ES2363973T3 - Procedimiento y equipo para mezclar fluidos. - Google Patents

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ES2363973T3 ES04775020T ES04775020T ES2363973T3 ES 2363973 T3 ES2363973 T3 ES 2363973T3 ES 04775020 T ES04775020 T ES 04775020T ES 04775020 T ES04775020 T ES 04775020T ES 2363973 T3 ES2363973 T3 ES 2363973T3
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Abstract

Procedimiento para disolver un gas o una mezcla de gas en un líquido, en el que el líquido y el gas se introducen en una cámara (6) a través de una entrada (2), en conexión con lo cual se crea un movimiento de vórtice en la cámara para mezclar el gas y el líquido, y en el que el gas se introduce en el líquido antes de que el líquido se introduzca en la cámara, tras lo cual el líquido con el gas disuelto puede retirarse a través de una salida (4), introduciendo el líquido y el gas en la cámara (6) tangencialmente creando un vórtice que gira alrededor de un eje principalmente horizontal en una cámara principalmente cilíndrica, que es cilíndrica alrededor del eje principalmente horizontal y está conformada, de tal manera que se evite una pérdida de presión esencial en la cámara, siendo la presión del líquido de 0,3 a 1 bar, siendo suministrado el líquido con el gas disuelto a un tanque desde la salida (4) dispuesta tangencialmente a la cámara (6) a través de unas tuberías (7, 8) y unas toberas (10) sumergidas en el fluido del tanque, liberando la presión.

Description

La presente invención se refiere a un procedimiento y a un equipo para disolver gas en un líquido. En particular, la presente invención se refiere a la disolución de un gas en agua dulce y/o agua salada, en la que el gas, por ejemplo, puede estar constituido por oxígeno o dióxido de carbono.
Dichos procedimientos y aparatos son conocidos por los documentos JP-A-2002 059186 y EP-A-1 112 773.
La presente invención puede utilizarse para enriquecer agua con oxígeno y puede utilizarse así para la cría de peces u otros seres que vivan en el agua.
La patente US nº 4.834.343 describe un procedimiento para crear contacto entre un gas y un líquido. El gas y el líquido se mezclan en una tubería antes de ser hechos pasar a la parte superior de una cámara de vórtice y presionados tangencialmente hacia dentro de la misma. En la cámara de vórtice, la mezcla se somete a un movimiento giratorio alrededor de un eje vertical al mismo tiempo que se establece otro flujo giratorio a lo largo del mismo eje. La componente descendente del flujo se refuerza adicionalmente por el hecho de que es posible que se introduzca líquido axialmente en la parte superior de la cámara. En conexión con los flujos que tienen lugar, se producen fuerzas de cizalladura y flujo turbulento. Estos están destinados a hacer que se reduzca el tamaño de las burbujas de gas en la mezcla. Con el fin de conseguir resultados satisfactorios, debe suministrarse líquido a la cámara de forma axial, ya que, de otra forma, las burbujas pueden transportarse hacia un área central del vórtice de tal modo que se forme un área inactiva en el centro del vórtice, con una pequeña transferencia de masa como resultado.
Otros inconvenientes relacionados con las soluciones de la técnica anterior para la disolución de un gas en un líquido son que se basan en cambios de dirección y en transiciones de sección transversal para el líquido fluyente, que implicarán pérdida de presión y la utilización de bombas adicionales o reforzadoras de presión para mantener la presión/caudal volumétrico deseados, lo que a su vez entrañará costes incrementados.
Un aparato y un procedimiento para disolver gas en un líquido, en el que se produce un cambio en la dirección del flujo, se describe en la solicitud de patente internacional WO8101700. El aparato tiene una tubería de entrada para comunicación de líquido con la parte superior de una cámara vertical generalmente cilíndrica que comunica con una cámara principal cilíndrica horizontal. Se suministran gas y líquido a la cámara vertical, en donde tiene lugar la mezcla. En la cámara principal no hay rotación, sólo flujo lineal. El gas no disuelto es recogido en una cámara para recirculación. La utilización de una tobera venturi en la entrada hace necesario el uso de una bomba en conexión con el aparato.
En la patente US nº 6.382.601, se describe un generador de burbujas finas por arremolinamiento con forma cónica o similar a una botella, en donde se añaden agua y gas por separado. El agua es suministrada tangencialmente y bajo presión. Es necesaria una bomba. Se forma un remolino a lo largo del eje central y las microburbujas se forman en la salida. Es necesario utilizar una presión tan alta que las burbujas no entren en coalescencia. El estrechamiento hacia abajo del aparato lleva a una gran pérdida de presión que hace necesario utilizar una presión de agua mucho más alta. Todo el aparato o por lo menos la salida del aparato deben sumergirse en líquido.
El objetivo de la invención es obtener un procedimiento y un equipo simples y robustos para disolver gas en un líquido. Otro objetivo es poder utilizar una fuente de agua a baja presión sin necesidad de una bomba.
Este y otros objetivos de la invención se obtienen con el procedimiento según la reivindicación 1 y el equipo según la reivindicación 6. Otras formas de realización de la invención se definen en las reivindicaciones subordinadas.
Por lo tanto, la invención se refiere a un procedimiento y a un equipo para disolver un gas o una mezcla de gas en un líquido, introduciendo el líquido tangencialmente en una cámara creando un vórtice que gira alrededor de un eje principalmente horizontal. La cámara es principalmente cilíndrica y está conformada de tal manera que se evite una pérdida de presión esencial en la cámara. La entrada y la salida de la cámara deben tener tal dimensión que no provoquen pérdidas de presión significativas. El gas se introduce en el líquido antes de que el líquido se introduzca en la cámara. Se prefiere que el movimiento de vórtice sea tal que la mezcla tenga un movimiento helicoidal. La entrada de líquido es principalmente horizontal y la salida está dispuesta tangencialmente a la cámara. El líquido con gas disuelto es suministrado preferentemente a un tanque a través de unas tuberías y de unas toberas sumergidas en el fluido del tanque, en el que se libera la presión. El gas es preferentemente oxígeno o dióxido de carbono y el líquido es agua dulce y/o agua salda.
El aparato es horizontal y las microburbujas se generan en la entrada y en la primera parte del aparato cilíndrico. El resto del espacio es para transporte solamente. Se utiliza agua de baja presión y se mantiene la presión a través de todo el aparato.
La presente invención representa un procedimiento y un equipo simples y robustos para disolver gas en un líquido. De acuerdo con la presente invención, pueden obtenerse resultados satisfactorios para la disolución de gas en un líquido al mismo tiempo que el consumo de energía es mínimo. Además, la presente invención es simple de producir y requiere un mínimo de conexiones y equipo adicional para asegurar una disolución estable y efectiva de gas en líquido.
Los dibujos adjuntos, figuras 1 y 2, muestran un aparato que no se corresponde con la invención reivindicada, y en los que:
La figura 1A muestra una sección transversal a través del equipo en su entrada.
La figura 1B muestra una vista lateral del equipo.
La figura 1C muestra una vista en planta superior del equipo.
La figura 2 muestra el equipo conectado a un tanque de cría a través de una tubería de distribución de agua y una tubería de chorro adaptada.
La figura 1A muestra una sección transversal en su extremo de entrada del equipo 1. Como muestra esta figura, la sección transversal de la cámara es principalmente circular de modo que la superficie interna de la cámara será principalmente cilíndrica. Está prevista una entrada de líquido 2 para comunicación con una cámara alargada 6. La cámara está situada de modo que su eje sea principalmente horizontal. Una entrada de gas 3 está dispuesta en conexión con la entrada de líquido, que es también principalmente horizontal. Aguas arriba de estas entradas para gas y líquido, pueden estar previstos unos medios para control/regulación de la cantidad/presión de los fluidos entrantes (no representados).
La cámara 6 puede montarse también en un bastidor 5 (representado en las figuras 1B y C) que comprende placas, perfiles u otros materiales de construcción apropiados que aseguren su montaje estable. Como se indica anteriormente, la cámara 6 está diseñada como un cuerpo alargado en el que la entrada 2 está dispuesta tangencialmente al mismo.
En el extremo aguas abajo de la cámara 6 hay una salida 4, véanse las figuras 1 A-C. Como muestran las figuras, la salida se extiende aguas arriba y está en una posición tangencial en relación con la cámara 6.
En la figura 2, el equipo se muestra conectado a un tanque de cría a través de tuberías de distribución de agua 7 y una tubería de chorro adaptada 8, que utiliza agua de baja presión local existente. El agua tratada es suministrada al tanque 9 a través de una o más boquillas 11. Como se ilustra en esta figura, el equipo está colocado fuera del tanque de cría, lo cual ahorra un espacio valioso en el tanque y hace más fácil el servicio. Todo el suministro de agua al tanque de cría pasa a través del equipo para disolver gas en el agua. Tanto las tuberías de entrada como las de salida deberán tener una dimensión tal que se evite una pérdida de presión esencial.
Procedimiento de funcionamiento de la presente invención
La presente invención se basa en el principio de que el fluido entrante o la mezcla de fluido entrante (gas y líquido) establecen un movimiento de vórtice en la cámara 6. El movimiento de vórtice tiene lugar y es soportado en un intervalo relativamente amplio de parámetros de flujo relacionado con el fluido entrante. En ciertas condiciones para la sección transversal de la cámara y la sección transversal de la entrada, el caudal volumétrico del fluido entrante determinará generalmente el flujo que tiene lugar en la cámara.
Los ensayos han demostrado que un parámetro importante es el dimensionamiento de la tubería de entrada. La energía de entrada crea una zona turbulenta continua que consiste en un cilindro que ocupa toda la tubería principal en el primer tercio de su longitud y, seguidamente, un cono decreciente en el siguiente tercio, el cual se ilustra en las figuras. Éste gira a una velocidad más alta que el resto del agua y encuentra resistencia generada parcialmente por gas inyectado y parcialmente por fricción de deslizamiento contra el resto del agua.
En la zona de turbulencia, tienen lugar muchas fuerzas y mecanismos. Esta zona es donde se disuelve el gas y se generan microburbujas. En el último tercio, el agua gira a velocidad “normal” en relación con el diámetro y la cantidad de agua circulante pasante. Ésta es tan baja que no crea un cilindro de gas en el centro. Ésta pasa a ser una zona de transporte hacia la salida. La salida, a su vez, es un compromiso entre la pérdida de presión y una velocidad de flujo razonable para mantener las microburbujas hasta el tanque. El equipo de disolución es adecuado para su utilización a presión baja, tal como 0,3 a 1 bar.
Los ensayos han demostrado que, con un caudal volumétrico que sea demasiado bajo, el fluido fluirá hacia dentro del fluido de la cámara sin que se inicie un movimiento de vórtice dominante. Si se aumenta el caudal volumétrico, el fluido de la cámara comenzará gradualmente a girar y a asumir un movimiento de vórtice. Si el caudal volumétrico se incrementa aún más, el vórtice girará cada vez más rápido hasta que se cree un volumen de gas que esté localizado central y coaxialmente en la cámara. En los ensayos, el caudal volumétrico fuera de la cámara era equivalente al caudal volumétrico dentro de ésta. Como consecuencia de esto, se transportó fluido parcialmente en un movimiento de circulación alrededor del eje longitudinal de la cámara y parcialmente aguas abajo a lo largo de este eje. El fluido se transportará así principalmente a lo largo de una hélice. El tiempo de permanencia del fluido en la cámara estará determinado por el caudal volumétrico dentro/fuera de la cámara en cualquier momento y por las dimensiones de la cámara tales como el diámetro y la longitud.
Se ha demostrado que, adaptando el caudal volumétrico, las dimensiones de la cámara y las dimensiones de la entrada/salida, es posible conseguir una disolución muy satisfactoria de gas en líquido con una pérdida de presión limitada. Entre otras cosas, se han llevado a cabo ensayos sobre la disolución de oxígeno en agua con algún contenido de sal. Los resultados muestran que puede conseguirse una buena disolución de oxígeno con un bajo consumo de energía.
En particular, se ha comprobado que es posible conseguir una disolución satisfactoria creando un vórtice que discurra principalmente desde el extremo de entrada hasta el extremo de salida. Además, se ha demostrado que este vórtice es soportado en un intervalo relativamente amplio de parámetros determinantes del flujo, mientras que puede evitarse completa o parcialmente una bolsa de gas localizada central y coaxialmente.
Los diámetros de las tuberías de entrada, la cámara, las tuberías de salida, la tubería de chorro y las toberas deberán tener tal dimensión que se evite la coalescencia y que se evite una pérdida de presión demasiado alta. En las toberas, el flujo debe ser tan alto que se libere la presión y cualesquiera burbujas grandes se descompongan en microburbujas. Debe mantenerse una velocidad mínima en la salida de las toberas, de tal manera que las microburbujas se distribuyan entre 1 y 2 m horizontalmente.
En la entrada a la cámara, el caudal debe ser suficientemente elevado para crear la rotación necesaria, pero no tan alto que el resultado sea una pérdida de presión y una separación de gas/fluido. En la cámara, el caudal total debe ser suficientemente bajo para asegurar el tiempo de retención necesario, pero no tan bajo que el gas se separe en la parte superior de la cámara.
Los caudales típicos son los siguientes:
Entrada a la cámara: 2-3 m/s Cámara: aproximadamente 0,2 m/s en la dirección horizontal Tuberías de salida y tubería de chorro: 2-2,5 m/s Dentro de la tobera: 4-10 m/s (a presiones de 0,3-1 bar) Salida de la tobera: 1-1,5 m/s
Se supone que los fenómenos físicos que tienen lugar en conexión con la disolución de gas en líquido de acuerdo con la presente invención son el resultado del hecho de que el gas que se introduce con el líquido en la cámara en forma de burbujas, se moverá principalmente hacia arriba, debido a su flotabilidad en el líquido, en dirección a la superficie cilíndrica 11 de la cámara, casi inmediatamente después de entrar en la cámara. Puesto que el flujo se desvía continuamente debido a la curvatura de la superficie interna 11, tendrán lugar en el fluido fuerzas de cizalladura y fuerzas de compresión, que hacen que el líquido comprima las burbujas de gas y las divida en burbujas más pequeñas, creando así una mayor área de contacto entre el gas y el líquido.
Otro efecto es que, en la superficie límite entre la superficie interna 11 y el fluido, las burbujas que están allí situadas, tendrán un lado mirando a la superficie estacionaria 11 y un lado en el fluido fluyente. Esto provocará la creación de fuerzas de cizalladura que rompen las burbujas en burbujas más pequeñas. Esto corresponde a la teoría establecida en la mecánica de los fluidos de que tienen lugar fuerzas de cizalladura en la capa límite entre un flujo y una superficie de guía estacionaria debido a vectores de velocidad diferentes en esta capa.
Las burbujas que no se disuelven inmediatamente en el líquido tenderán, a lo largo de la trayectoria de flujo helicoidal, a elevarse verticalmente hacia arriba debido a que las burbujas de gas tienen mayor flotabilidad que el líquido circundante. Esto hace que las burbujas de gas no disueltas se eleven hacia la mitad superior de la superficie interna 11 y hacia la superficie límite o capa límite entre el flujo fluyente y la superficie estacionaria 11. Como se describe anteriormente, las burbujas que se producen allí se romperán/aplastarán en burbujas más pequeñas por la interacción entre el flujo fluyente y la superficie.
Derivado del principio anterior, la superficie 11 puede diseñarse oportunamente con una aspereza o una desviación más pequeña con respecto a una superficie lisa para reforzar su afinidad con las burbujas y mejorar aún más la conversión de burbujas grandes en burbujas más pequeñas.
La presente invención ha demostrado ser particularmente muy adecuada para disolver oxígeno en agua salada y tiene así una aplicación importante en conexión con la cría de seres que viven en agua salada, tales como peces de agua salada. La presente invención es particularmente muy adecuada para la cría en tierra de peces de agua salada en tanques de cría.
El equipo de disolución es particularmente muy adecuada para mezcla oxígeno con agua salada a baja presión, pero funciona también con dióxido de carbono en agua dulce (debido a que el CO2 es mucho más fácil de disolver en agua que el oxígeno).
5 Puede decirse que el equipo de disolución es una combinación de un equipo de disolución y un generador de microburbujas. Utiliza el hecho de que es relativamente fácil crear microburbujas o burbujas flotantes de oxígeno en agua salda (éstas adoptan una tensión superficial modificada debido a la sal). A diferencia de las burbujas “normales”, estas burbujas siguen el flujo del agua, sin elevarse ni fusionarse, tan pronto como la velocidad y la
10 longitud de transporte se ajusten correctamente.
La proporción de gas que constituye microburbujas está comprendida entre el 5% a baja carga y aproximadamente el 30% a pleno suministro de oxígeno. Estas microburbujas se transportan hasta el tanque de cría con una tubería de chorro adaptada y se disolverán en el agua infrasaturada del tanque.
15 Se perderá una cierta cantidad (hacia la superficie) en este proceso, lo cual tiene el efecto favorable de desprender gases no deseados tales como nitrógeno y dióxido de carbono, pero lo cual reduce, naturalmente, la eficiencia del oxígeno.
20 Los experimentos han demostrado que la utilización de oxígeno total de la presente invención es del 80 al 95% (dependiendo de la profundidad del tanque de cría y de la velocidad de rotación del agua del mismo).
En la tabla 1, se muestran resultados de experimentos llevados a cabo con agua salada y oxígeno en un tanque de cría. 25 Tabla 1
AGUA BRUTA
O2 DOSIFICADO O2 ANALIZADO
O2 mg/l
O2% sat. T[Cº] P[barg] Q[l/min] kg/h mg/l mg/l % sat. % ef.
9,48
81,7 9,7 0,3 460 0,322 11,7 20,5 178 94,0
9,80
88 11,4 0,3 410 0,322 13,1 20,2 181 79,4

Claims (9)

  1. REIVINDICACIONES
    1.
    Procedimiento para disolver un gas o una mezcla de gas en un líquido, en el que el líquido y el gas se introducen en una cámara (6) a través de una entrada (2), en conexión con lo cual se crea un movimiento de vórtice en la cámara para mezclar el gas y el líquido, y en el que el gas se introduce en el líquido antes de que el líquido se introduzca en la cámara, tras lo cual el líquido con el gas disuelto puede retirarse a través de una salida (4), introduciendo el líquido y el gas en la cámara (6) tangencialmente creando un vórtice que gira alrededor de un eje principalmente horizontal en una cámara principalmente cilíndrica, que es cilíndrica alrededor del eje principalmente horizontal y está conformada, de tal manera que se evite una pérdida de presión esencial en la cámara, siendo la presión del líquido de 0,3 a 1 bar, siendo suministrado el líquido con el gas disuelto a un tanque desde la salida (4) dispuesta tangencialmente a la cámara (6) a través de unas tuberías (7, 8) y unas toberas (10) sumergidas en el fluido del tanque, liberando la presión.
  2. 2.
    Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el movimiento de vórtice es tal que la mezcla tiene un movimiento helicoidal.
  3. 3.
    Procedimiento según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizado porque el líquido y el gas se introducen a través de una entrada principalmente horizontal (2).
  4. 4.
    Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el gas es oxígeno o dióxido de carbono.
  5. 5.
    Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el líquido es agua dulce y/o agua salada.
  6. 6.
    Equipo para disolver un gas o una mezcla de gas en un líquido, que comprende una cámara (6) con una entrada
    (2) para el líquido y el gas y una salida (4) para líquido con gas disuelto, estando prevista una entrada de gas (3) para introducir el gas en el líquido antes de que el líquido se introduzca en la cámara (6), siendo la cámara (6) cilíndrica alrededor de un eje horizontal principal y estando dispuesta la entrada (2) tangencialmente en relación con la cámara (6), y estando dispuesta la salida (4) de la cámara (6) tangencialmente en relación con la cámara y estando conectada a una tubería de chorro (8) con unas toberas (10) adaptadas para sumergirse en líquido, siendo suministrado el líquido con gas disuelto a un tanque a través de la tubería (8) y las toberas (10), y estando colocado el equipo fuera del tanque.
  7. 7.
    Equipo según la reivindicación 6, caracterizado porque la entrada (2) está situada principalmente a lo largo de un eje horizontal.
  8. 8.
    Equipo según la reivindicación 6 o la reivindicación 7, caracterizado porque la salida (4) se extiende verticalmente hacia arriba.
  9. 9.
    Equipo según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizado porque la entrada (2) y la salida (4) de la cámara son de una dimensión tal que no provocan una pérdida de presión esencial.
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