PT2021015633B

PT2021015633B - Sistema para saturar líquidos com gás e um método para saturar líquidos com gás que utiliza este sistema

Info

Publication number: PT2021015633B
Application number: PT2020000063A
Authority: PT
Inventors: Widuch Aleksander; Mariusz Herman Filip
Original assignee: Net Spolka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia Water Tech Spolka Komandytowa
Priority date: 2019-07-19
Filing date: 2020-07-17
Publication date: 2023-05-02
Also published as: HRP20220213A1; PL430663A1; ES2933485A1; PL243000B1; HRP20220213B1; WO2021015633A1

Abstract

0 objeto da invenção é um sistema de saturação de liquido com gás que compreende uma fonte de liquido (3), uma fonte de gás (5), uma câmara de dissolução de gás (1) e um tanque de receção de líquido (4), em que a fonte de líquido (3 ) está ligada por meio de uma canalização B (11) equipada na bomba (8) ao sistema de cavitação (14) que está ligado por meio de uma canalização E (16) à câmara de dissolução de gás (1), em que a extremidade da canalização E (16) é um conjunto de bocais atomizadores (7) localizado na câmara de dissolução de gás (1) ao qual uma fonte de gás (5) está ligada por meio de uma canalização de gás A (10) com um bocal (6); e a câmara de dissolução de gás (1) por meio de uma canalização C (12) com uma válvula de controlo (9) está ligada a uma câmara de retenção (2) com divisórias parcialmente abertas dispostas alternadamente (17), por meio das quais uma canalização D (13) com uma válvula (15) está ligada ao tanque de receção de líquido saturado (4). O método de saturar o líquido com gás que utiliza o sistema acima, em que o líquido da fonte de líquido (3) é bombeado por meio de uma bomba (8), ao elevar a pressão do líquido para pelo menos 4 bar, através da canalização B (11), para o sistema de cavitação (14) no qual o líquido é saturado com o gás na forma de micronano bolhas e depois através de uma canalização de gás A (10) é bombeado para um conjunto de bocais atomizadores (7) com o auxilio dos quais o líquido é pulverizado na câmara de dissolução de gás (1), na qual o líquido é adicionalmente saturado com gás proveniente de uma fonte de gás (5) alimentada por meio da canalização de gás A (10) e bocal (6), em que o gás é abastecido com uma pressão igual à pressão de líquido, de seguida por meio da canalização C (12) o líquido é bombeado para a câmara de retenção (2) através da qual flui em não menos de 10 minutos e a velocidade da linha a não exceder 0,5 m/s necessária para dissolver o gás é depois bombeado através da canalização D (13) para o tanque de receção de líquido (4).

Description

SISTEMA PARA SATURAR LÍQUIDOS COM GÁS E UM MÉTODO PARA SATURAR LÍQUIDOS COM GÁS QUE UTILIZA ESTE SISTEMA objeto da invenção é um sistema para saturar líquidos com gás e um método para saturar líquidos com gás.

A invenção pertence ao campo da técnica de tratamento de água e tratamento de águas residuais.

No estado da técnica existem dispositivos e métodos conhecidos para saturar líquidos com gás. Etchepare R., Oliveira H., Nicknig M., Azevedo A., Rubio J. (2017). Nanobubbles: Generation using a multiphase pump, properties and features in flotation. Minerais Engineering, 2017 (Volume 112), p. 19-26. Os autores na sua solução utilizaram uma bomba de saturação para produzir uma mistura de água-ar comprimida, foi então expandida para obter nanobolhas de ar. Esta solução baseia-se na aspiração de ar sob pressão atmosférica e na sua mistura com água no estado líquido. A solução de acordo com a invenção garante a introdução de gás a uma pressão absoluta de 4 bar e atomização do líquido saturado, o que permite a criação de uma superfície de contacto de fase significativa, a qual se transfere em alta eficácia do processo.

B. J. Vinci, B. J. Watten, Μ. B. Timmons, (1995). Modeling gas transfer in a spray tower oxygen absorber. Aquacultural Engineering, Volume 16, Issues 1-2,1997. No seu trabalho, os mesmos utilizam bocais de pulverização para pulverizar água na coluna à qual o oxigénio é abastecido. Ά questão do entupimento do bocal de pulverização com partículas sólidas não foi resolvida pelos autores. No caso de utilizar líquido não limpo, o bocal atomizador ficará facilmente entupido, o que aumentará a taxa de falhas do dispositivo. Na solução de acordo com a invenção, os bocais estão equipados com inserções de moagem estática, as quais reduzem significativamente o risco de entupimento dos bocais. Além disso, a utilização de um atomizador garantirá a maior atomização possível da água abastecida.

S. Nazari, S.Z. Shafaei, B. Shahbazi, S. Chehreh Chelgani, (2018). Study relationships between flotation variables and recovery of coarse particles in the absence and presence of nanobubble. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. Volume 559, 2018, páginas 284-288. Na solução apresentada, os autores introduzem ar comprimido na água, a mistura ocorre nos dois misturadores estáticos, depois a mistura água-ar é direcionada para o ventilador venturi no qual, como um resultado da cavitação hidrodinâmica, devem ser formadas nanobolhas. Os autores não propuseram uma mistura de fases mais eficaz do que os misturadores estáticos, o que reduz significativamente a solubilidade do ar em água, a qual se transfere diretamente para a quantidade de bolhas de ar geradas.

R. Etchepare, H. Oliveira, M. Nicking et al., na publicação intitulada Nanobubbles: Generation using a multiphase pump, properties and features in flotation descrevem o sistema para gerar micronano bolhas posteriormente utilizadas no processo de flotação, para melhorar a eficácia da separação da lama na câmara de flotação do esgoto para remoção de matéria suspensa. Um sistema equipado com uma bomba multifásica é utilizado para isso. A solução proposta difere da solução apresentada na publicação por ser utilizada para dissolver gás num liquido, portanto visa dissolver completamente o gás sem criar bolhas, as quais indicam gás insolúvel, enquanto o método da publicação pressupõe a produção de bolhas finas de gás, cuja função é levantar as partículas sólidas até ao nivel do espelho de águas residuais para que possam ser posteriormente removidas mecanicamente.

Kim Yu Beom no pedido de patente nJ KR101771124 OXYGEN DISSOLUTION APPARATUS AND FARM WITH THE SAME descreve um sistema de aeração de água que utiliza bocais de pulverização que reduzem o tamanho das goticulas de liquido que passam através da atmosfera de gás. A solução de acordo com a invenção realiza o processo sob alta pressão e mantém a água condensada misturada com as moléculas de gás em sobrepressão até que o gás esteja completamente dissolvido no liquido.

Agranonik R. J. e Pisklov G. A. no pedido n£. RU 94030202 METHOD FOR SATURATION LIQUID WITH GAS descrevem o método de saturação de liquido destinado ao processo de flotação com gás. Na sua solução, os mesmos utilizam um termocompressor para reduzir o consumo de energia. Na invenção de acordo com a aplicação é utilizada uma bomba convencional e o aumento do oxigénio dissolvido é baseado no período de retenção prolongado.

Wiidley P.S. no pedido n£ WO2013017935 DEVICE AND METHOD FOR SATURATING LIQUID WITH GAS descreve um método de arejamento de líquidos que utilizam um dispositivo que atravessa correntes de líquido acelerado numa atmosfera de gás. A solução de acordo com a invenção utiliza a queda livre de partículas líquidas com sobrepressão significativa e tempo de retenção prolongado a uma determinada taxa de fluxo.

Sulejmanov B.A.O no pedido nl EA030820 METHOD FOR PRODUCTION OF NANO-FLUID WITH GAS NONO-BUBBLES descreve um método de produção de um líquido saturado de gás pela condução de um processo pressurizado. Na solução de acordo com a invenção, o líquido é saturado com micronano bolhas para aumentar a sua superfície de contacto com o oxigénio e depois retido no reservatório de fluxo para que o oxigénio seja completamente dissolvido antes que o líquido se expanda.

Lugovkin A. N. e Kuznetsov A.D. no pedido n£ RU2236898 DEVICE FOR SATURATION OF LIQUID WITH GAS descrevem um dispositivo para melhorar a eficácia de saturação de líquido com gás baseado no aumento da eficácia do processo de pulverização de líquido na câmara. Na solução de acordo com a invenção, o aumento de eficácia é baseado numa combinação de saturação com micronano bolhas e uma extensão do tempo de retenção hipertensiva enquanto mantém uma taxa de fluxo apropriada.

Ignatkin V.I. no pedido n2 RU2230700 METHOD OF AND DEVICE FOR

SATURATION OF LIQUID WITH GAS AND DISPENSING OF LIQUID apresenta um método para melhorar a eficácia de dissolução de gás num liquido ao utilizar um dispositivo que utiliza um permutador de calor para melhorar a solubilidade. Na solução de acordo com a invenção todos os processos ocorrem a uma temperatura constante.

Agranonik R.V. e Piskolev G.A. no pedido EP0700873 (Al) WASTE WATER TREATMENT METHOD, SUSPENSED MATTER SEPARATION METHOD, AND METHOD FOR SATURATING A LIQUID WITH A GAS descrevem o método de tratamento de águas residuais com base na saturação de águas residuais com gás sob pressão e, em seguida, antes de dissolver o gás em líquido, que se expande para criar bolhas de ar que flutuam contaminantes. Na solução de acordo com a invenção, o objetivo é dissolver total e completamente o gás no líquido, o que garantirá a ausência de bolhas de gás após a expansão do liquido à pressão atmosférica.

No estado da técnica, as câmaras de lama ativadas são aeradas por meio de disco de membrana ou difusores de tubo, e por meio de aeradores de superfície. A aeração por meio de difusores dispostos no fundo da câmara consiste em injetar ar atmosférico nelas por meio de insufladores. Neste processo, bolhas de ar de 1-2 mm de diâmetro são formadas na superfície da membrana, as quais se elevam em direção ao espelho de águas residuais. 0 método de aeração que utiliza aeradores de superfície é baseado no movimento das lâminas do aerador, que sugam o esgoto do fundo do tanque em direção ao aerador no corpo do qual o esgoto é ejetado quando a direção do esgoto muda repentinamente de axial para radial. Durante este processo, as águas residuais misturam-se intensivamente ao utilizar o ar atmosférico para aeração. 0 coeficiente de transferência de oxigénio para difusores de membrana oscila a um nível de 8% por metro de profundidade da câmara de lama e no que depende do fabricante, o seu valor total que se excede a cerca de 70% para toda a câmara não pode ser obtido. Isto transforma-se em eficácia de aeração padrão na faixa de 3-8 kgCh/kWh. Para aeradores de superfície, a eficácia de aeração padrão não excede 3 kgCk/kWh. Os métodos de aeração apresentados no presente documento, devido à sua baixa eficácia energética, contribuem para gerar cerca de 60% dos custos funcionais de toda a fábrica de tratamento.

Ao contrário do conhecido estado da técnica, na solução de acordo com a invenção, devido à introdução de oxigénio comprimido na câmara de dissolução de gás, em que a névoa de água pressurizada é previamente saturada com micronano bolhas, que graças aos atomizadores utilizados tem uma área de superfície desenvolvida, é possível alcançar uma alta concentração de oxigénio >30 g/m³ em água aerada. Isto transformar-se-á na possibilidade de obter um coeficiente de transferência de oxigénio >99%, o que, consequentemente, permitirá alcançar uma eficácia de aeração padrão de 10-12 kgCh/kWh. Comparado aos difusores de ar de alto desempenho, isto levará a uma redução média de 15 vezes no volume de fluido injetado nas câmaras de lama ativadas, ao aumentar significativamente o coeficiente de transferência de oxigénio no que depende da superfície de permuta, pressão e temperatura, enquanto mantém a mesma concentração de oxigénio na câmara, o que afetará diretamente a aplicabilidade de insufladores muito menores. Ά produção de nanobolhas também é de importância fundamental na condução da flotação, em que qualquer redução no tamanho das partículas de flotação se transforma num aumento na eficácia do processo e, portanto, na redução do volume dos dispositivos de flotação.

objetivo da invenção é obter de maneira energeticamente eficiente água com alta concentração de oxigénio (> 30 g/m³) para fins do processo de purificação.

A essência da invenção é um sistema de saturação de liquido com gás que compreende uma fonte de líquido, fonte de gás, câmara de dissolução de gás e tanque de recolha de líquido, em que a fonte de líquido está ligada por meio de uma canalização equipada com uma bomba com um sistema de cavitação, o qual está ligado por meio de uma canalização com uma câmara de dissolução de gás, em que a extremidade da canalização é um conjunto de bocais atomizadores localizados na câmara de dissolução de gás à qual uma fonte de gás está ligada por meio de uma canalização de gás com um bocal. A câmara de dissolução de gás por meio de uma canalização com válvula de controlo está ligada a uma câmara de retenção com divisórias parcialmente abertas dispostas alternadamente, as quais, por meio de uma canalização com uma válvula, estão ligadas a um tanque de recolha de líquido saturado.

De preferência, a montagem do bocal de atomização está equipada com inserções estáticas (7a) , as quais são preferencialmente produzidas a partir de material inoxidável, cujas bordas estão dobradas para dentro a um ângulo de 20 a 40 graus a partir do plano da inserção.

A essência da invenção é o método de saturar líquidos com gás que utiliza o sistema descrito acima, onde o liquido da fonte de líquido é bombeado por meio de uma bomba, ao elevar a pressão do líquido para pelo menos 4 bar de pressão absoluta, através de uma canalização, para o sistema de cavitação, na qual o líquido é saturado com gás na forma de micronano bolhas, subsequentemente através de uma canalização é bombeado para um conjunto de bocais atomizadores por meio dos quais o líquido é pulverizado numa câmara de dissolução de gás, em que o líquido é adicionalmente saturado com gás proveniente de uma fonte de gás alimentada através da canalização de gás e bocal, em que o gás abastecido tem uma pressão igual à pressão do líquido, de seguida através da canalização de gás o líquido é bombeado para a câmara de retenção através da qual flui num tempo não inferior a 10 minutos e com uma velocidade linear que não excede os 0,5 m/s necessária para dissolver o gás, depois por meio da canalização o líquido é bombeado para o tanque de recolha de líquido.

De acordo com a lei de Henry, o número de mols de um determinado gás que pode ser dissolvido num determinado líquido depende da pressão e da constante que caracteriza o determinado gás e líquido, que depende da temperatura na qual o líquido é saturado. Portanto, é inequivocamente claro que qualquer aumento na pressão do processo de saturação de liquido levará a um aumento na solubilidade do gás. Decidiu-se realizar o processo de saturação a uma pressão de 4 bar (a) , por se justificar economicamente - trata-se de um compromisso entre o gasto energético e as concentrações obtidas de gases dissolvidos. A aplicação do maior nível de atomização do líquido é benéfica devido ao aumento na superfície de contacto das fases gasosa e líquida, o que resulta num aumento na eficácia do processo.

A aplicação da câmara de retenção na solução apresentada com um tempo de retenção não inferior a 10 minutos e a obtenção de uma superfície de contacto desenvolvida da fase gasosa e líquida garante uma adequada mistura e acesso de oxigénio a todo o volume do líquido aerado. Para uma pressão de mistura de 4 bar de pressão absoluta e uma velocidade de fluxo na faixa de 0,4 - 0,6 m/s exigida, o tempo mínimo de retenção é de 10 minutos - portanto, a conceção da câmara de retenção deve assumir um volume suficiente para armazenar a mistura, na mesma quantidade na qual flui por 600 segundos através do sistema. Pressão absoluta de 4 bar é o valor mínimo, no entanto é possível realizar o processo de oxigenação a uma pressão mais alta e para cada bar de aumento da pressão absoluta, o tempo de retenção exigido diminui em 15%, porém a pressão do processo não deve ultrapassar 6 bar de pressão absoluta devido a limitações associadas aos dispositivos para separar oxigénio do ar cuja pressão máxima após a separação é de 6 bar de pressão absoluta.

A invenção é ilustrada nos desenhos, nos quais a Figura 1 apresenta uma modalidade preferencial do sistema de saturação de líquido com gás e a Figura 2 apresenta uma modalidade preferencial da montagem de bocal.

Exemplo de Implementação 1

O sistema consiste numa Câmara de Dissolução de Gás (1) produzida a partir de aço inoxidável de 316L, com diâmetro externo de 500mm, altura 2000mm e espessura de parede de 3mm, fonte de liquido (3), bomba (8) adaptada para bombeamento de líquidos com diâmetro máximo de partículas sólidas de Imm e pressão de bombeamento de líquido até 4 bar (a) , canalização B (11) produzida a partir de Polietileno, conjunto de bocais atomizadores (7) com diâmetro de goticulas de liquido atomizado que não excede 5 micrones, produzidos a partir de plástico PVDF e equipados com inserções estáticas (7a) de 1 mm de espessura em aço inoxidável de 316L. Os bocais atomizadores (7) estão ligados por meio de uma canalização E (16) produzida a partir de Polietileno com um sistema de cavitação (14) que é um injetor produzido a partir de aço inoxidável de 316 L, o qual aspira ar atmosférico na quantidade de 3 Nm³/h, que forma bolhas de ar com um diâmetro de 100 nanómetros. A câmara de dissolução de gás (1) está ligada à fonte de gás (5) na forma de um cilindro de oxigénio com uma pureza acima de 95%, por meio de uma canalização de gás A (10) produzida a partir de aço inoxidável de 316 L e um bocal (6) produzido a partir de aço inoxidável de 316 L. A câmara de dissolução de gás (1) através de uma canalização C (12) produzida a partir de aço inoxidável de 316 L com um diâmetro de 80 mm e uma válvula faca de controlo (9) produzida a partir de aço inoxidável de 316 L, está aligada a uma câmara de retenção (2) produzida a partir de aço de 316 L, 2200 mm de diâmetro, 1200 mm de altura e uma espessura de parede de 3 mm, na qual foram colocadas as divisórias parcialmente abertas (17); as quais estão ligadas ao tanque de receção de líquido (4) por meio de uma canalização D (13) produzida a partir de aço inoxidável de 316 L com um diâmetro de 80 mm.

Exemplo de Implementação 2

O método de saturar líquidos com gás, em que o líquido de uma fonte de líquido (3) que é um tanque tampão para águas residuais municipais com um teor de suspensão de 240 mg/L e BZT5 a um nível de 250 mg/L na quantidade de 20m³/h a uma temperatura de cerca de 25 graus Celsius, é bombeado ao utilizar a bomba (8), adaptada para bombear líquidos classificados como esgoto municipal, ao elevar a pressão do líquido para pelo menos 4 bar (a), através de uma canalização B (11) de polietileno, ao sistema de cavitação (14) no qual o líquido é saturado com gás (ar atmosférico) com um diâmetro de bolhas entre 50 e 100 mícrones, e de seguida através de uma canalização E (16) produzida a partir de polietileno, é bombeado para um conjunto de bocais atomizadores (7) para um diâmetro de gotas que não excedem os 5 mícrones, produzidos a partir plástico PVDF, equipados com inserções estáticas (7a) produzidas a partir de aço inoxidável de 316L de Imm de espessura, cuja tarefa é quebrar partículas sólidas suspensas agregadas em frações menores, para a proteção dos bocais contra entupimento. Isto é conseguido graças a utilização de fluxo turbulento e as forças de acompanhamento pelas quais o líquido é pulverizado numa câmara de dissolução de gás (1) produzida a partir de aço inoxidável de 316 L de 3 mm de espessura, 2200 mm de diâmetro e 2000 mm de altura, em que o liquido é adicionalmente saturado com gás (oxigénio com concentração de 95%) proveniente de uma fonte de gás (5) na forma de um gerador de oxigénio (PSA Adsorção por Alteração de Pressão [Pressure Swing Adsorption Type] ) alimentado através de uma canalização de gás A (10) produzida a partir de aço inoxidável de 316 L e bocal (6), em que o gás abastecido tem uma pressão igual à pressão do líquido.

Como resultado de atomização do líquido em gotas de 5 mícrones de diâmetro e a sua injeção para um volume de gás sob pressão na câmara de dissolução de gás (1), a superfície de permuta líquido-gás é desenvolvida para um valor de 1200 m², portanto 1000% mais do que numa solução convencional, enquanto ao manter a pressão de 4 bar (a) aumenta o coeficiente de dissolução do gás no líquido, ao ser 5 vezes o coeficiente observado no caso de aeração superficial, o que permite um processo de saturação do gás muito dinâmico e eficaz. Em seguida, por meio de uma canalização C (12) produzida a partir de aço inoxidável de 316L, o líquido é bombeado para a câmara de retenção (2) produzida a partir de aço de 316L, com diâmetro de 2200mm, altura de 1200mm e espessura de parede de 3mm, na qual as divisórias parcialmente abertas (17) são colocadas, soldadas alternadamente para forçar o tempo de retenção concebido na câmara e neutralizar o tempo de residência irregular, o que ocorreria se a câmara de retenção fosse atravessada (sem divisórias). As divisórias parcialmente abertas (17) são produzidas a partir de aço inoxidável de 316L, com 5mm de espessura, que forçam o tempo de retenção na câmara de retenção (2) não inferior a 10 minutos e uma velocidade linear que não excede 0,5 m/s exigida para dissolver o gás. Em seguida, através de uma canalização D (13) produzida a partir de aço inoxidável de 316L, o líquido é bombeado para o tanque de receção de líquido (4), que é a próxima etapa do sistema de tratamento biológico de águas residuais, isto é, flotação. Ao realizar a modalidade da presente invenção, o seu objetivo foi alcançado. Após a aplicação do método descrito acima, obtevese um líquido que tem uma concentração de oxigénio muito alta que excede 30 g/m³.

REFERÊNCIAS CITADAS NA DESCRIÇÃO

Esta lista de referências citada pela depositante visa a mera conveniência do leitor. Esta lista não constitui parte do documento de patente europeia. Embora as referências tenham sido compiladas com bastante cuidado, não é possível descartar a existência de erros ou omissões e o Instituto Europeu de Patentes não assume nenhuma responsabilidade nesse sentido.

Claims

1. Sistema para saturar líquidos com gás que compreende uma fonte de líquido (3) , uma fonte de gás (5) , uma câmara de dissolução de gás (1) e um tanque de receção de líquido (4), caracterizado por a fonte de líquido (3) estar ligada por uma canalização B (11) equipada com uma bomba (8) com um sistema de cavitação (14) o qual está ligado por meio de uma canalização E (16) à câmara de dissolução de gás (1), em que a extremidade da canalização E (16) é um conjunto de bocais atomizadores (7) localizado na câmara de dissolução de gás (1) ao qual uma fonte de gás (5) está ligada por meio de uma canalização de gás A (10) a um bocal (6); e a câmara de dissolução de gás (1) por meio de uma canalização C (12) com uma válvula de controlo (9) está ligada a uma câmara de retenção (2) com divisórias parcialmente abertas (17) dispostas alternadamente, as quais por meio de uma canalização D (13) com uma válvula (15) estão ligadas ao tanque de receção de líquido (4).

2. Sistema de saturação de gás, conforme definido na reivindicação 1, caracterizado por a bocal atomizador (7) estar equipada com inserções estáticas (7a), as quais são preferencialmente produzidas a partir de material inoxidável, cujas bordas estão dobradas na direção interna num ângulo de 20 a 40 graus em relação ao plano de inserção.

3. Método de saturar líquidos com gás que utiliza o sistema, conforme definido na reivindicação 1, caracterizado por o líquido da fonte de líquido (3) ser bombeado por meio de uma bomba (8), ao elevar a pressão de liquido para pelo menos 4 bar, através da canalização B (11), para o sistema de cavitação (14) no qual o líquido é saturado com gás na forma de micronano bolhas de 100 nanómetros de diâmetro e de seguida através de uma canalização de gás A (10) é bombeado para um conjunto de bocais atomizadores (7) por meio dos quais o líquido é pulverizado na câmara de dissolução de gás (1), na qual o líquido é adicionalmente saturado com gás proveniente de uma fonte de gás (5) alimentada através de canalização de gás A (10) e bocal (6), em que o gás abastecido tem uma pressão igual à pressão do líquido, de seguida através da canalização C (12) o líquido é bombeado para a câmara de retenção (2) através da qual flui não menos de 10 minutos e numa velocidade linear que não excede 0,5 m/s necessária para dissolver o gás, depois através da canalização D (13) o líquido é bombeado para o tanque de receção de líquido (4).