WO2005044434A1 - Procedimiento y dispositivo para la generación de espumas y emulsiones mediante pares de tubos enfrentados - Google Patents

Procedimiento y dispositivo para la generación de espumas y emulsiones mediante pares de tubos enfrentados Download PDF

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Definitions

  • Foam stabilization is an essential requirement for many technological applications in the fields of medicine, biochemistry and the food industry. There are innumerable technological possibilities that open up to a method of manufacturing stable micro-foams: by way of example, the use of sclerosing solutions for the treatment of varicose veins ⁇ sclerotherapy) should be mentioned. Other frequent applications are found in the field of cosmetics and hygiene, as well as in the production of cushioning materials.
  • microdroplet emulsions are also abundant.
  • GD gel microdrops
  • the size distribution in the microdroplets depends on the combination of several key parameters, such as the viscosity of the base or surrounding fluid, the ratio of volumes between dispersed fluid and base fluid, the presence of surfactants (detergents or lipids), the way in which The shear stresses are communicated and distributed (in the case of mechanical agitation, this parameter depends on the speed of rotation of the mixing blades).
  • Fig. 2b detail of the contact between receiving and transmitting mouths in the case where the tubes are cut on the bias and supported end to end. The interface of the two fluids inside the receiver tubes is shown.
  • the object of the invention is a device for the production of foams or emulsions by means of a base liquid and a dispersed fluid, liquid or gas, immiscible with the base liquid, which, when dispersed, provides the material for the drops or bubbles, characterized in that a) the base liquid and the dispersed fluid are propelled and establish an interface in a base liquid supply chamber, where the ends of a set of pairs of tubes are found aligned and facing each other two by two; the mouths of each pair of tubes, close and Faced, they are respectively transmitters and receivers of a dispersed fluid stream; the number of pairs of tubes facing each other is equal to or greater than one; b) the two tubes of each pair show an essentially continuous guideline; each pair of facing mouths (emitting mouth and receiving mouth) is essentially aligned, with continuity in the corresponding passage sections; c) said feeding chamber is bathed by the base liquid, which is injected into the chamber at the base pressure P B and with a base flow rate Q
  • Another object of the invention is a device for the production of foams or emulsions as described above, characterized in that all the injection tubes are identical to each other and all the receiver tubes are identical to each other.
  • an object of the invention is a device for the production of foams or emulsions as described above, characterized in that all the injection tubes are straight and parallel to each other and all the receiver tubes are straight and parallel to each other.
  • Another object of the invention is a device for the production of foams or emulsions as described above, characterized in that said generation surface is flat.
  • Another object of the invention is a device for the production of foams or emulsions as described above, characterized in that there is only one pair consisting of an emitter tube and a receiver tube.
  • an object of the invention is a device for the production of foams or emulsions as described above, characterized in that all the injector tubes and all the receiver tubes are formed and perforated in respective blocks of impermeable material. It is also an object of the invention a device for the production of foams or emulsions as described above, characterized in that all the tubes are free, with each pair of facing mouths one of them cut obliquely to the tube guideline at a certain angle ⁇ A , while its homology is defined by an oblique cut of angle ⁇ B , with ⁇ A different from ⁇ B ; both ⁇ and ⁇ angles A B can vary between 2 and 90 ° sexagesimal or preferably between 30 ° and 90 ° sexagesimal; the arrangement of the facing tubes is stop to stop, so that a separation interval determined by the cutting angles ⁇ A and ⁇ B is established .
  • Another object of the invention is a device for the production of foams or emulsions as described above, characterized in that all the tubes are exempt, with each pair of facing mouths one of them cut obliquely to the tube guideline, while its homologous is defined by a perpendicular cut of the tube; the arrangement of the facing tubes is stop to stop, so that a separation interval determined by the cutting angle is established.
  • an object of the invention is a process for the production of foams or emulsions whereby at least one dispersed fluid, liquid or gas, is dispersed within a base liquid immiscible with said dispersed fluid, using a device according to any of the variants previously described.
  • the present invention refers to a method and associated device for the production of foams and emulsions. It uses two sets of tubes aligned and facing each other in pairs; In the simplest case, the device consists of only two facing tubes. In the general case, there are several pairs of facing tubes: the mouths of each pair of tubes, close and facing each other, are located in a liquid supply chamber.
  • the procedure requires the coordination of the flow and the control of the interphase of two immiscible fluids: (1) a base liquid, which must surround the drops or bubbles of the emulsion or the foam; (2) a liquid or gas, immiscible with the base liquid - thereafter, fluid to be dispersed or dispersed fluid - which, when dispersed, provides the material for the drops or bubbles.
  • the flow model object of the invention consists of a chamber bathed by the base liquid, which is injected into the chamber at the base pressure P B and with a base flow rate Q B.
  • the chamber is crossed by a set of aligned pairs of tubes, each tube being essentially a continuation of its pair (approximate or strict continuity in the direction of its passage sections), from which it is distanced by a short separation.
  • the facing ends (generation nozzles) of each pair of tubes open in the chamber, establishing between each pair of nozzles a narrow interval also bathed by the base liquid.
  • Call generation surface a continuous surface that cuts perpendicularly to the above-mentioned pipe guidelines at these separation intervals: in most applications, this surface is flat.
  • the tubes located on one side of said surface are in direct contact with a source of dispersed fluid, so that the dispersed fluid enters said tubes at opposite ends (supply ends) to the generation nozzles, being introduced homogeneously at the supply pressure P A , with a total supply flow Q A.
  • the tubes located on the other side of said surface are essentially aligned, or have guideline continuity, with their homologous injector tubes.
  • the generation nozzles belonging to the injector tubes are therefore facing the generation nozzles belonging to the receiving tubes (receiving nozzles).
  • the arrangement of the multiple pairs of tubes with each other can be subject to design variations:
  • the emitter tube guideline which is essentially continued by its receiver counterparts, can be organized as a three or two-dimensional radiation, in which case the generation surface would be approximately spherical or cylindrical; • Or, the emitting tubes, and therefore the receivers, can be straight and essentially parallel to each other, constituting two bundles of tubes in a two-to-two facing position; • the passage sections of the receiver tubes and the emitter tubes can be coincident in pairs but different between pairs; or they can be uniformly identical; It may also be of interest to make the passage section of the receiver and the sender different; the production of monodisperse emulsions or foams will require designs with homogeneous pairs of tubes; • the fixing of pipes to each other can be done thanks to various constructive solutions if they are exempt; alternatively, the tube voids can be generated by drilling in solid matrices that are not permeable to the base and
  • the overpressure ⁇ p P A - P B allows to control the progression of the fluid dispersed by the injector tubes and the shape of the dispersed fluid / base liquid interface in the spaces that separate the emission ports and the reception ports. All tubes pass through hermetically sealed holes into the chamber wall; the outlet ends, opposite the receiving mouths of the receiving tubes, are open to the outside atmosphere.
  • An essential feature of the present invention is the formation of a base liquid / dispersed fluid interface that begins at the emission ports; said interphase is established by the relationship between the base pressure P B and the supply pressure P A of both fluids; the flows Q A and Q B depend on this relationship, so that externally fixed P A and P B are fixed Q A and Q B , or externally fixed Q A and Q B are fixed P A and P B.
  • Important parameters for the control of the emulsion or foam are the inner and outer diameters of the tubes of the assembly or bundle, their length, the relative arrangement of the emitting and receiving nozzles (distance, parallelism or obliqueness of the mouth edges, local geometry). ), the properties of both fluids (viscosity of both, relative surface tension coefficient), and the relationship between P A and P B. In separation intervals, where fluids are accelerated, viscous forces are not necessarily greater than inertia or momentum convection.
  • the purpose of the flange is that a cylindrical piece inserted inside the tube cannot exit through the end of the tube that has said flange.
  • Said cylindrical part, made of DELRIN ®, has a diameter of 6.5mm and a height of 3mm, with seven longitudinal through holes (in the direction of the cylinder axis) of 0.35mm in diameter, forming an arrangement hexagonal symmetrical with respect to the cylinder axis. Each hole is 1 mm from the other closest holes.
  • the cylindrical part with the tubes thus arranged is introduced into the first brass tube, or body of the device, through the threaded end so that the face of said cylindrical part that coincides with the ends of the capillary tubes faces the tube.
  • a 7x1 mm silicone O-ring has been inserted between the body flange and the cylindrical part to prevent leaks.
  • a 1.55mm side hole is drilled in the body of the device at the right height at which the protruding ends of the tubes of the cylindrical part remain, so that the base liquid enters (see figure 1).
  • a 1/16 '' stainless steel tube is tightly inserted into said drill, leading the dispersing fluid to the device.
  • Said threaded plug has a central 1.55mm through hole aligned with the cylinder axis to allow the passage of the dispersed fluid (see figure 1).
  • a 1/16 '' stainless steel tube is tightly inserted into said drill, leading the dispersed fluid to the device.
  • the described screw cap has an internal cavity suitable for accommodating the protruding ends of the capillary tubes, and for the dispersed fluid to be evenly distributed among all capillary tubes, while the edges of the cap press the silicone o-ring against the cylindrical part. In this way, all the dispersed fluid is forced to pass only through the capillary tubes (see figure 1). In this way the micro foam production device is ready.

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Abstract

La presente invención hace referencia a un procedimiento y dispositivo asociado para la producción de espumas y emulsiones. En ella se hace uso de dos conjuntos de tubos alineados y enfrentados por parejas; en el caso más simple, el dispositivo consta de tan sólo dos tubos enfrentados. En el caso general, existen varios pares de tubos enfrentados: las bocas de cada par de tubos, próximas y enfrentadas, se ubican en una cámara de alimentación de líquido. El procedimiento exige la coordinación del flujo y el control de la entrefase de dos fluidos inmiscibles: (1) un líquido base, que ha de rodear a las gotas o burbujas de la emulsión o la espuma; (2) un líquido o gas, inmiscible con el líquido base -a partir de aquí, fluido a dispersar o fluido dispersado-, que, al dispersarse, proporciona el material para las gotas o burbujas.

Description

TÍTULO
Procedimiento y dispositivo para la generación de espumas y emulsiones mediante pares de tubos enfrentados
OBJETO DE LA INVENCIÓN
Los objetos de esta invención son un dispositivo y un procedimiento de producción de espumas y emulsiones. En él se hace uso de uno o más pares de tubos enfrentados. Cada pareja consta de un tubo inyector y un tubo receptor, estando las bocas de ambos tubos enfrentadas y separadas por una distancia corta. Los pares de bocas enfrentadas se abren en una cámara bañada por un líquido base; la única salida para dicho líquido base la constituyen los tubos receptores, que vierten al exterior. Cuando el fluido que va a constituir las gotas o burbujas de la emulsión o la espuma (un líquido o un gas respectivamente), inmiscible con el líquido base, se hace fluir por el tubo inyector, se produce una estructura especial del flujo de manera que el fluido dispersado avanza, rodeado por el líquido base, por los tubos receptores, buscando la salida al exterior. Ya desde la entrada de los tubos receptores, el fluido dispersado avanza en forma de cadena de gotas o burbujas, rodeadas de líquido base; dichas gotas o burbujas salen al exterior formando la espuma o emulsión.
ESTADO DE LA TÉCNICA
Es bien conocido el interés que la ciencia aplicada dedica a las espumas y emulsiones sintéticas. Para la generación de espumas se dispone actualmente de diversas opciones tecnológicas. La solución más simple consiste en dispersar gas a presión en el seno de una disolución acuosa surfactante, para lo cual se utiliza polvo de cristal. Como variante de este método, si se desea controlar el contenido líquido, se recurre a bombear simultáneamente gas y disolución surfactante a través de un lecho de granulos o de lana metálica. Otros métodos menos controlables se basan en el simple mezclado por agitación.
La producción de espumas monodispersas compuestas por burbujas pequeñas, como las de las cremas de afeitar, suele basarse en técnicas de aerosol. Se licúa para ello una porción de hidrocarburo o de CFC, llevándola a alta presión. Seguidamente se procede a crear una emulsión de este líquido, mezclado con la disolución surfactante. Cuando dicha mezcla es liberada a presión atmosférica, las gotas de líquido propulsante se evaporan formando burbujas diminutas de gas que se agregan dando lugar a una espuma (Durian, D.J. y Weitz, D.A., "Foams", en Kirk-Othmer Enciclopedia of Chemical Technology, 4th edition, Vol. 11 , 783-805 (1994)).
De gran interés son en particular las espumas monodispersas de burbuja pequeña, en el rango de las escalas micro-. La estabilización de espumas es un requerimiento esencial para muchas aplicaciones tecnológicas en el campo de la medicina, bioquímica e industria alimentaria. Son innumerables las posibilidades tecnológicas que se abren ante un método de fabricación de microespumas estables: a título de ejemplo cabe citar el uso de disoluciones esclerosantes para el tratamiento de venas varicosas {sclerotherapy). Otras aplicaciones frecuentes se constatan en el campo de la cosmética y de la higiene, así como en la producción de materiales de amortiguación.
Son también abundantes las aplicaciones tecnológicas de las emulsiones de microgotas. Así, por ejemplo, ofrecen un campo de interés las tecnologías de G D (gel microdrops) en la investigación microbiológica. La distribución de tamaños en las microgotas depende de la combinación de varios parámetros clave, como la viscosidad del fluido base o envolvente, la relación de volúmenes entre fluido dispersado y fluido base, la presencia de surfactantes (detergentes o lípidos), la forma en que se comunican y distribuyen los esfuerzos cortantes (en el caso de agitación mecánica, este parámetro depende de la velocidad de giro de las paletas de mezclado).
Sin embargo, viene haciéndose notar la necesidad de obtener espumas y emulsiones que superen los inconvenientes asociados con las escalas micro-: heterogeneidad en los diámetros, estabilidad escasa, falta de resistencia mecánica, incompatibilidad biológica... La estabilidad de las espumas y micro-espumas es uno de sus aspectos fundamentales y básicos, ya que cuando el material base es un fluido la espuma es esencialmente una meta-fase "viva", presentando una evolución temporal caracterizada por tres mecanismos fundamentales: (i) el "escurrido" o "draining", (ii) el crecimiento de las burbujas grandes a expensas de las pequeñas ("coarsening') por mecanismos de tensión superficial y disolución del gas, y (iii) la coalescencia de varias burbujas para formar otra de mayor tamaño ("coalescence"). La tecnología conocida como "Flow Focusing" produce micro-burbujas de tamaño homogéneo (Gañán-Calvo & Gordillo 2001 , Phys Rev Lett 87, 274501 ) que pueden ser recogidas para formar micro- espumas "monodispersas" (de tamaño uniforme). Este procedimiento se ha usado para estudiar la evolución temporal de la estructura de micro-espumas de tamaño controlado y uniforme en comparación con espumas de tamaño de burbuja similar pero no homogéneo (Gañán-Calvo, Fernández, Márquez-Oliver & Márquez, 2003, enviado, Appl Phys Lett). Como resultado de este estudio se ha demostrado la sobresaliente estabilidad de las espumas de tamaño uniforme, (monodisperso) frente a las de tamaño "polidisperso", presentando las primeras un período de "congelación" o estabilidad extendida inexistente en las espumas polidispersas, ya que las espumas monodispersas evitan los mecanismos de "coarsening". Durante ese período la espuma monodispersa mantiene su tamaño de burbuja y tiende a formar estructuras "policristalinas", en las cuales las burbujas se ordenan de forma similar a los átomos metálicos, y en la que los mecanismos de coalescencia se reducen. Además, en la evolución temporal del tamaño de burbuja de las microespumas inicialmente monodispersas se ha demostrado que aquél crece con una velocidad inferior que el correspondiente tamaño medio de burbuja de una espuma inicialmente polidispersa con el mismo tamaño inicial.
Las estructuras policristalinas que aparecen en el período de "congelación" pueden ser de especial interés en materiales ultra-ligeros (espumas metálicas) de resistencia excepcional a ciertas exigencias mecánicas. No es necesario mencionar la multitud de aplicaciones que surgen en tecnologías de alimentos relacionadas con las microespumas, y el particular interés que tiene la estabilidad de éstas. Todas estas razones llevan a la conclusión de que disponer de métodos de producción de espumas monodispersas resulta enormemente ventajoso desde el punto de vista tecnológico en multitud de aplicaciones.
Análogos requerimientos se exigen de la producción de emulsiones monodispersas. La invención propuesta permite controlar la generación de gotas o burbujas mediante un partrón de flujo sencillo y susceptible de numerosas modificaciones de diseño.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Figura 1 : dispositivo según la invención, con dos haces de tubos enfrentados, en disposición alineada. Cada uno de los dos haces está montado sobre un soporte que sella los espacios entre tubos, estableciendo como camino único para los tubos el avance por el interior de dichos tubos. Los pares de bocas receptoras y emisoras se enfrentan dos a dos en el interior de una cámara bañada por el líquido base.
Fig. 2a: detalle del contacto entre bocas receptoras y emisoras en el caso en que los tubos están cortados en sección recta. Se muestra la entrefase de los dos fluidos en el interior de los tubos receptores.
Fig. 2b: detalle del contacto entre bocas receptoras y emisoras en el caso en que los tubos están cortados al bies y apoyados tope con tope. Se muestra la entrefase de los dos fluidos en el interior de los tubos receptores.
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
Es objeto de la invención un dispositivo para la producción de espumas o emulsiones mediante un líquido base y un fluido dispersado, líquido o gas, inmiscible con el líquido base, que, al dispersarse, proporciona el material para las gotas o burbujas, caracterizado por que a) el líquido base y el fluido dispersado son impulsados y establecen una entrefase en una cámara de alimentación de líquido base, donde se encuentran los extremos de un conjunto de pares de tubos alineados y enfrentados dos a dos; las bocas de cada par de tubos, próximas y enfrentadas, son respectivamente emisoras y receptoras de una corriente de fluido dispersado; el número de pares de tubos enfrentados es igual o superior a uno; b) los dos tubos de cada pareja muestran una directriz esencialmente continua; cada pareja de bocas enfrentadas (boca emisora y boca receptora) se encuentra esencialmente alineada, existiendo continuidad en las correspondientes secciones de paso; c) dicha cámara de alimentación es bañada por el líquido base, que se inyecta en la cámara a la presión de base PB y con un caudal de base QB; d) los intervalos de separación entre la boca emisora y la boca receptora de cada par de tubos enfrentados son estrechos y puede definirse una superficie continua, virtual, que corta perpendicularmente a las directrices de todos los pares de tubos en dichos intervalos; e) todas las bocas emisoras están situadas en un mismo lado de dicha superficie continua, y las bocas receptoras homologas se encuentran en el lado opuesto; f) los tubos a los que pertenecen las bocas emisoras (tubos inyectores) se encuentran en contacto directo con una fuente de fluido dispersado, de manera que el fluido dispersado entra en dichos tubos por los extremos opuestos (extremos inyectores) a las bocas de generación, siendo introducido homogéneamente por dichos extremos inyectores a la presión de alimentación PA, con un caudal de alimentación total QA; g) todos los tubos atraviesan, por orificios sellados herméticamente, la pared de la cámara; los extremos de salida, opuestos a las bocas de recepción de los tubos receptores, están abiertos al exterior; h) dichas presiones de alimentación y de base PA y PB respectivamente se ajustan de manera que permite controlar la forma de la entrefase fluido dispersado / líquido base en los intervalos que separan las bocas emisoras y las bocas receptoras; el fluido dispersado forma, rodeado por el líquido base, un conjunto de meniscos pulsantes que, con raíz en las bocas emisoras, salvan el intervalo entre tubos enfrentados; i) cada uno de dichos meniscos desemboca en su boca receptora homologa, adentrándose de manera pulsante en los tubos receptores y formando un tren continuo de burbujas o gotas, en ambos casos rodeadas del líquido base, de manera que en los extremos de salida del conjunto de tubos receptores se recoge la espuma o emulsión ya formada.
Es también objeto de la invención un dispositivo para la producción de espumas o emulsiones según lo anteriormente descrito, caracterizado por que todos los tubos inyectores son idénticos entre sí y todos los tubos receptores son idénticos entre sí.
Además, es objeto de la invención un dispositivo para la producción de espumas o emulsiones según lo anteriormente descrito, caracterizado por que todos los tubos inyectores son rectos y paralelos entre sí y todos los tubos receptores son rectos y paralelos entre sí.
Otro objeto de la invención es un dispositivo para la producción de espumas o emulsiones según lo anteriormente descrito, caracterizado por que dicha superficie de generación es plana.
Es también objeto de la invención un dispositivo para la producción de espumas o emulsiones según lo anteriormente descrito, caracterizado por que sólo existe una pareja formada por un tubo emisor y un tubo receptor.
Es objeto de la invención, asimismo, un dispositivo para la producción de espumas o emulsiones según lo anteriormente descrito, caracterizado por que las secciones de paso de todos los tubos son circulares.
Por otra parte, es objeto de la invención un dispositivo para la producción de espumas o emulsiones según lo anteriormente descrito, caracterizado por que todos los tubos inyectores y todos los tubos receptores están formados y perforados en sendos bloques de material impermeable. Es también objeto de la invención un dispositivo para la producción de espumas o emulsiones según lo anteriormente descrito, caracterizado por que todos los tubos son exentos, siendo en cada pareja de bocas enfrentadas una de ellas cortada oblicuamente a la directriz del tubo con un cierto ángulo αA, mientras que su homologa se define mediante un corte oblicuo de ángulo αB, con αA diferente de αB; ambos ángulos αA y αB pueden variar entre 2o y 90° sexagesimales, preferentemente entre 30° y 90° sexagesimales; la disposición de los tubos enfrentados es tope con tope, de modo que queda establecido un intervalo de separación determinado por los ángulos de corte αA y αB.
Otro objeto de la invención es un dispositivo para la producción de espumas o emulsiones según lo anteriormente descrito, caracterizado por que todos los tubos son exentos, siendo en cada pareja de bocas enfrentadas una de ellas cortada oblicuamente a la directriz del tubo, mientras que su homologa se define mediante un corte perpendicular del tubo; la disposición de los tubos enfrentados es tope con tope, de modo que queda establecido un intervalo de separación determinado por el ángulo de corte.
Finalmente, es objeto de la invención un procedimiento para la producción de espumas o emulsiones por el que se dispersa al menos un fluido dispersado, líquido o gas, en el seno de un líquido base inmiscible con dicho fluido dispersado, usando un dispositivo con arreglo a cualquiera de las variantes anteriormente descritas.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención hace referencia a un procedimiento y dispositivo asociado para la producción de espumas y emulsiones. En ella se hace uso de dos conjuntos de tubos alineados y enfrentados por parejas; en el caso más simple, el dispositivo consta de tan sólo dos tubos enfrentados. En el caso general, existen varios pares de tubos enfrentados: las bocas de cada par de tubos, próximas y enfrentadas, se ubican en una cámara de alimentación de líquido. El procedimiento exige la coordinación del flujo y el control de la entrefase de dos fluidos inmiscibles: (1 ) un líquido base, que ha de rodear a las gotas o burbujas de la emulsión o la espuma; (2) un líquido o gas, inmiscible con el líquido base -a partir de aquí, fluido a dispersar o fluido dispersado-, que, al dispersarse, proporciona el material para las gotas o burbujas.
El modelo de flujo objeto de la invención consta de una cámara bañada por el líquido base, que es inyectado en la cámara a la presión de base PB y con un caudal de base QB. La cámara está atravesada por un conjunto de parejas alineadas de tubos, siendo cada tubo esencialmente una continuación de su pareja (continuidad aproximada o estricta en la directriz de sus secciones de paso), de la que se encuentra distanciada por una corta separación. Los extremos enfrentados {bocas de generación) de cada par de tubos se abren en la cámara estableciéndose entre cada par de bocas un intervalo estrecho también bañado por el líquido base. Llámese superficie de generación a una superficie continua que corta perpendicularmente a las directrices de los tubos antes citadas en dichos intervalos de separación: en la mayor parte de las aplicaciones, dicha superficie es plana. Los tubos situados a un lado de dicha superficie (tubos inyectores) se encuentran en contacto directo con una fuente de fluido dispersado, de manera que el fluido dispersado entra en dichos tubos por los extremos opuestos (extremos de alimentación) a las bocas de generación, siendo introducido homogéneamente a la presión de alimentación PA, con un caudal de alimentación total QA. Los tubos situados al otro lado de dicha superficie (tubos receptores) están esencialmente alineados, o presentan continuidad de directriz, con sus tubos inyectores homólogos. Las bocas de generación pertenecientes a los tubos inyectores (bocas emisoras) se encuentran por lo tanto enfrentadas a las bocas de generación pertenecientes a los tubos receptores (bocas receptoras).
La disposición de los múltiples pares de tubos entre sí puede ser objeto de variantes de diseño:
• El dispositivo más simple constaría de un solo par de tubos (uno emisor y otro receptor) enfrentados; • en otros casos, la directriz de los tubos emisores, que es esencialmente continuada por sus homólogos receptores, puede organizarse como una radiación tri- o bidimensional, en cuyo caso la superficie de generación sería aproximadamente esférica o cilindrica; • o bien, los tubos emisores, y, por lo tanto, los receptores, pueden ser rectos y esencialmente paralelos entre sí, constituyendo sendos haces de tubos en posición enfrentada dos a dos; • las secciones de paso de los tubos receptores y los tubos emisores pueden ser coincidentes por parejas pero distintas entre pareja; o pueden ser uniformemente idénticas; puede también interesar hacer distinta la sección de paso del receptor y del emisor; la producción de emulsiones o espumas monodispersas exigirá diseños con parejas homogéneas de tubos; • la fijación de tubos entre sí puede realizarse merced a diversas soluciones constructivas si éstos son exentos; alternativamente, cabe generar los huecos de tubo mediante perforaciones en sendas matrices sólidas no permeables a los fluidos base y dispersado; « los intervalos de separación pueden fijarse también por medio de diversas soluciones constructivas; en caso de dispositivos con tubos exentos, puede acudirse a cortar una de las bocas enfrentadas al bies, mientras que su homologa se corta perpendicularmente; al apoyar la una contra la otra, se establece automáticamente una separación dictada por el ángulo de corte.
La sobrepresión Δp= PA- PB permite controlar la progresión del fluido dispersado por los tubos inyectores y la forma de la entrefase fluido dispersado / líquido base en los espacios que separan las bocas de emisión y las bocas de recepción. Todos los tubos atraviesan, por orificios sellados herméticamente, la pared de la cámara; los extremos de salida, opuestos a las bocas receptoras de los tubos receptores, están abiertos a la atmósfera exterior.
Es característica esencial en la presente invención la formación de una entrefase líquido base / fluido dispersado que se inicia en las bocas emisoras; dicha entrefase es establecida por la relación entre la presión de base PB y presión de alimentación PA de ambos fluidos; de dicha relación dependen los caudales QA y QB, de manera que fijados externamente PA y PB quedan fijados QA y QB, o bien fijados externamente QA y QB quedan fijados PA y PB. La intercalación de intervalos de separación entre bocas emisoras y bocas receptoras, con sus correspondientes secciones de paso que comunican, a través de los tubos receptores, con la atmósfera exterior, da lugar a unos focos de baja presión que crean caminos preferentes para el fluido dispersado. Así pues, mediante una adecuada regulación de las presiones de alimentación y de base, el fluido dispersado emerge de las bocas emisoras, produciéndose una estructura especial del flujo tal que el fluido dispersado forma unos meniscos no-estacionarios, pulsantes, que se orientan hacia las secciones de paso de las bocas receptoras, donde la presión es mínima. Bajo determinadas condiciones de flujo o de presiones, la entrada y progresión pulsante de los meniscos dentro de los tubos receptores produce un tren continuo de gotas o burbujas envueltas por el líquido base. Dichas gotas o burbujas avanzan por los tubos del conjunto de tubos receptores, formando a su salida la espuma o emulsión.
Parámetros importantes para el control de la emulsión o espuma son los diámetros interior y exterior de los tubos del conjunto o haz, su longitud, la disposición relativa de las bocas emisoras y receptoras (distancia, paralelismo u oblicuidad de los bordes de boca, geometría local), las propiedades de ambos fluidos (viscosidad de ambos, coeficiente de tensión superficial relativo), y la relación entre PA y PB. En los intervalos de separación, donde los fluidos se aceleran, las fuerzas viscosas no son necesariamente mayores que las de inercia o convección de cantidad de movimiento.
MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN Se ha tomado una sección de tubo cilindrico de latón de diámetro exterior 12mm e interior 6.5mm, de 16mm de longitud, con un reborde interior en uno de sus extremos y una rosca interior de métrica fina M8/0.5mm en el otro extremo; el reborde tiene como objeto que una pieza cilindrica introducida en el interior del tubo no pueda salir por el extremo del tubo que tiene dicho reborde. Dicha pieza cilindrica, fabricada en DELRIN® tiene de diámetro 6.5mm y altura 3mm, con siete taladros longitudinales pasantes (en la dirección del eje del cilindro) de 0.35mm de diámetro, formando una disposición hexagonal simétrica respecto al eje del cilindro. Cada taladro se encuentra a 1 mm de los otro taladros más próximos. Se introducen por los taladros de 0.35mm de la pieza cilindrica anterior siete tubos capilares de sílica de longitud 5mm (Polymicro ®), diámetro exterior 0.365mm e interior 0.05mm, de manera que el ajuste entre tubo capilar y pieza cilindrica es muy prieto y hermético. Los extremos de dichos tubos capilares se encuentran en el plano de una de las caras de la pieza cilindrica por un lado, y por la otra cara los tubos sobresalen 2mm. Dichos extremos de los tubos capilares que sobresalen se encuentran cortados con un ángulo de 87° respecto al eje de simetría del tubo. La pieza cilindrica con los tubos así dispuestos se introduce en el tubo de latón primero, o cuerpo del dispositivo, por el extremo roscado de manera que la cara de dicha pieza cilindrica que coincide con los extremos de los tubos capilares mira hacia el tubo. Previamente, se ha introducido una junta tórica de 7x1 mm, de silicona, entre el reborde del cuerpo y la pieza cilindrica para evitar fugas. Se realiza un taladro lateral de 1.55mm en el cuerpo del dispositivo a la altura justa a la que quedan los extremos sobresalientes de los tubos de la pieza cilindrica, para que entre el líquido base (ver figura 1). En dicho taladro se introduce por ajuste prieto un tubo de acero inoxidable de 1/16' de pulgada, que conduce el fluido dispersante hacia el dispositivo. Se introduce entonces, por el extremo roscado del cuerpo como la pieza ciíndrica, otra pieza cilindrica idéntica a la anterior con el mismo número y disposición de tubos capilares de sílica, de manera que los siete tubos de sílica de una pieza quedan alineados con los correspondientes tubos de la otra pieza cilindrica (ver figura 1), es decir, que el eje de simetría de cada tubo coincide con el eje de simetría del tubo correspondiente de la otra pieza cilindrica. Se presiona finalmente el conjunto, poniendo en contacto los extremos de los tubos capilares, con un tapón de cierre roscado con métrica fina M8/0.5mm por el extremo roscado del cuerpo, usando una junta tórica de silicona entre la pieza cilindrica superior y el tapón roscado. Dicho tapón roscado tiene un taladro central pasante de 1.55mm alineado con el eje del cilindro para permitir el paso del fluido dispersado (ver figura 1 ). En dicho taladro se introduce por ajuste prieto un tubo de acero inoxidable de 1/16' de pulgada, que conduce el fluido dispersado hacia el dispositivo. El tapón roscado descrito tiene interiormente una oquedad apropiada para que aloje a los extremos sobresalientes de los tubos capilares, y para que el fluido dispersado se distribuya uniformemente entre todos los tubos capilares, mientras que los bordes del tapón aprietan la junta tórica de silicona contra la pieza cilindrica. De esta forma, se obliga a que todo el fluido dispersado pase sólo por los tubos capilares (ver figura 1). De esta forma queda listo el dispositivo de producción de la microespuma. Se le hace funcionar introduciendo un caudal de gas de 5ml/min como fluido dispersado, y 3.5ml/min de una mezcla de 60% glicerina, 39.5% agua y 0.5% de Tween ® 80 como fluido dispersante.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo para la producción de espumas o emulsiones mediante un líquido base y un fluido dispersado, líquido o gas, inmiscible con el líquido base, que, al dispersarse, proporciona el material para las gotas o burbujas, caracterizado por que j) el líquido base y el fluido dispersado son impulsados y establecen una entrefase en una cámara de alimentación de líquido base, donde se encuentran los extremos de un conjunto de pares de tubos alineados y enfrentados dos a dos; las bocas de cada par de tubos, próximas y enfrentadas, son respectivamente emisoras y receptoras de una corriente de fluido dispersado; el número de pares de tubos enfrentados es igual o superior a uno; k) los dos tubos de cada pareja muestran una directriz esencialmente continua; cada pareja de bocas enfrentadas (boca emisora y boca receptora) se encuentra esencialmente alineada, existiendo continuidad en las correspondientes secciones de paso; I) dicha cámara de alimentación es bañada por el líquido base, que se inyecta en la cámara a la presión de base PB y con un caudal de base QB; m) los intervalos de separación entre la boca emisora y la boca receptora de cada par de tubos enfrentados son estrechos y puede definirse una superficie continua, virtual, que corta perpendicularmente a las directrices de todos los pares de tubos en dichos intervalos; n) todas las bocas emisoras están situadas en un mismo lado de dicha superficie continua, y las bocas receptoras homologas se encuentran en el lado opuesto; o) los tubos a los que pertenecen las bocas emisoras (tubos inyectores) se encuentran en contacto directo con una fuente de fluido dispersado, de manera que el fluido dispersado entra en dichos tubos por los extremos opuestos (extremos inyectores) a las bocas de generación, siendo introducido homogéneamente por dichos extremos inyectores a la presión de alimentación PA, con un caudal de alimentación total QA; p) todos los tubos atraviesan, por orificios sellados herméticamente, la pared de la cámara; los extremos de salida, opuestos a las bocas de recepción de los tubos receptores, están abiertos al exterior; q) dichas presiones de alimentación y de base PA y PB respectivamente se ajustan de manera que permite controlar la forma de la entrefase fluido dispersado / líquido base en los intervalos que separan las bocas emisoras y las bocas receptoras; el fluido dispersado forma, rodeado por el líquido base, un conjunto de meniscos pulsantes que, con raíz en las bocas emisoras, salvan el intervalo entre tubos enfrentados; r) cada uno de dichos meniscos desemboca en su boca receptora homologa, adentrándose de manera pulsante en los tubos receptores y formando un tren continuo de burbujas o gotas, en ambos casos rodeadas del líquido base, de manera que en los extremos de salida del conjunto de tubos receptores se recoge la espuma o emulsión ya formada.
2. Dispositivo para la producción de espumas o emulsiones según la reivindicación 1 , caracterizado por que todos los tubos inyectores son idénticos entre sí y todos los tubos receptores son idénticos entre sí.
3. Dispositivo para la producción de espumas o emulsiones según la reivindicación 1 , caracterizado por que todos los tubos inyectores son rectos y paralelos entre sí y todos los tubos receptores son rectos y paralelos entre sí.
4. Dispositivo para la producción de espumas o emulsiones según la reivindicación 1 , caracterizado por que dicha superficie de generación es plana.
5. Dispositivo para la producción de espumas o emulsiones según la reivindicación 1 , caracterizado por que sólo existe una pareja formada por un tubo emisor y un tubo receptor.
6. Dispositivo para la producción de espumas o emulsiones según la reivindicación 1 , caracterizado por que las secciones de paso de todos los tubos son circulares.
7. Dispositivo para la producción de espumas o emulsiones según la reivindicación 1 , caracterizado por que todos los tubos inyectores y todos los tubos receptores están formados y perforados en sendos bloques de material impermeable.
8. Dispositivo para la producción de espumas o emulsiones según la reivindicación 1 , caracterizado por que todos los tubos son exentos, siendo en cada pareja de bocas enfrentadas una de ellas cortada oblicuamente a la directriz del tubo con un cierto ángulo αA, mientras que su homologa se define mediante un corte oblicuo de ángulo αB, con αA diferente de αB; ambos ángulos αA y αB pueden variar entre 2o y 90° sexagesimales, preferentemente entre 30° y 90° sexagesimales; la disposición de los tubos enfrentados es tope con tope, de modo que queda establecido un intervalo de separación determinado por los ángulos de corte αA y αB.
9. Dispositivo para la producción de espumas o emulsiones según la reivindicación 1 , caracterizado por que todos los tubos son exentos, siendo en cada pareja de bocas enfrentadas una de ellas cortada oblicuamente a la directriz del tubo, mientras que su homologa se define mediante un corte perpendicular del tubo; la disposición de los tubos enfrentados es tope con tope, de modo que queda establecido un intervalo de separación determinado por el ángulo de corte.
10. Procedimiento para la producción de espumas o emulsiones por el que se dispersa al menos un fluido dispersado, líquido o gas, en el seno de un líquido base inmiscible con dicho fluido dispersado, usando el dispositivo según las reivindicaciones 1 a 9.
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