PT1670574E

PT1670574E - MéTODO E APARELHO PARA MISTURAR DOIS FLUIDOS

Info

Publication number: PT1670574E
Application number: PT04775067T
Authority: PT
Inventors: Roger Abrahamsen; Morten Emilsen; Svein Bekken
Original assignee: Yara Int Asa
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2004-09-24
Publication date: 2010-07-22
Also published as: US20070040288A1; EP1670574B1; ES2345048T3; NO20034330D0; NO331178B1; WO2005030377A8; DE602004026896D1; EP1670574A1; US7802775B2; DK1670574T3; ATE465801T1; NO20061823L; WO2005030377A1

Description

DESCRIÇÃO "MÉTODO E APARELHO PARA MISTURAR DOIS FLUIDOS" A presente invenção refere-se a um método para misturar dois fluidos e a um aparelho para a realização desse método. A invenção refere-se especialmente à mistura de água (água salgada e/ou água doce) com um gás, tal como oxigénio ou dióxido de carbono. A utilização da invenção pode referir-se ao tratamento de água, tal como o tratamento de água potável, águas residuais, água de processo ou tratamento de água para ser utilizada em relação com cultura/tratamento de animais aquáticos. A invenção também pode ser utilizada para água de processo contendo partículas ou fibras. 0 documento US 4210534 refere-se a um sistema de oxigenação para fornecimento de oxigénio a águas residuais. A água e o ar são fornecidos a uma câmara de mistura horizontal, respectivamente, com o auxílio de um bico central e de uma câmara anelar disposta coaxialmente. A câmara de mistura tem um formato com paredes convergentes estreitadas em dois andares, com uma forma cilíndrica a jusante desta. A câmara de mistura tem, além disso, equipamento como uma bomba submersa, uma fonte de ar pressurizado e é recolhida por uma construção flutuante. A câmara de mistura descrita tem uma geometria relativamente complexa e deve esperar-se custos de produção relativamente elevados, quer esta seja produzida por fundição quer por maquinagem. Além disso, a forma da câmara de mistura com área da 1 secção transversal graduada vai resultar numa perda de pressão, exigente em termos de energia.

Da patente US N° 4735750 é conhecido um processo e dispositivo para a dissolução de gás em liquido. O líquido é introduzido, sob pressão, através de uma placa de bico num espaço de reacção, onde uma mistura de gás e de solução flui, através de saídas dispostas lateralmente no fundo, para um tanque de solução e o gás recircula através de entradas no topo, perto da placa de bico. O tanque de solução tem uma almofada de gás e é cheio, até um nível entre as entradas e as saídas, a uma pressão média; o corpo dissolvido de gás é administrado, subsequentemente, através de um regulador do fluxo de gás e a solução, é retirada do tanque de solução a um nível de pressão baixo, através de uma válvula de controlo, como uma solução supersaturada. O dispositivo tem um desenho complexo da câmara do reactor e onde também é necessário o controlo do nível. O dispositivo não é adequado para o arejamento de água salgada ou de fluidos que contenham fibras, uma vez que os orifícios são facilmente obstruídos. 0 pedido de patente sueca publicado N° 375704 descreve um dispositivo disposto verticalmente para arejamento de água. Um bico para o fornecimento de gotículas de água finamente distribuídas é disposto na parte superior do dispositivo. O dispositivo é cheio com água até uma almofada de gás abaixo do bico. Quando as gotículas atingem a superfície do fluido, o gás é sugado para dentro da água. A parte inferior do dispositivo é submersa na água a ser arejada ou o fluido com bolhas de gás é conduzido para a água através de um tubo. Este dispositivo é um ventilador com capacidade de dissolução baixa. É operado a baixa 2 pressão. 0 gás não é dissolvido no liquido, mas é mantido como bolhas. 0 documento WO-A-810700 divulga outro método e aparelho para dissolver gás num líquido. 0 documento GB-A-2177618 divulga um método de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1 e um aparelho de acordo o preâmbulo da reivindicação 9. 0 objecto da invenção é misturar e dissolver um gás num líquido com a maior eficiência possível. Outro objectivo é reter a pressão e criar turbulência para recirculação interna de gás. Outro objectivo é obter um desenho simples do misturador com baixos custos de operação e de manutenção.

Estes e outros objectivos da invenção são obtidos com o método de acordo com a reivindicação 1 e o dispositivo de acordo com a reivindicação 9. A invenção refere-se, portanto, a um método e um aparelho para misturar um fluido e um gás, em que se faz com que o fluido flua numa câmara de mistura orientada verticalmente que tem uma forma principalmente cilíndrica, com paredes internas lisas e em que o fluido e o gases são alimentados à câmara na sua parte superior. 0 gás é misturado no fluido antes da câmara de mistura e fornecido à câmara por meio de um bico, de tal forma que o fluido flui para dentro da câmara a alta velocidade e enche a câmara. Durante o funcionamento, uma fase de gás/líquido turbulenta com recirculação interna é formada na parte superior da câmara e, principalmente, uma fase fluida na parte inferior da câmara e é evitada perda de pressão essencial na câmara. Uma fase fluida com gás dissolvido é retirada de um tubo de saída disposto no fundo da câmara. 3

De um modo preferido, a entrada está disposta de tal forma que o fluido escoa axialmente para dentro da câmara. 0 fluido é bombeado a partir de uma conduta ou reservatório antes de ser misturado com gás na câmara de mistura e o fluido com gás dissolvido é, finalmente, retornado à conduta ou reservatório. A pressão é aliviada quando, pelo menos, o bico do tubo de saída, que está cheio com a fase fluida com gás dissolvido, fica submerso em fluido. 0 fluido é fornecido à câmara de mistura com uma pressão de 1,5-10 bar, de um modo preferido, 2-4 bar, de um modo muito preferido, 3 bar e a pressão na câmara de mistura é mantida a 1,35-9 bar, de um modo preferido, 1,8-3,6 bar, de um modo muito preferido, 2,7 bar. O fluido pode ser água com ou sem um teor de sal, fibras ou partículas e o gás é oxigénio, dióxido de carbono ou qualquer gás que possa ser dissolvido. O aparelho tem, de um modo preferido, um injector de gás para o fornecimento de gás ao fluido que já está na câmara de mistura. O tubo de saída está adaptado para ser submerso em líquido e está equipado com um bico para abastecimento de líquido com gás dissolvido ao fluido ambiente. O dimensionamento do bico está relacionado com o controlo da pressão da câmara de mistura. A câmara de mistura está adaptada para receber fluido de uma conduta ou reservatório através de uma bomba situada entre a conduta e o misturador. De um modo preferido, dl<d3<d2, em que dl é o diâmetro da entrada, d2 é o diâmetro da câmara de mistura e d3 é o diâmetro da saída. É preferido que a razão L:d2, em que L é o comprimento da câmara de mistura e d2 é o diâmetro da câmara de mistura, esteja dentro do intervalo 15:1 e 20:1. 4 A presente invenção resultou num misturador orientado verticalmente, em que vários dos problemas mencionados acima podem ser evitados. 0 misturador de acordo com a invenção tem uma geometria simples e será barato na produção. 0 misturador não funciona com uma almofada de gás e, portanto, não precisa de um dispositivo de controlo da almofada de gás. Além disso, verificou-se que a eficiência da dissolução do gás no fluido está a um nível elevado aceitável. A invenção vai ser adicionalmente descrita a seguir com referência às figuras e exemplos em que: A Fig. 1 mostra um desenho de um misturador integrado numa conduta de água principal. A Fig. 2 mostra o modo de funcionamento e a configuração do escoamento no misturador. A Fig. 3 mostra um misturador com determinados parâmetros, que é utilizado em experiências. A Fig. 4 mostra uma fotografia de um misturador durante experiências com oxigénio e água doce.

Como mostrado na Figura 1, um misturador 1 está adaptado para receber um fluxo de fluido de uma conduta 2, por meio de uma bomba de 3, situada entre a conduta e o misturador e, ainda, por meio de condutas 4, 5.0 fluido pode ser água (água salgada e/ou de água doce) ou outros fluidos. 0 fluido pode conter fibras ou partículas. A conduta 5 que leva o fluido para o misturador está, ainda, equipada com um injector 6 para gás de modo que o gás, pressurizado pode ser fornecido ao fluido antes 5 deste ser conduzido para dentro do misturador. Também é possível fornecer o gás directamente ao misturador 1. 0 gás, neste exemplo, é o dióxido de carbono, mas o misturador também pode operar com outros tipos de gás, por exemplo oxigénio. A entrada de fluido inclui, neste exemplo, um bico 7 com um diâmetro determinado, cuja função é fornecer fluido com alta velocidade, como um jacto, para dentro da câmara de mistura. 0 fluido é, neste exemplo, fornecido axialmente para dentro da câmara. Do misturador uma mistura de fluido e gás é conduzida através da conduta de 8 a um ejector ou bico 9 que está colocado na conduta 2. 0 ejector realiza nova mistura do fluido misturado no fluxo de fluido na conduta 2. 0 ejector pode alternativamente ser colocado num tanque, bacia ou recipiente aberto. A função do misturador 0 misturador que pode ser constituído por uma câmara cilíndrica vertical, que é lisa por dentro, recebe fluido misturado com gás a alta velocidade do bico que está colocado na parte superior da câmara. 0 misturador é cheio com fluido. A Figura 2 ilustra a função e a configuração do escoamento no misturador. Um jacto concentrado de água e gás é introduzido centralmente e cria recirculação interna. Durante a operação, vai principalmente ser formada uma mistura de gás e fluido na parte superior da câmara (I), enquanto que sobretudo uma fase fluida (com dissolução molecular de fase gasosa) vai ocupar a parte inferior da câmara. Durante experiências realizadas com um misturador transparente, observou-se uma fase muito turbulenta de bolhas na parte superior da câmara, que cria uma grande área de contacto e é favorável para a decomposição de bolhas grandes. No meio da câmara há uma fase "laminar" com bolhas flutuantes 6 muito pequenas (II). Na parte inferior da câmara (III) observa-se uma fase transparente sem bolhas visíveis, que significa que todo o gás está dissolvido e é obtido um fluido saturado com gás.

Durante as experiências foi fornecida uma quantidade crescente de gás e observou-se que a fase de bolhas ocupa uma parte cada vez maior da câmara, o que significa que se junta mais próximo do fundo da câmara. Na carga máxima as bolhas começam a seguir a água para fora do misturador.

Experiências têm demonstrado que o grau de dissolução de gás em fluido é afectado por várias condições. Uma das mais importantes é a perda de pressão na câmara de mistura e, especialmente, a escolha de abertura do bico 6 na entrada, o desenho desta abertura vai ao mesmo tempo contribuir para a velocidade do jacto para baixo na zona turbulenta do misturador. A Tabela 1 mostra os resultados de experiências com diferentes diâmetros do bico 6. 0 bico consiste num disco com uma abertura central. A abertura tem alguma inclinação na entrada/saida para reduzir a perda de pressão. 0 misturador utilizado nas experiências tem as seguintes medidas (ref. Figura 3) : D2: 117 mm, D3: 65 mm, L: 2000 mm. D4 (ref. Tabela 1) é o diâmetro do bico (ejector) (9) da conduta principal (depois do misturador). 7

Tabela 1 Resultados dos ensaios com CO2 e água doce N° Bico dl[mm] Ejector d4 [mm] Água Q [L/h] P antes do bico [bar ] P depois do bico [bar ] Quantidade de CO2 dissolvido [g/L] 1 12 11,0 4100 2,0 1,10 2,0 2 II II 5200 3,0 1,63 3,1 3 II II 6000 4,0 2,25 N.A. 4 16,5 II 7020 3, 0 2, 45 N.A. 5 18, 0 II 7200 3, 0 2,55 3,5 6 18, 0 10,0 5800 3, 0 2,7 4,0 N.A. (não analisado)

Por meio dos resultados apresentados na Tabela 1, é escolhida a proporção ideal entre a abertura do bico (misturador) e abertura do ejector (conduta principal etc.)· A seguir são apresentados resultados de ensaios realizados com oxigénio e água doce. A perda de pressão total no exemplo descrito vai, entre outros, ser influenciada pelo desenho do ejector ou bico 9 e o diâmetro e altura da câmara de mistura. A Figura 3 mostra um misturador com os parâmetros indicados que foi utilizado nas experiências. Outros parâmetros estão apresentados na Tabela 2 adiante:

Tabela 2 di [rim] d-2 [mm] d3 [mn] L w QÁgua [L/min] Tágua [°C] Pmixser [barg] Água bruta O2 [ng/L] 18 117 65 2000 97 5, 6 3,0 12,4 A Tabela 3 mostra um extracto dos resultados do ensaio. Ρ2 fornecido [mg/L] 53,8 72,4 78,3 84,3 90,4 96,6 103,7 110,9 117,8 124,7 Extensão da fase de bolhas [parte do comprimento do misturador] 0,28 0,33 0,38 0,44 0,49 0,54 0,62 0,72 0,82 0,92* *Extensão da fase de bolhas =1,0 significa que 0 misturador está cheio de bolhas. Atingiu 0 limite da capacidade e gás não dissolvido segue-se à água como bolhas que saem do misturador. A Figura 4 mostra uma fotografia de um misturador durante experiências com oxigénio e água doce, e está ilustrada uma divisão nítida (marcada com uma seta) entre a fase gasosa e a fase fluida no misturador.

Lisboa, 16 de Julho de 2010 9

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Método para misturar um fluido e um gás, em que se faz com que o fluido flua para uma câmara de mistura (1) orientada verticalmente, que tem principalmente uma forma cilíndrica com paredes lisas no interior e, em que o fluido e o gás são alimentados à câmara na sua parte superior, em que o gás é misturado com o fluido antes da câmara de mistura, caracterizado por o fluido ser alimentado à câmara, a uma pressão de 1,50-10 bar, por meio de um bico (7), de tal modo que o fluido escoa para a câmara a grande velocidade e enche a câmara e em que durante o funcionamento se forma uma fase gás/líquido turbulenta, com recirculação interna na parte superior da câmara e, sobretudo, uma fase fluida na parte inferior da câmara, em que é evitada a perda de pressão essencial por manutenção da pressão na câmara de mistura a 1,35-9 bar e em que uma fase fluida com gás dissolvido é retirada por um tubo de saída (8) disposto no fundo da câmara, em que o tubo de saída (8) tem um bico (9) e, pelo menos, o bico (9) do tubo de saída (8) que está cheio com fase fluida com gás dissolvido, está submerso no fluido no qual a pressão é libertada.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a entrada estar disposta de tal modo que o fluido escoa axialmente para dentro da câmara.
3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou reivindicação 2, caracterizado por o fluido ser bombeado de uma conduta ou reservatório antes de ser misturado com gás na câmara de 1 mistura e o fluido com gás dissolvido ser, finalmente, alimentado, de novo, à conduta ou reservatório.
4. Método de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por o fluido ser alimentado à câmara de mistura a uma pressão de 2-4 bar.
5. Método de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por o fluido ser alimentado à câmara de mistura a uma pressão de 3 bar.
6. Método de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por a pressão na câmara de mistura ser mantida a 1,8-3,6 bar.
7. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por a pressão na câmara de mistura ser mantida a 2,7 bar.
8. Método de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por o fluido ser água com ou sem um teor de sal, fibras ou partículas e o gás ser oxigénio, dióxido de carbono ou qualquer gás solúvel.
9. Aparelho para mistura e dissolução de um gás num fluido compreendendo uma câmara (1) de mistura que está orientada verticalmente e tem uma parte superior e uma parte inferior e tem uma forma principalmente cilíndrica com paredes lisas no interior, uma entrada para fluido e uma entrada para o gás (6), em que a câmara (1) de mistura está ligada a uma conduta (2) ou reservatório contendo um fluido, a entrada para o fluido compreende um bico (7) na parte superior da câmara (1) para fornecer fluido contendo 2 gás à câmara a alta velocidade, e em que uma fase fluida compreendendo gás dissolvido é retirada por um tubo (8) de saida disposto no fundo da câmara (1), caracterizado por a entrada de fluido estar ligada a uma bomba (3) que está ligada à conduta (2) ou reservatório e por o tubo (8) de saida estar submerso no fluido na conduta (2) ou reservatório e estar equipado com um bico (9) para abastecimento de fluido com gás dissolvido ao fluido da conduta (2) ou reservatório.
10. Aparelho de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por ter um injector (6) de gás para abastecimento de gás ao fluido à frente da câmara (1) de mistura.
11. Aparelho de acordo com a reivindicação 9 ou reivindicação 10, caracterizado por compreender, ainda, uma bomba (3) situada entre a conduta (2) ou reservatório e a câmara de mistura (1).
12. Aparelho de acordo com qualquer das reivindicações 9 a 11, caracterizado por dl<d3<d2, em que dl é o diâmetro da entrada, d2 é o diâmetro da câmara de mistura e d3 é o diâmetro da saída.
13. Aparelho de acordo com qualquer das reivindicações 9 a 12, caracterizado por a razão L:d2, em que L é o comprimento da câmara de mistura e d2 é o diâmetro da câmara de mistura, estar dentro do intervalo de 15:1 a 20:1. Lisboa, 16 de Julho de 2010 3 1/3 5 6

Fig. 1 2/3

Corrente para cima 02 /C02 Fig 2 3/3 L /d. da da Fig. 3 L