WO2015001143A1 - Sistema ultrasónico para mezclar líquidos y medios multifásicos, y método - Google Patents

Sistema ultrasónico para mezclar líquidos y medios multifásicos, y método Download PDF

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ultrasonic system
ultrasonic
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reinforcer
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Andrea Cardoni
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Pusonics S.L.
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    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B3/00—Methods or apparatus specially adapted for transmitting mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency

Definitions

  • the present invention belongs to the field of sonochemistry, a branch of chemistry that uses sound energy to affect chemical and physical processes.
  • the invention relates to an ultrasonic system for mixing multiphase liquids and media, and to a method.
  • the longitudinally tuned horns can incorporate cylindrical, stepped, conical or exponential profiles. Horn geometries of decreasing section are required to amplify the longitudinal, otherwise limited, oscillatory movement of the transducer, thereby supplying enough energy to create cavitation in the middle.
  • a vibration amplitude amplifier could also be placed between the transducer and the tuned horn to extend the oscillations of the transducer [Romdhane, M., Gourdon, C, "Investigation in solid-liquid extraction: influence of ultrasound "Chemical Engineering Journal, 87 (1), p. 11-19, 2002].
  • Acoustic cavitation consists in the creation (and subsequent collapse) of pulsating bubbles through the propagation of sound waves at intensities above a specific applied power threshold, depending on the treated medium. Extremely high temperatures and local pressures result from the implosions of bubbles that give rise to shear forces associated with cavitational effects such as shock waves, acoustic currents and microbats. These phenomena have proven responsible for the significant improvement of mixing processes as well as the production / potentiation of chemical reactions.
  • FIG. 1 The main components of a conventional ultrasonic system for sonochemical applications are shown in Figure 1 in which a conventional electroacoustic transducer 1 that receives an alternating electric field of a Ultrasonic generator 2 produces a longitudinal vibration.
  • the vibration of the transducer is transferred to the attached booster 3 and then coupled to the operating element, the horn 4.
  • Both the booster 3 and the horn 4 are tuned to resonate in a longitudinal mode.
  • the tip of the horn is immersed in a multiphase liquid or fluid 6 contained in the reactor 7, in order to produce acoustic cavitation. Since in this prior art configuration, the tip exit face is the only active part of the horn, only a small amount of fluid can actually be processed. Such restriction is the main cause underlying the present difficulties in expanding the sonochemical applications to scale.
  • the Sodeva company developed a tuned set configuration consisting of a horn similar to an excited tube by means of a transducer perpendicular to the horn (EP 1372809 Bl).
  • the horn vibrates in a bending vibration mode and can sonicate larger amounts of fluids in both discontinuous and continuous operations.
  • a hollow horn with emission surface powered by Telsonic (US4537511) was launched. Within this specially designed tuned tool, part of the longitudinal oscillation becomes a radial movement that allows the use of the lateral horn surface as a radiant zone.
  • Pandit et al. They have developed a sonochemical reactor with a hexagonal cross-section in which rows of Langevin transducers are joined on the sides of the reactor. This design has been shown as a candidate for extended scale applications such as Kl dosimetry and degradation of a reactive dye, rhodamine B. Hodnett et al. they have proposed a similar reactor with a circular section and multiple transducers attached (EP 1509301 Bl). The system has been used in crystallization processes for the manufacture of pharmaceutical products. Both configurations of multiple transducer systems can be operated at different frequencies in order to obtain a more uniform cavitation field.
  • ultrasonic longitudinal vibration devices have been used together with mechanical stirrers [US5484573].
  • the addition of ultrasound to mechanical agitation seemed to increase the rates of liquid-liquid reactions such as in the preparation of electroluminescent phosphors based on zinc sulphide [US20040007692].
  • the introduction of an agitator and an ultrasonic horn into a flask or tank can be complicated.
  • the present invention overcomes the above problems by providing an ultrasonic system according to claim 1 and a method for ultrasonic processing according to claim 17.
  • the dependent claims define preferred embodiments of the invention.
  • the invention described herein introduces a novel family of ultrasonic assemblies consisting of torsion, or longitudinal-torsion, subsets coupled to blades with flexural resonance.
  • Such ultrasonic composite devices may allow efficient propagation of acoustic waves through larger volumes of treatment media compared to conventional longitudinal type ultrasonic devices. This achievement can be obtained through the bending oscillations of tuned blades that create multiple areas of cavitation in the processed product.
  • the currents Acoustics generated within the treatment fluid by vibratory movements of blades can result in additional beneficial effects.
  • an ultrasonic system for the processing of multi-phase liquids and media comprising: i) an alternate electric field source,
  • a booster connected to the electroacoustic transducer with a cross section distal to the electroacoustic transducer smaller than a cross section proximal to the electroacoustic transducer; and iv) at least one tuned blade coupled to the reinforcer, in which the at least one blade couples bending vibrations to the liquid or multiphase means.
  • the ultrasonic system comprises a horn having a tip, the horn being coupled to the distal end of the reinforcer and the tip of the leather being coupled to the at least one blade.
  • the mixing effects generated through this system can be advantageously improved by applying a motor driven rotation to the tuned system.
  • the introduction of the rotary motor results in a synergistic combination of shear forces produced by both rotational movement and ultrasonic vibrations of the blades in the processed medium.
  • the torsional or longitudinal-torsion oscillations required to excite oscillation oscillations of the blades, are generated by incorporating piezoelectric elements polarized in the circumferential direction within the transducer.
  • inhomogeneous tuned transmission components such as a booster and / or a horn, coupled to an electroacoustic transducer of longitudinal vibration produce torsion or longitudinal-torsion oscillation at the tip of the horn and / or the booster to excite the blades. by flexion.
  • a second aspect of the invention presents a method for the ultrasonic processing of liquid and multiphase media contained in a reactor, comprising the steps of: i) providing an ultrasonic system according to the first aspect of the invention,
  • FIG. 1 This figure is an illustration of a prior art ultrasonic system for sonochemistry composed of an electroacoustic transducer, a booster and a horn all tuned to resonate in a longitudinal vibration mode.
  • FIG. 2 This figure shows a torsion-flex compound ultrasonic device for the processing of liquids and multiphase media according to the embodiments of the present invention, in which the torsion vibration component is excited by circumferentially polarized piezoelectric ceramics and used to excite two tuned blades joined in a flex mode.
  • Figure 2A This figure illustrates a connection configuration between the motor-driven shaft with the ultrasonic torsion transducer.
  • Figure 3 This figure, in 3D, shows the first four modal forms of bending of the tuned blades excited by the torsion vibration of the horn, calculated by finite element analysis.
  • FIG. 4 This figure is a view of an alternative embodiment of the invention in which four bending vibration blades are activated by the torsion movement of the horn.
  • Figure 5A This figure is a view of two bending vibration blades with an alternative geometry consisting of a step change of the cross section, activated by torsion excitation.
  • Figure 5B This figure is a view of another configuration of the invention in which mixing occurs by rotating a rotor composed of tuned blades with bending vibration, inserted in a coaxial stator incorporating diagonal slits. For clarity of the figure, the rotor and the stator are illustrated separately.
  • Figure 6 This figure shows a manufactured subset comprising a transducer with circumferentially polarized piezoelectric elements, a booster and a horn, tuned in the third torque mode when activated at approximately 29 kHz.
  • Figures 7A-7C These figures show three set configurations, which consist of three pairs of bending blade pairs mounted on the same subset of torsional vibration.
  • Figures 8A-8C These figures illustrate parallel dust lines that are formed in the planes of the blade configurations shown in Figure 7 in correspondence with bending nodes.
  • Figures 9A-9B These figures illustrate a front view and one from above of the submerged blades that enhance the cavitation effects produced in water in the form of clouds of cavitation bubbles near the flexion nodes of the blades together with acoustic streamlines.
  • FIG. 10 This figure is a torsion-flex compound ultrasonic device for liquid and media processing multi-phase according to the embodiments of the present invention, in which the torsional vibration component excited by circumferentially polarized piezoelectric ceramics is used to excite a plurality of tuned blades connected in the torsion anti- nodes of a tuned horn of a wavelength of length.
  • Figure 11A This figure shows a possible mechanical connection between interchangeable blades and the horn using a groove joint.
  • FIG 11B This figure shows another possible mechanical connection between interchangeable blades and the horn in which two groove joints are incorporated.
  • FIG. 12 This figure is a longitudinal-torsion-flexural compound ultrasonic device for the processing of liquids and multiphase media according to the embodiments of the present invention, in which the longitudinal-torsion composite vibration is obtained by incorporating slits diagonal in the horn.
  • Figure 12A This figure is a schematic drawing showing the angle of deflection ⁇ between a slit and the longitudinal axis of the ultrasonic device.
  • Figure 13 This figure shows a configuration of the tuned blades in which they are welded at an angle of 45 degrees with respect to the horn axis in an inclined blade turbine configuration.
  • the invention relates to ultrasonic systems designed to operate in liquid and multiphasic means by means of excited vibration blades by means of a mechanically coupled subset comprising an electroacoustic transducer and transmission components, tuned in a torsional or longitudinal vibration mode. of torsion.
  • an electroacoustic torsion transducer 1 ' that receives an alternating electric field from an ultrasonic generator 2' produces a torsional vibration within the transducer that is transferred to the 3 'coupled booster.
  • Tuned blades 5 are attached to the booster 3 'and immersed in a multi-phase liquid or fluid 6 contained in the reactor 7 in order to produce multiple cavitation zones.
  • FIG. 2 A second embodiment of the present invention is shown in Figure 2.
  • an electroacoustic torsion transducer 1 ' that receives an alternating electric field from an ultrasonic generator 2' produces a torsional vibration within the transducer that is transferred to the reinforcer coupled 3 'and then to horn 4'.
  • Tuned blades 5 are attached to the distal end of the horn (horn tip) and immersed in a multi-phase liquid or fluid 6 contained in the reactor 7 in order to produce multiple areas of cavitation.
  • the electromechanical transducer 1 ' comprises a plurality of piezoelectric elements. More specifically, the transducer incorporates two piezoelectric elements interspersed between two metal components: first end mass 23 and second end mass 24.
  • the piezoelectric elements 8 ' are polarized circumferentially and positioned so that the polarization vectors 9' result in opposite directions. This configuration of the piezoelectric elements is used to generate torsion movement in response to the supply of alternating electric field.
  • the reinforcer 3 ' is a metal component normally designed so that its cross section distal to transducer 1' is smaller than the cross section proximal to transducer 1 '.
  • the reinforcer 3 ' has a stepped profile but other profiles such as exponential, conical, catenoidal could be used to amplify the limited torque output of transducer 1'.
  • the reinforcer 3 'and the horn 4' also a metallic component, have tuned lengths equal to integer multiples of the torsion wavelength half-length.
  • two blades 5 are coupled to the distal end of the horn 4 'in a turbine configuration of rectilinear blades so that each blade plane contains the longitudinal axis of the horn 4'.
  • the joined blades 5 vibrate in a vibration bending mode under the torsion movement produced by the horn 4 '.
  • a rotation driven by the 10 engine of the ultrasonic system to enhance mixing performance.
  • the motor 10 which could be of the electromagnetic type, rotates freely the complete set comprising the ultrasonic transducer 1 'together with the transmission elements (the booster 3' and the horn 4 ') and the bending blades 5. It is transferred rotation to the ultrasonic system by means of the shaft 11 which is coupled to the nodal section of the torsion transducer 1 '.
  • Figure 2A illustrates the threaded stud 21 which is used to previously compress the piezoelectric elements 8 'between the first end mass 23 and the second end mass 24.
  • the stud 21 is a hollow element with a flange that goes inside 22 corresponding to a nodal region of torsional vibration.
  • the shaft 11 is coupled to the tab 22 so that suppression of ultrasonic vibration is avoided while transferring the motor-driven rotation to the tuned device.
  • the blades 5 behave like cantilever beams that resonate in a specific bending harmonic according to their tuned length, as shown in figure 3.
  • pairs of blades are shown that resonate in the first, second bending mode , third and fourth at the same frequency.
  • the number of bending blades 5 can also vary as well as its geometry.
  • Figure 4 shows a system configuration with four tuned blades 5 attached to the horn 4 '.
  • An alternative blade geometry activated by torsion excitation is illustrated in Figure 5A in which two bending vibration blades 5 with a step change in cross section.
  • the geometries of tuned blades may resemble those of conventional hydrodynamic impellers.
  • vibration blades 5 can be used in a rotor-stator mixer configuration, as shown in Figure 5B.
  • the stator 12 and the rotor 25 with coupled bending vibration blades 5 are shown separately for clarity.
  • Figure 6 shows a manufactured subset comprising a transducer with circumferentially polarized piezoelectric elements, a booster and a horn, tuned in the third torque mode when activated at approximately 29 kHz.
  • the reinforcer and the horn were manufactured from a piece of metal.
  • Three pairs of blade configurations were also manufactured so that each pair could alternatively be mounted on the horn tip and excited in a flex mode at a frequency close to the torsional modal frequency of the activation subset.
  • the pairs of blades that form the tuned assemblies shown in Figure 7A and Figure 7B are dimensioned so that each blade could resonate in the third mode of flexion.
  • the length of the blades 5 illustrated in the assembly of Fig. 7C a longer half-wavelength (of flexion) was selected than in the other two configurations, with the aim of responding in the fourth bending mode to the same tuned frequency of the system.
  • the blades 5 of the systems illustrated in Figure 7C were immersed in a container with water and activated at an activation power in the range of 50-100 W to produce cavitation. It was observed that the frequency of the set decreased by approximately 0.5 kHz when the blades were completely submerged.
  • the cavitation effects produced in water at 150 W are highlighted in Figure 9A and Figure 9B, in which clouds of cavitation bubbles can be seen, corresponding mainly to the blade's bending antinodes, together with acoustic streamlines. As is evident from the figures, multiple cavitation zones can be obtained through the application of the invention.
  • a 4 'torsion-tuned horn of several wavelength half-lengths can be made so that a plurality of tuned blades can be connected to each other at the horn's torsion antnodes, as shown in the Figure 10.
  • the horn 4 ' is an element of a wavelength of length.
  • Different joining configurations of the tuned blades 5 to the horn 4 'can be adopted.
  • the blades 5 and the horn 4 'can be machined from a piece of metal, or they can be welded to the horn.
  • the blades 5 and the reinforcer 3 'can be machined from a piece of metal, or they can be welded to the reinforcer 3'.
  • a groove joint 20 is made at the tip of the horn into which a beam is inserted and fixed by means of a bolt 18 and a nut 19, thus resulting in a two-blade configuration (Figure 11A).
  • Figure 11A Another configuration is shown in which the blades are coupled to the horn by means of groove joints 20 'machined on the flanges of the horn and fixed by bolts 18' and nuts
  • FIG. 19 19 'in Figure 11B.
  • the blade / horn joint configuration shown in Figure 11A and Figure 11B allow the use of interchangeable blades.
  • the blades 5 ' are coupled to the reinforcer 3' by means of at least one machined groove joint in the tip of the reinforcer.
  • Other joint configurations can be adopted without departing from the spirit of the invention.
  • the torsion movement of the horn can also be obtained through the incorporation of a reinforcer with inhomogeneous cross sections mechanically coupled to a conventional longitudinal electroacoustic transducer.
  • This idea of converting pure longitudinal movement into longitudinal-torsional vibration (LT) by means of the appropriate geometric modifications of resonant rods is described in the book "Sources of High-intensity Ultrasound", Volume 2, written by AM Mitskevich and edited by Rozenberg in 1969. Mitskevich improved the ultrasonic welding that takes advantage of the LT movement obtained at the working end of a rod system activated by a longitudinal electroacoustic transducer by virtue of a certain inhomogeneity in the cross-section of the rod.
  • a further embodiment of the present invention uses Mitskevich's idea of introducing a geometric inhomogeneity into a transmission element to produce the LT movement at the tip of the horn to which bending blades 5 are connected.
  • the inhomogeneous cross sections necessary to produce the LT movement can be achieved in various ways, for example by means of a helical spiral configuration, or by incorporating diagonal slits in the reinforcer and / or parts of the horn.
  • the inhomogeneous reinforcer is a rod of decreasing spiral section, or a rod of decreasing section with several diagonal slits. The LT movement obtained is used to excite the joined bending blades.
  • a conventional electroacoustic transducer 1 produces in response to the application of the alternating electric field from the ultrasonic generator 2 'a longitudinal movement that is amplified by the attached reinforcer 3'.
  • the pure longitudinal movement 15 is then converted into the longitudinal-torsional vibration at the distal end 16 of the horn LT 17.
  • the horn LT 17 incorporated an inhomogeneous part to produce a torsion component of the movement comparable to the longitudinal component.
  • such inhomogeneity consists in the insertion of diagonal slits 13 in the horn 17.
  • the use of a helical spiral configuration, or of a profile similar to a horn drill would also result in a compound movement LT in the tip.
  • the ratio of the magnitude of the longitudinal-torsional vibration 16 with respect to the longitudinal vibration 15 depends on the amount of inhomogeneity within the horn, specifically the torsion component of the movement increases with the depth of the slit, the size, the number, the angle of deviation a, as well as the proximal modal and longitudinal frequencies.
  • the angle of deflection ⁇ between a slit and the longitudinal axis of the ultrasonic device is shown in Figure 12A. For ⁇ less than 45 ⁇ , the torsion component of the movement is smaller than the longitudinal component. Also, for ⁇ greater than 45 ⁇ , the torsion component of the movement is larger than the longitudinal component.
  • the torsion movement available at the tip of the horn can be used to drive the blades 5 together in a modal flexural harmonic.
  • the vibratory movement of bending of the tuned blades 5 can be combined with the rotation driven by the motor 10 to enhance the mixing performance.
  • the rotation is transferred to the ultrasonic system through the shaft 11.
  • the shaft 11 can be coupled to the transducer 1 'in a longitudinal nodal section so as to avoid suppressing the ultrasonic vibration while transferring motor-driven rotation to the device Tuned.
  • different configurations of joining the tuned blades 5 to the horn 17 can be adopted.
  • the blades 5 and the horn 17 are machined from a piece of metal, or they can be welded to the horn; alternatively, groove joints can be used to fix the blades on the horn as shown in Figure 11A and 11B.
  • the blades can be mounted diagonally to the axis of the system in an inclined blade turbine configuration. This option is illustrated in Figure 13.
  • both torsional and longitudinal vibration components are used to drive the tuned blades 5 'in a flex mode. Specifically, the required ratio of these vibration components depends on the established mounting angle of the blades as well as the geometric inhomogeneity of the horn.
  • a rotation driven by the motor 10 of the ultrasonic system is applied to enhance the mixing performance.
  • a configuration equivalent to the electroacoustic transducer and the reinforcer connected to such an electroacoustic transducer would be a configuration with only an electroacoustic transducer that can produce sufficient oscillatory torsion movement to excite by flexion at least one blade coupled to its distal end , thus creating cavitation in the multi-phase liquid or medium contained in the reactor.

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Abstract

La invención describe un dispositivo ultrasónico destinado principalmente para la sonicación de líquido y medios multifásicos (gas-líquido, sólido-líquido) a través de la vibración de flexión de palas sintonizadas. El sistema ultrasónico comprende una fuente de campo eléctrico alterno (2'), un transductor electroacústico (1') conectado a la fuente de campo eléctrico alterno, un reforzador (3') conectado al transductor electroacústico con una sección transversal distal al transductor electroacústico menor que una sección transversal proximal al transductor electroacústico, y al menos una pala sintonizada (5) acoplada al reforzador, acoplando la al menos una pala vibraciones de flexión al líquido o medios multifásicos. El sistema permite el tratamiento de mayores volúmenes de medios fluidos en comparación con los dispositivos ultrasónicos resonantes longitudinalmente convencionales caracterizados por pequeñas superficies radiantes. El movimiento de flexión de las palas sintonizadas (5) puede lograrse a través del uso de un transductor electroacústico (1') que se hace funcionar en un modo de vibración de torsión, o mediante un subconjunto excitado en un modo compuesto de torsión-longitudinal.

Description

SISTEMA ULTRASONICO PARA MEZCLAR LIQUIDOS Y MEDIOS MULTIFASICOS, Y
MÉTODO
DESCRIPCION
OBJETO DE LA INVENCIÓN La presente invención pertenece al campo de la sonoquímica, una rama de la química que aprovecha la energía sonora para afectar a procesos químicos y físicos.
La invención se refiere a un sistema ultrasónico para mezclar líquidos y medios multifásicos, y a un método.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los potenciales de la sonoquímica se identificaron por primera vez por Loomis durante los años 1920. Se encontró que las ondas sónicas de gran intensidad generadas en líquidos producían efectos cavitacionales que conducían a "claros efectos de aceleración" por ejemplo, la explosión de Nl3, y la "atomización" de fragmentos de vidrio de las paredes del recipiente. La aplicación de vibraciones ultrasónicas para producir la iniciación de la polimerización por radicales por medio de cavitación acústica la introdujeron A. S. Ostroski y R. B. Stambaugh en 1950 [Ostroski, A. S., y Stambaugh, R. B., "Emulsión Polymerization with Ultrasonic Vibration", J. Appl. Phys. 21, págs. 478 (1950)]. Estos científicos encontraron que aplicando ultrasonidos de potencia a una emulsión de monómero (por ejemplo, estireno) en un medio acuoso se producía una mejor dispersión, que también aceleraba significativamente la velocidad de polimerización del estireno.
A lo largo de las últimas décadas, se ha introducido una gama de dispositivos y procedimientos ultrasónicos para potenciar diversos procesos de laboratorio e industriales incluyendo homogeneización, emulsionamiento, desgasificación, cristalización, reducciones de partículas sólidas, y la potenciación de reacciones químicas. En biología y bioquímica, la cavitación acústica ha demostrado producir la ruptura de las paredes de células biológicas y aislar el contenido celular [Gogate, P. /?.; Kabadi, A. M. "A review of applications of cavitation in biochemical engineering/biotechnology". Biochemical Engineering Journal, 44 (1), págs. 60-72,
2009]. En particular, se ha demostrado que pueden lograrse transformaciones enzimáticas a través de la liberación de contenido celular seleccionado por ultrasonidos.
La mayor parte de los dispositivos ultrasónicos convencionales usados para propagar la energía sonora en líquidos y medios multifásicos aprovechan las vibraciones longitudinales excitadas en un cuerno sintonizado semisumergido en un transductor electroacústico. Los cuernos sintonizados longitudinalmente pueden incorporar perfiles cilindricos, escalonados, cónicos o exponenciales. Se requieren geometrías de cuerno de sección decreciente para amplificar el movimiento oscilatorio longitudinal, de otro modo limitado del transductor, suministrando por tanto suficiente energía para crear cavitación en el medio. También podría colocarse un amplificador de amplitud de vibración, conocido como "booster", entre el transductor y el cuerno sintonizado para ampliar las oscilaciones del transductor [Romdhane, M., Gourdon, C, "Investigation in solid-liquid extraction: influence of ultrasound" Chemical Engineering Journal, 87(1), págs. 11-19, 2002]. La cavitación acústica consiste en la creación (y colapso posterior) de burbujas pulsantes a través de la propagación de ondas sonoras a intensidades por encima de un umbral de potencia aplicado específico, dependiendo del medio tratado. Resultan temperaturas y presiones locales extremadamente altas de las implosiones de burbujas que dan lugar a fuerzas de cizallamiento asociadas con efectos cavitatorios tales como ondas de choque, corrientes acústicas y microchorros. Estos fenómenos han demostrado ser responsables de la mejora significativa de procesos de mezclado así como de la producción/potenciación de reacciones químicas.
El principal problema de los dispositivos ultrasónicos de vibración longitudinal convencionales es que éstos sólo pueden "sonicar" eficazmente un pequeño volumen del medio procesado en las proximidades de la punta del cuerno. Como resultado, los efectos espectaculares de los ultrasonidos de potencia en líquidos notificados en la bibliografía pueden observarse, normalmente, y reproducirse sólo a nivel de escala de laboratorio, en el que los volúmenes de producto tratados son pequeños.
Los principales componentes de un sistema ultrasónico convencional para aplicaciones sonoquímicas se muestran en la figura 1 en la que un transductor electroacústico convencional 1 que recibe un campo eléctrico alterno de un generador ultrasónico 2 produce una vibración longitudinal. Se transfiere la vibración del transductor al reforzador 3 unido y luego se acopla al elemento operativo, el cuerno 4. Tanto el reforzador 3 como el cuerno 4 se sintonizan para resonar en un modo longitudinal. La punta del cuerno se sumerge en un líquido o fluido multifásico 6 contenido en el reactor 7, con el fin de producir cavitación acústica. Puesto que en esta configuración de la técnica anterior, la cara de salida de la punta es la única parte activa del cuerno, sólo puede procesarse realmente una pequeña cantidad de fluido. Tal restricción es la causa principal subyacente a las presentes dificultades para ampliar a escala las aplicaciones sonoquímicas. Para aplicaciones a gran escala en las que se procesan mayores volúmenes de producto, puede usarse una serie de sistemas de vibración longitudinal. Sin embargo, una disposición de este tipo puede resultar poco práctica y cara. Con el fin de superar las limitaciones de los dispositivos ultrasónicos convencionales, se han propuesto recientemente nuevas configuraciones de sistemas. Gallego-Juárez et al. han desarrollado una familia de placas de vibración de flexión activadas mediante vibradores piezoeléctricos de resonancia longitudinal (documento EP 1010796 Bl). Estas placas radiantes pueden producir cavitación a lo largo de una mayor cantidad de medio tratado en comparación con sistemas longitudinales convencionales. Tales dispositivos se han investigado en el lavado de materiales textiles así como en las reducciones de tamaño de pigmentos durante procesos de preparación de pinturas.
La empresa Sodeva desarrolló una configuración de conjunto sintonizado que consiste en un cuerno similar a un tubo excitado mediante un transductor perpendicular al cuerno (documento EP 1372809 Bl). El cuerno vibra en un modo de vibración de flexión y puede sonicar mayores cantidades de fluidos tanto en operaciones discontinuas como continuas. Se lanzó un cuerno hueco con superficie de emisión potenciada por Telsonic (documento US4537511). Dentro de esta herramienta sintonizada diseñada especialmente, parte de la oscilación longitudinal se convierte en movimiento radial que permite el aprovechamiento de la superficie de cuerno lateral como zona radiante.
Pandit et al. han desarrollado un reactor sonoquímico con una sección transversal hexagonal en la que se unen filas de transductores de Langevin en los lados del reactor. Este diseño se ha mostrado como candidato para aplicaciones ampliadas a escala tales como dosimetría de Kl y degradación de un colorante reactivo, rodamina B. Hodnett et al. han propuesto un reactor similar con una sección circular y múltiples transductores unidos (documento EP 1509301 Bl). El sistema se ha usado en procesos de cristalización para la fabricación de productos farmacéuticos. Ambas configuraciones de sistemas de transductores múltiples pueden hacerse funcionar a diferentes frecuencias con el fin de obtener un campo cavitacional más uniforme.
En última instancia, con el fin de potenciar los efectos de mezclado, se han usado dispositivos ultrasónicos de vibración longitudinal junto con agitadores mecánicos [documento US5484573]. La adición de ultrasonidos a la agitación mecánica pareció aumentar las velocidades de reacciones líquido-líquido tal como en la preparación de fósforos electroluminiscentes a base de sulfuro de zinc [documento US20040007692]. Sin embargo, puede ser complicada la introducción de un agitador y un cuerno ultrasónico en un matraz o un tanque.
Por todos los motivos establecidos anteriormente, existe ahora la necesidad del desarrollo de dispositivos ultrasónicos compactos que puedan sonicar eficazmente mayores volúmenes de producto, potenciando por tanto procesos de mezclado y sonoquímicos. También existe el requisito de introducir sistemas reconfigurables adaptables a una variedad de procesos. La invención descrita en el presente documento trata todas estas necesidades y otras. SUMARIO DE LA INVENCIÓN
La presente invención supera los problemas anteriores mediante la provisión de un sistema ultrasónico según la reivindicación 1 y un método para el procesamiento ultrasónico según la reivindicación 17. Las reivindicaciones dependientes definen realizaciones preferidas de la invención. La invención descrita en el presente documento introduce una familia novedosa de conjuntos ultrasónicos constituidos por subconjuntos de torsión, o longitudinal-de torsión, acoplados a palas con resonancia de flexión. Tales dispositivos ultrasónicos de modo compuesto pueden permitir la propagación eficaz de ondas acústicas a través de mayores volúmenes de medios de tratamiento en comparación con dispositivos ultrasónicos de tipo longitudinal convencionales. Este logro puede obtenerse a través de las oscilaciones de flexión de palas sintonizadas que crean múltiples zonas de cavitación en el producto procesado. Además, las corrientes acústicas generadas dentro del fluido de tratamiento por movimientos vibratorios de palas pueden dar como resultado efectos beneficiosos adicionales.
Por tanto, en un primer aspecto de la invención, se presenta un sistema ultrasónico para el procesamiento de líquidos y medios multifásicos, que comprende: i) una fuente de campo eléctrico alterno,
ii) un transductor electroacústico conectado a la fuente de campo eléctrico alterno;
iii) un reforzador conectado al transductor electroacústico con una sección transversal distal al transductor electroacústico menor que una sección transversal proximal al transductor electroacústico; y iv) al menos una pala sintonizada acoplada al reforzador, en el que la al menos una pala acopla vibraciones de flexión al líquido o medios multifásicos.
Ventajosamente, el sistema ultrasónico comprende un cuerno que tiene una punta, acoplándose el cuerno al extremo distal del reforzador y acoplándose la punta del cueron a la al menos una pala.
Los efectos de mezclado generados a través de este sistema, es decir, el transductor electroacústico, componentes de transmisión y palas sintonizadas sumergidas en el medio tratado, pueden mejorarse ventajosamente aplicando una rotación accionada por motor al sistema sintonizado. La introducción del motor rotatorio da como resultado una combinación sinérgica de fuerzas de cizalladura producidas tanto por el movimiento rotacional como las vibraciones ultrasónicas de las palas en el medio procesado.
En una realización ventajosa, las oscilaciones de torsión o longitudinales-de torsión, requeridas para excitar oscilaciones de flexión de las palas, se generan mediante la incorporación de elementos piezoeléctricos polarizados en la dirección circunferencial dentro del transductor. Alternativamente, componentes sintonizados de transmisión inhomogéneos, tales como un reforzador y/o un cuerno, acoplados a un transductor electroacústico de vibración longitudinal producen la oscilación de torsión o longitudinal-de torsión en la punta del cuerno y/o el reforzador para excitar las palas por flexión. Un segundo aspecto de la invención presenta un método para el procesamiento ultrasónico de líquido y medios multifásicos contenidos en un reactor, que comprende las etapas de: i) proporcionar un sistema ultrasónico según el primer aspecto de la invención,
ii) ubicar la al menos una pala del sistema en el reactor, y
iii) activar el sistema ultrasónico aplicando un campo eléctrico alterno al transductor electroacústico.
Todas las características descritas en esta memoria descriptiva (incluyendo las reivindicaciones, la descripción y los dibujos) y/o todas las etapas del método descrito pueden combinarse en cualquier combinación, con la excepción de combinaciones de tales características y/o etapas mutuamente excluyentes.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Estas y otras características y ventajas de la invención se observarán más claramente a partir de la siguiente descripción detallada de una realización preferida proporcionada sólo a modo de ejemplo ilustrativo y no limitativo en referencia a los dibujos adjuntos.
Figura 1 Esta figura es una ilustración de un sistema ultrasónico de la técnica anterior para sonoquímica compuesto por un transductor electroacústico, un reforzador y un cuerno todos sintonizados para resonar en un modo de vibración longitudinal.
Figura 2 Esta figura muestra un dispositivo ultrasónico de modo compuesto de torsión-flexión para el procesamiento de líquidos y medios multifásicos según las realizaciones de la presente invención, en el que la componente de vibración de torsión se excita mediante cerámicas piezoeléctricas polarizadas de manera circunferencial y usadas para excitar dos palas sintonizadas unidas en un modo de flexión.
Figura 2A Esta figura ilustra una configuración de conexión entre el árbol accionado por motor con el transductor ultrasónico de torsión. Figura 3 Esta figura, en 3D, muestra las primeras cuatro formas modales de flexión de las palas sintonizadas excitadas por las vibración de torsión del cuerno, calculadas mediante el análisis de elementos finitos.
Figura 4 Esta figura es una vista de una realización alternativa de la invención en la que cuatro palas de vibración de flexión se activan por el movimiento de torsión del cuerno.
Figura 5A Esta figura es una vista de dos palas de vibración de flexión con una geometría alternativa que consiste en un cambio escalonado de la sección transversal, activadas por excitación de torsión. Figura 5B Esta figura es una vista de otra configuración de la invención en la que se produce el mezclado por la rotación de un rotor compuesto por palas sintonizadas con vibración de flexión, insertadas en un estator coaxial que incorpora rendijas diagonales. Para la claridad de la figura, se ilustran por separado el rotor y el estator. Figura 6 Esta figura muestra un subconjunto fabricado que comprende un transductor con elementos piezoeléctricos polarizados de manera circunferencial, un reforzador y un cuerno, sintonizados en el tercer modo de torsión cuando se activan a aproximadamente 29 kHz.
Figuras 7A-7C Estas figuras muestran tres configuraciones de conjunto, que consisten en tres alternativas de pares de palas de flexión montadas en el mismo subconjunto de vibración de torsión.
Figuras 8A-8C Estas figuras ilustran líneas de polvo paralelas que se forman en los planos de las configuraciones de palas mostradas en la figura 7 en correspondencia con nodos de flexión. Figuras 9A-9B Estas figuras ilustran una vista frontal y una desde arriba de las palas sumergidas que realzan los efectos cavitacionales producidos en agua en forma de nubes de burbujas de cavitación cerca de los antinodos de flexión de las palas junto con líneas de corriente acústicas.
Figura 10 Esta figura es un dispositivo ultrasónico de modo compuesto de torsión-flexión para el procesamiento de líquidos y medios multifásicos según las realizaciones de la presente invención, en el que la componente de vibración de torsión excitada por cerámicas piezoeléctricas polarizadas de manera circunferencial se usa para excitar una pluralidad de palas sintonizadas conectadas en los antinodos de torsión de un cuerno sintonizado de una longitud de onda de longitud.
Figura 11A Esta figura muestra una posible conexión mecánica entre palas intercambiables y el cuerno usando una junta de ranura.
Figura 11B Esta figura muestra otra posible conexión mecánica entre palas intercambiables y el cuerno en el que se incorporan dos juntas de ranura.
Figura 12 Esta figura es un dispositivo ultrasónico de modo compuesto longitudinal-de torsión-flexión para el procesamiento de líquidos y medios multifásicos según las realizaciones de la presente invención, en el que la vibración compuesta longitudinal-de torsión se obtiene mediante la incorporación de rendijas diagonales en el cuerno.
Figura 12A Esta figura es un dibujo esquemático que muestra el de ángulo de desviación α entre una rendija y el eje longitudinal del dispositivo ultrasónico. Figura 13 Esta figura muestra una configuración de las palas sintonizadas en la que se sueldan formando un ángulo de 45 grados con respecto al eje del cuerno en una configuración de turbina de palas inclinadas.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La invención se refiere a sistemas ultrasónicos diseñados para funcionar en líquido y medios multifásicos por medio de palas de vibración de flexión excitadas mediante un subconjunto acoplado mecánicamente que comprende un transductor electroacústico y componentes de transmisión, sintonizado en un modo de vibración de torsión o longitudinal-de torsión.
En una primera realización de la presente invención, un transductor electroacústico de torsión 1' que recibe un campo eléctrico alterno de un generador ultrasónico 2' produce una vibración de torsión dentro del transductor que se transfiere al reforzador acoplado 3'. Se unen palas sintonizadas 5 al reforzador 3' y se sumergen en un líquido o fluido multifásico 6 contenido en el reactor 7 con el fin de producir múltiples zonas de cavitación.
Una segunda realización de la presente invención se muestra en la figura 2. En esta figura, un transductor electroacústico de torsión 1' que recibe un campo eléctrico alterno procedente de un generador ultrasónico 2' produce una vibración de torsión dentro del transductor que se transfiere al reforzador acoplado 3' y a continuación al cuerno 4'. Se unen palas sintonizadas 5 al extremo distal del cuerno(punta del cuerno) y se sumergen en un líquido o fluido multifásico 6 contenido en el reactor 7 con el fin de producir múltiples zonas de cavitación.
En una realización particular, el transductor electromecánico 1' comprende una pluralidad de elementos piezoeléctricos. Más específicamente, el transductor incorpora dos elementos piezoeléctricos intercalados entre dos componentes metálicos: primera masa de extremo 23 y segunda masa de extremo 24. Los elementos piezoeléctricos 8' se polarizan de manera circunferencial y se sitúan de modo que resultan los vectores de polarización 9' en sentidos opuestos. Esta configuración de los elementos piezoeléctricos se emplea para generar movimiento de torsión en respuesta al suministro de campo eléctrico alterno. El reforzador 3' es un componente metálico diseñado normalmente de manera que su sección transversal distal al transductor 1' es menor que la sección transversal proximal al transductor 1'. Tal como se ilustra, el reforzador 3' tiene un perfil escalonado pero podrían usarse otros perfiles tales como exponencial, cónico, catenoidal para amplificar la salida de torsión limitada del transductor 1'. Ventajosamente, el reforzador 3' y el cuerno 4', también un componente metálico, tienen longitudes sintonizadas iguales a múltiplos de número entero de la semilongitud de onda de torsión.
Haciendo referencia todavía a la figura 2, dos palas 5 se acoplan al extremo distal del cuerno 4' en una configuración de turbina de palas rectilíneas para que cada plano de pala contenga el eje longitudinal del cuerno 4'. Las palas 5 unidas vibran en un modo de flexión de vibración bajo el movimiento de torsión producido por el cuerno 4'.
En una realización preferida, en combinación con el movimiento vibratorio de flexión de las palas sintonizadas 5, puede aplicarse una rotación accionada por el motor 10 del sistema ultrasónico para potenciar el rendimiento de mezclado. El motor 10, que podría ser del tipo electromagnético, hace rotar libremente el conjunto completo que comprende el transductor ultrasónico 1' junto con los elementos de transmisión (el reforzador 3' y el cuerno 4') y las palas de flexión 5. Se transfiere rotación al sistema ultrasónico mediante el árbol 11 que se acopla a la sección nodal del transductor de torsión 1'. La figura 2A ilustra el espárrago roscado 21 que se usa para comprimir previamente los elementos piezoeléctricos 8' entre la primera masa de extremo 23 y la segunda masa de extremo 24. El espárrago 21 es un elemento hueco con una pestaña que se adentra al interior 22 correspondiente a una región nodal de vibración de torsión. El árbol 11 se acopla a la pestaña 22 de modo que se evita la supresión de la vibración ultrasónica mientras se transfiere la rotación accionada por motor al dispositivo sintonizado.
Las palas 5 se comportan como vigas en voladizo que resuenan en un armónico de flexión específico según su longitud sintonizada, tal como se muestra en la figura 3. En la figura, se muestran pares de palas que resuenan en el modo de flexión primero, segundo, tercero y cuarto a la misma frecuencia. El número de palas de flexión 5 también puede variar así como su geometría. La figura 4 muestra una configuración de sistema con cuatro palas sintonizadas 5 unidas al cuerno 4'. Se ilustra una geometría de pala alternativa activada por excitación de torsión en la figura 5A en la que dos palas de vibración de flexión 5 con un cambio escalonado en la sección transversal. Las geometrías de palas sintonizadas pueden parecerse a las de impulsores hidrodinámicos convencionales. Adicionalmente, pueden usarse palas de vibración 5 en una configuración de mezclador de rotor-estator, tal como se muestra en la figura 5B. En la figura 5B, el estator 12 y el rotor 25 con palas de vibración de flexión acopladas 5 se representan por separado para mayor claridad.
La figura 6 muestra un subconjunto fabricado que comprende un transductor con elementos piezoeléctricos polarizados de manera circunferencial, un reforzador y un cuerno, sintonizados en el tercer modo de torsión cuando se activan a aproximadamente 29 kHz. En este caso, el reforzador y el cuerno se fabricaron a partir de una pieza de metal. También se fabricaron configuraciones de tres pares de palas de modo que cada par podía montarse alternativamente en la punta del cuerno y excitarse en un modo de flexión a una frecuencia próxima a la frecuencia modal de torsión del subconjunto de activación. En particular, los pares de palas que forman los conjuntos sintonizados mostrados en la figura 7A y la figura 7B se dimensionaron de modo que cada pala pudiera resonar en el tercer modo de flexión. La longitud de las palas 5 ilustradas en el conjunto de la figura 7C se seleccionó una semilongitud de onda (de flexión) más larga que en las otras dos configuraciones, con el objetivo de responder en el cuarto modo de flexión a la misma frecuencia sintonizada del sistema.
Para apreciar visualmente los modos de vibración de flexión de las palas 5 excitadas a través del movimiento de torsión de la punta del cuerno, se depositó polvo metálico fino sobre sus planos. Cada una de las tres configuraciones de conjunto mostradas en la figura 7 se accionó en la región de frecuencias de la frecuencia sintonizada a través de una excitación sinusoidal de 50 Vrms creada por un generador de función (Agilent 33220A) y se amplificó mediante un amplificador de señal (QSC RMX 4050 HD). Cuando la frecuencia de excitación se aproximó a la resonancia sintonizada del sistema, se formaron inmediatamente líneas de polvo paralelas sobre los planos de las palas en correspondencia con las líneas nodales de flexión, tal como se ilustra en las figuras 8A a 8C. Las frecuencias sintonizadas de las tres configuraciones de sistema activadas en aire estaban todas en el intervalo de frecuencias de 28-28,5 kHz.
En última instancia, se sumergieron las palas 5 de los sistemas ilustrados en la figura 7C en un recipiente con agua y se activaron a una potencia de activación en el intervalo de 50-100 W para producir cavitación. Se observó que la frecuencia del conjunto disminuía de aproximadamente 0,5 kHz cuando las palas estaban completamente sumergidas. Se destacan los efectos cavitacionales producidos en agua a 150 W en la figura 9A y la figura 9B, en las que pueden verse nubes de burbujas de cavitación, correspondientes principalmente a los antinodos de flexión de las palas, junto con líneas de corriente acústicas. Tal como resulta evidente a partir de las figuras, pueden obtenerse múltiples zonas de cavitación a través de la aplicación de la invención.
Aún en otra realización de la presente invención, puede realizarse un cuerno sintonizado por torsión 4' de varias semilongitudes de onda de longitud para que una pluralidad de palas sintonizadas puedan conectarse entre sí en los antinodos de torsión del cuerno, tal como se muestra en la figura 10. Ventajosamente el cuerno 4' es un elemento de una longitud de onda de longitud. Pueden adoptarse diferentes configuraciones de unión de las palas sintonizadas 5 al cuerno 4'. Pueden mecanizarse las palas 5 y el cuerno 4' a partir de una pieza de metal, o pueden soldarse al cuerno. Además, en relación con la primera realización presentada, pueden mecanizarse las palas 5 y el reforzador 3' a partir de una pieza de metal, o pueden soldarse al reforzador 3'.
Alternativamente, se realiza una junta de ranura 20 en la punta del cuerno en la que se inserta una viga y se fija mediante un perno 18 y una tuerca 19, dando así como resultado una configuración de dos palas (figura 11A). Se muestra otra configuración en la que se acoplan las palas al cuerno mediante juntas de ranura 20' mecanizadas en los rebordes del cuerno y fijadas mediante pernos 18' y tuercas
19' en la figura 11B. Las configuración de unión pala/cuerno mostradas en la figura 11A y la figura 11B permiten el uso de palas intercambiables. Además, en relación con la primera realización presentada, se acoplan las palas 5' al reforzador 3' mediante al menos una junta de ranura mecanizada en la punta del reforzador. Pueden adoptarse otras configuraciones de unión sin apartarse del espíritu de la invención.
También puede obtenerse el movimiento de torsión del cuerno a través de la incorporación de un reforzador con secciones transversales inhomogéneas acopladas mecánicamente a un transductor electroacústico longitudinal convencional. Esta idea de convertir movimiento longitudinal puro en vibración longitudinal-de torsión (L-T) por medio de las modificaciones geométricas oportunas de varillas resonantes se describe en el libro "Sources of High-intensity Ultrasound", Volumen 2, escrito por A. M. Mitskevich y editado por Rozenberg en 1969. Mitskevich mejoró la soldadura ultrasónica que aprovecha el movimiento L-T obtenido en el extremo de trabajo de un sistema de varilla activado por un transductor electroacústico longitudinal en virtud de una determinada inhomogeneidad en la sección transversal de la varilla.
Así, una realización adicional de la presente invención, ilustrada en la figura 12, usa la idea de Mitskevich de introducir una inhomogeneidad geométrica en un elemento de transmisión para producir el movimiento L-T en la punta del cuerno a la que se conectan palas de flexión 5. Las secciones transversales inhomogéneas necesarias para producir el movimiento L-T pueden lograrse de diversas maneras, por ejemplo por medio de una configuración en espiral helicoidal, o mediante la incorporación de rendijas diagonales en el reforzador y/o partes del cuerno. En una realización particular adicional, no mostrada en las figuras, el reforzador inhomogéneo es una varilla de sección decreciente en espiral, o una varilla de sección decreciente con varias rendijas diagonales. Se usa el movimiento L-T obtenido para excitar las palas de flexión unidas. Haciendo referencia a la figura 12, un transductor electroacústico convencional 1 produce en respuesta a la aplicación del campo eléctrico alterno procedente del generador ultrasónico 2' un movimiento longitudinal que se amplifica mediante el reforzador 3' unido. Entonces se convierte el movimiento longitudinal puro 15 en la vibración longitudinal-de torsión en el extremo distal 16 del cuerno L-T 17. El cuerno L-T 17 incorporaba una parte inhomogénea para producir una componente de torsión del movimiento comparable a la componente longitudinal. Ventajosamente, tal inhomogeneidad consiste en la inserción de rendijas diagonales 13 en el cuerno 17. El uso de una configuración en espiral helicoidal, o de perfil similar a un taladro del cuerno también daría como resultado un movimiento compuesto L-T en la punta.
La razón de la magnitud de la vibración longitudinal-de torsión 16 con respecto a la vibración longitudinal 15 depende de la cantidad de inhomogeneidad dentro del cuerno, específicamente la componente de torsión del movimiento aumenta con la profundidad de rendija, el tamaño, el número, el ángulo de desviación a, así como de las proximidades de frecuencias modales de torsión y longitudinales. Se muestra el ángulo de desviación α entre una rendija y el eje longitudinal del dispositivo ultrasónico en la figura 12A. Para α menor que 45^, la componente de torsión del movimiento es menor que la componente longitudinal. Asimismo, para α mayor que 45^, la componente de torsión del movimiento es mayor que la componente longitudinal.
El movimiento de torsión disponible en la punta del cuerno puede usarse para excitar las palas 5 unidas en un armónico modal de flexión. Además en esta realización, el movimiento vibratorio de flexión de las palas sintonizadas 5 puede combinarse con la rotación accionada por el motor 10 para potenciar el rendimiento de mezclado. La rotación se transfiere al sistema ultrasónico a través del árbol 11. El árbol 11 puede acoplarse al transductor 1' en una sección nodal longitudinal de modo que se evite la supresión de la vibración ultrasónica a la vez que se transfiere rotación accionada por motor al dispositivo sintonizado. Además en esta realización, pueden adoptarse diferentes configuraciones de unión de las palas sintonizadas 5 al cuerno 17. Ventajosamente, se mecanizan las palas 5 y el cuerno 17 a partir de una pieza de metal, o pueden soldarse al cuerno; alternativamente, pueden usarse juntas de ranura para fijar las palas en el cuerno tal como se muestra en la figura 11A y 11B.
En determinadas aplicaciones de mezclado, pueden montarse las palas en diagonal respecto al eje del sistema en una configuración de turbina de palas inclinadas. Esta opción se ilustra en la figura 13. En este caso, se usan ambas componentes de vibración de torsión y longitudinal para excitar las palas sintonizadas 5' en un modo de flexión. Específicamente, la razón requerida de estas componentes de vibración depende del ángulo de montaje establecido de las palas así como de la inhomogeneidad geométrica del cuerno.
En una realización adicional, en combinación con el movimiento vibratorio de flexión de las palas sintonizadas 5, 5' de las realizaciones anteriores, se aplica una rotación accionada por el motor 10 del sistema ultrasónico para potenciar el rendimiento de mezclado.
En cualquiera de las realizaciones descritas, una configuración equivalente al transductor electroacústico y el reforzador conectado a tal transductor electroacústico sería una configuración con sólo un transductor electroacústico que puede producir suficiente movimiento oscilatorio de torsión para excitar por flexión al menos una pala acoplada a su extremo distal, creando así cavitación en el líquido o medio multifásico contenido en el reactor.
Son posibles muchas variaciones en el diseño de los dispositivos ultrasónicos de modo compuesto de torsión-flexión y longitudinal-de torsión-flexión en el presente documento, incluyendo cambios en los materiales componentes y las geometrías, todas conocidas por los expertos en la técnica. Tales variaciones pueden realizarse sin apartarse del alcance o espíritu de la invención.
En la configuración de sistema descrita en el presente documento, todos los componentes metálicos se fabricaron de aleación de titanio Ti 6AI 4V. Componentes metálicos alternativos para la fabricación de componentes incluyen aleación de aluminio, acero inoxidable, berilio cobre y latón.

Claims

REIVINDICACIONES
Sistema ultrasónico para el procesamiento de líquidos y medios multifásicos, que comprende: i) una fuente de campo eléctrico alterno 2',
ii) un transductor electroacústico 1' conectado a la fuente de campo eléctrico alterno 2';
iii) un reforzador 3' conectado al transductor electroacústico 1' con una sección transversal distal al transductor electroacústico 1' menor que una sección transversal proximal al transductor electroacústico 1'; y
iv) al menos una pala sintonizada 5, 5' acoplada al reforzador 3', en el que la al menos una pala 5, 5' acopla vibraciones de flexión al líquido o medios multifásicos.
Sistema ultrasónico según la reivindicación 1, que comprende además un cuerno 4', 17 que tiene una punta, acoplándose el cuerno 4', 17 al extremo distal del reforzador 3' y acoplándose la punta del reforzador 3' a la al menos una pala 5, 5'.
Sistema ultrasónico según la reivindicación 1 ó 2, en el que el transductor electroacústico 1' comprende elementos piezoeléctricos 8' polarizados en la dirección circunferencial 9', que producen un movimiento vibratorio de torsión del transductor electroacústico 1' en respuesta al campo eléctrico alterno aplicado.
Sistema ultrasónico según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque, el transductor electroacústico 1' comprende elementos piezoeléctricos 8" polarizados en la dirección del grosor 9", que producen un movimiento longitudinal en respuesta al campo eléctrico alterno aplicado, y el reforzador 3' es un reforzador inhomogéneo que transforma movimiento longitudinal en oscilación de torsión, en el que el transductor electroacústico 1' está acoplado al reforzador inhomogéneo, logrando un movimiento vibratorio de torsión o longitudinal-de torsión compuesto.
Sistema ultrasónico según la reivindicación 2, caracterizado porque el transductor electroacústico 1' comprende elementos piezoeléctricos 8" polarizados en la dirección del grosor 9", y forma un subconjunto con el reforzador 3', produciendo el subconjunto un movimiento longitudinal en respuesta al campo eléctrico alterno aplicado, en el que el subconjunto está acoplado a un cuerno inhomogéneo 4', 17 que transforma el movimiento longitudinal en movimiento vibratorio de torsión o longitudinal-de torsión compuesto.
Sistema ultrasónico según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el transductor electroacústico 1' comprende elementos magnetoestrictivos que producen un movimiento longitudinal en respuesta a un campo magnético inducido por el campo eléctrico alterno, en el que el transductor electroacústico 1' está acoplado a un reforzador inhomogéneo que transforma movimiento longitudinal en movimiento vibratorio de torsión o longitudinal-de torsión compuesto.
Sistema ultrasónico según la reivindicación 2, caracterizado porque el transductor electroacústico 1' comprende elementos magnetoestrictivos, y forma un subconjunto con el reforzador 3', produciendo el subconjunto un movimiento longitudinal en respuesta a un campo magnético inducido por el campo eléctrico alterno, en el que el subconjunto está acoplado a un cuerno inhomogéneo 4', 17 que transforma movimiento longitudinal en un movimiento vibratorio de torsión o longitudinal-de torsión compuesto. Sistema ultrasónico según la reivindicación 4 ó 6, caracterizado porque el reforzador inhomogéneo es una varilla de sección decreciente en espiral, o una varilla de sección decreciente con varias rendijas diagonales.
Sistema ultrasónico según la reivindicación 5 ó 7, caracterizado porque el cuerno inhomogéneo es una barra torcida, una varilla en espiral, o una varilla con varias rendijas diagonales.
Sistema ultrasónico según la reivindicación 2, en el que el cuerno 4', 17, tiene varias semilongitudes de onda de longitud para que una pluralidad de palas sintonizadas 5 puedan conectarse entre sí en los antinodos del cuerno.
Sistema ultrasónico según la reivindicación 1 ó 2, en el que la al menos una pala se comporta como viga en voladizo cuya longitud sintonizada es igual a múltiplos de número entero de la semilongitud de onda de flexión.
Sistema ultrasónico según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 11, en el que las palas y el cuerno están mecanizados a partir de una pieza de metal, o según la reivindicación 1, en el que las palas y el reforzador están mecanizados a partir de una pieza de metal.
Sistema ultrasónico según la reivindicación 2, en el que la al menos una pala se suelda al cuerno, o según la reivindicación 1, en el que la al menos una pala está soldada al reforzador.
Sistema ultrasónico según la reivindicación 2, en el que la al menos una pala está acoplada al cuerno mediante al menos una junta de ranura mecanizada en la punta del cuerno, o según la reivindicación 1, en el que la al menos una pala está acoplada al reforzador mediante al menos una junta de ranura mecanizada en la punta del reforzador.
Sistema ultrasónico según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 14, que comprende además un motor 10 acoplado al transductor ultrasónico 1' que hace rotar el transductor ultrasónico 1' junto con el reforzador 3, el cuerno 4', 17 y la al menos una pala de flexión 5, 5', o según la reivindicación 1, que comprende además un motor 10 acoplado al transductor ultrasónico 1' que hace rotar el transductor ultrasónico 1' junto con el reforzador 3, y la al menos una pala de flexión 5, 5'.
16. Sistema ultrasónico según la reivindicación 2, en el que la al menos una pala 5, 5' está montada en diagonal respecto al eje del cuerno, por tanto ha de excitarse en un modo de flexión a través del movimiento longitudinal-de torsión producido en la punta del cuerno.
17. Método para el procesamiento ultrasónico de líquido y medios multifásicos contenidos en un reactor 7 que comprende las etapas de: i) proporcionar un sistema ultrasónico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15,
ii) ubicar la al menos una pala 5, 5' del sistema en el reactor 7, y iii) activar el sistema ultrasónico aplicando un campo eléctrico alterno al transductor electroacústico 1'.
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