PT106166A

PT106166A - Câmara de mistura de jatos opostos para mistura de fluidos com diferentes débitos mássicos

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Publication number: PT106166A
Application number: PT106166A
Authority: PT
Inventors: Jose Carlos Brito Lopes; Ricardo Jorge Nogueira Dos Santos; Mohamed Ashar Sultan Mohamed Yousuf; Madalena Maria Gomes Queiroz Dias; Claudio Antonio Pereira Fonte
Original assignee: Univ Do Porto
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2013-08-20
Also published as: WO2013150393A1

Abstract

O PRESENTE INVENTO CONSISTE NUMA CÂMARA DE MISTURA DE JATOS OPOSTOS (1) MODIFICADOS PARA GARANTIR REGIMES DE ESCOAMENTO NO INTERIOR DAS REFERIDAS CÂMARAS QUE POSSIBILITEM TEMPOS DE MISTURA MUITO CURTOS MESMO EM REGIMES DE ESCOAMENTO CARACTERIZADOS POR BAIXOS NÚMEROS DE REYNOLDS, MENOR QUE 1000. A CÂMARA DE MISTURA COMPREENDE UM PISTÃO DE LIMPEZA (5) QUE NO FIM DA INJEÇÃO DO MOLDE É DESCIDO SOBRE A CÂMARA CONECTANDO OS INJETORES (2 E 3) COM AS LINHAS DO CIRCUITO DE RECIRCULAÇÃO DE MONÓMEROS (4). A REFERIDA MODIFICAÇÃO PRENDE-SE COM A VARIAÇÃO DAS ÁREAS DOS INJETORES (2 E 3) PARA IGUALAR AS POTÊNCIAS DOS JATOS. ESTA CÂMARA DE MISTURA É DE ESPECIAL RELEVÂNCIA NA TECNOLOGIA RIM -REAÇÃO PARA INJEÇÃO EM MOLDES.

Description

DESCRIÇÃO "Câmara de mistura de jatos opostos para mistura de fluidos com diferentes débitos mássicos"

Domínio técnico / aplicações 0 presente invento apresenta um método e câmara de mistura de jatos opostos modificados para garantir regimes de escoamento no interior das referidas câmaras que possibilitem tempos de mistura muito curtos mesmo em regimes de escoamento caracterizados por baixos números de Reynolds, menores que 1000. A referida modificação prende-se com a variação das áreas dos injetores para igualar as potências dos jatos. Este novo método e câmara de mistura é de especial relevância na tecnologia RIM - Reação para Injeção em Moldes.

Outras aplicações de mistura de correntes de fluido, no estado líquido ou gasoso, sob a forma de jatos opostos com diferentes débitos volúmicos ou mássicos não são excluídas do âmbito desta patente.

Sumário da Invenção É objectivo da presente invenção descrever uma câmara de mistura com jatos opostos em que as áreas dos injetores opostos de onde os jatos são introduzidos na câmara apresentam a seguinte relação entre elas: 4/4 = (/¥>2)/(a«l3K em que px é a massa volúmica do fluido que entra com uma velocidade superficial média igual a Vl 1 pelo injetor com uma área A1, e p2 é a massa volúmica do fluido que entra com uma velocidade superficial média igual a V2 pelo injetor com uma área A2 .

Numa forma de realização preferencial, a câmara de mistura apresenta forma cilíndrica ou paralelepipédica.

Numa outra forma de realização preferencial, a câmara de mistura apresenta injetores circulares e com um eixo comum, perpendicular ao eixo da referida câmara de mistura.

Ainda numa outra forma de realização preferencial, a câmara de mistura apresenta injetores retangulares e em que os seus centros estão alinhados segundo um eixo comum que forma um ângulo reto com o eixo da referida câmara de mistura.

Numa forma de realização preferencial, a câmara de mistura apresenta uma correção do equilíbrio de potência de jatos redondos pelas diferentes taxas de expansão dos jatos após saírem dos injetores com diâmetro o[ e d,, separados por uma distância D, dada por:

em pl e μι são a massa volúmica e viscosidade do fluido introduzido pelo injetor 1 sob a forma dum jato redondo com velocidade média Vl, e p2 e μ2 sao a massa volúmica e viscosidade do fluido introduzido pelo injetor 2 sob a forma dum jato redondo com velocidade média v2 . 2

Numa outra forma de realização preferencial, a câmara de mistura apresenta o acoplamento de meios para a medição da diferença de pressão estática nas linhas de alimentação dos injetores.

Ainda numa outra forma de realização preferencial, a câmara de mistura apresenta injetores elipsoidais tendo o mesmo diâmetro no sentido perpendicular ao eixo da câmara de mistura.

Numa forma de realização preferencial, a câmara de mistura apresenta injetores alongados tendo a mesma profundidade, dimensão no sentido perpendicular ao eixo da câmara de mistura, e a altura, dimensão do injetor na direção do eixo da câmara de mistura, é alterada por forma a igualar as potências dos jatos.

Numa outra forma de realização preferencial, a câmara de mistura apresenta um dos topos fechado e o outro aberto.

Ainda numa outra forma de realização preferencial, a câmara de mistura apresenta dois topos abertos.

Numa forma de realização preferencial, a câmara de mistura apresenta potências igualadas por variação da área dos injetores.

Numa outra forma de realização preferencial, a câmara de mistura em que o controlo em tempo real das razões de potência entre os jatos é efectuado através do valor da 3 diferença de pressão estática nas linhas de alimentaçao dos injetores.

Ainda numa outra forma de realização preferencial, a câmara de mistura apresenta uma razão das potências com valor igual a 1. É ainda objectivo da presente invenção descrever um reator que inclui pelo menos uma câmara de mistura com as características anteriormente descritas.

Estado da arte A mistura de duas correntes liquidas sob a forma de jatos opostos com diferentes débitos mássicos tem como efeito mais conhecido o deslocamento do ponto de contacto dos jatos, daqui em diante designado por ponto de impingem, em direção a um dos injetores. Em processos de polimerização a deslocação do ponto de impingem do centro da câmara de mistura em direção a um dos injetores pode colmatá-lo. Estudo de Santos et al. (2002) provaram que o desequilíbrio entre os jatos também compromete a formação de vórtices a montante do ponto de impingem dos jatos. Estes vórtices promovem uma mistura rápida entre as duas correntes líquidas o que é determinante para a extensão da reação em aplicações de polimerização, de precipitação ou combustão, para citar apenas alguns exemplos.

Um dos métodos geralmente utilizados no processo RIM para evitar a deslocação do ponto de impingem é a utilização de restritores nos injetores, conforme descrito na patente US 4

3 706 515, que aumentam a pressão nas linhas de alimentação aos jatos, ou desviando os jatos para não colidirem diretamente no injetor oposto, como descrito na patente US 4 473 531. Este método não garante no entanto o equilíbrio dos dois jatos por forma a garantir a formação dos mecanismos de mistura identificados por Santos et ai. (2002) . A razão de momentos dos jatos tem sido apontada na literatura (Johnson, 2000 e Santos et al. , 2002) como um dos parâmetros operacionais mais importantes na mistura em jatos opostos, e geralmente reconhecido como o parâmetro que determina a posição do ponto de impingem dos jatos. A razão de momentos dos jatos em misturadores com jatos opostos é definida como: P2vIAl em que pé a massa volúmica do fluído, V a velocidade superficial média do jato e A a área do injetor por onde é introduzido o jato. índices diferentes, 1 e 2, são utilizados para os diferentes injetores. Para o caso de injetores circulares a razão de momentos entre jatos opostos é: MR =

Ptfdl p2V22dl em que d o diâmetro do injetor por onde é introduzido o jato O balanceamento dos momentos dos jatos para misturadores de jatos opostos em câmaras cilíndricas foi proposto por Johnson (2000) usando duas abordagens: divisão da corrente 5 líquida de maior caudal por diversos injetores por forma que todos os jatos tenham o mesmo momento; ou alteração do diâmetro dum dos injetores para que os momentos de ambos os jatos sejam iguais. No estudo de Johnson (2000) o objetivo era o estudo do efeito da razão de momentos na posição do ponto de contacto dos jatos. Santos et al. (2002) estudou o efeito da razão de momento dos jatos na dinâmica de mistura em misturadores de jatos em T planos, testando igualmente a variação das áreas de injeção para igualar os momentos dos jatos.

Descrição Geral da Invenção 0 presente invento apresenta um método e câmara de mistura de jatos opostos modificados para garantir regimes de escoamento no interior das referidas câmaras que possibilitem tempos de mistura muito curtos mesmo em regimes de escoamento caracterizados por baixos números de Reynolds, menores que 1000. A referida modificação prende-se com a variação das áreas dos injetores para igualar as potências dos jatos. Este novo método e câmara de mistura é de especial relevância na tecnologia RIM - Reação para Injeção em Moldes.

No desenvolvimento desta tecnologia verificou-se que igualar os momentos dos jatos não resolvia os problemas operacionais decorrentes da operação com correntes de fluidos que tenham diferentes débitos mássicos. As alterações aqui propostas são baseadas nos resultados destes estudos, que mostraram que os jatos se encontram em equilíbrio quando se igualam as suas potências de energia 6 cinética, ou seja quando a razão de potências tende para um. A razão de potências de energia cinética entre dois jatos opostos é definida como: PR =

PAiA P2v\A em que pé a massa volúmica do fluido, V a velocidade superficial média do jato e A a área do injetor por onde é introduzido o jato. índices diferentes, 1 e 2, são utilizados para os diferentes injetores. Para o caso de injetores circulares a razão de potências da energia cinética entre jatos opostos é: ρκ=^Ψτ p2v2dl em que d é o diâmetro do injetor por onde é introduzido o jato. 0 modelo de equilíbrio da potência da energia cinética dos jatos foi desenvolvido por forma a contabilizar os efeitos de diferentes taxas de expansão após a saída dos injetores de jatos circulares com diferentes números de Reynolds, definido como

Re=

P em que μ ê a viscosidade do fluido, pé a massa volúmica, V a velocidade superficial do jato à saída do injetor, e d é o diâmetro do injetor. 0 desvio do ponto de impingem dos jatos opostos em relação ao ponto médio entre as saídas dos injetores depende do numero de Reynolds do jato 1, e do jato 2, Re,, e da razao de potências da energia cinética entre jatos opostos, PR, da seguinte forma 7 ξ=

^lÍ + x 10 D em que D é a distância entre injetores, ou no caso duma câmara cilíndrica o diâmetro da câmara de mistura, e o desvio do ponto de impinge dos jatos relativamente à câmara de mistura é normalizado pelo afastamento dos injetores ou pelo raio da câmara de misturada da seguinte forma em que Δ* é o desvio do ponto de impingem dos jatos opostos em relação ao ponto médio entre as saídas dos injetores. Este conceito foi demonstrado experimentalmente. A Figura 6 mostra a variação da dissipação da energia turbulenta em função de ζ obtida a partir das experiências feitas para a prova de conceito. A dissipação da energia turbulenta, £, que é uma medida da energia utilizada para a mistura, atinge o valor máximo quando ζ=0, ou seja quando os jatos impingem no ponto médio entre as saídas dos dois injetores

Descrição dos desenhos

Para uma mais fácil compreensão da invenção juntam-se em anexo as figuras, as quais, representam realizações preferenciais do invento que, contudo, não pretendem limitar o objecto da presente invenção. 8

Figura 1: Corte duma câmara de mistura (1) duma máquina RIM com dois jatos opostos que entram na câmara pelos injetores 1 e 2 (2 e 3). A câmara de mistura compreende um pistão de limpeza (5) que no fim da injeção do molde é descido sobre a câmara conectando os injetores (2 e 3) com as linhas do circuito de recirculação de monómeros (4).

Figura 2: Vista de uma câmara de mistura (1) duma máquina RIM em que os dois injetores opostos (2 e 3) são elipsoidais.

Figura 3: Detalhe dos injetores (2 e 3) da câmara de mistura da Figura 2.

Figura 4: Câmara de mistura (1) paralelepipédica com jatos opostos.

Figura 5: Geometrias possíveis para as saídas dos injetores dos jatos opostos.

Figura 6: Gráfico da dissipação turbulenta de energia medida em função do desvio do ponto de impingem dos dados relativamente ao eixo da câmara de mistura.

Descrição da invenção 0 objeto do invento consiste num método e câmara de mistura de jatos opostos em que o equilíbrio do ponto de impingem entre estes é conseguido igualando as suas potências, 9 através da variação da área dos injetores. As câmaras de misturas de jatos opostos são misturadores estáticos em que geralmente dois jatos de fluido são introduzidos na câmara de mistura por dois injetores alinhados com sentidos opostos por forma a que os jatos colidam no interior duma câmara que pode ter uma ou mais saldas. As câmaras de mistura podem ser cilíndricas, como a da Figura 2, ou paralelepipédicas designadas de câmaras de jatos em T, como a da Figura 4. Os injetores são geralmente circulares nas câmaras cilíndricas e têm um eixo comum, geralmente perpendicular ao eixo da câmara de mistura. As câmaras de jatos em T têm injetores retangulares que se estendem geralmente por toda a profundidade da câmara e os seus centros estão alinhados segundo um eixo comum que geralmente forma um ângulo reto com o eixo da câmara de mistura. Outras geometrias de injetores poderão ser consideradas neste invento, nomeadamente as representadas na Figura 5.

Geralmente os injetores são iguais, e a utilização dos misturadores de jatos opostos está limitada a aplicações em que os débitos mássicos das duas correntes de fluido são aproximadamente iguais. Para alargar a utilização dos misturadores de jatos opostos foi proposto alterar as suas áreas para igualar os momentos dos jatos. No entanto, resultados ainda não publicados, provam que o critério de equilíbrio entre os jatos opostos é a igualização das suas potências, ou seja razões de potência entre jatos opostos, PR, unitárias. Baseado nestes resultados este invento consiste num método e numa câmara de mistura onde injetores 10 de jatos opostos estão de acordo com a relaçao obtida quando PR=1: A _ P2^2

A Λ A em que pé a massa volúmica do fluído, V a velocidade superficial média do jato e A a área do injetor por onde é introduzido o jato. índices diferentes, 1 e 2, são utilizados para os diferentes injetores. No caso de ambos os fluidos terem densidades aproximadamente iguais a relação entre áreas dos injetores é:

No caso de injetores circulares como os tradicionalmente usados nas câmaras de mistura de máquinas RIM a razão entre os diâmetros dos injetores opostos é:

em que dê o diâmetro do injetor por onde é introduzido o jato.

No caso de injetores retangulares para câmaras de jatos em T, ou para outras geometrias em que se pretenda que os injetores tenham a mesma profundidade, a variação de área será feita apenas por variação da altura dos injetores, dimensão h na Figura 5. Para o caso de dois injetores retangulares opostos a relação entre as alturas é: A _ ΡίΡι

em que h é a altura dos injetores retangulares com igual profundidade. 11

Para o caso das câmaras com jatos redondos, e particularmente no caso em que as viscosidades dos dois fluidos a misturar são diferentes, o diâmetro do injetor 1 é dado por, 1 'í P2V2 tf , λll0//2 D )

J

em que D é o diâmetro da câmara de mistura, ou distância entre as saidas do injetor 1 e 2 e μ é a viscosidade dos fluidos. 0 equilíbrio de potências entre os jatos pode ser aferido em tempo real através da leitura da diferença de pressão estática entre as linhas de alimentação aos injectores. 0 invento tem como principal vantagem permitir a operação de misturadores de jatos opostos em regimes com elevada dinâmica de mistura e com o ponto de impigem dos jatos centrado com o eixo da câmara de mistura mesmo para os casos em que as correntes de fluido têm diferentes débitos mássicos. Este novo método e câmara de mistura pode eliminar o recurso a restritores de caudal e à afinação do misturador. As condições de mistura são assegurados pela geometria da câmara e injetores para cada formulação ou produto e não por afinações feitas por tentativa/erro. A não utilização dos restritores tem igualmente como vantagem diminuir a pressão de operação da máquina e a energia consumida para transporte dos fluidos. 12

Exemplo de aplicação

Como exemplo prático de utilização do invento apontamos o processamento de uma formulação comercial de poliuretano numa máquina RIM com uma câmara de mistura cilíndrica com lOmm de diâmetro, 50mm de altura, com um topo fechado e um aberto, e com o eixo dos injetores opostos a 5mm do topo fechado da câmara de mistura. A razão do débito mássico de entre o poliol e o isocianato é de 1.16. A densidade do poliol é de 1.05, />1=1050kg/m3, e a do isocianato é de 1.22, />2=1220kg/m3. A viscosidade do poliol é de 2mPa.s e a do isocianato é de 1.5mPa.s. 0 número de Reynolds é superior a 125 em ambos os injetores. Considerando para o poliol um débito mássico de 0.353kg/s e um injetor (injetor 1) com um diâmetro di=1.50mm, a velocidade média do fluido no injetor é de 190m/s e o número de Reynolds para a corrente líquida de poliol é de 150. De acordo com o presente invento, considerando a corrente líquida de poliol, o débito mássico de isocianato é de 0.305kg/s (0.353/0.305=1.16), o injetor (injetor 2) terá um diâmetro de d2=1.25mm, logo a velocidade média do fluido no injetor será de 205m/s e o número de Reynolds para a corrente líquida de isocianato será de 208. Para esta geometria da cabeça de mistura e condições de operação a razão de potências é: pR _ P\V\à[ _ 1050xl903 xl.502 _1Q1 p2v\dl 1220x2053 x 1.252

Esta geometria da câmara manterá o valor de PR aproximadamente igual a um para outros valores de débito mássico, desde que a relação entre os débitos mássicos seja 13 a mesma, e a razao entre os valores da densidade do poliol e do isocianato se mantenha aproximadamente constante.

Utilizam-se os mesmo fluidos no exemplo de dimensionamento dos injetores numa câmara de mistura cilíndrica com lOmm de diâmetro com injetores opostos redondos, aplicando a fórmula com a correção do ratio de potências devida às diferentes taxas de abertura dos jatos a diferentes números de Reynolds. A massa volúmica do poliol é /?i=1050kg/m3, e a do isocianato é /?2=1220kg/m3, a visocisdade do poliol é 2.0Pa.s e a do isocianato é 1.5Pa.s. A razão estequiométrica de fluxos mássicos é de 1.16, como o fluxo mássico de isocianato é 0.305kg/s, o de poliol é 0.353kg/s (0.353/0.305=1.16). O injetor do isoncianato (injetor 2) tem um diâmetro d2=1.25mm, logo a velocidade média do jato à saído do injetor é de 205m/s e o número de Reynolds do jato é de 208. Aplicando ao injetor do poliol a equação de projeto

para este sistema de fluidos, o diâmetro do injetor do poliol é di=1.54mm, ou seja tem uma diferença de 40//m relativamente ao dimensionamento sem a correção para expansão dos jatos. Para estas condições os jatos impingem no eixo da câmara de mistura.

Bibliografia

• Johnson, D. A. (2000). "Experimental and Numerical Examination of Confined Laminar Opposed Jets. Part II 14

Momentum Balancing." International Communications in Heat and Mass Transfer 27(4): 455-463. • Santos, R.J., Teixeira, A.M., Costa, M.R.P.F.N., Lopes, J.C.B., "Operational and Design Study of RIM Machines" A presente invenção não é, naturalmente, de modo algum restrita às realizações descritas neste documento e uma pessoa com conhecimentos médios da área poderá prever muitas possibilidades de modificação da mesma sem se afastar da ideia geral da invenção, tal como definido nas reivindicações.

As realizações preferenciais acima descritas são obviamente combináveis entre si. As seguintes reivindicações definem adicionalmente realizações preferenciais da presente invenção.

Lisboa, 09 de Maio de 2013 15

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Câmara de mistura com injectores de jatos opostos caracterizado por as áreas dos injetores opostos de onde os jatos são introduzidos na câmara apresentarem aproximadamente a seguinte relação entre elas: 4/ Α1 = (ρ2υΐ)Ι(ριυΐ), em que px ê a massa volúmica do fluido quando entra com uma velocidade superficial média igual a pelo injetor com uma área A1, e p2 é a massa volúmica do fluido quando entra com uma velocidade superficial média igual a V2 pelo injetor com uma área A2.
2. Câmara de mistura de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a referida câmara apresentar forma cilíndrica ou paralelepipédica.
3. Câmara de mistura de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizada por os injetores serem circulares e apresentarem um eixo comum, perpendicular ao eixo da referida câmara de mistura.
4. Câmara de mistura de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por os injetores serem retangulares e os seus centros estarem alinhados segundo um eixo comum que forma um ângulo reto com o eixo da referida câmara de mistura.
5. Câmara de mistura de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por a correção do equilíbrio de potência de jatos redondos pelas diferentes taxas de 1 expansao dos jatos após saírem dos injetores com diâmetro 4 e d2, separados por uma distância D, ser dada por: II l( Ρΐυ2 % , λ PÂ JUQ//2 D ) ρ2υΙ\ μ, m 10A D) , em px e μχ sao a massa volúmica e viscosidade do fluido introduzido pelo injetor 1 sob a forma dum jato redondo com velocidade média Vl, e p2 e μ2 são a massa volúmica e viscosidade do fluido introduzido pelo injetor 2 sob a forma dum jato redondo com velocidade média v2.
6. Câmara de mistura de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por serem acoplados os meios para a medição da diferença de pressão estática nas linhas de alimentação dos injetores.
7. Câmara de mistura de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os injetores serem elipsoidais tendo o mesmo diâmetro no sentido perpendicular ao eixo da câmara de mistura.
8. Câmara de mistura de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os injetores serem alongados tendo a mesma profundidade, dimensão no sentido perpendicular ao eixo da câmara de mistura, e a altura, dimensão do injetor na direção do eixo da câmara de mistura, ser alterada por forma a igualar as potências dos jatos.
9. Câmara de mistura de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizada por um dos topos ser fechado e o outro aberto. 2
10. Câmara de mistura de acordo com as reivindicações 1 a 8, caracterizado por os dois topos serem abertos.
11. Câmara de mistura de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por as suas potências serem igualadas por variação da área dos injetores.
12. Câmara de mistura de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por o controlo em tempo real das razões de potência entre os jatos ser efectuado através do valor da diferença de pressão estática nas linhas de alimentação dos injetores.
13. Câmara de mistura de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por a razão das potências apresentar um valor igual a 1.
14. Reator caracterizado por incluir pelo menos uma câmara conforme aquela que é descrita nas reivindicações anteriores. Lisboa, 09 de Maio de 2013 3