado por el medio deflector 2 cónico-horizontal, y es canalizado de regreso hacia el medio impulsor 5 dentro del tubo de aspiración 4. El deflector cónico está adaptado deseablemente y es suficientemente amplio para capturar la mayor parte del oxígeno sin disolver, resultando en la utilización de 100% del oxígeno esencialmente en la práctica de la invención. El líquido oxigenado descargado desde el fondo del tubo de aspiración 4 fluye hacia fuera al cuerpo del l íquido en el patrón de flujo 1 1 tal que el oxígeno disuelto es dispersado rápidamente por todo el cuerpo de líquido 1 . Los perfiles radiales de distribución de gas se midieron para un medio impulsor de 7.62 cm de diámetro colocado en un tubo hueco de aspiración en modalidades de la invención. Los resultados fueron como se muestra en la Figura 2 del dibujo en la cual el régimen volumétrico de flujo de gas fue graficado contra la posición radial en el fondo del tubo de aspiración, la parte superior del tubo de aspiración en la abertura del mismo y en la abertura posterior del mismo. Los resultados demostraron que el tamaño de deflector cónico requerido para capturar esencialmente 100% del oxígeno sin disolver es relativamente pequeño. Esto es debido a la ausencia de un piso de tanque de reactor el cual, si estuviera presente, tendería a aumentar la dispersión radial del oxígeno sin disolver que choca con el piso del tanque. Si se empleara un impulsor de 61 cm de diámetro en un oxigenador que opera, en la práctica de la invención, a 290 rpm, sería suficiente un deflector de 183 cm de diámetro para capturar esencialmente todo el oxígeno sin disolver que sube en el patrón de flujo 10 cerca del exterior del tubo de aspiración 4, consistente con los resultados de la Figura 2 que muestran que la mayor parte del oxígeno sin disolver sale a una corta distancia radial del tubo de aspiración. Se encontró que la eficiencia estándar de transferencia de oxígeno del oxigenador in situ de la invención es de 8.85 kg/hp-hr, la cual es equivalente a la eficiencia estándar de un sistema AGR y mucho mayor que la eficiencia de transferencia asociada con operaciones de bombeo de corriente lateral y aireación superficial. Debe notarse que el mantenimiento de un nivel constante del líquido interno bajo el deflector cónico o cubierta flotante puede tener impacto fuerte en el volumen de oxígeno disuelto por unidad de caballo de potencia. Así está indicado por la gráfica, en la Figura 3 del dibujo, de la eficiencia de transferencia de oxígeno versus aporte de caballos de potencia en varios niveles de líquido dentro de la modalidad de deflector cónico de la Figura 1 .

Es deseable, en la práctica de la invención, tener el nivel de líquido, interno supervisado y mantenido en una altura con relación a la entrada del tubo hueco de aspiración . Puesto que el nivel exterior del líquido en un estanque o tanque de tratamiento biológico de agua puede cambiar drásticamente, el nivel del líquido dentro del deflector o cubierta cambiará también a menos que todo el ensamble incluyendo el deflector o cubierta, tubo de aspiración e impulsor estén suspendidos en el cuerpo del líquido 1 con un flotador. U na vez que todo el ensamble está suspendido en el cuerpo de líquido 1 , en una cierta posición, el nivel del líquido dentro del deflector o cubierta puede ser cambiado a su altura óptima regulando la presión bajo el deflector o cubierta cónica. Conforme aumenta la cantidad de gas bajo el deflector o cubierta, aumenta la presión bajo el deflector o cubierta. El nivel del líquido puede ser controlado, por lo tanto, aumentando el régimen de inyección de oxígeno si la presión bajo el deflector o cubierta flotante cae por debajo de un punto fijo predeterminado, y disminuyendo el régimen de inyección de oxígeno si la presión bajo el deflector o cubierta excede el punto fijado. Desafortunadamente, conforme disminuye la pureza del oxígeno inyectado, este método para controlar el nivel de líquido se vuelve menos exacto. En particular, con un gas de menor pureza, la presión de gas bajo el deflector o cubierta puede inflarse debido a la presencia de otros gases (v. g. , nitrógeno) bajo el deflector o cubierta. Así, cuando se usa gas de menor pureza (v. g. , oxígeno), se requiere un sistema alternativo, como se discutirá más adelante con referencia a la Figura 4.

La oxigenación de la invención puede usarse también para controlar sólidos en suspensión en el l íquido. Las características de velocidad y distribución axial de gas del oxigenador pueden usarse para predecir el nivel de suspensión de sólidos alcanzable, o para evitar la suspensión de sólidos completamente. Este es un aspecto altamente deseable de la práctica de la invención porque, en el bio-tratamiento, un nivel de suspensión de sólidos muy alto es un desperdicio de energía eléctrica y algunas veces puede envenenar la bacteria que consume contaminantes orgánicos en el cuerpo de líquido que se trata. Una suspensión de sólidos muy baja resulta en una distribución insuficiente de nutrientes a la biomasa para destrucción de desechos. Puesto que la invención emplea un impulsor colocado en un tubo de aspiración, como en los enfoques de AGR y LOR, es un consumidor de espuma, eliminando así las preocupaciones del espumado asociado con el enfoque de aireación superficial. Además, puesto que no se rocían productos químicos orgánicos a un cabezal gaseoso, el despojado orgánico es mínimo. Aquellos expertos en la técnica apreciarán que la invención puede usarse para la disolución desde gases que contienen 21 % de oxígeno (es decir, aire), y hasta 100% de oxígeno. Para gases que contienen cualesquiera gases inertes en exceso, tal como nitrógeno, el cual está presente en los gases de menor pureza, una modalidad preferida está descrita en la Figura 4. Aunque la modalidad descrita en la Figura 4 es útil para gases que contienen más de 21 % en volumen de oxígeno, se prefiere usar oxígeno que tiene una pureza de entre aproximadamente 90-95% en volumen de oxígeno. Desde un punto de vista económico, esta pureza de oxígeno es la más preferida ya que puede ser producido vía procesos de adsorción en el lugar (v. g. , PSA/VPSA/VSA). Para los propósitos de esta descripción, un gas de oxígeno de baja pureza es uno que tiene una concentración de oxígeno mayor que 21 % en volumen y hasta aproximadamente 95% en volumen de oxígeno. Aun cuando se puede usar aire, es menos preferido ya que las ventajas de fuerza impulsora y emisiones de alta concentración serán reducidas. Como se indicó antes, sin embargo, el uso de un gas de baja pureza resulta en acumulación excesiva de gas nitrógeno en el cabezal. Esto es porque conforme se disuelve el oxígeno, la concentración de nitrógeno dentro de las burbujas del gas sin disolver aumenta. Además, en aplicaciones de agua de desecho, el nitrógeno en las burbujas no se disolverá en el agua de desecho porque el agua de desecho ya está saturada con nitrógeno del aire debido a su contacto con la atmósfera. Por lo tanto, cada vez que se recirculan y regresan a la cubierta burbujas de gas sin disolver (que contienen nitrógeno), se incrementa la concentración de nitrógeno en el cabezal. En consecuencia, la concentración de oxígeno dentro de la cubierta en el cabezal (v. g. , arriba del nivel del l íquido) caerá finalmente por debajo de la del gas de alimentación de oxígeno de baja pureza. El rendimiento del sistema será obstruido substancialmente debido a la saturación del cabezal con nitrógeno, porque reemplazará, por lo menos parcialmente, al oxígeno recirculado al agua de desecho. A la luz de esto, hemos desarrollado una modalidad de la presente invención la cual puede ser utilizada con gases que tienen > 21 % en volumen hasta aproximadamente 95% en volumen de oxígeno (de preferencia 90-95% en volumen), y que se refiere a los problemas asociados con exceso de nitrógeno en el sistema. Esta modalidad incluye tres aspectos y está ilustrada en la Figura 4. Debemos notar que la Figura 4 usa números de referencia 1 '- 1 1 ' para indicar aspectos similares con la modalidad de la Figura 1 . Note que en la modalidad de la Figura 4, se prefiere el uso de una cubierta flotante sobre un deflector. El primer aspecto es el uso de uno o más anillos 12 de segregación instalados tal que se reciclan de manera preferente grandes burbujas 13 de gas con alta concentración de oxígeno. Relativamente hablando, grandes burbujas de gas pueden fluctuar desde un diámetro promedio desde aproximadamente 5 mm hasta aproximadamente 50 mm mientras que burbujas pequeñas pueden fluctuar desde un diámetro promedio de aproximadamente 0.1 mm hasta menos de aproximadamente 5 mm. La fracción de grandes burbujas de gas recícladas de manera preferente dependerá de la pureza de los gases. Mientras mayor la pureza de oxígeno, más grande la fracción de gases que será tratada como grandes burbujas de gas para reciclado y viceversa. Se descubrió como parte de esta invención que burbujas 13 de gas más grandes tienen una fuerza de flotabilidad mayor que las burbujas 14 de gas pequeñas. Cuando el líquido de dos fases sale del tubo 4' de aspiración y el deflector 28' (opcional) del impulsor 5' de bombeo hacia abajo, la mezcla de dos fases se expandirá hacia fuera como se ¡lustra por el patrón de flujo 1 1 '. Las burbujas 13 grandes (que tienen una fuerza de flotabilidad mayor) se romperán lejos de la corriente de líquido primero y fluirán hacia arriba en el patrón 10a de flujo. Las burbujas 16 de gas más pequeñas (que tienen una fuerza de flotabilidad menor) permanecerán con la corriente de líquido durante el mayor tiempo. En consecuencia, las burbujas 16 de gas más pequeñas viajarán más horizontalmente que las burbujas 13 de gas más grandes en el patrón 10b de flujo. Así las burbujas de gas que suben cerca del tubo 4' de aspiración son en la mayor parte burbujas más grandes mientras que las burbujas de gas recogidas en el borde externo de la cubierta 2' tendrán burbujas más pequeñas en la mayor parte. Debido a que las burbujas más pequeñas tienen área superficial más grande con relación a volumen que las burbujas más grandes, la transferencia de masa de oxígeno es más rápida en las burbujas pequeñas que en las burbujas grandes. En consecuencia, la concentración de oxígeno de las burbujas de gas grandes recolectadas cerca del tubo de aspiración será mayor que las burbujas más pequeñas recolectadas bajo el borde externo del deflector. Con el fin de capitalizar estos fenómenos, pueden instalarse uno o más anillos 12 concéntricos bajo la cubierta 2' para segregar el gas que es recolectado, como se muestra en la Figura 4. El gas recolectado en la sección 17 interna tendrá mayor concentración de oxígeno que el gas recolectado en la sección externa 18. Debido a que el vórtice superficial (no mostrado) ocupa solamente un área pequeña del tubo 4' de aspiración, solamente el gas de mayor pureza de la sección 17 interna del anillo de segregación es ingerido por el vórtice superficial.

Con el fin de mantener el sistema estable durante la operación, es necesaria una abertura 19 en el (los) anillo(s) 12 para permitir comunicación entre las secciones interna y externa divididas por el anillo. La abertura 19 permite que la presión en las dos secciones sea igualada cuando se necesite. Sin la abertura, puede acumularse presión de gas excesiva en la sección 18 externa en el deflector, resultando en un nivel del líquido deprimido o en la flotación del deflector fuera de posición. Puede usarse un regulador 20 para ajustar el tamaño de la abertura tal que el gas que se inter-mezcla y la igualación de presión puedan ser optimizados. Debemos notar que el sistema puede operar con diferentes niveles de líquido en cada una de las regiones 17 y 18. El segundo aspecto es un regulador 25 de presión de respaldo instalado en la cubierta que cubre la región 18 externa donde se recolectan las burbujas más pequeñas de gas. Esto permite al gas con menor contenido de oxígeno ser purgadas de manera preferente mientras que se mantiene ei nivel de líquido dentro de la cubierta. Así el suministro de oxígeno es regulado con base en la concentración de oxígeno disuelto real (v. g. , demanda de oxígeno) en el sistema. Esto es una mejoría sobre los sistemas en donde el oxígeno fue suministrado con base solamente en la presión de gas dentro de la cubierta. Con todas estas modificaciones, la concentración de nitrógeno bajo la cubierta aumentará todavía puesto que no tiene adonde ir. Para mantener la concentración de oxígeno bajo la cubierta, se puede purgar periódica o continuamente gas de debajo de la cubierta. Así, el regulador 25 de presión de respaldo puede usarse para servir con el propósito doble de mantener la presión dentro de la cubierta y purgar el exceso de nitrógeno. Cuando aumenta la concentración de nitrógeno, la transferencia de masa de oxígeno al agua de desecho para consumo biológico disminuye. Conforme la demanda de oxígeno de la biomasa en el agua de desecho permanece la misma, ia concentración de oxígeno disuelto disminuirá. En esta modalidad, el oxígeno disueito es supervisado tal que la demanda de oxígeno puede ser detectada y pedir más oxígeno fresco para el sistema. Cuando se agrega oxígeno fresco de baja pureza, el regulador 25 de presión de respaldo se abrirá para permitir que escape oxígeno de pureza menor (v. g. , menor pureza que el gas que contiene oxígeno fresco que se agrega vía los aspersores 31 , discutidos más adelante) desde el borde externo de la cubierta, al efectuar la purga del nitrógeno. Para régimen máximo de transferencia de oxígeno, lo más deseable es inyectar el gas que contiene oxígeno directamente al líquido agotado en oxígeno. Para el tercer aspecto se inyecta oxígeno fresco de baja pureza directamente al vórtice formado por el impulsor 5' helicoidal giratorio vía la línea de gas 30 y aspersores 31 . Esto permite que el oxígeno fresco se disperse de manera preferente en burbujas de bajo de la superficie interna de líquido (en nivel de líquido interno está ilustrado por la l ínea 40) sin mezclar con el gas de menor pureza que es reciclado a la cubierta como burbujas no disueltas. Además, se encontró a partir de esto que es necesario inyectar oxígeno de baja pureza directamente al sistema de vórtice superficial del impulsor giratorio tal que el oxígeno no tenga oportunidad de fluir hacia arriba antes de ser forzado hacia abajo por el impulsor de bombeo hacia abajo. La razón es que la fuerza de flotabilidad del gas inyectado es tan grande que, a menos que el gas sea inyectado en el vórtice, muy poco sería disuelto o sumergido por el impulsor 5'. En su lugar, burbujas de gas sin disolver regresarían a la superficie y se mezclarían con el gas dentro de la cubierta. Se encontró también que el vórtice superficial sencillo formado por un impulsor giratorio de bombeo hacia abajo puede crear solamente burbujas de gas muy grandes y gas que satura el impulsor. La inundación de gas ocurre cuando el gas se recolecta alrededor de la flecha del impulsor, destruyendo la capacidad de bombeo del impulsor. Con el fin de encarar este problema, se instalan deflectores 35 verticales para romper la rotación superficial, produciendo múltiples vórtices superficiales. Así, cuando se usan dos deflectores verticales, se forman dos vórtices superficiales separados. El número de deflectores 35 verticales se incrementan con el tamaño del impulsor. Los deflectores 35 verticales minimizan el problema asociado con la inundación de gas en la flecha y vórtice superficial sencillo. Sin embargo, crean un problema en como introducir apropiadamente el oxígeno de baja pureza en la zona de vórtice superficial. Esto es debido a que el uso de un solo tubo de inyección crea una situación extremadamente inestable ya que gas sería solamente arrastrado a un solo vórtice superficial, resultando en vibraciones perjudiciales y operación inestable.

La presente invención usa inyectores o aspersores 31 múltiples, uno para cada vórtice superficial tal que puede ser balanceado el arrastre de gas. Estos permiten que el oxígeno fresco de baja pureza sea arrastrado hacia abajo a cada vórtice y sea dispersado rápidamente antes de ser mezclado con el gas recirculante de la cubierta. Siempre que se formen burbujas de gas individuales durante la inyección, la oportunidad de fusión inmediata, mezclado y unión de burbujas de gas del impulsor puede ser minimizada. Debe notarse que como alternativas a inyectores aspersores sencillos, pueden usarse aspersores de anillo, de preferencia aspersores de anillo de metal sinterizado, siempre que el arrastre de gas permanece balanceado en los vórtices. La invención puede usarse también para disolver otros gases, tal como dióxido de carbono e hidrógeno, si así se desea para propósitos particulares de tratamiento de agua, o para el tratamiento de otros líquidos, v. g . , líquidos orgánicos. Además de los propósitos de bio-tratamiento aludidos anteriormente, el oxigenador in situ de la invención puede usarse para suministrar oxígeno para tratamiento de aguas de desecho municipal e industrial, cultivo de peces y otras aplicaciones que involucran un cuerpo grande de agua u otro líquido. Se apreciará que pueden hacerse varios otros cambios y modificaciones en los detalles de la invención sin apartarse del alcance de la invención como se menciona en las reivindicaciones adjuntas. Así, el medio de cubierta flotante o deflector empleado es de preferencia una cubierta o deflector flotante horizontal con forma cónica de suficiente anchura o tamaño para capturar la mayor parte del gas no disuelto, pero pueden colocarse una variedad de otros tipos y formas de cubiertas o deflectores arriba o de preferencia por debajo de la superficie externa del líquido siempre que estén adaptados para capturar y canalizar la mayor parte del oxígeno u otro gas inyectado no disuelto a la sección de tubo de aspiración del sistema de disolución de gas de la invención. Por ejemplo, una burbuja de plástico o una cubierta transparente de globo flexible puede ser inflada mediante el uso de un dispositivo de inyección conveniente que puede agregar tanto gas como se desee al cabezal bajo la cubierta transparente. Además, los medios impulsores son medios impulsores de bombeo hacia abajo helicoidales, de flujo axial, deseablemente adaptados para facilitar el flujo hacia debajo de una mezcla de gas-líquido en el tubo de aspiración, pero puede emplearse cualesquiera impulsores de flujo hacia abajo, tal como un mezclador Lightnin A315® o Aire-O2-Turbo® para crear el flujo hacia abajo deseado en el tubo de aspiración. Será entendido que los medios impulsores pueden incluir también aspectos adicionales, tales como un medio impulsor de flujo radial y/o axial conectado a la flecha impulsora para crear una zona de corte elevado en el tubo de aspiración para aumentar adicionalmente la disolución de gas en el líquido. La invención ha sido descrita anteriormente e ilustrada con referencia a un tubo hueco de aspiración, v. g. , tubo 4 hueco de aspiración de la Figura 1 , como en los enfoques de AGR y LOR, aludidos en la presente. Debe notarse que está dentro del alcance de la invención emplear modalidades de la misma en las cuales el tubo hueco de aspiración no se emplea. En tales modalidades, los medios impulsores de bombeo hacia abajo están colocados sin embargo, con respecto al medio de cubierta flotante o deflector tal que el medio de cubierta o deflector captura la mayor parte de cualquier gas no disuelto que flota a la superficie del líquido siguiendo su paso hacia abajo, junto con líquido rico en gas disuelto, bajo la influencia de bombeo hacia abajo del medio impulsor. El uso de un tubo de aspiración es deseable sin embargo para muchas aplicaciones al hacer posible que la energía sea utilizada eficientemente, tal que no es necesario bombear tanto líquido como se requería de otra manera, y al excluir mezclado indebido de sólidos con la porción del cuerpo de líquido que se trata. Será entendido que, en la práctica de las varias modalidades de la invención se pueden proporcionar medios deflectores adicionales en el sistema global para facilitar el flujo de gas y líquido como se describe en la presente para los propósitos deseados de disolución de gas de la invención. A partir de la descripción y ejemplos anteriores, se apreciará que la invención representa un avance deseable en la técnica de disolución de gases que pertenece al tratamiento de grandes cuerpos de líquido. La invención es particularmente ventajosa en la disolución segura y eficiente de oxígeno en grandes cantidades de líquidos en industrias tales como tratamiento de agua de desecho y bio-tratamiento. Habilitando tales tratamientos para llevarse a cabo in situ y con requerimientos de energía de bombeo relativamente bajos, la invención aumenta la viabilidad técnica y económica de operaciones de disoluciones de gases en una variedad de operaciones de procesamiento industrial prácticas e importantes.

Claims (10)

1. REIVI N DICACIONES 1 . Un sistema para la disolución de gas en un cuerpo grande de líquido que comprende: a) un impulsor colocado debajo de la superficie del cuerpo grande de líquido, sin un recipiente contenedor para el l íquido en la proximidad del mismo, y adaptado para provocar el paso de una mezcla gas-líquido hacia abajo en dicho cuerpo grande de líquido; b) una cubierta flotante colocada sobre dicho medio de impulsor y de tamaño suficiente para capturar la mayor parte del gas no disuelto que se separa de un líquido rico en gas disuelto y flota y a la superficie de dicho cuerpo grande de líquido para recirculación a dicho medio impulsor; y c) un conducto para introducir una corriente de gas de alimentación por debajo de dicho medio de cubierta flotante y directamente a dicho cuerpo grande de líquido, tal que las burbujas del gas son forzadas por la succión de dicho medio impulsor a pasar con líquido, como una mezcla de gas-l íquido, hacia abajo en dicho cuerpo grande de líquido, d) por lo menos un anillo de segregación colocado bajo dicha cubierta flotante y que se extiende por debajo de la superficie de dicho cuerpo grande de líquido tal que se crean una primera región interna entre dicho anillo y dicho impulsor, y una segunda región externa entre dicho anillo y un diámetro externo de dicha cubierta flotante, y en donde dichas burbujas de dicho gas son segregadas por su tamaño relativo, tal que las burbujas más grandes que contienen oxígeno de alta pureza comparativamente son recolectadas en dicha región interna y las burbujas más pequeñas que contienen oxígeno de baja pureza comparativamente son recolectadas en dicha región externa; e) un regulador de presión de respaldo colocado en dicha cubierta flotante adyacente a dicho diámetro externo de dicha cubierta flotante, para purgar dicho gas oxígeno de baja pureza comparativamente de dicho tal sistema; por lo que el líquido rico en gas disuelto, debido a la ausencia de paredes de recipiente contenedor, es dispersado en el cuerpo grande de líquido, mientras que el gas no disuelto, debido a su flotabilidad, flota a la superficie de dicho cuerpo grande de líquido y es capturado para recirculación, resultando en la utilización completa esencialmente de la corriente de gas de alimentación.
2. 2. El sistema de la reivindicación 1 en el cual dicho medio de cubierta flotante está colocado parcialmente por debajo de la superficie de dicho cuerpo grande de líquido.
3. 3. El sistema de la reivindicación 2 y que incluye medios para flotar o soportar dicho medio de cubierta flotante.
4. 4. El sistema de la reivindicación 1 en el cual dicho medio de cubierta flotante comprende una cubierta transparente de globo flexible.
5. 5. El sistema de la reivindicación 1 en el cual dicho medio de cubierta flotante comprende una burbuja de plástico.
6. 6. El sistema de la reivindicación 1 en el cual dicho medio impulsor comprende un impulsor de bombeo bajo, de flujo axial.
7. 7. El sistema de la reivindicación 1 y que incluye un tubo hueco de aspiración sumergido debajo de la superficie de dicho cuerpo grande de líquido, dicho tubo hueco de aspiración que tiene extremos abiertos en la parte superior y el fondo del mismo, pero sin un recipiente contenedor para el líquido en la proximidad del tubo hueco de aspiración, dicho medio impulsor que está colocado dentro del tubo hueco de aspiración tal que la mezcla gas-líquido es forzada a pasar hacia abajo en dicho tubo hueco de aspiración para descarga desde el fondo del mismo.
8. 8. El sistema de la reivindicación 8 en el cual dicho medio de cubierta flotante está colocado parcialmente por debajo de la superficie de dicho cuerpo grande de líquido.
9. 9. El sistema de la reivindicación 8 y que incluye medios para flotar o soportar dicho medio de cubierta flotante.
10. 10. El sistema de la reivindicación 8 en el cual dicho medio de conducto introduce la corriente de gas de alimentación directamente a un vórtice creado por dicho impulsor cuando dicho impulsor gira. RESU M EN Oxígeno u otros gases son disueltos en grandes cuerpos de líquido mediante inyección bajo un deflector para paso a un ensamble de medios impulsor-tubo-aspiración hueco sumergido para paso hacia abajo en el mismo. El líquido que contiene gas disuelto es dispersado por todo el cuerpo del líquido, mientras que cualquier gas no disuelto es recuperado y reciclado efectivamente. También se describe una modalidad diseñada especialmente para uso con gases que contienen oxígeno que tienen menos de 96% en volumen de oxígeno.