ES2963176T3 - Aparato y método para aumentar la transferencia de masa de una sustancia de tratamiento a un líquido - Google Patents

Abstract

Un aparato y método para aumentar la transferencia de masa de una sustancia de tratamiento a un líquido que fluye en una tubería en un régimen de flujo de tubería completa tiene un conducto de desviación que recibe una porción del líquido. La porción del líquido se mezcla con una sustancia de tratamiento y luego se reintroduce en la tubería en un lugar aguas abajo a través de una estructura de inyección. Entre el conducto de desviación, en el lado aguas arriba, y la estructura de inyección, en el lado aguas abajo, hay una pluralidad de paletas de flujo dispuestas circunferencialmente alrededor de una pared interna cilíndrica de la tubería, donde cada paleta de flujo se extiende radialmente hacia adentro hacia un eje central de la tubería, extendiéndose hacia el flujo principal del líquido. Otra realización de la invención tiene una rejilla de flujo ubicada aguas abajo de la estructura de inyección. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Aparato y método para aumentar la transferencia de masa de una sustancia de tratamiento a un líquido

Antecedentes de la invención

La presente invención se relaciona generalmente con mejorar la eficiencia de mezcla de un aditivo en un líquido que fluye bajo presión a través de un conducto de gran diámetro. La presente invención se relaciona más particularmente con sistemas de mezcla en los que se desvía una corriente lateral del flujo de líquido principal, se mezcla un aditivo con la corriente lateral y se inyecta la mezcla concentrada de vuelta en el conducto de gran diámetro.

La presente invención es aplicable al tratamiento de líquidos mediante la infusión de aditivos. Si bien los componentes estructurales de la invención pueden utilizarse para tratar muchos tipos de líquidos, su aplicación principal será en el campo del tratamiento de agua donde existe un flujo volumétrico sustancial. Por ejemplo, las realizaciones de la presente invención se pueden utilizar en instalaciones de tratamiento de aguas residuales municipales donde los caudales son al menos 1892,7 litros (500 galones) por minuto y, generalmente, mucho más altos. En tales sistemas, se desea lograr una combinación efectiva y eficiente de la corriente lateral de retorno con el flujo principal de líquido. Los volúmenes de agua que requieren tratamiento son típicamente sustanciales y es deseable reducir o eliminar la cantidad de tiempo requerida para cualquier almacenamiento del líquido. Así, tratar el agua a medida que fluye —a diferencia de los procesos que emplean estanques de sedimentación y/o tanques de retención — puede ser ventajoso para acelerar el proceso de tratamiento y reducir los gastos de capital al reducir la capacidad de almacenamiento requerida del sistema completo. Estos sistemas de mezcla dinámica proporcionan aún más ventajas cuando el volumen de la corriente lateral se puede reducir debido a la correspondiente reducción de energía requerida para procesar la corriente lateral e infundir la corriente lateral de vuelta al flujo principal de líquido.

Las sustancias de tratamiento utilizadas con la presente invención pueden estar en forma de gas, líquido o suspensión, donde la sustancia de tratamiento es capaz de mezclarse con la corriente lateral a través de un aparato mezclador, tal como un inyector mezclador Venturi, un mezclador químico, una boquilla mezcladora. Un ejemplo bien conocido de sustancia de tratamiento es el ozono, que es un químico desinfectante muy efectivo que se encuentra en forma de gas y que se descompone en oxígeno molecular a temperatura y presión estándar. Como se describe en la el documento de patente de EE.UU. n° 7,779,864, en el que se nombra como inventor a uno de los inventores de la presente memoria, el ozono se puede mezclar con el aparato mezclador en la corriente lateral y luego infundirse a través de boquillas en un conducto de gran diámetro en una corriente principal de líquido fluyente. El conducto es una tubería grande, a menudo del orden de 121,92 cm (48 pulgadas) de diámetro.

El objeto de la presente invención es mejorar la eficiencia de transferencia de la sustancia de tratamiento a la corriente fluyente. Las mejoras en la eficiencia de la transferencia darán como resultado una reducción del tiempo de tratamiento requerido para la corriente fluyente, lo que puede minimizar la retención del agua para tratamiento adicional y evita la "sobredosificación" de la corriente para garantizar una suficiencia en todo el líquido tratado. En otras palabras, mejorar la eficiencia de la transferencia de masa puede reducir la inversión de capital inicial en el sistema y reducir los gastos operativos del sistema.

El documento de patente alemana DE102008008563 (A1) divulga un dispositivo dosificador (110) que tiene un módulo dosificador (122) para dosificar un medio reductor de contaminantes (124). El dispositivo dosificador tiene una tubería dosificadora (128) a través del cual circula un fluido auxiliar (130). La tubería dosificadora fluye en una posición de apertura (132) hasta una tubería de flujo (114).

Compendio de la invención

Realizaciones de la presente invención proporcionan un aparato y un método que pueden aplicarse a la necesidad descrita anteriormente de mejorar la eficiencia de transferencia de una sustancia de tratamiento con una corriente principal de líquido que fluye a través de un conducto de gran diámetro. En los sistemas de manipulación de fluidos a los que se puede aplicar la presente invención hay una tubería que tiene una pared interior cilíndrica que tiene un eje central, en donde un líquido fluye en un régimen de flujo de tubería completo (es decir, un sistema presurizado) a través de la tubería.

En una primera realización del aparato, un conducto de desviación proporciona un flujo de desviación de una porción del flujo de líquido desde una ubicación aguas arriba. El conducto de desviación desvía la porción del flujo de líquido hacia el exterior de la tubería donde un aparato mezclador de sustancias de tratamiento mezcla una sustancia de tratamiento con la porción de líquido dando como resultado una primera mezcla constituida por el flujo de líquido originalmente desviado que tiene una concentración relativamente alta de la sustancia de tratamiento. Esta primera mezcla es devuelta a la tubería a través de una estructura de inyección que inyecta la primera mezcla en la tubería en una ubicación aguas abajo, donde la primera mezcla se mezcla con la corriente principal de líquido dando como resultado una segunda mezcla. Entre la ubicación aguas arriba y la ubicación aguas abajo, hay una pluralidad de aletas de flujo dispuestas circunferencialmente alrededor de la pared interior cilíndrica de la tubería. Cada una de las aletas de flujo se extiende radialmente hacia adentro desde la pared interior del tubo hacia el eje central del tubo. Como se explica más adelante, esta pluralidad de aletas de flujo configuradas en la tubería,entrela ubicación aguas arriba donde el conducto de desviación toma la porción y la ubicación aguas abajo donde la primera mezcla se infunde en el flujo principal mediante la estructura de inyección, mejora significativamente — e inesperadamente — la eficiencia de transferencia de la sustancia de tratamiento al flujo principal.

La estructura de inyección puede comprender cualquier estructura que introduzca una mezcla de una sustancia de tratamiento y un fluido portador desde el exterior de la tubería al interior de la tubería, tales como diversos mecanismos de entrada conocidos en la técnica. Entre las estructuras de inyección conocidas se encuentran las boquillas. En realizaciones de la presente invención, la estructura de inyección puede comprender varias configuraciones diferentes de boquillas que se extienden a través de la pared cilíndrica. Estas configuraciones pueden incluir, a modo de ejemplo, boquillas individuales, una pluralidad de boquillas en alineación axial a lo largo de la tubería, una pluralidad de boquillas en distribución aleatoria a lo largo de la tubería, un par de boquillas enfrentadas en oposición en lados opuestos de la tubería y una pluralidad de pares de boquillas en relación enfrentada en oposición. Para instalaciones que comprenden una pluralidad de boquillas, cada boquilla de la pluralidad de boquillas puede recibir una porción sustancialmente igual de la primera mezcla, estando dispuestas y distribuidas las boquillas de manera que inyecten la porción igual de la primera mezcla en el flujo principal en la ubicación aguas abajo. Cada boquilla de la pluralidad de boquillas puede estar espaciada linealmente a lo largo de una longitud de la tubería desde cada boquilla adyacente. La pluralidad de boquillas puede configurarse como una pluralidad de pares de boquillas, donde cada par de boquillas está espaciado linealmente a lo largo de una longitud de la tubería desde un par de boquillas adyacentes. Se puede disponer un par de boquillas de tal manera que una primera boquilla del par y una segunda boquilla del par estén instaladas dentro de una longitud de la tubería donde la primera boquilla y la segunda boquilla están en relación enfrentada en oposición cuando cada boquilla inyecta la primera mezcla en la corriente que fluye por la tubería.

En otra realización de la invención, una bomba de aumento de presión puede estar conectada hidráulicamente al conducto de desviación, donde la bomba de aumento de presión está configurada para recibir el flujo de desviación y aumentar la presión del flujo de desviación. Una realización de este tipo puede incluir, además, un inyector de aspiración que recibe el flujo de desviación desde la bomba de aumento de presión y mezcla la sustancia de tratamiento con el flujo de desviación.

Como resultado de las mayores eficiencias de transferencia logradas a través de las realizaciones de la presente invención, es posible reducir el volumen del flujo de desviación a tan solo el 3% del flujo total de fluido a través de la tubería. En otros casos, por ejemplo cuando se utiliza aire como sustancia de tratamiento, puede ser deseable tener un flujo de desviación sustancial, por ejemplo hasta el 40% del flujo total de fluido a través de la tubería. Así, las realizaciones de la presente invención proporcionan una amplia gama de opciones de tratamiento posibles gracias a las mayores eficiencias de transferencia logradas mediante la utilización de la pluralidad de aletas de flujo utilizadas entre la ubicación aguas arriba donde el conducto de desviación toma la porción y la ubicación aguas abajo donde la estructura de inyección infunde la primera mezcla en el flujo principal.

Los inventores de la presente memoria han encontrado que una estructura adicional en la tubería dispuesta aguas abajo de la estructura de inyección puede aumentar aún más la eficiencia de transferencia. Esta estructura — una rejilla de flujo colocada en una ubicación aguas abajo de la infusión de la mezcla de sustancia de tratamiento y flujo desviado — es una rejilla de flujo que está dispuesta perpendicular al eje central de la tubería, donde la rejilla de flujo tiene una cara aguas arriba apuntando aguas arriba y una cara aguas abajo apuntando aguas abajo. La rejilla de flujo puede estar constituida por una pluralidad de miembros de rejilla de que se cruzan. La rejilla de flujo puede configurarse, además, en forma semicircular teniendo un miembro de base diagonal. Con esta realización, la rejilla de flujo puede tener un radio de curvatura que permite colocarla dentro del círculo definido por el diámetro interno de la tubería, con el borde circunferencial de la rejilla de flujo haciendo tope con la superficie circunferencial interna de la tubería. Además, cuando el área de la sección transversal de la tubería define un círculo de 360 grados y la parte superior de la tubería se define como que tiene una posición de cero grados (es decir, las doce en punto), se puede disponer un miembro de rejilla dentro de la tubería de tal forma que el miembro de base diagonal tiene un primer extremo adyacente a una posición de aproximada de 60 grados (es decir, las 2 en punto) y un segundo extremo adyacente a una posición de aproximada de 240 grados (es decir, las 8 en punto).

Una rejilla de flujo que tiene una forma semicircular se puede seccionar, además, en una primera mitad de la forma semicircular y una segunda mitad de la forma semicircular, donde cada mitad tiene una pluralidad de miembros de rejilla que se cruzan dispuestos en una configuración paralela con el miembro de base diagonal. La rejilla de flujo tiene un espesor que se extiende desde la cara aguas arriba hasta la cara aguas abajo, donde los miembros de rejilla que se cruzan pueden extenderse desde la cara aguas arriba hasta la cara aguas abajo. En esta configuración, los miembros de rejilla que se cruzan pueden formar un ángulo con respecto al eje central de la tubería. Los inventores de la presente memoria han encontrado que la inclinación angular de los miembros de la rejilla promueve aún más la eficiencia de la transferencia. En una realización, los miembros de rejilla de la primera mitad de la forma semicircular se pueden colocar entre la cara aguas arriba y la cara aguas abajo para formar un ángulo de aproximadamente 10 grados hacia arriba desde el eje central. De la misma manera, los miembros de rejilla de la segunda mitad de la forma semicircular se pueden colocar entre la cara aguas arriba y la cara aguas abajo para formar un ángulo de aproximadamente 10 grados hacia abajo desde el eje central de la tubería. Con esta combinación — un lado de la rejilla de flujo transmitiendo un flujo ascendente del líquido y el otro lado de la rejilla de flujo transmitiendo un flujo descendente del líquido — la eficiencia de transferencia aumenta aún más.

La rejilla de flujo utilizada en las realizaciones de la invención puede configurarse de tal manera que las aberturas definidas entre los miembros de la rejilla que se cruzan sean o bien cuadradas o rectangulares. El tamaño de las aberturas también puede ajustarse para cambiar las características de transferencia de la sustancia de tratamiento. Una realización puede tener aberturas cuadradas donde cada abertura mide 5,08 cm por 5,08 cm (2 pulgadas por 2 pulgadas). Como alternativa, para aberturas rectangulares, la abertura puede tener una altura mínima de 2,54 cm (1 pulgada) y una anchura mínima de 5,08 cm (2 pulgadas).

Debido al gran volumen de líquidos procesados a través de estos sistemas, la tubería tendrá un diámetro típicamente utilizado para operaciones municipales y tendrá un diámetro mayor que diez pulgadas. La sustancia de tratamiento, típicamente, será un gas y, según la aplicación, puede ser ozono, oxígeno, cloro y aire.

Los métodos de la presente invención para aumentar la transferencia de masa de una sustancia de tratamiento a un líquido que fluye a través de un sistema de tuberías incluyen los pasos de desviar una porción del líquido que fluye a través de la tubería desde una primera ubicación aguas arriba, dejando un flujo de corriente principal que pasa a través de la tubería y a través de una pluralidad de aletas dispuestas circunferencialmente alrededor de una pared interior de la tubería. El líquido desviado fluye a través de un aparato mezclador de tratamiento que mezcla una sustancia de tratamiento con el líquido desviado dando como resultado una mezcla. Esta mezcla se inyecta en la tubería aguas abajo de las aletas mezcladoras. La sustancia de tratamiento puede ser un gas tal como ozono, oxígeno, cloro o aire. La mezcla puede tener una proporción gas-líquido de al menos el 5%. El fluido desviado puede comprender del 3 por ciento al 40% del líquido total que fluye a través de la tubería.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 representa una vista lateral de una realización de la invención.

La figura 2 es una vista en sección dada a lo largo de la línea 2-2 de la figura 1.

La figura 3 es una vista en sección dada a lo largo de la línea 3-3 en la figura 1.

La figura 4 es una vista en perspectiva que representa un segmento de tubería de una realización de la presente invención, que muestra la ubicación de las aletas de flujo y una estructura de inyección aguas abajo.

La figura 5 muestra una vista desde el extremo del segmento de tubería representado en la figura 4.

La figura 6 muestra una vista en sección desde arriba del segmento de tubería representado en la figura 4. La figura 7 muestra una vista en sección lateral del segmento de tubería representado en la figura 4.

La figura 8 representa una vista lateral de una realización de una aleta de flujo que puede utilizarse en realizaciones de la presente invención.

La figura 9 muestra una vista desde el extremo de la aleta de flujo representada en la figura 8.

La figura 10 muestra una vista en perspectiva de un segmento de tubería de una realización de la presente invención, que muestra la ubicación de las aletas de flujo, una estructura de inyección aguas abajo y una rejilla de flujo dispuesta aguas abajo de la estructura de inyección.

La figura 11 muestra una vista desde el extremo del segmento de tubería representado en la figura 10.

La figura 12 muestra una vista desde arriba del segmento de tubería representado en la figura 10.

La figura 13 muestra una vista lateral del segmento de tubería representado en la figura 10.

La figura 14 muestra una vista desde el extremo del segmento de tubería representado en la figura 10.

La figura 15 es una vista en sección lateral de una rejilla de flujo semicircular dada a lo largo de la línea 15-15 de la figura 14 que muestra la orientación de los miembros de la rejilla en el lado izquierdo de la rejilla de flujo. La figura 16 es una vista en sección lateral de una rejilla de flujo semicircular dada a lo largo de la línea 16-16 de la figura 14 que muestra la orientación de los miembros de la rejilla en el lado derecho de la rejilla de flujo.Descripción detallada del invento

Haciendo referencia ahora a las figuras, las figuras 1-3 ilustran un sistema previamente divulgado por uno de los inventores de la presente memoria, como se expone en el documento de patente de EE.UU. 7,779,864, pero que ha sido modificado según la presente invención mediante la adición de aletas de flujo 100 aguas abajo del conducto de desviación 35 pero aguas arriba de las boquillas 45, 46.

La patente '864 enseña una tubería 20 que tiene una pared cilíndrica 21 que forma un paso de flujo 22 que tiene un eje central 23. El extremo 24 se considera como un extremo de entrada aguas arriba y el extremo 25 se considera como un extremo de salida aguas abajo. Se muestran las bridas 26 mediante las cuales se pueden instalar segmentos 27 en la tubería completa. El flujo principal de líquido, en este ejemplo agua, fluye desde la entrada 24 a la salida 25. En operación, las tuberías de este tipo operan llenas y la corriente puede fluir a velocidades axiales que oscilan entre 22,86 cm (0,75 pies) por segundo y 152,4 cm (5 pies) por segundo. En tuberías de gran diámetro, digamos 121,92 cm (48 pulgadas) o mayores, estos caudales representan un flujo de agua muy sustancial y la inyección/infusión de las sustancias de tratamiento debe ser rápida y fiable. Las realizaciones de la presente invención se utilizarán generalmente en conductos que tienen un diámetro de 45,72 a 213,36 cm (18 a 84 pulgadas) con una presión operativa de aproximadamente 0,6895 bar (10 psig).

La patente '864 señala, con respecto a la figura 1 de esa patente, que para esa invención hay características estructurales insignificantes, si las hay, entre la región aguas arriba 30 y la región aguas abajo 31, relacionadas con el aparato de infusión, de tal modo que la invención divulgada en la '864 tenía una pérdida de energía insignificante debido a la interrupción del flujo principal. Por el contrario, como se señaló anteriormente, las realizaciones de la presente invención incluyen una característica estructural — aletas de flujo 100 — entre el conducto de desviación 35 en la región aguas arriba 30 y la estructura de inyección, la cual, para esta realización, comprende las boquillas 45, 46 ubicadas en la región aguas abajo 31.

El objeto de esta invención es proporcionar una mayor eficiencia de transferencia entre una sustancia de tratamiento y el flujo principal de líquido en la tubería 20. Un conducto de desviación 35 proporciona una desviación de una primera porción del flujo de líquido desde la región aguas arriba 30. La bomba 36 extrae una corriente de desviación del flujo principal y aumenta su presión. Después de la bomba 36, la corriente de desviación se dirige al puerto de entrada 37 de un inyector de aspiración 38. La presión aplicada a la corriente de desviación es suficiente para operar un inyector de aspiración 38 y retornar la corriente de desviación al flujo principal en la tubería 20. En la mayoría de las aplicaciones, el aumento de presión será de aproximadamente 2,06 bar (30 psi). El inyector de aspiración 38 incluye un puerto 39 que recibe un suministro proporcionado de sustancia de tratamiento desde la fuente 40. Una válvula reguladora 41 pasa la sustancia a una presión controlada al puerto 39. Lo más frecuente es que la sustancia de tratamiento sea un gas y puede incluir ozono, oxígeno, cloro y aire. Una vez que la corriente de desviación es infundida con la sustancia de tratamiento, se forma una mezcla, donde la mezcla comprende una corriente de tratamiento concentrada para su infusión de vuelta al flujo principal.

El conducto de desviación 35 continúa desde el extremo de salida 42 del inyector de aspiración 38 hasta al menos una boquilla 45 o un par de boquillas 45, 46 como se muestra en la figura 2. Si se usan en pares, las boquillas 45, 46 reciben un suministro idéntico de sustancia de tratamiento, y pueden considerarse como un colector. Como se muestra en las figuras 2 y 3, las boquillas opuestas en un par pueden configurarse de tal manera que un eje que se extiende desde una boquilla pueda coincidir con el eje de una boquilla enfrentada en oposición.

Como se muestra además en la figura 1, una pluralidad de pares de boquillas 50, 51, 52 se pueden alimentar como un colector desde el conducto de desviación 35. Una única boquilla 45, un par de boquillas 45, 46 o una pluralidad de pares de boquillas 50, 51,52 se pueden usar en realizaciones de la invención. Si se desea, se pueden insertar válvulas justo aguas arriba de cada boquilla de manera que las boquillas se puedan utilizar individualmente, en pares o en otra configuración deseada para retornar la mezcla al flujo principal. Como se indica en la figura 1, se puede utilizar un único inyector de aspiración 38 para alimentar todas las boquillas. El tamaño y la capacidad del sistema determinarán si se requieren múltiples inyectores de aspiración 38 o si uno solo es suficiente.

Como se expuso anteriormente, las realizaciones de la presente invención incluyen aletas de flujo 100 que están ubicadas aguas abajo del conducto de desviación 35 pero aguas arriba de las boquillas 45, 46. La figura 4 representa un segmento de tubería de una realización de la presente invención, que muestra la ubicación de las aletas de flujo 100 y una estructura de inyección aguas abajo que, para la realización mostrada en la figura 4, son pares de boquillas opuestas 50, 51,52. La figura 5 muestra una vista desde el extremo del segmento de tubería representado en la figura 4, mirando hacia aguas arriba y viendo las primeras boquillas 45, 46 y las aletas de flujo 100 aún más aguas arriba. La figura 6 muestra una vista en sección desde arriba del segmento de tubería representado en la figura 4, mostrando nuevamente las aletas de flujo 100 y los pares de boquillas opuestas 50, 51, 52. Las aletas de flujo generalmente estarán ubicadas a una distancia lineal de 0,2 a 3,0 diámetros de tubería aguas arriba de las boquillas.

La figura 8 representa una vista lateral de una aleta de flujo individual 100, que muestra la aleta de flujo con mayor detalle. Las aletas de flujo 100 están dispuestas circunferencialmente alrededor de la pared interior cilíndrica 21 de la tubería 21, extendiéndose cada aleta de flujo radialmente hacia adentro, hacia el eje central 23. Los inventores en la presente memoria han encontrado que un total de seis aletas de flujo 100 que tienen espaciamientos iguales proporcionan un servicio efectivo. Las aletas de flujo 100 pueden instalarse, como se muestra mejor en las figuras 6 y 7, para que formen un ligero ángulo con respecto al eje central 23 y tengan orientaciones alternas de 7 grados. Como se indica además en la figura 8, el borde anterior 102 de cada aleta de flujo 100 puede tener un perfil generalmente angular, teniendo el borde posterior 104 un perfil curvo. Las aletas de flujo 100 pueden tener una longitud L, una altura H y un espesor W, y el borde posterior 104 puede tener un radio de curvatura R. Como ejemplo, para una tubería de 121,92 cm (48 pulgadas) de diámetro, cada aleta de flujo 100 puede tienen una longitud de 60,96 cm (24 pulgadas), una altura de 21,082 cm (8,2 pulgadas) y un espesor de 1,27 cm (0,5 pulgadas). El borde posterior 104 puede tener un radio de curvatura de 15,24 cm (6 pulgadas).

Las figuras 10 a 16 muestran una realización del aparato que incluye una rejilla de flujo 200 que está colocada aguas abajo de la estructura de inyección, que en esta realización comprende pares de boquillas opuestas 50, 51, 52. La rejilla de flujo 200 puede estar configurada para tener una forma semicircular como la realización mostrada en las figuras 10, 11 y 14 y tener un miembro de base diagonal 202. La rejilla de flujo 200 puede estar constituida por una pluralidad de miembros de rejilla que se cruzan tales como primeros miembros 204 que son paralelos al miembro de base diagonal 202 y segundos miembros 206 que son perpendiculares al miembro de base diagonal. Con esta realización, la rejilla de flujo 200 puede tener un radio de curvatura que le permite ser colocada dentro de la pared cilíndrica 21 de la tubería 20, donde el borde circunferencial 208 de la rejilla de flujo 200 hace tope con la pared cilíndrica interna.

Como se muestra mejor en la figura 14, donde el área de la sección transversal de la tubería 20 define un círculo de 360 grados y la parte superior del tubo se define como que tiene una posición de cero grados (es decir, las doce en punto), el miembro de base diagonal 202 puede tener un primer extremo 210 adyacente a una posición aproximada de 60 grados (es decir, las 2 en punto) y un segundo extremo 212 adyacente a una posición aproximada de 240 grados (es decir, las 8 en punto).

Una rejilla de flujo 200 que tiene una forma semicircular se puede seccionar, además, en una primera mitad 220 y una segunda mitad 222 de la rejilla de flujo de forma semicircular 200, donde cada mitad tiene una pluralidad de miembros de rejilla 204 dispuestos en una configuración paralela con el miembro de base diagonal 202 y miembros de rejilla que se cruzan 206 que se colocan perpendiculares al miembro de base diagonal 202. La rejilla de flujo 200 tiene un espesor T que se extiende desde la cara aguas arriba 224 hasta la cara aguas abajo 226, donde los miembros de rejilla que se cruzan pueden extenderse desde la cara aguas arriba hasta la cara aguas abajo. A modo de ejemplo, el espesor T puede ser igual a 5,08 cm (2 pulgadas) para una rejilla de flujo 200 utilizada en una tubería que tiene un diámetro de 121,92 cm (48 pulgadas). En esta configuración, los miembros de rejilla 204 pueden estar en ángulo con respecto al eje central de la tubería para mejorar la eficiencia de transferencia.

En la realización representada en la figura 15, según los miembros de rejilla 204 de la primera mitad 220 de la rejilla de flujo de forma semicircular 200 se extienden entre la cara aguas arriba 224 y la cara aguas abajo 226, los miembros de rejilla 204 forman un ángulo de aproximadamente 10 grados hacia arriba desde el eje central o eje de flujo.

De la misma manera, como se ilustra en la figura 16, según los miembros de rejilla 204 de la segunda mitad 222 de la rejilla de flujo de forma semicircular 200 se extienden entre la cara aguas arriba 224 y la cara aguas abajo 226, los miembros de rejilla forman un ángulo de aproximadamente 10 grados hacia abajo desde el eje central o eje de flujo.

La rejilla de flujo 200 utilizada en realizaciones de la invención puede configurarse de tal manera que las aberturas definidas entre los miembros de rejilla que se cruzan 204, 206 sean o bien cuadradas o rectangulares. El tamaño de las aberturas también puede ajustarse para cambiar las características de transferencia de la sustancia de tratamiento. Una realización puede tener aberturas cuadradas donde cada abertura mide 5,08 cm por 5,08 (2 pulgadas por 2 pulgadas). Como alternativa, para aberturas rectangulares, la abertura puede tener una altura mínima de 2,54 cm (1 pulgada) y una anchura mínima de 5,08 cm (2 pulgadas).

Los inventores de la presente memoria han creado un modelo de simulación de flujo utilizando dinámica de flujo computacional ("CFD") para determinar el impacto de diversas variables en la transferencia de masa. La Tabla 1 a continuación resume los resultados del modelado para una tubería que tiene un diámetro de 121,92 cm (48 pulgadas) y una velocidad de flujo de 45,72 cm/segundo (1,5 pies/segundo). La parte superior de la Tabla 1 muestra la transferencia de masa para la situación en la que el volumen de líquido desviado hacia el conducto de desviación 35 es el 10% del volumen de flujo total de la tubería 20. La parte inferior de la Tabla 1 muestra la transferencia de masa para la situación en la que el volumen de líquido desviado al conducto de desviación es el 5% del volumen de flujo total de la tubería 20. El "PFR estándar sin aletas" descrito en la Tabla 1 es el aparato divulgado y reivindicado en el documento de patente de EE.UU. n° 7,779,864. La segunda configuración — "PFR estándar con aletas de flujo aguas arriba" — es la realización que se representa generalmente en las figuras 4 a 7 de la presente memoria. La tercera configuración — "PFR estándar con aletas de flujo aguas arriba y rejilla de flujo de mezcla aguas abajo — es la realización representada generalmente en las figuras 10-13 en la presente memoria. Como se demuestra por el análisis CFD, las realizaciones de la presente invención proporcionan la capacidad de reducir sustancialmente el caudal a través de la tubería sin afectar negativamente la transferencia de masa. Dados los caudales de diseño típicos de 121,92 a 152,4 cm/segundo (4 a 5 pies/segundo), el caudal de 45,72 cm/segundo (1,5 pies/segundo) es un escenario extremo. Sin embargo, como lo demuestran los resultados presentados en la Tabla 1, la presente invención proporciona una capacidad sustancial para reducir el caudal y mantener una transferencia de masa aceptable.

Tabla 1

Resultados del análisis por Dinámica de Fluidos Computacional de la trasferencia de masa de ozono

Transferencia de masa en agua limpia (sin demanda de ozono)

Dosis de ozono 1mg/l

Temperatura del agua = 25 °C

Presión en la tubería = 0,6895 bar (10 psi)

En resumen, la invención divulgada es, en combinación con una tubería, teniendo dicha tubería una pared interior cilindrica con un eje central, proporcionando un flujo de un líquido que incluye un flujo desde una ubicación aguas arriba hasta una primera ubicación aguas abajo en un régimen de flujo de tubería completo, un aparato para aumentar la transferencia de masa de una sustancia de tratamiento al líquido tiene los siguientes componentes: un conducto de desviación para proporcionar externamente un flujo de desviación de una primera porción del flujo del líquido desde la ubicación aguas arriba a la primera ubicación aguas abajo, recibiendo el conducto de desviación el flujo de desviación del flujo del líquido, dejando un flujo de corriente principal del líquido dentro de la tubería que fluye desde la ubicación aguas arriba hasta la primera ubicación aguas abajo; un aparato mezclador de sustancias de tratamiento que mezcla una sustancia de tratamiento con el flujo de desviación dando como resultado una primera mezcla; una estructura de inyección que inyecta la primera mezcla en la tubería en la primera ubicación aguas abajo dando como resultado una segunda mezcla que comprende la primera mezcla y el flujo de corriente principal del líquido; y una pluralidad de aletas de flujo dispuestas circunferencialmente alrededor de la pared interior cilíndrica, la pluralidad de aletas de flujo dispuestas entre la ubicación aguas arriba y la primera ubicación aguas abajo, extendiéndose cada una de dichas aletas de flujo desde la pared interior y extendiéndose radialmente hacia adentro hacia el eje central desde dicha pared interior cilíndrica y extendiéndose hacia el flujo de corriente principal del líquido.

En otra realización, la estructura de inyección comprende una pluralidad de boquillas que se extienden a través de la pared interior cilíndrica.

En otra realización, cada boquilla de la pluralidad de boquillas recibe una porción sustancialmente igual de la primera mezcla, estando cada boquilla dispuesta y distribuida de manera que inyecte dicha porción igual de la primera mezcla en dicha ubicación aguas abajo.

En otra realización, cada boquilla de la pluralidad de boquillas está espaciada linealmente a lo largo de una longitud de la tubería desde una boquilla adyacente.

En otra realización, la pluralidad de boquillas comprende una pluralidad de pares de boquillas, en donde cada par comprende una primera boquilla y una segunda boquilla, en donde cada par de boquillas está espaciado linealmente a lo largo de una longitud de la tubería desde un par de boquillas adyacente.

En otra realización, la primera boquilla y la segunda boquilla están dispuestas en la tubería en relación enfrentada en oposición.

En otra realización, una bomba de aumento de presión está conectada hidráulicamente al conducto de desviación, en donde la bomba de aumento de presión está configurada para recibir el flujo de desviación y aumentar la presión del flujo de desviación.

En otra realización, el aparato mezclador de sustancias de tratamiento comprende un inyector de aspiración que recibe dicho flujo de desviación de la bomba de aumento de presión y mezcla la sustancia de tratamiento con el flujo de desviación.

En otra realización, el flujo de desviación está en intervalo del 3 por ciento al 40 por ciento del flujo del líquido.

En otra realización, se dispone una rejilla de flujo en una segunda ubicación aguas abajo, estando la rejilla de flujo dispuesta perpendicular al eje central, teniendo la rejilla de flujo una cara aguas arriba y una cara aguas abajo. En otra realización, la rejilla de flujo comprende una pluralidad de miembros de rejilla que se cruzan.

En otra realización, la rejilla de flujo comprende una forma semicircular que tiene un miembro de base diagonal. En otra realización, un área de sección transversal de la tubería en la que está dispuesta la rejilla de flujo define un círculo de 360 grados con una posición de cero grados definida en la parte superior de la tubería, en donde el miembro de base diagonal tiene un primer extremo adyacente a una posición aproximada de 60 grados del círculo y el miembro de base diagonal tiene un segundo extremo adyacente a una posición aproximada de 240 grados del círculo.

En otra realización, la rejilla de flujo comprende una primera mitad de la forma semicircular y una segunda mitad de la forma semicircular, comprendiendo cada una de la primera mitad y la segunda mitad una pluralidad de miembros de rejilla que se cruzan dispuestos en una configuración paralela con el miembro de base diagonal.

En otra realización, cada miembro de rejilla que se cruza de la primera mitad, desde la cara aguas arriba hasta la cara aguas abajo, está dispuesto en un ángulo aproximado de 10 grados hacia arriba desde el eje central.

En otra realización, cada miembro de rejilla que se cruza de la segunda mitad, desde la cara aguas arriba hasta la cara aguas abajo, está dispuesto en un ángulo aproximado de 10 grados hacia abajo desde el eje central.

En otra realización, la rejilla de flujo comprende una pluralidad de aberturas cuadradas.

El aparato de la reivindicación 10, en donde la rejilla de flujo comprende una pluralidad de aberturas rectangulares. En otra realización, cada una de las aberturas cuadradas mide aproximadamente 5,04 cm por 5,04 cm (2 pulgadas por dos pulgadas).

En otra realización, cada una de las aberturas rectangulares tiene una altura aproximada de 1,54 cm (1 pulgada) y una anchura aproximada de 5,04 cm (2 pulgadas).

En otra realización, la tubería tiene un diámetro desde mayor que 25,4 cm (10 pulgadas) hasta un diámetro de 213,36 cm (84 pulgadas).

En otra realización, la sustancia de tratamiento comprende un gas.

En otra realización, la primera mezcla comprende una proporción gas-líquido de al menos el 5%.

En otra realización, la sustancia de tratamiento se selecciona del grupo de gases que consta de ozono, oxígeno, cloro y aire.

Se puede utilizar una realización del aparato en un método para aumentar la transferencia de masa de una sustancia de tratamiento a un líquido que fluye a través de una tubería donde los pasos del método incluyen desviar una primera porción del líquido desde una primera ubicación aguas arriba de la tubería, dejando un flujo de corriente principal del líquido que fluye dentro de la tubería desde la primera ubicación aguas arriba hasta una primera ubicación aguas abajo, en donde entre la primera ubicación aguas arriba y la primera ubicación aguas abajo el flujo de corriente principal del líquido pasa a través de una pluralidad de aletas de flujo dispuestas circunferencialmente alrededor de y que se extienden desde una pared interior de la tubería; hacer fluir la primera porción del líquido a través de un aparato mezclador de tratamiento que mezcla una sustancia de tratamiento en la primera porción del líquido, dando como resultado una primera mezcla; e inyectar la primera mezcla en la tubería en la primera ubicación aguas abajo.

En el método, la tubería puede comprender una rejilla de flujo dispuesta en una segunda ubicación aguas abajo. En el método, la sustancia de tratamiento puede comprender un gas. En el método, la primera mezcla puede tener una proporción gas-líquido de al menos 5%.

En el método, la sustancia de tratamiento puede seleccionarse del grupo de gases que consta de ozono, oxígeno, cloro y aire.

En el método, la primera porción del líquido puede comprender un intervalo del 3 por ciento al 40 por ciento del líquido total que fluye a través de la tubería.

Habiendo descrito así la realización preferida de la invención, lo que se reivindica como nuevo y se desea proteger mediante Cartas de Patente incluye lo siguiente:

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. En combinación con una tubería (20), teniendo dicha tubería una pared interior cilindrica (21) con un eje central (23), proporcionando un flujo de un líquido que incluye el flujo desde una ubicación aguas arriba (30) hasta una primera ubicación aguas abajo (31) en un régimen de flujo de tubería completo, un aparato para aumentar la transferencia de masa de una sustancia de tratamiento al líquido comprende:

(a) un conducto de desviación (35) para proporcionar externamente un flujo de desviación de una primera porción del flujo del líquido desde la ubicación aguas arriba (30) a la primera ubicación aguas abajo (31), recibiendo el conducto de desviación (35) el flujo de desviación desde el flujo del líquido, dejando un flujo de corriente principal del líquido dentro de la tubería (20) que fluye desde la ubicación aguas arriba (30) hasta la primera ubicación aguas abajo (31);

(b) un aparato mezclador de sustancias de tratamiento (40, 41, 39, 37, 38, 42) que mezcla una sustancia de tratamiento con el flujo de desviación dando como resultado una primera mezcla;

(c) una estructura de inyección (45, 46, 50, 51,52) que inyecta la primera mezcla en la tubería (20) en la primera ubicación aguas abajo (31), dando como resultado una segunda mezcla que comprende la primera mezcla y el flujo de corriente principal del líquido; y caracterizado por

(d) una pluralidad de aletas de flujo (100) dispuestas circunferencialmente alrededor de la pared interior cilíndrica, la pluralidad de aletas de flujo (100) dispuestas entre la ubicación aguas arriba (30) y la primera ubicación aguas abajo (31), extendiéndose cada una de dichas aletas de flujo (100) desde la pared interior (21) y extendiéndose radialmente hacia adentro hacia el eje central (23) desde dicha pared interior cilíndrica (21) y extendiéndose dentro el flujo de corriente principal del líquido.

2. El aparato de la reivindicación 1, en donde la estructura de inyección (45, 46, 50, 51,52) comprende una pluralidad de boquillas (45, 46) que se extienden a través de la pared interior cilíndrica (21).

3. El aparato de la reivindicación 2, en donde cada boquilla de la pluralidad de boquillas (45, 46) recibe una porción sustancialmente igual de la primera mezcla, estando cada boquilla (45, 46) distribuida y dispuesta de manera que inyecte dicha porción igual de la primera mezcla en dicha ubicación aguas abajo (31).

4. El aparato de la reivindicación 3, en donde cada boquilla de la pluralidad de boquillas (45, 46) está espaciada linealmente a lo largo de una longitud del tubo (20) desde una boquilla adyacente.

5. El aparato de la reivindicación 3, en donde la pluralidad de boquillas comprende una pluralidad de pares de boquillas (45, 46), en donde cada par comprende una primera boquilla y una segunda boquilla dispuestas en relación enfrentada en oposición, en donde cada par de boquillas (45, 46) está espaciado linealmente a lo largo de una longitud de la tubería (20) desde un par de boquillas adyacentes (45, 46).

6. El aparato de la reivindicación 1, en donde una bomba de aumento de presión (36) está conectada hidráulicamente al conducto de desviación (35), en donde la bomba de aumento de presión (36) está configurada para recibir el flujo de desviación y aumentar la presión del flujo de desviación.

7. El aparato de la reivindicación 6, en donde el aparato mezclador de sustancias de tratamiento comprende un inyector de aspiración (38) que recibe dicho flujo de desviación de la bomba de aumento de presión (36) y mezcla la sustancia de tratamiento con el flujo de desviación.

8. El aparato de la reivindicación 1, que comprende, además, una rejilla de flujo (200) que comprende una pluralidad de miembros de rejilla que se cruzan dispuestos en una segunda ubicación aguas abajo, la rejilla de flujo (200) dispuesta perpendicular al eje central (23), teniendo la rejilla de flujo (200) una cara aguas arriba y una cara aguas abajo.

9. El aparato de la reivindicación 8, en donde la rejilla de flujo (200) comprende una forma semicircular que tiene un miembro de base diagonal.

10. El aparato de la reivindicación 1, en donde la sustancia de tratamiento es un gas y en donde la primera mezcla comprende una proporción gas-líquido de al menos 5%.

11. El aparato de la reivindicación 1, en donde la sustancia de tratamiento se selecciona del grupo de gases que consta de ozono, oxígeno, cloro y aire.

12. Un método para aumentar la transferencia de masa de una sustancia de tratamiento a un líquido que fluye a través de una tubería (20) comprende:

desviar una primera porción del líquido desde una primera ubicación aguas arriba (30) de la tubería (20), dejando un flujo de corriente principal del líquido que fluye dentro de la tubería (20) desde la primera ubicación aguas arriba (30) a una primera ubicación aguas abajo (31), en donde entre la primera ubicación aguas arriba (30) y la primera ubicación aguas abajo (31) el flujo de corriente principal del líquido pasa a través de una pluralidad de aletas de flujo (100) dispuestas circunferencialmente alrededor de y que se extienden desde una pared interior (21) de la tubería (20);

hacer fluir la primera porción del líquido a través de un aparato mezclador de tratamiento (40, 41,50, 51,52) que mezcla una sustancia de tratamiento en la primera porción del líquido, dando como resultado una primera mezcla; e

inyectar la primera mezcla en la tubería (20) en la primera ubicación aguas abajo (31).

13. El método de la reivindicación 12, en donde la tubería (20) comprende una rejilla de flujo (200) dispuesta en una segunda ubicación aguas abajo.

14. El método de la reivindicación 12, en donde la sustancia de tratamiento se selecciona del grupo de gases que consta de ozono, oxígeno, cloro y aire.

15. El método de la reivindicación 12, en donde la primera porción del líquido comprende un intervalo del 3 por ciento al 40 por ciento del líquido total que fluye a través de la tubería (20).