ES2342292T3 - Dispositivo de tratamiento de fluidos. - Google Patents

Abstract

Dispositivo de tratamiento de fluido, que comprende - una carcasa (1) para recibir un flujo de fluido, comprendiendo esta carcasa (1) una entrada de fluido (2) y una salida de fluido (3); - al menos una construcción (4) modular con al menos dos fuentes UV (10, 20, 30) dispuestas entre la entrada de fluido (2) mencionada y la salida de fluido (3) mencionada, estando dispuestas estas al menos dos fuentes de UV (10, 20, 30) mencionadas sustancialmente paralelas entre sí y perpendiculares a una dirección (A) de flujo de fluido desde la entrada del fluido (2) a la salida del fluido (3); y - un deflector inferior (50) y un deflector superior (40), estando colocados estos deflectores (40, 50) aguas arriba respecto a las fuentes de UV (10, 20, 30) y formando un ángulo respecto de las fuentes de UV (10, 20, 30), en el que el deflector inferior (50) mencionado es más largo que el deflector superior (40) mencionado y en el que los deflectores mencionados (40, 50) están dispuestos en un ángulo entre 20 grados y 90 grados respecto a la pared superior e inferior del reactor UV.

Description

Dispositivo de tratamiento de fluidos.

Campo técnico de la invención

La presente invención se refiere a un aparato para el tratamiento de fluidos con luz ultravioleta ("UV"), y en particular proporciona un aparato que distribuye una dosis UV por igual para conseguir una mayor efectividad en el tratamiento.

Antecedentes de la invención

El uso de radiación UV para matar microorganismos en el aire o en sistemas fluidos es bien conocido. Habitualmente, este tipo de sistemas comprenden reactores UV que tienen filas de lámparas UV. Se conoce el hecho de mover filas sucesivas de manera que el fluido pase a través de los espacios entre las lámparas en la primera fila y entre en contacto con las lámparas en la segunda fila. Una patente de Wedekamp, patente de los EEUU nº 5.200.156 ("Wedekamp"), da a conocer un sistema de este tipo. El interés principal preocupación dado a conocer en Wedekamp era el desplazamiento de las lámparas de manera que la luz pueda pasar sin ser obstruida corriente arriba y corriente abajo.

El documento US-A-5 208 461 da a conocer un sistema de desinfección de agua residual en el que el agua residual fluye a través de una cámara de tratamiento que tiene un extremo de entrada y un extremo de salida. El sistema contiene una serie de lámparas ultravioletas tubulares paralelas entre sí, y dispuestas en un ángulo agudo respecto a los flujos de agua residual. Las lámparas ultravioleta también sirven como deflectores de control de flujo direccionando el flujo de agua residual.

El documento US 2002/033369 A1 da a conocer una disposición de deflectores con deflectores anulares alrededor de una única lámpara con una separación alrededor de la misma.

Sin embargo, el sistema dado a conocer en Wedekamp y otros sistemas UV tradicionales no han conseguido proporcionar un aparato que sea capaz de distribuir por igual la dosis UV a lo largo del sistema, y que sea capaz, según esto, de conseguir una uniformidad en la dosis. El fallo de estos sistemas tradicionales tiene que ver con un fenómeno que ha sido ignorado hasta el día de hoy. El fenómeno es que las lámparas UV que se usan para tratar fluidos emiten menos UV en la dirección hacia abajo que en la dirección hacia arriba. Esto es particularmente relevante con grandes lámparas de arco de mercurio de media presión. Así pues, en los sistemas tradicionales en los que las fuentes de luz UV están dispuestas una junto a otra y en ocasiones en filas desplazadas podría haber áreas en el reactor donde la dosis fuera pequeña. Esto es así, especialmente, en el área situada por debajo de las lámparas en la que, tal y como se ha descrito anteriormente, la salida de la lámpara está reducida, contribuyendo con ello a una dosis baja en esta zona, y con ello a una distribución de dosis amplia. Así pues, un sistema tradicional puede proporcionar a parte del fluido una dosis baja de UV, y a parte del fluido una dosis alta. Idealmente, los sistemas y los procedimientos de tratamiento UV deberían proporcionar una distribución de dosis estrecha.

Así pues, sería deseable eliminar el efecto indeseable de una distribución de dosis no uniforme. Adicionalmente, sería deseable incrementar la uniformidad en la distribución de la dosis haciendo que una mayor parte del fluido fluyera al área de tratamiento.

Otro problema al diseñar reactores UV para el tratamiento de fluidos es que en un sistema instalado, la calidad de fluido y el caudal pueden variar de un sistema a otro, y de un momento a otro. Así pues, existe una necesidad de componentes modulares que puedan ser incorporados a un reactor en cualquier número para tener en cuenta este tipo de variaciones.

Resumen y Objetivo de la invención

El problema se resuelve con un dispositivo de tratamiento de fluidos que tiene las características según la reivindicación 1. Las realizaciones preferidas son el objeto de las reivindicaciones dependientes.

La presente invención es un dispositivo de tratamiento de fluidos que, por primera vez, tiene en cuenta el fenómeno descrito anteriormente en el que las fuentes UV emiten menos luz UV en la dirección hacia abajo que en la dirección hacia arriba. El sistema de la invención comprende una carcasa para recibir un flujo de fluido. La invención usa por primera vez una construcción modular de lámparas UV. La construcción modular comprende al menos dos fuentes UV sustancialmente paralelas entre sí y perpendiculares al flujo mencionado. En una realización, una de las fuentes UV está dispuesta en un plano por debajo del resto de lámparas de este tipo, y está adaptada para ser operada con una mayor potencia que todas las demás lámparas de este tipo. La disposición según la invención está combinada con una disposición de deflectores, en la que los deflectores están colocados de tal manera que dirigen el flujo de fluido al área de tratamiento.

En este sentido, la invención consigue sus objetivos. La invención está provista de una disposición de luz UV en la que la lámpara inferior se opera con una potencia mayor para proporcionar una dosis uniforme de luz UV emitida a través de la sección transversal del reactor, consiguiendo con ello una distribución uniforme de la dosis.

Se proporciona una disposición de deflectores que ocasiona que el fluido fluya cerca de las fuentes UV, incrementando con ello la efectividad de la dosis.

Adicionalmente se proporciona una geometría de disposición de deflectores que incrementa la uniformidad en la distribución de la dosis causando que el fluido fluya hacia un área tratada uniformemente por las fuentes UV ajustando las dimensiones de los deflectores inferiores.

Adicionalmente, las zonas de tratamiento de fluidos se proporcionan en módulos que se pueden incorporar al reactor en cualquier número suficiente para conseguir la dosis requerida. Por ejemplo, para un flujo dado, si la calidad del agua es baja (bajo porcentaje de transmitancia en un reactor UV), entonces se pueden incluir más módulos para conseguir la dosis de tratamiento requerida. Adicionalmente, para un reactor dado, durante la operación, si el caudal a través el reactor es bajo o la calidad del agua es alta, no todos los módulos necesitan estar en funcionamiento, reduciendo con ello el coste de funcionamiento del reactor. Este elevado grado de "apagado" en el reactor es atractivo tanto en términos de dimensionamiento del reactor para una aplicación dada como en la operación del reactor para reducir el coste operativo.

Adicionalmente, se proporcionan módulos de montaje que están adaptados sustancialmente a un juego de lámparas y deflectores correspondientes, de manera que pueden ser operados independientemente de otros módulos, y que son tales que se puede operara cualquier número y posición de los módulos en combinación para conseguir la dosis requerida.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es una vista isométrica del reactor que incorpora el sistema según la invención.

La Figura 2 es una vista lateral del reactor.

La Figura 3 es una vista de la sección transversal del reactor.

La Figura 4 es una representación esquemática de la distribución de UV en el reactor.

La Figura 5 es una representación esquemática del flujo de fluido en el reactor.

La Figura 6 es un gráfico que muestra la eficiencia frente a la profundidad de los deflectores.

La Figura 7 muestra la relación entre la potencia de la fuente de UV más inferior y el resto de fuentes UV según la presente invención.

La Figura 8 es una representación esquemática de cómo la invención reivindicada consigue una distribución de dosis uniforme a la luz del nuevo fenómeno descubierto que se da a conocer aquí.

La Figura 9 es un gráfico que muestra los efectos de convección térmica por encima y por debajo de las fuentes UV de la presente invención.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas

La Figura 1 muestra un dispositivo de tratamiento de fluidos según la presente invención. El dispositivo de tratamiento de fluidos comprende una carcasa 1 que recibe un flujo de fluido. La dirección del flujo está indicada por la flecha A. La carcasa comprende una entrada de fluido 2 por la que fluye el fluido y una salida de fluido 3 de la que sale el fluido tratado. Entre la entrada de fluido 2 y la salida de fluido 3 está dispuesta al menos una construcción modular de al menos dos fuentes UV 10, 20 y 30.

En la Figura 3, la construcción modular 4 de fuentes UV 10, 20 y 30 comprende al menos dos fuentes UV, y en la realización preferida contiene tres fuentes UV. Las fuentes UV 10, 20 y 30 en la construcción son preferentemente lámparas UV de media presión. Cada lámpara está contenida dentro de un manguito de cuarzo 12, 22 y 32, que están representados en la Figura 3 como si sólo estuvieran en la construcción modular central, pero que preferentemente están alrededor de cada lámpara. En una realización preferida, dos lámparas o fuentes UV 10 y 30 están dispuestas más cerca de la entrada 2 (entrada mostrada en la Figura 1) que la tercera lámpara 20. Las fuentes UV 10 y 30 están separadas en el reactor lo suficientemente lejos entre sí para que la velocidad del fluido entre ellas no sea lo suficientemente elevada para conseguir una caída de presión excesiva en el reactor, pero suficientemente cerca como para que la fluencia de UV no sea demasiado baja para conseguir la dosis adecuada en el fluido en el punto más alejado de las lámparas. La tercera lámpara 20 está dispuesta en una posición corriente abajo de las primeras dos lámparas, 10 y 30, típicamente a una distancia de las dos primeras lámparas, 10 y 30 que está entre 0,25 y 2 veces el espaciado de lámparas entre las dos primeras lámparas 10 y 30. El posicionamiento de la tercera lámpara 20 corriente abajo respecto a las primeras dos, 10 y 30, permite que el fluido fluya sin obstáculos entre las dos primeras, 10 y 30, pero no tanto como para permitir que el fluido que pasa más alejado de las lámparas se aleje de la tercera lámpara 20, lo que ocasionaría que el fluido no recibiera una dosis suficiente. Debido a ello, el ángulo desde la línea vertical entre las dos primeras lámparas 10 y 30 hasta la tercera lámpara 20 puede ir aproximadamente de 45 grados a 76 grados. Estos ángulos y distancias en los que las lámparas y los manguitos están dispuestos entre sí es la geometría de la
lámpara.

Cada construcción modular tiene asociada un juego de dos deflectores. La disposición preferida de los deflectores 40 y 50 está representada en las Figuras 3 y 5. La geometría de la lámpara y los deflectores actúan como un mecanismo de deflexión para direccionar el flujo de fluido para incrementar la uniformidad en la distribución de la dosis causando que fluido fluya a un área donde recibirá tratamiento uniforme. Esto se consigue porque la geometría y la dimensión de los deflectores se adaptan para direccionar una cantidad suficiente de fluido entre las lámparas 10 y 30 y para evitar que demasiada agua pase por encima de la lámpara 10 o por debajo de la lámpara 30. Típicamente, la lámpara dispuesta más cercana a la parte superior de la carcasa 10 refleja la mitad de su luz UV hacia abajo hacia la zona central entre las lámparas 10 y 30. La lámpara inferior refleja la mitad de su luz hacia arriba a la zona central. Y la tercera lámpara 20 refleja toda su luz hacia la zona central. De esta manera, tal y como se representa en la Figura 4, dos tercios de la luz UV está concentrada en la zona central. Debido a este fenómeno, los deflectores están dispuesto de tal manera que dos tercios del líquido se dirige a esta zona central. Puesto que el flujo del líquido es aproximadamente proporcional al área que se permite para él, el deflector está dimensionado de tal manera que el área para el flujo está aproximadamente un sexto por encima de la lámpara superior 10, dos tercios entre las lámparas frontales 10 y 30 y un sexto por debajo de las lámparas inferiores 30, tal y como se muestra en la Figura 5.

En un reactor UV, la altura del deflector se ajusta a partir de esta dimensión aproximada como un resultado del modelado por ordenador o testando el reactor con diferentes alturas de deflector y encontrando con ello una altura de deflector óptima que produce la mejor distribución de dosis sin producir una velocidad demasiado elevada, y con ello, una caída de presión a lo largo del reactor. Adicionalmente, los deflectores están colocados corriente arriba respecto a las lámparas frontales, y forman un ángulo respecto de las lámparas. El ángulo de los deflectores ayuda a reducir la caída de presión a lo largo del reactor sin afectar la distribución de dosis de modo significativo. Apuntar el deflector directamente a la lámpara ayuda a reducir la "sombra" en áreas del reactor por detrás del deflector. Aunque los deflectores en las Figuras 3 y 5 muestran el deflector con un ángulo de 45 grados y apuntan directamente a la lámpara, esto no es necesario. Los ángulos de deflexión de 90 grados a 20 grados proporcionan una distribución de dosis similar, pero proporcionan una caída de presión menor. 45 grados se muestra como una realización preferida de la presente invención, proporcionando una caída de presión reducida sin ocupar espacio excesivo longitudinalmente en el reactor.

Los deflectores pueden estar formando cualquier ángulo con la pared, resultando un ángulo menor en menor caída de presión y resultando un ángulo mayor en una menor longitud de la tubería necesaria para acomodar al deflector. Los deflectores están dispuestos aguas arriba respecto a la primera pareja de lámparas para garantizar que el agua se desvía a la zona de alta irradiación alrededor de la lámpara.

El grado en el que el deflector penetra en el reactor y desvía el flujo desde las regiones por encima y por debajo de las lámparas a la zona entre las lámparas ha sido determinado por medio de un modelado computerizado del reactor usando una combinación de Dinámica de Fluidos Computacional (DFC) y Modelado de Distribución de Irradiancia. La eficiencia de una configuración se define como el ratio entre la dosis a la que está sujeto un organismo indicador respecto a la dosis teórica que se alcanzaría en un reactor perfectamente mezclado. Esto se muestra en la Figura 6 conjuntamente con la caída de presión a lo largo del reactor. Como se esperaría, la caída de presión se incrementa cuando se incrementa la profundidad del deflector. Sin embargo, la eficiencia consigue un máximo y se reduce cuanto más agua se ve forzada entre las lámparas, desperdiciando parte de la luz UV por encima y por debajo de las
lámparas.

Al menos una de las lámparas 30 y su manguito respectivo está dispuesta en un plano por debajo del resto de lámparas 10 y 20 en la construcción. La lámpara 30 se opera con una potencia mayor que las otras lámparas. Esto se hace para hacer frente al fenómeno de que las lámparas UV emiten menos UV en la dirección hacia abajo que en la dirección hacia arriba. Al operar la lámpara inferior 30 a una potencia menor, el fluido en el extremo inferior de la carcasa recibirá la misma dosis que el fluido que está más cerca de las lámparas, proporcionando así una distribución uniforme de la dosis. El ratio de potencia entre la lámpara inferior y el resto de lámparas en cada banco varía dependiendo de la profundidad de la lámpara, el diámetro de la lámpara y la potencia de la lámpara. Para lámparas largas y potentes, el ratio puede ser hasta 1,2 cuando la lámpara está siendo operada a potencia máxima, y hasta 2,0 cuando la lámpara está siendo operada a potencia reducida (máximo apagado).

Esta relación entre la potencia de la lámpara inferior y el resto de lámparas se muestra en la Figura 7 en un sistema operativo en el que a las lámparas inferiores se les ha de suministrar aproximadamente 5kW más que a la lámpara superior para conseguir la misma irradiancia UV de la longitud de onda deseada. Los datos de campo de un reactor de prueba que muestra la relación entre irradiancia UV y potencia de la lámpara, lámparas 1-1, 2-1, 3-1, 1-3, 2-3 y 3-3 se ven con el sensor UV desde arriba. Las lámparas 1-2, 2-2 y 3-2 se ven desde abajo aproximadamente a la misma distancia desde la lámpara. Esto muestra que se necesita aproximadamente 5 kW más de potencia para alcanzar la misma irradiancia por debajo de la lámpara que por encima de la lámpara.

Este extra de potencia, que puede ser tanto como un 20% de la potencia total de la lámpara en el ejemplo anterior, varía dependiendo de la potencia de la lámpara, las dimensiones de la lámpara y el entorno de la lámpara. En lámparas de baja potencia, y correspondientemente más cortas es mucho menos pronunciado.

Para compensar por este fenómeno y conseguir una distribución de dosis uniforme en un reactor, la lámpara inferior puede funcionar a una potencia mayor que las lámparas superiores.

Esto está ilustrado en la Figura 8 en la que, por ejemplo, la operación de las dos lámparas superiores a 20 kW produce una irradiancia de 100 por encima y de 80 por abajo. La operación de la lámpara inferior a 25 kW produce una irradiación de 125 por encima y de 100 por abajo. Las partes más vulnerables del reactor son los puntos mas alejados de las lámparas donde la irradiancia es mínima, pero entre los deflectores donde la velocidad de flujo es elevada. En el ejemplo, la irradiancia combinada es 100 en el deflector superior, 90 entre la lámpara superior y la lámpara central, 102,5 entre la lámpara central y la lámpara inferior y 100 en el deflector inferior. Así, la distribución de irradiancia ha sido aplanada operando la lámpara inferior a una mayor potencia, mejorando con ello la eficiencia total del reactor. Esto se puede conseguir simplemente operando cada una de las lámparas para conseguir el valor de punto de ajuste UV (100 en este caso), y aplicando el sensor de irradiación UV de tal manera que las fuentes de UV superiores se ven desde arriba y las más inferiores se ven desde abajo.

También se ha encontrado, sorprendentemente, que debido a efectos de convección térmica alrededor y en el interior de la lámpara, el arco de plasma tiende a subir en la lámpara. Esto deja un área por debajo de la lámpara en la que el vapor de mercurio está presente, pero no hay plasma y, debido a esto, no hay emisión de luz UV. Este vapor de mercurio absorberá UV, en particular en la banda de longitud de onda alrededor de 254 nm donde la absorción de mercurio es más fuerte. La caída dramática en la UV deseada medida por un espectrorradiómetro entre 252 nm y 260 nm se muestra en la Figura 9, que implica la irradiancia Espectral medida por encima y por debajo de una lámpara, y muestra la reducción en la salida en la banda alrededor de 254 nm.

Este efecto también depende de las dimensiones y otros parámetros de diseño de la lámpara. Una lámpara más larga o una lámpara con un diámetro más largo mostrarán una caída más acentuada en la salida en esta región, como se ilustra. Una lámpara más corta o una lámpara más estrecha reducirán este efecto. Así pues, es importante elegir una lámpara para servicio en los reactores aquí descritos para minimizar este efecto. Para lámparas de gran potencia, sin embargo, no es posible eliminar el efecto completamente.

Un método alternativo de tratar con la irradiación inferior en la parte inferior del reactor como consecuencia de la menor salida por debajo de las lámparas que por encima es incrementar la longitud o alterar la posición del deflector 50 inferior (mostrado en Figuras 3 y 5) para reducir el flujo de fluido a esta zona de menor irradiación. Otra alternativa para operar la lámpara inferior con una mayor potencia es mover la lámpara inferior más cerca de la parte inferior del reactor a una distancia respecto a las otras lámparas de tal manera que se consiga una irradiación uniforme.

Claims (11)

1. Dispositivo de tratamiento de fluido, que comprende

- una carcasa (1) para recibir un flujo de fluido, comprendiendo esta carcasa (1) una entrada de fluido (2) y una salida de fluido (3);

- al menos una construcción (4) modular con al menos dos fuentes UV (10, 20, 30) dispuestas entre la entrada de fluido (2) mencionada y la salida de fluido (3) mencionada, estando dispuestas estas al menos dos fuentes de UV (10, 20, 30) mencionadas sustancialmente paralelas entre sí y perpendiculares a una dirección (A) de flujo de fluido desde la entrada del fluido (2) a la salida del fluido (3); y

- un deflector inferior (50) y un deflector superior (40), estando colocados estos deflectores (40, 50) aguas arriba respecto a las fuentes de UV (10, 20, 30) y formando un ángulo respecto de las fuentes de UV (10, 20, 30),

en el que el deflector inferior (50) mencionado es más largo que el deflector superior (40) mencionado y

en el que los deflectores mencionados (40, 50) están dispuestos en un ángulo entre 20 grados y 90 grados respecto a la pared superior e inferior del reactor UV.

2. Dispositivo de tratamiento de fluidos según la reivindicación 1, en el que la más inferior de las al menos dos fuentes de UV (30) mencionadas está posicionada relativamente más cerca de la parte inferior del dispositivo de tratamiento de fluidos mencionado de lo que lo está la más superior de las al menos dos fuentes de UV (20) mencionadas respecto a la parte superior de este dispositivo de tratamiento de fluidos.

3. Dispositivo de tratamiento de fluidos según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que al menos una de las al menos dos fuentes de UV (30) mencionadas está dispuesta en un plano por debajo de dichas otras fuentes de UV (10, 20), y se puede operar con un nivel de potencia mayor que el resto de fuentes de UV (10, 20).

4. Dispositivo de tratamiento de fluidos según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la construcción modular (4) mencionada está asociada con el mencionado juego de dos deflectores (40, 50), que se pueden operar para dirigir un flujo de fluido a un área en el reactor de manera que este fluido mencionado recibirá una cantidad de irradiación UV sustancialmente igual de las fuentes UV (10, 20, 30) mencionadas.

5. Dispositivo de tratamiento de fluidos según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que cada al menos una construcción (4) modular se puede operar de modo independiente de cada al menos una construcción modular restante.

6. Dispositivo de tratamiento de fluidos según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que una tercera fuente de UV (20) está posicionada aguas abajo desde un punto central en una línea vertical entre las al menos dos fuentes de UV (10, 30) mencionadas a una distancia entre 0,25 y 2 veces la distancia entre las dos otras fuentes de UV (10, 30) mencionadas.

7. Dispositivo de tratamiento de fluidos según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que tres fuentes de UV están posicionadas en un plano vertical seguidas por una cuarta fuente de UV posicionada aguas abajo desde un punto central en la línea vertical entre una fuente superior y una fuente central de las tres fuentes de UV, y una quinta fuente de UV está posicionada aguas abajo desde un punto central en una línea vertical entre la central y la inferior de estas tres fuentes de UV, estando dispuestas la cuarta y la quinta fuente de UV mencionadas a una distancia entre 0,25 y 2 veces la distancia las fuentes superiores y centrales mencionadas y las fuentes de UV centrales e inferiores mencionadas.

8. Dispositivo de tratamiento de fluidos según la reivindicación 6, en el que los deflectores (40, 50) mencionados están adaptados para direccionar el flujo de fluido mencionado de tal manera que aproximadamente 1/6 del fluido mencionado fluye por encima de una fuente UV superior (10), aproximadamente 1/6 del dicho fluido fluye por debajo de una fuente UV inferior (30), y aproximadamente 2/3 de dicho fluido fluye entre la mencionada fuente UV superior y la fuente UV inferior (10, 30).

9. Dispositivo de tratamiento de fluidos según las reivindicaciones 1 a 5, que tiene dos fuentes UV (10, 30) mencionadas, en cada al menos una construcción modular (4), en el que los deflectores (40, 50) mencionados están adaptados para direccionar el flujo de fluido mencionado de tal manera que aproximadamente ¼ del fluido mencionado fluye por encima de una fuente UV superior (10), ¼ del fluido mencionado fluye por debajo de una fuente UV inferior (30), y ½ del fluido mencionado fluye entre las fuentes UV (10, 30) mencionadas superior e inferior.

10. Dispositivo de tratamiento de fluidos según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la relación entre la potencia de la fuente de UV inferior (30) y las otras fuentes de UV (10, 20) está adaptada para operar entre 1,0 y 2,0.

11. Dispositivo de tratamiento de fluidos según la reivindicación 3, en el que se aplican sensores de irradiancia de UV de manera que las fuentes de UV superiores se ven desde arriba y las fuentes de UV más inferiores se ven desde abajo.