WO1992012788A1 - Sistema de generacion de microburbujas en una masa liquida - Google Patents

Sistema de generacion de microburbujas en una masa liquida Download PDF

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Dionisio Rodriguez Martinez
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Filtrocesa, S.A.
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/20—Mixing gases with liquids
    • B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
    • B01F23/231—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids by bubbling
    • B01F23/23105—Arrangement or manipulation of the gas bubbling devices
    • B01F23/2312—Diffusers
    • B01F23/23126—Diffusers characterised by the shape of the diffuser element
    • B01F23/231265—Diffusers characterised by the shape of the diffuser element being tubes, tubular elements, cylindrical elements or set of tubes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/20—Mixing gases with liquids
    • B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
    • B01F23/231—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids by bubbling
    • B01F23/23105—Arrangement or manipulation of the gas bubbling devices
    • B01F23/2312—Diffusers
    • B01F23/23123—Diffusers consisting of rigid porous or perforated material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
    • B01F23/237—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids characterised by the physical or chemical properties of gases or vapours introduced in the liquid media
    • B01F23/2373—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids characterised by the physical or chemical properties of gases or vapours introduced in the liquid media for obtaining fine bubbles, i.e. bubbles with a size below 100 µm

Definitions

  • the invention relates to a system intended to homogenize the mass of a liquid by means of the injection of air bubbles into the liquid mass itself, thereby agitating it to achieve a uniform homogeneity thereof.
  • the system is applicable in electrolytic processes, gas transfers, water purification, fish factories, etc.
  • the anodizing of the pieces is carried out in a horizontal arrangement of these, due to the small height with which the vats are made (normally between 2 and 3 m.). In this way, the height traveled by the bubbles injected into the electrolyte, barely allows time to come together before reaching the surface, so that the methods used in the injection of air bubbles can be considered acceptable.
  • the effect that is intended to be achieved with the injection of bubbles is to ensure that they have the smallest possible diameter and minimum kinetic energy, that is, the lowest possible speed, so that the bubbles remain ina lterab during their focus on the tank, preventing as much as possible from joining together.
  • a homogenization device is claimed using a porous diffuser, said device consisting of a gas distributor element to which several injectors are inserted through which the gas circulates at high speed and covering the injectors are precisely located the porous elements or diffusers, all in such a way that by injecting the gas to the aforementioned diffusers, it diffuses throughout the porous mass, reducing the velocity.
  • a gas distributor element to which several injectors are inserted through which the gas circulates at high speed and covering the injectors are precisely located the porous elements or diffusers, all in such a way that by injecting the gas to the aforementioned diffusers, it diffuses throughout the porous mass, reducing the velocity.
  • the exit of the gas through the diffusers produces microbubbles perfectly distributed throughout the surface of the diffusers and perfectly transferred and homogenized in the liquid mass.
  • porous diffusers when air or fluid blows cease through it, water penetrates through the aforementioned ceramic diffusers, occupying the inside of the pipe, so that in A short period of time is achieved to reach the clogging of these porous pieces, preventing the production of bubbles.
  • the branches that constitute the conduits where the porous diffusers are located are mounted in series, so that the loss of load is important and prevents the last diffusers of each branch from evacuating the water introduced to its through what is chosen on the one hand to the placement of non-return valves that prevent the penetration of water to the pipes when the blow stops, and on the other hand, and in order to get a proper blow in the last diffusers of each branch , a greater amount of air is blown, which causes the first diffusers of the branches to inject more air than is due.
  • patent 4,048,072 intended for the same purposes, uses as a means of outlet of the bubbles an enclosing chamber between an external mesh and an inner concentric tube, whose chamber is filled with a granulated product, such as pebbles .
  • the system that has been advocated has been designed to solve all this problem to full satisfaction by offering a simple and effective solution, based first of all on the fact that the installation will be carried out by meshes instead of the serial arrangement of the branches which constitute the conventional installations, and that arrangement in meshes is such that the porous diffusers are arranged in parallel thereby avoiding the problems of the serial arrangement referred to above.
  • the air outlet is not carried out directly through the porous diffusers, as is traditional, but that before reaching these porous diffusers the air passes through holes provided in a concentric tube to the porous diffuser whose holes lead to a common channel, before reaching the porous diffuser itself, to equalize the pressures.
  • These concentric tubes logically determine a chamber that can never be filled with liquid, also ensuring uniform air pressure.
  • the said holes of the concentric tube that communicate the chamber determined therein as the common chamber provided before reaching the porous diffuser are made in the lower zone, which determines that the useful output surface of bubbles are made in correspondence with the upper half of the diffuser pore, while the lower half, approximately, it remains as a useless surface and no bubbles will flow through it, which results in such bubbles rising through the liquid mass to the surface of the bubble without joining each other.
  • the section of the holes of each main branch is greater than the sum of the surface of the calibrated or outlet holes referred to above, in order to cause overpressures in the ducts to achieve a correct air outlet.
  • porous diffusers in parallel, forming meshes, resembles an electrical scheme where the resistance is similar to the loss of load, so that the total load loss will be equivalent to that of an element divided by the number of elements, and therefore the blowing pressure of the equipment similar to the voltage for the same air passage, the blow pressure must be much lower.
  • Figure 1 Schematically shows the grid-like arrangement of the porous diffusers provided in a conventional installation for the homogenization of a liquid mass.
  • Figure 2 It shows a perspective, with cross section, of the lower half of a porous diffuser including the concentric tube provided with the holes calibrated in its lower part and which flow into a common chamber.
  • a section of what is a porous diffuser (2) is shown, consisting of a tubular body (4), logically of porous material, inside which a tube (5), preferably plastic, is concentrically located , such as PVC, at the bottom of which it includes a plurality of calibrated holes (6) that flow into a common and linear chamber (7) before reaching the body (4) of the general porous diffuser (2).
  • the orifice section of each main branch must be greater than the sum of the surface of the outlet orifices (6), in order to cause overpressures in the ducts and correct air outflow.
  • the air that enters the chamber that forms the concentric tube (5) reaches the holes (6) of the latter and before reaching the body or porous diffuser (4) flows into a linear and common chamber (7) that , as just said, it joins all the holes (6), achieving an equalization of the pressures.

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Abstract

El sistema está basado en la utilización de difusores porosos (2) situados en paralelo y formando mallas en el conjunto de la instalación de homogeneización de la masa líquida. Cada difusor poroso (2) está constituido por una pieza tubular (4) de material poroso que incluye ajustadamente en su interior un tubo concéntrico (5) con orificios calibrados (6) en su parte inferior que desembocan en una cámara lineal y común (7), antes de alcanzar ese cuerpo (4) de material poroso, todo ello en orden a conseguir una igualación de las presiones y que la salida de las burbujas alcance la masa líquida en correspondencia con la mitad superior de cada difusor poroso. El sistema es aplicable en procesos electrolíticos, transferencias de gases, de depuración de aguas, piscifactorias, etc.

Description

SISTEMA DE GENERACIÓN DE MICROBÜRBUJAS EN UNA MASA LIQUIDA
D E S C R I P C I Ó N
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La invención se refiere a un sistema previsto para homogeneizar la masa de un líquido por medio de la inyección de burbujas de aire en el seno de la propia masa líquida, consiguiendo una agitación de ésta para lograr una homogeneidad uniforme de la misma. El sistema es aplicable en procesos electrolíticos, transferencias de gases, de depuración de aguas, pisci¬ factorías, etc.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En los procesos electrolíticos, el anodizado de las piezas se realiza en una disposición horizontal de éstas, debido a la pequeña altura con que están realizadas las cubas (normalmente entre 2 y 3 m. ) . De este modo la altura recorrida por las burbujas inyectadas en el seno de electrólito, apenas da tiempo a juntarse antes de llegar a la superficie, por lo que los métodos utilizados en la inyección de burbujas de aire puede considerarse como aceptable.
Con la aparición, en el proceso de anodizado, de cubas de una mayor altura (entre 6 y 7 .), ese proceso de anodizado se lleva de manera tal que las piezas se disponen verticálmente, por lo que los sistemas empleados habitualmente para inyección de aire en el seno del electrólito no son utilizables, ya que las burbujas producidas al ascender los aproximadamente 6 ó 7 m . , van juntándose para hacerse cada vez más grandes , impidiendo no sólo la homogeneización del electrólito y la correcta anodización, sino la correcta uniformidad de la conductividad del propio electrólito .
En definitiva, el efecto que se pretende conseguir con la inyección de burbujas es el de conse¬ guir que éstas tengan el menor diámetro posible y una mínima energía cinética , es decir , menor velocidad posible, con el fin de que las burbujas permanezcan ina lterab les durante su as cenc ión por la cuba , impidiendo en el mayor grado posible que se junten entre sí .
Habitualmente los medios que se utilizaban para la producción de burbujas consistían en hacer múltiples orificios a lo largo de la tubería, orificios que oscilaban entre 1 y 3 mm. de diámetro, resultando excesivamente grandes. Este inconveniente se trató de resolver mediante la utilización de difusores porosos que son capaces de producir burbujas con un diámetro de unas pocas mieras. Es decir, las burbujas pequeñas con velocidad lenta favorecen la homogeneización del gas en un líquido.
Al efecto , en la patente de invención española 9001093 se reivindica un dispositivo de homogeneización utilizando un difusor poroso , consistente dicho dispos itivo en un elemento distribuidor del gas al que se le insertan varios inyectores por los que circula el gas a alta velocidad y cubriendo los inyectores van situados precisamente los elementos o difusores porosos, todo ello de manera que al inyectar el gas a los aludidos difusores, aquel se difunde por toda la masa porosa, reduciéndose la veloci- dad a valores convenientes de circulación a través de los poros. La salida del gas a través de los difusores produce microburbujas perfectamente distribuidas por toda la superficie de los difusores y perfectamente transferidas y homogeneizadas en la masa líquida.
Pues bien, las dificultades en la utiliza¬ ción de difusores porosos consisten en que cuando cesa el soplado de aire o fluido a su través, el agua penetra a través de los aludidos difusores cerámicos, ocupando el interior de la tubería, de manera que en un plazo breve de tiempo se llega a alcanzar el colmatado de esas piezas porosas, impidiendo la producción de burbujas.
Además, en las instalaciones normalmente utilizadas, las ramas que constituyen las conducciones donde van situados los difusores porosos, van montadas en serie, con lo que la pérdida de carga es importante e impide que los últimos difusores de cada rama evacúen el agua introducida a su través por lo que se opta por un lado a la colocación de válvulas antiretorno que impidan la penetración del agua a las canalizaciones cuando cesa el soplado, y por otro lado, y con el fin de conseguir un soplado adecuado en los últimos difusores de cada rama, se efectúa un soplado de mayor cantidad de aire lo que provoca que los primeros difusores de las ramas inyecten más aire del debido.
Finalmente se puede citar como otro inconveniente en las instalaciones que actualmente se utilizan y que emplean elementos porosos, el que la rotura de una de esas piezas porosas descompensa todo el proceso, al escaparse por ella todo el aire de soplado de la instalación. Por otro lado cabe citar también las patentes USA núms. 4.118.447 y 4.048.072, de manera que en la primera de ellas se reivindica un aparato para airear una masa de líquido que incluye un tubo interior hueco en el que va situado un lastre, y cuyo tubo tiene unos orificios que se comunican por un lado con una entrada de aire y por otro con una cámara determinada entre ese tubo y otro exterior poroso, de manera que las burbujas salen a través de este último.
En esta patente de invención 4.118.447 está principalmente concebida para oxigenar aguas de piscifactorías o de embalses, de manera que aunque en la misma se pretende obtener burbujas de pequeñísimo cali¬ bre, es evidente que al estar pensada para oxigenar aguas de piscifactorías o similares, no resulta de gran transcendencia el que las burbujas puedan conseguirse en un mayor o menor tamaño.
Por su parte, la patente 4.048.072, prevista para los mismos fines, utiliza como medio de salida de las burbujas una cámara envolvente entre una malla externa y un tubo concéntrico interior, cuya cámara está llena de un producto granulado, como pueden ser piedrecitas.
En cualquiera de ambas patentes al inyectar aire o gas en el dispositivo o difusor que constituye, es necesario hacerlo con una presión normal y de trabajo, de modo que el aire desplazará al agua que ha anegado el interior del difusor, que obviamente ha de estar sumergido en un medio líquido, pero lo hará en la zona próxima a la entrada de aire hasta la zona en que se equilibre la presión del aire inyectado con la presión del agua interior, provocando que sólo salgan burbujas por una zona próxima a la entrada del difusor y no por la totalidad de éste. Ahora bien, con una presión de entrada superior a la de trabajo, se puede conseguir el desplazamiento del líquido existente en el interior del difusor, pero no se evitará nunca que el tamaño de la burbuja que sale por la zona próxima a la entrada del aire sea de mayor tamaño y energía cinética, provocando esta energía cinética el choque entre ellas y por consiguiente el aumento del tamaño. En definitiva, con estas patentes 4.118.447 y 4.048.072, citadas como antecedentes, no se puede conseguir una microburbuja y que ésta tenga poca energía cinética, por lo que no se podrá evitar que en el choque esa energía cinética quede absorbida, no impidiendo por consiguiente la formación de burbujas de mayor tamaño.
En definitiva, esas dos patentes norteame¬ ricanas consiguen homogeneizar un gas o aire en el líquido o agua, pero no consiguen una calidad de homoge¬ neización buena debido a una falta de dispersión sufi¬ ciente que pudiera ser adecuada en su aplicación a ciertos procesos, como son los electrolíticos. En estos procesos se requiere que el tamaño de las burbujas sea el menor posible e igual a diferentes niveles de profun¬ didad, al tiempo que la distribución de las microburbu¬ jas sea perfectamente uniforme en toda la masa. Todo ésto tiene por finalidad el conseguir una uniforme distribución de la corriente, modificando al mínimo la conductividad del electrólito y homogeneizando al máximo su temperatura. Esas características no se consiguen con los dispositivos o difusores reivindicados en esas patentes 4.118.447 y 4.048.072, en virtud de que median¬ te los difusores reivindicados en estas patentes no se consigue unas microburbujas en el propio líquido, además de que la velocidad de ascenso no es lenta, en virtud de la constitución general del difusor.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El sistema que se preconiza ha sido concebido para resolver toda esa problemática a plena satisfacción ofreciendo al efecto una solución sencilla y eficaz, basándose en primer lugar en el hecho de que la instalación se efectuará por mallas en lugar de la disposición en serie de las ramas que constituyen las instalaciones convencionales, y esa disposición en mallas es tal que los difusores porosos quedan dispuesto en paralelo evitando con ello los problemas de la dispo- sición en serie referida anteriormente.
Por otro lado, se ha previsto que la salida del aire no se realice directamente a través de los difusores porosos, como es tradicional, sino que antes de alcanzar esos difusores porosos el aire pase a través de unos orificios previstos en un tubo concéntri¬ co al difusor poroso cuyos orificios desembocan en una canalización común, antes de llegar al propio difusor poroso, para igualar las presiones. Esos tubos concén- trieos determinan lógicamente una cámara que nunca podrá llenarse de líquido, asegurando además una presión uniforme del aire.
Por otro lado, se ha previsto que los comentados orificios del tubo concéntrico que comunican la cámara determinada en éste como la cámara común prevista antes de alcanzar el difusor poroso, estén realizados en la zona inferior, lo que determina que la superficie útil de salida de burbujas se efectúe en correspondencia con la mitad superior del difusor poro¬ so, mientras que la mitad inferior, aproximadamente, queda como superificie inútil y por ella no saldrán burbujas, lo cual deriva en que tales burbujas asciendan a través de la masa líquida hasta la superficie de ésta sin que se unan unas a otras.
También se ha previsto que la sección de los orificios de cada rama principal sea superior a la suma de la superficie de los orificios calibrados o de salida anteriormente referidos, con el fin de provocar sobrepresiones en los conductos para conseguirse una salida correcta del aire.
Como consecuencia de la disposición en malla de las distintas ramas de la instalación, la rotura de un difusor no afectará al resto de la red, ya que al no ofrecer esos difusores porosos la más mínima resistencia al paso de aire, la mínima pérdida de carga en la salida estaría influenciada únicamente por los orificios calibrados e inferiores del tubo concéntrico previsto en los difusores porosos, tubo que por otra parte estará constituido en un material plástico o similar y no romperá.
Finalmente decir que la colmatación de dichos difusores porosos se realiza al penetrar agua a través del difusor, hasta los orificios inferiores, de manera que al ser estos últimos muy pequeños y la ve¬ locidad de paso mínima, la sección que se colmatará será la inferior de los difusores, es decir, la zona inútil para producción de burbujas.
Como se habrá podido comprobar a lo largo de la descripción realizada hasta el momento, la colocación de los difusores porosos en paralelo, forman¬ do mallas, se asemeja a un esquema eléctrico donde la resistencia es similar a la pérdida de carga, de manera tal que la pérdida de carga total equivaldrá a la de un elemento dividida por el número de elementos, y por tanto la presión de soplado del equipo asemejado al voltaje para un mismo paso de aire, debe ser la presión de soplado muy inferior.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, se acompaña a la presente memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado lo siguiente :
La figura 1.- Muestra a nivel esquemático la disposición en forma de malla de los difusores porosos previstos en una instalación convencional para la homogeneización de una masa líquida.
La figura 2. Muestra una perspectiva, con sección transversal, de la mitad inferior de un difusor poroso incluyendo el tubo concéntrico dotado de los orificios calibrados en su parte inferior y que desembo¬ can en una cámara común.
La figura 3.- Muestra, finalmente, un esquema también en sección transversal, de lo que puede considerarse como la superficie útil y la superficie inútil del difusor poroso para la salida de burbujas. REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A la vista de esas figuras, puede comprobarse, haciendo mención primeramente a la figura is, una parte de una instalación general formando una malla con ramas (1) o conductos de distribución de fluido, en donde los difusores porosos (2) quedan situa¬ dos en paralelo, con los correspondientes orificios de comunicación (3) previstos en las ramas principales (1) .
En la figura 2§, se muestra una sección de lo que es un difusor poroso (2) , constituido por un cuerpo tubular (4) , lógicamente de material poroso, en cuyo interior va situado concéntricamente un tubo (5) , preferentemente de plástico, tal como PVC, en cuya parte inferior incluye una pluralidad de orificios calibrados (6) que desembocan en una cámara común y lineal (7) antes de alcanzar el propio cuerpo (4) del difusor poroso general (2) . La sección de los orificios de cada rama principal debe ser superior a la suma de la super¬ ficie de los orificios de salida (6) , con el fin de provocar sobrepresiones en los conductos y efectuarse una salida correcta del aire.
Según esta constitución, el aire que accede a la cámara que forma el tubo concéntrico (5) alcanza los orificios (6) de éste y antes de llegar al cuerpo o difusor poroso (4) desemboca en una cámara lineal y común (7) que, como se acaba de decir, une todos los orificios (6) , lográndose una igualación de las presiones.
Al llevar poca velocidad el aire en su salida, a través del difusor (4) , la distribución se realizará en correspondencia con la superficie superior acotada por el arco (8) de la figura 3≤, mientras que la superficie inferior acotada por el arco (9) es una superficie inútil por la que no saldrán burbujas, impidiendo así que las burbujas que pudieran salir por la parte inferior resbalasen por el contorno inferior del propio difusor y se lograse una unión de esas burbu¬ jas que lógicamente llevaría consigo una total falta de homogeneización de la masa líquida.
Por lo tanto, en base al difusor descrito, cuando se sumerge en líquido, éste pasará al interior del tubo (5) por la zona inferior, que es donde están los orificios (7) , hasta alcanzar una determinada altura en el momento en que se equilibren las presiones del aire o gas existente en el interior del propio tubo (5) por la zona superior y la del agua o líquido que inunda el difusor, por lo que éste nunca se llegará a inundar totalmente a diferencia de los difusores descritos en las patentes USA citadas como estado de la técnica.
No se considera necesario hacer más exten¬ sa esta descripción para que cualquier experto en la materia comprenda el alcance de la invención y las ventajas que de la misma se derivan.
Los materiales, forma, tamaño y dispo¬ sición de los elementos serán susceptibles de variación, siempre y cuando ello no suponga una alteración a la esencialidad del invento.
Los términos en que se ha descrito esta memoria deberán ser tomados siempre con carácter amplio y no limitativo.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
is.- Sistema de generación de microbur- bujas en masa líquida, que basándose en la utilización de difusores porosos (2) situados sobre ramas (1) pertenecientes a una instalación mediante la que se pretende homogeneizar una masa líquida por inyección de burbujas de aire en el seno de la misma, siendo aplíca¬ ble fundamentalmente en procesos electrolíticos, transferencias de gases, de depuración de aguas, pis¬ cifactorías y similares, esencialmente caracterizado porque los correspondientes difusores porosos (2) van dispuestos en paralelo formando una malla con las co- rrespondientes ramas (1) de la instalación, estando cada difusor poroso (2) constituido por una pieza tubular (4) de naturaleza porosa, en cuyo interior va montado concéntricamente un tubo (5) de plástico, cuya parte inferior está afectada de orificios calibrados (6) que desembocan en una cámara lineal y común (7) antes de alcanzar el propio cuerpo (4) del difusor poroso, habiéndose previsto que dicho tubo concéntrico (5) vaya perfectamente ajustado en el interior del cuerpo (4) de material poroso.
2 -- . - Sistema de generación de microbur¬ bujas en una masa líquida, según reivindicación 1 -- , caracterizado porque la sección de los orificios (3) de cada rama principal (1) de la instalación es superior a la suma de la superficie de los orificios calibrados y de salida (6) previstos en el tubo concéntrico (5) de cada difusor poroso (2) .
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