PT2286903E - Método e aparelho para a dissolução de oxigénio em água - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO "MÉTODO E APARELHO PARA A DISSOLUÇÃO DE OXIGÉNIO EM ÁGUA" A presente invenção refere-se a um método e um arranjo para a dissolução de oxigénio em água. A presente invenção tem a finalidade de aumentar a capacidade de dissolução de oxigénio em água num cone de oxigenação sob pressão. 0 cone de oxigenação pressurizado pode, por exemplo, ser montado numa incubadora de peixes.

Em unidades de incubação, é importante que o teor de oxigénio dissolvido na água seja mantido elevado. Os bicos usados hoje não são capazes de dar um nivel suficiente de oxigénio dissolvido. Pelo facto da solubilidade de gases em água ser reduzida com o aumento da temperatura, enquanto a necessidade de oxigénio dos peixes aumenta a temperaturas elevadas, existe uma necessidade particularmente grande para o oxigénio em períodos quentes. Aumentar a capacidade de dissolventes de oxigénio é, por conseguinte, altamente útil para o piscicultor. Além disso, a maioria das incubadoras de peixes produz mais peixes por litro de água do que a instalação foi originalmente dimensionada. A quantidade de água é, por conseguinte, um fator limitativo da instalação. Uma melhor utilização da água, um maior consumo do oxigénio e uma capacidade melhorada de dissolução são, por conseguinte, necessários. A maioria das unidades de incubação usa dissolventes de oxigénio pressurizados com uma pressão de trabalho de 1 -4 bar. Através de pequenas quantidades de água, é normal 2 deixar todo o fluxo de água passar pelo dissolvente, mas mais usualmente existe uma saida que conduz uma parte do fluxo da tubulação principal para uma bomba de reforço que pressuriza o dissolvente. A água oxigenada é em seguida levada de volta para a tubulação principal, onde é misturada com água não tratada. A maioria dos sistemas de dissolução tem uma eficiência de perto de 100% utilizando aproximadamente 1,8 - 2,0 kWH de O2 por quilo em dose máxima, dependendo da escolha da bomba.

Injetores em combinação com dissolventes de O2 pressurizados não são comuns na Noruega. Os injetores que têm sido utilizados deram um aumento relativamente pequeno na capacidade, uma grande perda de pressão, e um aumento no consumo de energia. O documento US 5935490 descreve um aparelho para a dissolução de um gás numa corrente de fluido. O aparelho tem um corpo anular disposto para definir uma válvula reguladora na corrente de fluido. O corpo tem uma pluralidade de aberturas voltadas para dentro em comunicação com um suprimento de gás pressurizado. Cada uma das aberturas define um ponto de injeção localizado para o gás pressurizado na corrente de fluido. O corpo anular tem uma área de seção transversal progressivamente reduzida, de tal modo que os diferenciais de velocidade e pressão resultantes aumentam a dissolução do gás no fluido.

Impurezas na água podem causar o entupimento dos canais de abastecimento de gás, especialmente quando em fornecimento de pequenas quantidades de gás ou a uma baixa pressão de gás. A diminuição da área de seção transversal das 3 aberturas resulta em que a energia de pressão seja convertida em energia cinética. A pressão da água (contrapressão para a pressão de gás) será, por conseguinte, na área mais baixa da seção transversal menor. Em instalações a montante e horizontais, a diferença de pressão será considerável e resulta na emanação de gás principalmente através dos canais na menor área da seção transversal. 0 documento FR 2301289 descreve uma mistura de dois fluidos, em que um fluido flui como uma película e o outro na forma de uma pluralidade de jactos. Os jactos entram em contacto com o primeiro fluido a um ângulo e uma pressão dependendo das propriedades dos fluidos, e num ângulo tal que o segundo fluido é disperso no primeiro fluido. A película do primeiro fluido pode ser cilíndrica ou cónica.

De acordo com o documento EP 1 598 106 A, precursor deste pedido, as pontas dos bicos apontam para baixo na direção do fluxo e as pontas dos bicos cobrem as aberturas de fornecimento de gás. Isto reduz o perigo de entupimento das aberturas devido às impurezas na água. Cada bocal circunda a área de seção transversal e irá, por conseguinte, dar uma área maior para fornecimento de gás. A área maior para fornecimento de gás faz com que a pressão do gás e a pressão da água no ponto de abastecimento seja aproximadamente igual, e isto e os bicos de ponta fazem com que muito poucas bolhas de gás sejam geradas. Bolhas pequenas têm uma grande superfície em relação à massa e, por conseguinte, irão dar um transporte de massa relativamente rápido de gás para líquido. 4 0 documento ΕΡ 1 598 106 A refere-se a uma unidade de bico para dispersão de gás num liquido que compreende dois ou mais bicos anulares dispostos um após o outro na direção do fluxo. Os bicos são obliquos para dar uma passagem que se estreita na direção do fluxo e cada bico sobrepõe-se ao bico seguinte. Cada bico tem uma ou mais aberturas para o fornecimento de gás ao nivel da sobreposição. A unidade de bico pode ser disposta numa tubulação e no lado posterior do bico pode haver um espaço anular para o fornecimento do gás, que é aberto para as aberturas. A partir do espaço anular e para fora através da parede da tubulação pode haver um ou mais orifícios para um bocal para fornecimento de gás. Ao instalar numa tubulação pode haver no interior da tubulação um estreitamento da circunferência interna da tubulação e este estreitamento pode ser arredondado. O lado interno da tubulação pode ser expandido de volta ao diâmetro original da tubulação no lado da saída. Em cada unidade de bico, podem ser dispostas uma ou mais saídas para medição da pressão estática e uma ou mais saídas para medição da pressão dinâmica. O documento EP-A-0165 228 divulga um método de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1 e uma disposição de acordo com a preâmbulo da reivindicação 2. O objecto da invenção é melhorar a dissolução de oxigénio na água. O objecto é resolvido por meio de um método de acordo com as características da reivindicação 1 e por meio de uma 5 disposição de acordo com as caracteristicas da reivindicação 2.

Descrição dos desenhos A Fig. 1 ilustra uma vista principal do arranjo da presente invenção na entrada para os cones de oxigenação.

As Figuras 2a e 2b ilustram a unidade de bico disposta numa tubulação com uma peça de entrada para a unidade de tubulação e uma peça de saída, respectivamente. A Fig. 3 ilustra detalhes da unidade de bico num arranjo de tubulação de acordo com a Fig. 2a.

Descrição detalhada da invenção A presente invenção utiliza uma unidade de bico para a injeção de gás num fluxo de líquido. 0 arranjo pode ser montado, por exemplo, em qualquer tubulação de transporte de líquido e com uma necessidade de fornecimento de gás, por exemplo, no fornecimento de tubulação a uma bacia para a piscicultura, na tubulação depois de uma bomba de circulação num barco para transporte de peixes vivos, na tubulação depois de uma bomba de circulação para veículos para transporte de peixes vivos, na tubulação depois de uma bomba de circulação num contentor ou outro arranjo para transporte de peixes vivos, ou em dissolventes pressurizados para aumento da capacidade de oxigenação.

Uma parte da quantidade total de água fornecida a uma instalação ou uma seção de água é pressurizada com bombas ou pressão de coluna e é conduzida através do cone de 6 oxigenação. Esta parte do fluxo é "sobre-oxigenada", isto é, o oxigénio é adicionado sob pressão de modo que a água obtém várias centenas por cento de saturação, em comparação com o equilíbrio atmosférico. Esta água é conduzida de volta e misturada outra vez com a corrente principal e em seguida levada para distribuição para cada bacia. 0 teor de oxigénio na corrente de água principal estará dentro da área de tolerância dos peixes para o teor de oxigénio na água e o teor pode ser reduzido de acordo com a necessidade dos peixes.

Quando a água é posta sob pressão, a solubilidade dos gases irá aumentar. Este é o fundamento principal para a dissolução de oxigénio num cone. 0 cone tem uma conformação cónica. A água e o oxigénio são adicionados na tubulação de entrada que conduz para a parte superior do cone. A velocidade do fluxo da água é reduzida para baixo no cone à medida que a seção transversal aumenta. Algum oxigénio irá dissolver rapidamente e algum oxigénio formará bolhas na água. A flutuabilidade das bolhas de oxigénio na água será superada pelo fluxo descendente da água. Bolhas de oxigénio permanecerão no fluxo da água no cone e que se dissolvem após algum tempo. Algum oxigénio formará bolhas tão grandes que ascenderão até a parte superior do cone e formarão uma almofada de gás sobre a superfície da água. A água com oxigénio dissolvido fluirá para baixo no cone e para fora da saida na parte inferior. Desta forma, a água descarregada conterá apenas oxigénio dissolvido e oxigénio sob a forma de bolhas. Na parte superior do cone permanecerá um volume de gás de oxigénio não dissolvido. Este volume dependerá da quantidade de oxigénio a ser adicionado à água e a quantidade que é dissolvida e que segue o fluxo de água para fora do cone. 7 0 volume de gás na parte superior do cone geralmente não será superior a um terço da altura entre a entrada e a saída do cone.

Uma vez que a solubilidade de gases na água é reduzida em temperaturas aumentadas, enquanto a necessidade de oxigénio dos peixes aumenta a temperaturas aumentadas, há uma necessidade particularmente grande de oxigénio em períodos quentes. A habilidade de aumentar a capacidade de dissolventes de oxigénio é, por conseguinte, muito útil para um piscicultor. Além disso, a maioria dos centros de incubação de peixe produz mais peixes por litro de água do que a instalação foi dimensionada. A quantidade de água é, por conseguinte, muitas vezes um fator limitativo da instalação. Isso requer uma melhor utilização da água, um maior consumo de oxigénio e uma melhor capacidade de dissolução.

Um cone de oxigénio sem uma unidade de bico de acordo com a presente invenção tem uma capacidade de dissolução de 52% da dissolução teoricamente possível. A proporção de dissolução do cone de acordo com a presente invenção é superior a 99%, o que significa que 99% do oxigénio é dissolvido antes de fluir para fora do cone e para dentro da grelha da tubulação. Estes valores presumem que o cone é operado dentro da sua gama no que diz respeito à pressão, ao fluxo da água e ao fluxo de gás. A unidade de bico de acordo com a presente invenção compreende dois ou mais bicos anulares dispostos um após o outro na direção do fluxo. Os bicos são oblíquos para dar uma passagem que se estreita na direção do fluxo e cada bico sobrepõe-se ao bico seguinte. Cada bico tem uma ou 8 mais aberturas para o fornecimento de gás ao nível da sobreposição. 0 bico pode ter um nariz ao nível da sobreposição e este nariz, preferencialmente, tem um ângulo entre 3o e 45°, mais preferencialmente 33°. Os bicos podem ser feitos de qualquer material, porém preferencialmente de POM.

Numa forma de realização a unidade de bico é disposta numa tubulação. A tubulação pode ser feita de qualquer material, porém de preferência de PEH. No lado posterior do bocal, pode haver um espaço anular para o fornecimento de gás, que é aberto para as aberturas. A partir do espaço anular e para fora através da parede do tubo pode haver um ou mais orifícios para um bocal para o fornecimento de gás. Na instalação na tubulação pode haver no interior da tubulação um estreitamento da circunferência interna da tubulação e o ângulo do estreitamento na peça de entrada pode ser de 5o a 15°, preferencialmente 9o. Este estreitamento pode ser arredondado. 0 lado interno da tubulação pode ser expandido de volta ao diâmetro original da tubulação no lado da saída, e o estreitamento na unidade de saída é de 2 ° a 15°, preferencialmente 4o. Na unidade de bico, podem estar dispostas uma ou mais saídas para medição da pressão estática e uma ou mais saídas para medição da pressão dinâmica.

Numa forma de realização da presente unidade de bico é disposta uma saída para a medição da pressão estática e dinâmica a fim de controlar a quantidade de água. Estas saídas podem ser conectadas a um manómetro de pressão diferencial e/ou através de sensores de pressão a um mostrador digital e/ou a um computador para visualização e monitorização. 9 A presente unidade tem um dispositivo de reciclagem com base no principio do injetor. 0 gás que não foi dissolvido pode ser levado de volta para a unidade por meio de pressão diferencial. Em aplicação onde a reciclagem não é relevante, o gás pode ser conduzido através dos bocais de reciclagem e, desse modo, aumentam a área de abastecimento de gás.

Bicos de pontas com sardas na direção do fluxo que podem gerar bolhas muito pequenas também como uma consequência do elevado número de bicos/área grande é um aspecto que distingue a unidade de injetores conhecidos. Outra vantagem da presente unidade de bico é a baixa perda de pressão/consumo de energia. A unidade é montada horizontalmente e dimensionada para 1000 litros/minuto e é adaptada para um cone AGA de 60 m3/h com uma pressão de trabalho de 3,8 bar, dando uma queda de pressão medida ao longo da unidade, sem dosar o oxigénio do 83 mbar (0,08 bar). Uma dose de oxigénio de 8,2 kg/h resultou numa perda de pressão de 103 mbar (0,10 bar). Com a unidade de bico de acordo com a presente invenção o dimensionamento da taxa de fluxo de água do cone pode ser aumentado em 25% e ainda manter um grau de eficácia próximo a 100%. A unidade de bico de acordo com a presente invenção é flangeada na canalização que penetra no cone. Com referência às Figuras 2a, 2b e 3, a presente unidade é uma tubulação (d) , da mesma dimensão que o tubo original que conduz para dentro do cone. O comprimento da unidade depende do tamanho do cone. No interior do tubo 4, existe um estreitamento 1 com uma passagem livre de 56% da área total da tubulação, o estreitamento 1 sendo arredondado 10 para reduzir a perda de pressão pelo facto de não fazer turbulência. A restrição depois volta 7, 8, 9 na direção do fluxo para a passagem livre original a um ângulo 10. Na seção de entrada há uma ou mais saídas para medição da pressão estática 2 e uma ou mais saídas para medição da pressão dinâmica 3 para medir a diferença de pressão e para calcular a taxa de fluxo da água. Pode haver um ou mais bicos 5, de preferência entre 5 e 15, mais preferencialmente 10. Cada bico tem uma ou mais aberturas (b) para o fornecimento de gás ao nivel da sobreposição. Existem dois orificios 6 na unidade para o fornecimento de oxigénio "novo" e dois orificios 6 para o gás reciclado da parte superior do cone. Os bicos são concebidos para serem dispostos voltados um para o outro e são obliquos como um estreitamento (a) em relação à direção do fluxo. Isto é feito de modo que o fluxo de água seja conduzido na direção do próximo bico e arraste a bolha de oxigénio. Cada bico é apontado com um ângulo (e) em direção ao próximo bico. Isto é feito para que sejam obtidas pequenas bolhas que são facilmente retiradas da borda. Na parte de trás dos bicos no sentido da parede da tubulação (d) , existe um espaço anular (c) e um orifício 6 para um bocal. Aqui, o oxigénio é adicionado e é distribuído para os bicos. O fornecimento de oxigénio proveniente do arranjo de reciclagem é adicionado através de um tubo que é fixado à parede de ventilação na parte superior do cone. O sistema é disposto de modo que quando a pressão estática é transformada em energia cinética no estreitamento no arranjo de bico de acordo com a invenção, haverá uma queda de pressão no arranjo do bico. Haverá uma subpressão, e o gás da bolsa de gás no cone será pressionado de volta para dentro do fluxo da água através da unidade de bico. 11 A tecnologia por trás do arranjo de bico é utilizar as diferenças de pressão para reciclar o gás do volume de gás na parte superior do cone de volta para dentro da entrada de água que reentra no cone. Testes demonstram que a utilização de um arranjo de bico de acordo com a invenção leva a um aumento de 50% na capacidade do cone, isto é, dá uma capacidade de cerca de 78% da capacidade teórica. Uma vez que a maioria dos cones pressuriza a água por meio de bombas, a poupança de energia é uma vantagem importante. Com a presente invenção, a quantidade de energia dissolvida é aumentada para o mesmo nivel de consumo de energia ou a capacidade de dissolução pode ser mantida a um menor consumo de energia. O sistema é disposto de modo que quando a pressão estática é transformada em energia cinética no estreitamento no arranjo de bico de acordo com a invenção, haverá uma queda de pressão no arranjo de bico. Haverá uma subpressão e o gás da bolsa de gás no cone será forçado a voltar para o fluxo de água através da unidade de bico. Por exemplo, a 1000 L/min de água que flui com uma velocidade de 2 m/s através da tubulação adiante da unidade de bico e com uma pressão de 3,6 bar, a velocidade do fluxo da água no ponto em que o oxigénio reciclado é fornecido será de 8 m/s, e a pressão será de 3,2 bar. O cone tem uma pressão de 3,8 bar, isto é, a diferença em pressão é de 0,6 bar. O oxigénio será forçado para cima e faz novo contacto com a água e, desse modo, aumenta o transporte de massa e a capacidade de oxigenação.

Exemplo: A técnica por trás do arranjo do bico é utilizar diferenças de pressão para reciclar gás do volume de gás 12 na parte superior do cone de volta para a entrada de água que está a reentrar no cone. Na base de um cone com uma capacidade de 60 m3/h de água, a pressão de 3,8 bar e a temperatura de 10 °C pode ser dosada uma quantidade de 6,25 kg/h de oxigénio. Testes foram feitos no centro de testes AGA no cone com uma taxa de fluxo e pressão como descrito. Os testes demonstram que a utilização do arranjo de bico de acordo com a invenção aumenta a capacidade do cone em até 9,7 kg, isto é, um aumento de 50%, o que dá uma capacidade de cerca de 78% da capacidade teórica. Uma unidade de incubação, que tem de aumentar a sua capacidade de oxigenação de 2 para 3 cones pode escolher instalar a presente invenção nos seus cones e assim obter a mesma capacidade total. Além disso, o consumo de energia por quilo de oxigénio dissolvido é substancialmente reduzido.

Lisboa, 31 de Agosto de 2012

Claims (2)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Método para a dissolução de oxigénio em água que utiliza uma unidade de bico flangeada que injeta oxigénio dentro da tubulação que penetra num cone de oxigenação montado verticalmente, de modo que a unidade de bico compreende dois ou mais bicos anulares dispostos um após o outro na direção do fluxo, em que os bicos são oblíquos para dar uma passagem que se estreita na direção do fluxo e cada bico sobrepõe-se ao bico seguinte, em que cada bico tem uma ou mais aberturas para o fornecimento de gás ao nível da sobreposição, caracterizado por reciclar oxigénio proveniente da parte superior do cone para a unidade de bico.

2. Disposição para a dissolução de oxigénio em água dotada de uma unidade de bico flangeada dentro da tubulação que penetra num cone de oxigenação montado verticalmente, de modo que a unidade de bico compreende dois ou mais bicos anulares dispostos um após o outro na direção do fluxo, em que os bicos são oblíquos para dar uma passagem que se estreita na direção do fluxo e cada bico sobrepõe-se ao bico seguinte, em que cada bico tem uma ou mais aberturas para o fornecimento de gás ao nível da sobreposição, caracterizado por um tubo fixado à parede de ventilação da parte superior do cone para reciclar oxigénio proveniente da parte superior do cone para dentro do fluxo de água da unidade de bico. Lisboa, 31 de Agosto de 2012