Procedimiento y dispositivo de elevado rendimiento para Ia generación de gotas y burbujas.

OBJETO DE LA INVENCIóN

La presente invención tiene por objeto un procedimiento y un dispositivo para generar gotas o burbujas en líquidos, con un rango de tamaños que en condiciones normales de temperatura y presión puede ir desde unos cientos de mieras hasta varios milímetros.

Cuando el líquido o gas a dispersar se hace pasar a través de pequeños orificios que descargan en una corriente transversal, se produce Ia formación de unos meniscos de los que se desprenden pequeñas gotas o burbujas. Para que esta generación de gotas o burbujas sea Io más eficiente posible, Ia fracción de energía empleada en el proceso que se traduce en un aumento de superficie de las interfaces líquido-líquido o líquido-gas debe maximizarse en relación a Ia energía comunicada al sistema. El dispositivo objeto de Ia presente invención es aplicable en campos como Ia Oxigenación y Aireación de líquidos, Ia Ingeniería Química y Ia Tecnología de Alimentos, donde Ia generación eficiente de pequeñas burbujas de gas o gotas de líquido en el seno de una corriente líquida sea una parte importante del proceso. El objetivo en Ia mayoría de estas aplicaciones es maximizar Ia superficie de contacto entre las fases.

ESTADO DE LA TéCNICA

Los métodos de oxigenación o aireación existentes se basan en el aumento de Ia superficie de contacto gas-líquido con objeto de acercar Ia concentración de oxígeno disuelto al valor de saturación. La mayoría de los sistemas que se emplean actualmente (CE. Boyd 1998, Acuicultural Engineering 18, 9-40) tratan de fragmentar una masa de líquido en aire, que se reincorpora seguidamente a Ia masa de líquido, o bien producen burbujas que son introducidas directamente en el líquido. Existen algunos dispositivos que producen Ia rotura de un chorro de gas en

presencia de una corriente de líquido, como pueden ser los venturis o algunas bombas que son al mismo tiempo propulsoras y succionadoras de aire, pero son poco eficientes ya que su eficiencia de oxigenación estándar (SAE) apenas supera los dos kilogramos de oxígeno por cada kilovatio-hora consumido. La forma más eficiente de generar burbujas es inyectar gas en el seno de un coflujo de líquido. Sin embargo, esto supone que para obtener grandes caudales habría que situar en Ia corriente principal cientos o miles de agujas. Por Io tanto, parece más interesante realizar Ia inyección de gas mediante multitud de orificios practicados en Ia pared del conducto principal, de forma que a Ia salida de éstos Ia corriente transversal de líquido produce un gran arrastre sobre el gas que sale por los orificios. Esta disposición de flujo cruzado puede dar lugar a los distintos regímenes o modos (S. E. Forrester y CD. Rielly 1998, Chemical Engineering Science 53, pág. 1517-1527) que se muestran en Ia Figura 1. El modo de burbujeo se produce a bajos caudales del fluido a dispersar y está caracterizado por una producción regular de burbujas aproximadamente esféricas y de tamaño uniforme cerca del orificio de inyección. El diámetro de las gotas o burbujas resultantes está determinado por el equilibrio entre Ia fuerza de resistencia aerodinámica producida por Ia corriente principal y Ia fuerza de tensión superficial, por Io que es posible obtener burbujas extremadamente pequeñas. Sin embargo, este modo de funcionamiento tiene como fundamental desventaja que, para las configuraciones geométricas habituales, Ia relación entre el caudal de gas inyectado y el de líquido impulsor es demasiado baja para las aplicaciones de interés general, ya que se obtiene una eficiencia muy baja. Para valores más elevados del caudal de fluido a dispersar se forma un chorro continuo anclado a Ia salida del orificio que posteriormente se rompe de forma caótica en fragmentos irregulares. Este es el denominado modo chorro, en el que las fuerzas de flotación suelen ser despreciables y si Ia inercia del fluido inyectado es también despreciable el chorro de gas alcanza en Ia zona de rotura una velocidad muy parecida a Ia del líquido que Ie rodea. En ausencia de otras fuerzas importantes el diámetro medio equivalente de las gotas o burbujas que se producen se puede aproximar a (P.F. Wace, M. S. Morrell y J. Woodrow 1987, Chemical Engineering Communications 62, pág. 93- 106) d^ » 2,A^Q ₈ Iu ₁ , donde Q ₉ es el caudal del fluido inyectado por el orificio y u¡ Ia velocidad del líquido

que rodea al chorro. Para completar Ia descripción de los modos posibles basta mencionar que el modo pulsante es un régimen intermedio entre los dos anteriores y el modo con cavidad sólo se forma en algunas configuraciones geométricas a grandes caudales del fluido a dispersar. En el caso de que las burbujas, el chorro o Ia cavidad formados alcancen una zona de turbulencia desarrollada de Ia corriente de líquido, el proceso de Ia generación de burbujas está bien documentado en C. Martínez-Bazán, J. L. Montañés y J. C. Lasheras 1999 (Journal of Fluid Mechanics 401 , pág. 157-182 y 183-207). En este caso los esfuerzos turbulentos son los causantes de Ia disgregación de las burbujas y se pueden llegar a producir burbujas mucho menores que el orificio de inyección si el número de Weber basado en el tamaño de las estructuras del flujo en Ia zona de rotura (/), Ia velocidad del líquido (U _/ ) y Ia tensión superficial (σ) (We =p¡ uf I /σ, donde p¡ es Ia densidad del líquido) es Io suficientemente grande. En este tipo de rotura se han realizado recientes progresos (A. Sevilla, Tesis Doctoral, Universidad Carlos III de Madrid).

En el dispositivo presentado en este documento se favorece Ia formación de burbujas más pequeñas mediante Ia generación de zonas de cortadura intensa en el flujo. Esto hace que las burbujas obtenidas puedan tener tamaños significativamente menores que el ligamento de gas del que son generadas. La fragmentación de burbujas mediante pequeñas estructuras de cortadura intensa es también objeto de Ia patente de Dávila y Gordillo 2004. Desde un punto de vista conceptual, Ia presente invención tiene como ventaja fundamental respecto de Ia anterior que las burbujas se forman directamente a partir del menisco anclado, en vez de a partir de burbujas ya generadas mediante cualquier otro procedimiento, Io cual es clave para que el rendimiento energético pueda maximizarse.

La mayoría de los métodos de atomización existentes convierten una parte de Ia energía que se suministra al sistema (energía cinética en el caso de los atomizadores neumáticos, eléctrica en los sónicos y ultrasónicos piezoeléctricos, mecánica en los rotativos, electroestática en los atomizadores electro hidrodinámicos, etc.) en energía de tensión superficial, ya que Ia superficie de Ia interfaz líquido-gas aumenta drásticamente en estos procesos. En las aplicaciones que se citan en Ia presente invención, eso supone que Ia energía aportada aumenta al disminuir el tamaño de las gotas o burbujas formadas. Sin embargo, en muchos atomizadores (y en el dispositivo que aquí se describe) parte de Ia energía se transfiere al fluido en forma de energía cinética y esto junto con el aumento de Ia

superficie gas-líquido puede permitir acelerar en gran medida Ia transferencia de partículas o iones a través de Ia interfaz. En cualquier caso existirá un óptimo a partir del cual un aumento de Ia energía aportada no supone una mejora de Ia eficiencia del proceso y viceversa, una disminución de Ia energía aportada para Ia atomización supone una disminución del rendimiento.

DESCRIPCIóN DE LA INVENCIóN

El objeto de Ia presente invención es un procedimiento y un dispositivo de atomización y fragmentación de gotas o burbujas en el seno de una corriente líquida. De entre los muchos procedimientos habitualmente empleados para producir burbujas de pequeño tamaño esta invención utiliza Ia inyección a través de orificios en un flujo transversal para Ia posterior rotura en fragmentos que típicamente están en el rango milimétrico. Cuando se inyecta gas (o un líquido inmiscible) en una comente transversal de líquido se forma un menisco que posteriormente se desprende del orificio, formándose burbujas que son fácilmente fragmentables en otras de menor tamaño debido a Ia cortadura (capa límite) o a las pequeñas estructuras de Ia corriente turbulenta del flujo principal. El dispositivo basado en este procedimiento consta por Io tanto de las fases de inyección y rotura, que se suceden al inyectar el gas (o líquido inmiscible) a través de pequeños orificios y por donde también discurre una corriente transversal de líquido, alcanzándose velocidades suficientes para producir una fuerte cortadura o unas elevadas fluctuaciones que produzcan Ia rotura del menisco anclado al orificio o de las burbujas desprendidas de éste. En este sentido, el procedimiento propuesto es semejante al de los venturis, en los que además también se recupera parte de Ia energía cinética que se Ie comunica al flujo mediante una tobera divergente situada a continuación de Ia zona de inyección y rotura. Sin embargo, nuestro dispositivo tiene Ia ventaja de que el consumo energético es mucho menor ya que se minimiza el caudal de líquido de Ia corriente principal y además las burbujas desprendidas de los orificios son sustancialmente más pequeñas.

Mediante este procedimiento se consiguen unas burbujas extremadamente pequeñas, siendo el principal límite de tipo constructivo. Con mecanizados de precisión estándar pueden obtenerse burbujas de unas pocas decenas de mieras, aunque en este caso los rendimientos no son tan elevados. Como ventaja adicional

se produce una elevada agitación de Ia mezcla, aumentando considerablemente Ia transferencia de gas al líquido. Los caudales de aire y líquido pueden controlarse mediante válvulas de regulación, alcanzándose Ia máxima eficiencia cuando Ia velocidad del líquido en el orificio es típicamente del orden de 10m/s y Ia relación de caudales es del orden de Ia unidad. En el caso de Ia oxigenación o aireación de agua Ia tasa de eficiencia estándar (SAE) puede alcanzar valores muy superiores a los 2kg de oxígeno por kilovatio-hora que se obtienen con los mejores sistemas actuales.

Las burbujas generadas mediante este método de atomización tienen las siguientes propiedades:

1. Tienen un tamaño pequeño; el rango de diámetros varía típicamente entre las decenas de mieras y unos pocos milímetros.

2. Se encuentran en movimiento dentro de una corriente turbulenta, Io cual favorece aún más Ia transferencia iónica o molecular desde el gas al líquido o del líquido al líquido en el caso de Ia formación de emulsiones de líquidos inmiscibles.

Esto puede permitir entre otras aplicaciones una eficiente disolución de gases en líquidos o, análogamente, un aumento considerable de Ia velocidad de las reacciones que se producen en los reactores químicos líquido-gas o líquido-líquido.

Descripción detallada de Ia invención

La formación de un menisco anclado a Ia salida de un orificio es consecuencia del equilibrio de las fuerzas de resistencia aerodinámica, tensión superficial e inercia, ya que el efecto de Ia gravedad suele ser despreciable en este proceso. Dependiendo de Ia configuración geométrica y de las velocidades de los dos fluidos el menisco rompe en pequeños fragmentos dando lugar a tamaños muy diversos. Se utiliza un rango paramétrico (conjunto de valores especiales de las propiedades de los fluidos, tamaño de los orificios, caudales, etc.) tal que de Ia ruptura del menisco se producen fragmentos de diámetro típico de unos cientos de mieras, de forma que Ia eficiencia energética sea máxima, si es ése el objetivo, pudiendo ser en otros casos el objetivo alcanzar los menores tamaños posibles a costa de reducir Ia eficiencia.

Cuando se mantienen constantes los caudales de líquido y de gas (o de líquido a dispersar), se forma a Ia salida del orificio un menisco en una corriente laminar de líquido con una velocidad media u¡, aplicando una presión de impulsión del líquido

P ₀ = Ps + Y P," l '

donde P ₀ y Ps son Ia presión aguas arriba y aguas abajo del dispositivo respectivamente, p¡ es Ia densidad del líquido y k¡ es Ia constante de pérdida de carga del flujo de líquido impulsor (Idelchik, Hemisphere, 1986). Así mismo, en el gas hay que aplicar una presión que venza Ia pérdida de carga provocada por los orificios

donde k _g es Ia constante de pérdida de carga del orificio, p _g Ia densidad del gas, u _g Ia velocidad del gas en el orificio y P _/ Ia presión en zona de descarga, que está relacionada con Ia presión de impulsión del líquido a través de

donde A¡ y A ₀ son las áreas de paso de Ia zona de inyección de gas y de impulsión de líquido y se ha supuesto que esta transición de áreas es suave para que no existan pérdidas de presión de remanso. De esta forma P _/ , y por Io tanto también P ₉ , pueden ser bastante inferiores a Po si u¡ es suficientemente elevada.

El número de Weber (cociente entre las fuerzas dinámicas o de inercia y las de tensión superficial) es donde σ es Ia tensión superficial y d el diámetro del menisco alargado. En el rango de interés para las aplicaciones que aquí se incluyen los valores de We suelen ser muy grandes, Io que significa que en el proceso de ruptura de una burbuja o gota que tuviera un diámetro del orden del del menisco, Ia tensión superficial no jugaría un papel importante, siendo dominantes las fuerzas de presión y las dinámicas. Esto quiere decir que se pueden producir mediante este procedimiento gotas o

burbujas de un tamaño mucho menor que las del menisco, aunque ciertamente de esta ruptura surgen tamaños muy diversos. Por ejemplo, en Ia rotura de burbujas de aire en agua (σ = 70mN/m) en una corriente con velocidades de varios metros por segundo, se pueden alcanzar altos valores del número de Weber, basado en el diámetro de Ia burbuja formada, con tamaños de burbujas de unas pocas decenas de mieras. Además, también resultarán burbujas de mayor tamaño cuando éstas alcancen zonas donde Ia cortadura no es muy intensa.

En este proceso los consumos energéticos derivan de Ia impulsión de los dos fluidos (que se invierten en aumentar Ia energía superficial, Ia energía cinética y en disipación viscosa) y por Io tanto pueden calcularse mediante Ia expresión

W = Wι + W _g = Q, (P ₀ - P _s ) + Q _g (P _g - P _s ), donde Q, es ei caudal del líquido que proporciona Ia corriente principal y Q ₉ el del gas o líquido dispersado. Para las aplicaciones de oxigenación o disolución de gases en líquidos Ia eficiencia de disolución estándar (SAE) en kg de O ₂ por kWh puede obtenerse de

Wι+ W _g donde Q ₉ se expresa en m ³ /h, p ₉ en kg/m ³ y Ia potencia en kW. a _g es Ia fracción de O ₂ disuelto en el líquido respecto del inyectado e Y ₀₂ Ia fracción volumétrica de oxígeno en el gas inyectado (0,21 para aire en condiciones normales).

Para maximizar Ia eficiencia energética hay que reducir el coste de impulsión sin aumentar en exceso el tamaño medio de las burbujas resultantes y por Io tanto sin disminuir en exceso a _g . Dado que este tamaño depende de Ia velocidad del líquido pero no del caudal de líquido, es conveniente reducir en Io posible el área de paso del conducto donde se inyecta el gas, Io cual puede conseguirse por ejemplo introduciendo un cuerpo fuselado que al mismo tiempo que reduzca el área de paso no aumente en exceso Ia pérdida de carga.

Teniendo en cuenta los tamaños típicos de burbujas que se producen (las mayores burbujas están en el rango de los milímetros) y de las propiedades de Ia corriente turbulenta en Ia que están inmersas (con fluctuaciones de velocidad cercanas al metro por segundo), puede suponerse que al menos un 50% del O ₂ se disolverá en el líquido si el tiempo de residencia de las burbujas en el depósito de descarga es suficientemente prolongado. Por Io tanto, para sobrepresiones de tan sólo 0,1 bar

(suficiente para conseguir velocidades mayores de 10m/s en el punto de inyección si k¡ < 0.2), en el caso de utilizar aire en condiciones normales (20 ⁰ C y 1atm)

Hay que tener en cuenta que para relaciones de caudal Q _/ /Q ₉ próximas a Ia unidad se produce con frecuencia Ia coalescencia entre burbujas, Io que impone un valor mínimo de Q _/ /Q ₉ . A pesar de esto Ia eficiencia resultante puede ser muy elevada, pudiéndose llegar a más de 6kg O ₂ /kWh y aunque a estos valores les debe ser aplicado el rendimiento de Ia bomba impulsora del líquido es claro que pueden alcanzarse eficiencias superiores a las obtenidas mediante los procedimientos habituales.

DESCRIPCIóN DE LAS FIGURAS

Figura 1. Representación esquemática de los distintos modos de rotura de gotas o burbujas en un flujo cruzado: a) modo de burbujeo, b) modo pulsante, c) modo chorro y d) modo con cavidad.

Figura 2. Para complementar Ia descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de Ia presente invención se acompaña a Ia presente memoria descriptiva, como parte integrante de Ia misma, Ia

Figura 2 que, con carácter ilustrativo y no limitativo, recoge un modelo de prototipo de difusor de gases en líquidos:

1. Conducto de alimentación del líquido. 2. Alimentación del gas.

3. Cámara a presión de gas.

4. Orificios por los que se inyecta el gas.

5. Cuerpo fuselado.

6. Zona de ruptura de las burbujas. P ₀ = presión de impulsión del líquido.

Ps = presión a Ia salida del dispositivo.

MODO DE REALIZACIóN DE LA INVENCIóN

El sistema propuesto para el desarrollo de Ia presente invención, requiere del suministro de unos caudales de líquido impulsor y de gas o líquido a dispersar. Ambos caudales deben ser los apropiados para que el sistema esté dentro del rango parámetrico de interés para alcanzar las especificaciones de una aplicación concreta. Se aumentará el número de orificios de inyección del fluido a dispersar y Ia sección transversal del conducto principal en Ia zona de inyección si Ia velocidad del líquido en esta zona es muy elevada para los caudales requeridos y por ello Ia eficiencia resulta muy baja como consecuencia de unas presiones de excesivas aguas arriba de los conductos. Así mismo se podrá disponer de varios conductos principales por los que fluye el líquido impulsor dispuestos en paralelo y en los que se inyecta el gas o líquido a dispersar a través de múltiples orificios. Puede suministrarse un mayor caudal de líquido impulsor y de gas o líquido a dispersar por cualquier medio en aplicaciones específicas (oxigenación, reactores químicos gas-líquido o líquido-líquido, etc.) ya que esto no interfiere en el funcionamiento del atomizador. Por Io tanto pueden usarse cualesquiera métodos de suministro de líquido impulsor y de gas o líquido a dispersar (compresores, bombas volumétricas, botellas de gas comprimido, etc.). El líquido impulsor del movimiento se introduce a través de un conducto de sección transversal alargada de forma que se puedan situar a Io largo de Ia pared los orificios necesarios para Ia inyección en paralelo del fluido a dispersar. Esta sección podrá formarse mediante conductos rectangulares con una relación entre su anchura y longitud transversales comprendida entre 0 y 0,5 o mediante conductos anulares con una relación entre su diámetro interior y exterior comprendida entre 0,1 y 1.

El caudal del fluido a dispersar debe ser Io más homogéneo posible entre los distintos orificios, Io cual puede requerir, alternativamente, Ia inyección a través de medios porosos, placas perforadas o cualquier otro método capaz de distribuir un caudal homogéneo entre los diferentes puntos de alimentación. Los orificios por los que se introduce el gas o líquido a dispersar tendrán una abertura de entre 10^ y 10mm, preferentemente entre 0,01 y 1 mm.

Los materiales de que puede estar fabricado el atomizador son múltiples (metal, plástico, cerámica, vidrio), dependiendo fundamentalmente Ia elección del material de Ia aplicación específica en Ia que vaya a emplearse el dispositivo.

En Ia figura 2 se presenta el esquema de un prototipo ya probado, en el que el líquido impulsor se introduce por un conducto de entrada (1) y el gas a dispersar se introduce por otro extremo del sistema (2) en una cámara a presión (3). En este prototipo se han utilizado presiones de alimentación del gas a fragmentar desde

0,05 a 2,5bar por encima de Ia presión atmosférica P ₅ a Ia que se descarga. La entrada al conducto de impulsión de líquido está a una presión P ₀ > Ps- La presión de alimentación del gas debe ser siempre ligeramente superior a Ia del líquido en Ia zona de inyección, en función de Ia pérdida de carga del sistema inyector de gas, para asegurar una cierta relación de caudales líquido/gas. Los parámetros geométricos fundamentales son el área de paso de líquido en Ia zona de inyección del gas y Ia geometría de Ia tobera divergente situada aguas abajo de Ia inyección en Ia zona de fragmentación de las burbujas producidas (6).

En este prototipo Ia inyección de gas se realizó a través de 36 orificios (4), con diámetros de 0,3mm. La sección del conducto principal de impulsión de líquido era de forma anular, formada por un conducto de diámetro interior de 20mm y un cuerpo fuselado (5) que en el punto de inyección tenía un diámetro de 18mm. El ángulo de Ia tobera divergente situada aguas abajo de Ia sección de inyección era de 20°. El resto de las medidas del prototipo no afectan en modo alguno a Ia generación y fragmentación de las burbujas, siempre que Ia cámara de presión del gas tenga dimensiones grandes (longitud y diámetro) en comparación con los orificios.