DISPOSITIVO COMPACTO DE DISTRIBUCIÓN E INYECCIÓN EXTENDIDA Y PROLONGADA DE MICRO BURBUJAS DE GAS EN UN MEDIO LIQUIDO O SUSTRATO HÚMEDO CON FLUJO AUTO COMPENSADO Y ANTI RETORNO.

MEMORIA DESCRIPTIVA

Dispositivo compacto de distribución e inyección extendida de grandes cantidades de distintos tipos de gases en forma de micro burbujas en el rango de tamaño de entre 90 - 200 mieras a flujo controlado en un cuerpo de agua o sustrato húmedo, sus componentes y operación en rangos de presión de hasta 100 psi, permiten conformar una línea de distribución y difusión de gas en serie (25) que permite gran cobertura, flujo controlado y alta eficiencia de difusión, para su aplicación en distintas etapas de la actividad productiva acuícola, agrícola, minera y de tratamiento de aguas. En términos generales el dispositivo esta conformado por a) caja hermética de distribución y regulación de flujo de gas (1) confeccionada en policarbonato, (HDPE) polietileno de alta densidad, (PVC) poli cloruro de vinilo, aerflico, aluminio o acero inoxidable que cuenta con perforaciones de distribución de gas (4); cilindro cónico para fijación de manguera (1 1); anillo expansor tubular cónico (12); válvulas de inyección de gas auto compensado y anti retorno (13); perforación matriz de gas (26); ducto cónico matriz de gas (14); ducto cónico de conexión en serie (15); expansor tubular cónico de matriz (16); contrapeso de lastre ( 10) y b) manguera micro perforada de doble capa (2) conformada por una capa interior perforada ( 19) confeccionada en nitrilo, unida estrechamente a una malla interior estructural (20) conformada por un doble espiral de polyester y capa exterior perforada (21) confeccionada en polímero auto contráctil de características hidrófilo. Para la difusión del gas, cada metro de manguera presenta un rango de entre 3000 a 9000 micro perforaciones cada una con un diámetro de entre 90 - 200 mieras que atraviesan en forma lineal a las dos capas de la manguera micro perforada de doble capa (2).

La difusión de gases en un medio líquidos se usa principalmente para el tratamiento de aguas residuales, producción acuícola y recientemente con aplicación en agricultura aireación de suelos y minería para el proceso de extracción mineral en pilas de lixiviación. En los sistemas de tratamiento de aguas se les difunde aire u oxígeno puro para la mantención de las bacterias en las lagunas de oxidación o en los bioreactores. Así mismo en acuicultura se utiliza aire u oxígeno para la mantención de diferentes especies acuáticas que necesitan ciertos niveles de oxígeno disuelto para vivir.

Los sistemas de oxigenación existentes se pueden clasificar en dos: Los activos, los cuales requieren de electricidad para funcionar como los conos de saturación de gas, columnas gasificadoras o sistemas venturi y los sistemas pasivos, los cuales no requieren de electricidad, como los difusores de piedra o porcelana, mangueras difusoras y membranas de EPDM perforadas, entre otros.

En minería para acelerar el proceso de extracción de minerales mediante compuestos ácidos resulta de vital importancia el tener la posibilidad de difundir gases en grandes extensiones o en puntos localizados con el fin de lograr acción de distintos compuestos sobre los minerales, sobretodo en los procesos de lixiviación con acido sulfhídrico.

En acuicultura los difusores de oxígeno más utilizados son los difusores de piedra o porcelana para la difusión de oxígeno/aire en estanques y las mangueras difusoras para la difusión de oxígeno/aire en balsas jaulas de cultivo.

i Los difusores de piedra o porcelana son comercializados principalmente por Point Four S)¾tem Inc. (hoy Pentair) y diversos fabricantes asiáticos. Este tipo de difusor es muy común en acuicultura dada su alta eficiencia de transferencia de gases (pequeño tamaño de burbuja), pero a su vez son conocidas sus deficiencias operativas como: i.- Se bloquea con materia orgánica y sales minerales, ii.- Pierden eficiencia y flujo en el tiempo, iií.- No resisten alta presión. Haciendo que la posibilidad para interconectar sea nula y la mantención de estos equipos tengan un alto costo para sus usuarios.

Con respecto a las mangueras difusoras existen 2 tipos; las porosas, en donde encontramos la de marca Aero-Tube™, la cual es muy utilizada en procesos en donde se tiene que generar movimiento en el agua, debido a que el tamaño de su burbuja es grande y tiene poca transferencia al medio líquido (8% aprox) y las perforadas, donde podemos encontrar la patente US 7318901 B2 que hace referencia a que la manguera perforada ya existe para oxigenar agua de mar durante emergencias pero que no sirve para la oxigenación en jaulas de cultivo de manera permanente ya que no puede mantener la presión distribuida homogéneamente a lo largo de la línea; patentan un sistema basado en una manguera de doble capa y espacio intermedio que logra distribuir la presión en la línea permitiendo de este modo la mantención de un flujo de entrega homogéneo. De esta manera, se expone a la manguera micro perforada de capa simple como un componente genérico que se comercializa en diferentes lugares del mundo como por ejemplo la compañía Linde que tiene su manguera micro perforada marca Solvox®-B,. También es común encontrar anillos de mangueras micro porosas o micro perforadas en estanques de cultivo de peces, así como esporádicamente algunos difusores de grafito y posiblemente de madera. En todo los casos la dificultad mas importantes se refiere a la imposibilidad para opera los sistemas en forma extendida a alta presión y la posibilidad para mantener el tamaño de la micro burbuja en forma sostenida en el tiempo, dos factores que en forma conjunta afecta en el costo de instalación y costo de los insumos asociados a la menor eficiencia de difusión del gas. Otro factor de análisis se refiere a los sistemas de fijación de las mangueras distribuidoras del gas a los distintos tipos de difusores existentes en el mercado mediante TE o coplas metálicas que con la operación terminan por afectan en forma mecánica a las mangueras o materiales de unión que en general son de características mas blandas.

La patente WO03024578 describe un dispositivo para oxigenar agua en instalaciones de acuicultura para organismos marinos en agua salada por medio de micro burbujas ricas de oxígeno, referido como una manguera difusora que está conectada a un equipo para la producción y suministro de gas oxígeno , que se almacena en un tanque. La manguera se caracteriza por ser perforada para la distribución de oxígeno y el tubo de suministro de oxígeno tiene un número menor de perforaciones/orificios/poros que la tubería de distribución, proporcionando una compensación de presión.

En este caso la manguera se caracterizan por estar formada por dos tipos de mangueras paralelas entre sí, en la cual una, presenta un menor número de perforaciones ( 1 a 10 por metro) y la otra presenta un gran número de perforaciones (200 a 10.000 por metro). Alternativamente, la primera y la segunda manguera pueden cerrar juntas, por lo que están en contacto una con otra (tienen una pared de la manguera común) en la dirección longitudinal permitiendo así un transporte de gas entre la primera y segunda manguera. En este sistema la regulación de la cantidad de oxígeno se realiza por medio de válvulas (preferiblemente magnéticas). La patente US 3 970 731 describe un difusor para la producción de burbujas, donde el difusor está sumergido en un líquido. El difusor está dotado de huecos especiales cu O objeto es recoger las burbujas de los poros del difusor antes de ser liberados en el medio ambiente. En consecuencia, el punto de este difusor es de no liberar micro burbujas, sino que libera burbujas que son más grandes que los que salen de los poros difusor. La importancia de este punto radica que existen diversos factores que influyen en el rendimiento de un difusor: sumergencia de los difusores, caudal de aire por difusor, densidad de difusores y el tamaño de la burbuja que produce el difusor.

Otra área de la difusión de gases es el tratamiento de aguas, este mercado está siendo liderado por los difusores de membrana de EPDM perforada, los cuales se encuentran en forma de plato y tubo. Existen muchos fabricantes y diseños para este tipo de difusor. En tratamiento de aguas también se podrán encontrar casos de uso de difusores de piedra, manguera micro perforada y manguera micro porosa.

El dispositivo de la invención esta conformado por una caja hermética de distribución y regulación de flujo de gas ( 1) caracterizado por operar en rangos de presión de hasta 100 psi, el interior hermético cuenta con distintos componentes de sujeción, control de flujo del gas y contrapeso. Para la difusión de los gases cuenta con distintos puntos de conexión con manguera doble capa de difusión de gas (2) que unida en sus extremos a la caja hermética de distribución y regulación de flujo de gas (1) permite formar distintos argollas de difusión de gas. El dispositivo en su conjunto, resuelve distintos aspectos de eficiencia y operación en el proceso de difusión de micro burbujas de gas en la columna de agua. Su diseño calculado para operar en rangos de presión en el orden de 100 psi, permite interconectar distintas caja hermética de distribución y regular el flujo de gas (1) independiente de la presión de trabajo, conformando una línea de difusión en serie (25) capaz de alcanzar gran cobertura a flujo constante. Esto controlado mediante válvulas de flujo auto compensado y anti retorno (13) que operan en el interior de la caja hermética de distribución y regulación de flujo de gas (1) lugar donde cada extremo de manguera micro perforada de doble capa (2) se encuentra conectada. La conexión de los extremos de la manguera micro perforadas de doble capa (2) a la caja hermética de distribución y regulación de flujo de gas (1) permite formar una argolla de difusión de gas cuya capacidad de difusión se encuentra definida en función del largo de la manguera micro perforadas de doble capa (2), presión de distribución del gas y capacidad de flujo de la válvulas de flujo auto compensado y anti retorno ( 13). La fijación de la manguera a la caja hermética de distribución y regulación de flujo de gas (1), es realizado mediante un conjunto conformado por cilindro cónico para fijación de manguera (11) y anillo expansor tubular cónico (12), la solución de conexión en su conjunto permiten prolongar la vida útil de la unión entre la manguera micro perforada doble capa (2) y la caja hermética de distribución y regulación de flujo de gas, sobretodo asociado a la eliminación de la acción mecánica que produce la utilización de conectores tubulares metálicos o plásticos embutidos en la manguera como ocurre en la totalidad de las alternativas disponible en el mercado. La manguera micro perforada de doble capa (2) cuenta con dos capas de difusión de gas concéntricas y estructuradas en una zona de estrecho contacto con una malla interior estructural (20) conformada por una doble espiral de poliéster que ofrece resistencia a la tracción, evita el colapso por carga mecánica o expansión por acción de la presión de distribución del gas. La capa interior perforada (19) confeccionada en nítrilo (NBR), presenta características de estabilidad frente al contacto con agentes oxidantes, ácidos o alcalinos se encuentra estrechamente unida a la capa exterior perforada (21) que esta formada por un compuesto polimérico auto contráctil (CSM) de similares característica de estabilidad frente a compuestos orgánicos, pero en forma adicional ofrece una característica hidrófila que en contacto con un medio liquido permite estabilizar el tamaño de las micro perforaciones (22) y con ello estandarizar durante toda la vida útil de la manguera micro perforada doble capa (2) el tamaño de las micro burbuja de gas en el rango de entre 90 - 200 mieras. Esta característica hidrófila además permite reducir la interacción de la superficie de la capa exterior perforada (21) con agentes incrustantes que pudieran bloquear el flujo de micro burbujas a través de las micro perforaciones (22) presentes en la manguera. En su conjunto la manguera micro perforada doble capa de difusión de gas (2) con sus características funcionales y de resistencia junto a la caja hermética de distribución y regulación de flujo de gas (1) con componentes de control y conexión, hacen de un dispositivo altamente competitivo respecto de las soluciones existentes en el estado de la técnica sobretodo respecto de la versatilidad para conectar en línea y cubrir amplias extensiones de un cuerpo de agua y por otro lado con una mayor durabilidad y estabilidad en el tamaño de la micro burbuja el elemento mas importante al momento de evaluar la eficiencia del dispositivo.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Fig. 1.- Vista general dispositivo caja hermética de distribución y regulación de flujo de gas ( 1) y manguera micro perforada doble capa (2).

Fig. 2.- Vista exterior caja hermética de distribución y regulación de flujo de gas (1) indicando conexión de manguera micro perforada doble capa (2), manguera matriz de suministro de gas (5), manguera de transferencia de gas en serie (6) y perforaciones de distribución de gas (4).

Fig. 3.- Detalle interior caja hermética de distribución y regulación de flujo de gas (1) indicando posición de estructuras de sellado dispositivo con tapa de registro y posición contrapeso de lastre (10).

Fig. 4.- Vista superior del interior caja hermética de distribución y regulación de flujo de gas (1) indicando detalle y posición de elementos fijación de manguera micro perforada doble capa (2), manguera matriz de suministro de gas (5) y manguera de transferencia de gas en serie (6).

Fig. 5.- Detalle despiece y posición componentes de la caja hermética de distribución y regulación de flujo de gas (1).

Fig. 6.- Detalle de componentes que conforman la manguera doble capa micro perforada (2).

Fig. 7.- Ejemplos de dispositivo caja hermética de distribución y regulación de flujo de gas (I) de forma cilindrica (23) y forma rectangular (24).

Fig. 8.- Detalle de conexión en serie del dispositivo (25) DESCRIPCIÓN DETALLADA DEL DISPOSITIVO

El dispositivo de la invención puede opera como unidad única o unidad múltiple conectada en línea, para este caso la caja hermética de distribución y regulación de flujo de gas (1) se encuentra conectada a una manguera matriz de suministro de gas (5) y en forma opcional conectada en serie a través de manguera de transferencia de gas en serie (6), en ambos casos a una presión nominal de entre 0 - 100 psi. Este característica y rango de presión permite al dispositivo cubrir grandes extensiones de difusión de gas en un cuerpo líquido. Una de las características importantes de la caja hermética de distribución y regulación de flujo de gas (1) es su característica de controlar el flujo del gas hacia la manguera micro perforada doble capa (1) en forma auto compensado, es decir, a un determinado rango de presión es capaz de estabilizar la presión de difusión del gas independiente de la presión de transporte o distribución del gas. Esto mediante válvulas de inyección de gas auto compensado y anti retorno (13) que permiten un flujo estabilizado de gas para cada manguera micro perforada de doble capa (2) en un rango de flujo de gas controlado a elección de entre 1,2,3,4,5 litros por minuto (rango de presión 20 - 50 psi). Esta característica permite gran flexibilidad de flujo de gas en función de cada requerimiento, permitiendo en casos excepcionales incluso generar una gradiente lineal de difusión de gas. Esto es; en sistemas de estanques de crianza de organismos acuícolas en el punto de ingreso de agua fresca es posible instalar un dispositivo que controla un flujo de oxigeno de 1 litro por minuto y luego hacia la parte intermedia del estanque, interconectar un dispositivo que controla un flujo de 5 litros de gas por minuto. A modo de ejemplo si se consideran válvulas de inyección de gas auto compensado y anti retomo (13) con una capacidad de flujo de 2 - 3 litros por minuto, cada caja hermética de distribución y regulación de flujo de gas (1) que cuenta con cuatro anillos de manguera (2 mt cada una), tendría una capacidad de difusión (30 - 50 psi) en un rango de 14 - 18 lt / min.

Flujo gas 4 anillos / presión

40 50 60 70 80 90 100

Presión (Psi)

La caja hermética de distribución y regulación de flujo de gas (1) puede adaptar a distintas condiciones de operación y para ello puede tener forma cuadrada, rectangular (24) o cilindrica (23), confeccionada en distintos tipos de materiales según el requerimiento especifico de cada aplicación. Esto es; poli carbonato, HDPE (polietileno de alta densidad), PVC (poli cloruro de vinilo), acrflico, aluminio o acero inoxidable o la mezcla de estos, opera como unidad sellada libre de mantención a una presión de entre 0 - 100 psi con lo cual es posible alcanzar una gran capacidad de transporte de gas y cobertura de difusión, característica que como se indico anteriormente se encuentra definida entre otras en función del largo de las mangueras micro perforadas de doble capa (2). Las paredes laterales de la caja hermética de distribución y regulación de flujo de gas (1) cuenta con perforaciones de distribución de gas (4) alineadas a distancia regular una al lado de la otra, que corresponden al punto de conexión de cada manguera micro perforada de doble capa (2). La caja hennética de distribución y regulación de flujo de gas (1) cuenta en una de sus esquinas con un ducto cónico matriz de gas (14) y en forma opcional en la esquina opuesta con un ducto cónico de conexión en serie (15) ambas puntos de conexión operan conectados mediante una manguera matriz de gas (5) y manguera de transferencia en serie de gas (6) que operan en el rango de presión de entre 0 - 100 psi. En ambos casos el punto de conexión de las mangueras (5) y (6) corresponde a la perforación matriz de gas (26), punto donde es fijada y sellada mediante un expansor tubular cónico de matriz (16) que actúa presionando contra la pared interior del ducto cónico matriz de gas (14) o ducto cónico de conexión en serie (15) según corresponda.

Cada extremo de manguera micro perforada de doble capa (2) se une a la perforaciones de distribución de gas (4) a través de un cilindro cónico para fijación de manguera ( 11) que desde el interior de la caja hennética de distribución y regulación de flujo de gas ( 1) es presionada y sellada contra el lumen interior de la manguera perforada de doble capa (2) y pared interior del cilindro cónico para fijación de manguera (11) mediante un anillo expansor tubular cónico (12) que en su conjunto presiona contra la pared interior del cilindro cónico para fijación de manguera (11). Esta característica de fijación y sellado permite asegurar la durabilidad mecánica y resistencia a la tracción de cada punto de conexión de la manguera micro perforada de doble capa (2). En el interior de la caja hennética de distribución y regulación de flujo de gas ( 1), cada extremo de manguera micro perforada de doble capa (2), se conecta a través del anillo expansor tubular cónico (12) a una válvulas de inyección de gas auto compensado y anti retorno (13), que permite regular y estabiliza el flujo de gas calculado en función del requerimiento de cada aplicación, esto es; 1,2,3,4,5 o mas litros de gas por minuto. Esta característica permite definir y controlar con alta flexibilidad el flujo del gas en un dispositivo de cuatro o mas anillos de manguera micro perforada de doble capa (2) independiente de la presión de trabajo. Cuenta además con la característica de anti retorno con lo cual permite el flujo en una dirección hacia la manguera micro perforada doble capa (2) evitando de este modo la posibilidad de retorno del liquido donde opera el dispositivo hacia el interior de la caja hennética de distribución y regulación de flujo de gas (1).

La manguera micro perforada de doble capa (2) esta confonnada por una capa interior perforada (19) confeccionada en nitrilo (NBR), de alta estabilidad frente a compuestos oxidantes, ácidos o alcalinos cuya superficie exterior se encuentra en contacto directo con una malla interior estructural (20) confeccionado con una doble espiral de polyester que evita el colapso o deformación de la manguera micro perforada de doble capa (2). La capa exterior perforada (2.1) confeccionada con un polímero auto contráctil hidrófilo (CSM) unido estrechamente a la malla interior estructural (20) y capa interior perforada (19) respectivamente. Su conformación además de ser estable frente a gentes oxidantes, ácidos o alcalinos, presenta una característica hidrófila que asociado a la presión que ejerce la columna del liquido permite mantener en forma constante el tamaño de la micro perforación y respectiva micro burbuja en el rango de entre 90 - 200 mieras, lo cual asegura una mayor capacidad de difusión del gas en la columna de agua, reduciendo de este modo la posibilidad de que una parte del gas sea liberado al ambiente aéreo. Esta característica hidrófila reduce además la inclusión de material incrustante que pudiera afectara a las micro perforaciones donde se genera las micro burbujas de gas en el medio liquido. Las dos capas de la manguera micro perforada de doble capa (2) presentan boyantes neutra y cuenta con micro perforaciones de difusión de gas (22) que presentan un diámetro en el rango de entre 90 - 200 mieras y atraviesan en forma lineal las dos capas de manguera. La densidad de las micro perforaciones de difusión de gas (22) se encuentra en razón de 3000 a 9000 unidades por metro que a una presión estándar de trabajo de entre 20 - 50 psi permite alcanzar un caudal de gas en el orden de 2 - 10 lpm por cada metro de manguera micro perforada de doble capa (2). La composición de la manguera es de características inerte frente a la acción de distintos gases como el oxígeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono, ozono, argón etc., y compuestos líquidos de características corrosivas de pH acido o alcalino.

En casos particulares, la caja hermética de distribución y regulación de flujo de gas (1) puede contar con una tapa de registro (3) sellada o ajustada a presión contra un oring de sellado (18) que se aloja en un surco de sellado (8) que recorre el contorno superior interior de la caja hermética de distribución y regulación de flujo de gas (1). Esta alternativa permite realizar mantención e intercambiar las válvulas de inyección de gas auto compensado y anti retorno (13) en función del requerimiento espacio-temporal de difusión del gas en el líquido, esto es; válvulas con capacidad de flujo de 1,2,3,4,5 o mas litros de gas por minuto. Para asegurar la operación de la caja hermética de distribución y regulación de flujo de gas (1) que opera con tapa de registro (3), el dispositivo cuenta en forma opcional con perforaciones hiladas (9) ubicadas en cada esquina del borde superior donde ajusta la tapa de registro (3) que pemiiten la fijación de la tapa mediante tomillos de acero inoxidable (17).

En aplicaciones de acuicultura y tratamiento de residuos líquidos la caja hermética de distribución y regulación de flujo de gas (1), cuenta en cada esquina de la base inferior con ventosas de apoyo (7) que permiten fijar el dispositivo en un punto determinado esto ayudado por un contrapeso de lastre (10) de peso variable instalado en el interior del dispositivo y que tiene la capacidad de compensar la totalidad del volumen desplazado por la caja hermética de distribución y regulación de flujo de gas (1).