FORMA CONTINUA

MEMORIA DESCRIPTIVA

[0001] La presente invención se refiere a un método para el tratamiento de líquidos en forma continua, convirtiendo temporalmente un flujo de líquido en un flujo bifásico, el cual es ionizado por un campo eléctrico de alta intensidad, manteniendo un régimen de ionización generando plasma no térmico, con el objetivo de favorecer la degradación de compuestos orgánicos, e inactivación de microorganismos en dicho flujo de líquido.

[0002] Adicionalmente, la invención se refiere a una cámara de reacción para el tratamiento de líquidos en forma continua, para la conversión temporal del flujo de líquido en flujo bifásico e ionización de dicho flujo bifásico al interior de la cámara de reacción.

[0003] Finalmente, la invención también se refiere a un sistema para el tratamiento de líquidos en forma continua, que comprende a la cámara de reacción de la invención.

ANTECEDENTES

[0004] La creciente necesidad de contar con sistemas confiables y compactos para el tratamiento de líquidos, principalmente para la descontaminación del agua, ha dirigido a la industria en crear distintos mecanismos de tratamiento considerados poco usuales. Entre dichos mecanismos de tratamiento se encuentra el empleo del plasma para el tratamiento de líquidos.

[0005] En este contexto, la publicación EP 3321233, titulada "Method and device for in- stream aqueous médium treatment", considera un reactor en el cual se aplica plasma en la corriente de fluido a tratar, empleando un flujo bifásico supersónico dado que la velocidad del sonido decrece dentro de la cámara de reacción. De acuerdo con dicha publicación, todos los microorganismos patógenos conocidos serían eliminados en un corto tiempo mediante la simple implementación de los mecanismos de tratamiento divulgados, entre ellos el plasma.

[0006] Sin embargo, nada en la publicación EP 3321233 se refiere a proporcionar un método, cámara de reacción y sistema para el tratamiento de un líquido capaz de tratar el líquido en forma efectiva, generando un estado de plasma estable en un flujo bifásico que circula a través de la cámara de reacción, favoreciendo la obtención de un flujo de líquido en el cual se han degradado los compuestos orgánicos e inorgánicos, y se han inactivado los microorganismos presentes.

[0007] Por otra parte, las patentes US 9023214 y US 9475713 divulgan procesos para aplicar partículas de plasma a un líquido, más específicamente a gotas de un líquido suspendidas en un entorno gaseoso, con el objetivo de promover una variedad de interacciones en dicha mezcla bifásica. Al respecto, la presente invención se origina como un desarrollo posterior a las patentes citadas, desarrollo que aumenta la eficiencia y eficacia del procedimiento y dispositivos divulgados en dichas patentes. En efecto, la presente invención comprende un desarrollo acabado de la metodología de tratamiento de líquidos y de la cámara de reacción y sistema involucrados en dicho tratamiento, presentando una solución óptima al tratamiento de aguas mediante la transformación del líquido en un flujo bifásico líquido-gas y la posterior ionización de la fase gaseosa, generando plasma no térmico.

[0008] Este proceso promueve reacciones químicas, a baja temperatura y en flujo continuo, generando radicales libres, hidrólisis y reacciones de oxidación-reducción, entre otras reacciones. Algunas de las aplicaciones de la tecnología están orientadas a la degradación de compuestos orgánicos, e inactivación de microorganismos.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

[0009] La invención se refiere a un método para el tratamiento líquidos en forma continua, en donde dicho método comprende las siguientes etapas:

a. recibir un flujo de líquido a tratar en una cámara de reacción, a través de al menos una abertura de entrada en dicha cámara de reacción, dirigiendo dicho flujo de líquido a tratar hacia una sección de entrada de la cámara de reacción; b. convertir el flujo de líquido a tratar en un flujo bifásico líquido-gas en dicha sección de entrada;

c. dirigir el flujo bifásico hacia una sección intermedia de la cámara de reacción, donde se aplica un campo eléctrico;

d. ionizar la fracción gaseosa del flujo bifásico que circula a través de dicha sección intermedia, producto de la interacción entre el flujo bifásico y el campo eléctrico aplicado; e. mantener un régimen de ionización generando plasma no térmico a lo largo de la sección intermedia de la cámara de reacción, en donde dicho régimen se mantiene por medio del control del campo eléctrico aplicado en dicha sección intermedia;

f. dirigir el flujo bifásico en régimen de ionización hacia una sección de descarga de la cámara de reacción, separada de la sección intermedia donde se aplica el campo eléctrico, generando desionización de la fracción gaseosa, y produciendo una pérdida de velocidad en el flujo de líquido que resulta en la condensación del flujo bifásico; y

g. retirar un flujo de líquido tratado desde dicha sección de descarga, a través de al menos una abertura de descarga en la cámara de reacción.

[0010] De acuerdo con una modalidad, la etapa de recibir el flujo de líquido en la cámara de reacción además comprende, antes del ingreso del flujo de líquido en la sección de entrada, presurizar y acelerar el flujo de líquido en condiciones turbulentas hacia la cámara de reacción. Además, el flujo de líquido acelerado en condiciones turbulentas genera una caída de presión en la sección de entrada de la cámara de reacción, promoviendo que el flujo bifásico posea una alta superficie de contacto entre las fases que lo conforman.

[0011] De acuerdo con una modalidad, la etapa de convertir el flujo de líquido en el flujo bifásico es promovida por la liberación parcial de gases disueltos en el líquido a tratar y por la evaporación parcial del mismo.

[0012] De acuerdo con una modalidad, la etapa de dirigir el flujo bifásico hacia la sección intermedia de la cámara de reacción comprende dirigir dicho flujo bifásico para contactar las paredes internas de la cámara de reacción en su sección intermedia.

[0013] Dicha sección intermedia puede comprender al menos un par de electrodos que generan la descarga eléctrica para producir el campo eléctrico aplicado en dicha sección intermedia. En este contexto, la etapa de ionizar la fracción gaseosa del flujo bifásico comprende aplicar un campo eléctrico entre los electrodos cuya intensidad supera el voltaje de ruptura de la fase gaseosa de dicho flujo bifásico.

[0014] De acuerdo con una modalidad, la etapa de dirigir el flujo bifásico en estado de plasma hacia la sección de descarga de la cámara de reacción comprende reconvertir el flujo bifásico en el flujo de líquido tratado.

[0015] De acuerdo con una modalidad, el campo eléctrico puede generarse mediante un diferencial de potencial entre los electrodos, en donde dicho diferencial de potencial es aplicado por al menos una fuente de poder de alta frecuencia. En este contexto, la etapa de mantener el régimen de ionización, generando plasma no térmico, comprende emplear un limitador de corriente para limitar la corriente que circula por los electrodos. Dicho limitador de corriente puede estar integrado a la al menos una fuente de poder que aplica el diferencial de potencial.

[0016] De acuerdo a una modalidad, el campo eléctrico puede generarse mediante un diferencial de potencial entre los electrodos, en donde dicho diferencial de potencial es aplicado por al menos una fuente de corriente continua DC, la cual puede funcionar en régimen continuo o pulsante, y comprende emplear un limitador de corriente para limitar la corriente que circula por los electrodos.

[0017] Dicho limitador de corriente puede ser pasivo en la forma de un sistema estable autoajustado, o activo en la forma de un controlador realimentado.

[0018] Además, la invención se refiere a una cámara de reacción para el tratamiento líquidos en forma continua, que comprende:

- al menos una abertura de entrada, a través de la cual se recibe el flujo de líquido a tratar en la cámara de reacción;

una sección de entrada, en donde el flujo de líquido a tratar es convertido en un flujo bifásico líquido-gas;

una sección intermedia configurada para aplicar un campo eléctrico a la cámara de reacción, ionizando la fracción gaseosa del flujo bifásico que circula a través de la sección intermedia, y para mantener un régimen de ionización generando plasma no térmico a lo largo de la sección intermedia, por medio del control del campo eléctrico aplicado;

una sección de descarga, a continuación de la zona de interacción con el campo eléctrico, donde se genera la desionización de la fracción gaseosa, y se produce una pérdida de velocidad que resulta en la condensación del flujo bifásico; y una abertura de descarga, a través de la cual se retira un flujo de líquido tratado.

[0019] De acuerdo con una modalidad, la sección de entrada de la cámara de reacción comprende al menos una tobera, dispuesta para acelerar el flujo de líquido en condiciones turbulentas, promoviendo que el flujo bifásico posea una alta superficie de contacto entre las fases que lo conforman. La tobera puede comprender una sección de descarga que se expande hacia el interior de la cámara de reacción, mediante un aumento de la sección transversal de dicha sección de descarga de la tobera, generando una caída de presión en la sección de entrada de la cámara de reacción. Además, dicha tobera puede dirigir el flujo bifásico en forma turbulenta hacia paredes internas de la cámara de reacción, principalmente en su sección intermedia.

[0020] De acuerdo con una modalidad, la cámara de reacción se llena con flujo bifásico turbulento hasta la sección de descarga de la cámara de reacción.

[0021] De acuerdo con una modalidad, la sección intermedia comprende al menos un par de electrodos que generan una descarga eléctrica para producir el campo eléctrico aplicado en dicha sección intermedia. En este contexto, de acuerdo con una modalidad preferente el campo eléctrico entre los electrodos tiene una intensidad que supera el voltaje de ruptura de la fase gaseosa del flujo bifásico.

[0022] Finalmente, la invención además se refiere a un sistema para el tratamiento líquidos en forma continua, que comprende al menos una cámara de reacción de acuerdo con la presente invención. Adicionalmente, dicho sistema puede comprender al menos un limitador de corriente, capaz de controlar el campo eléctrico aplicado en la cámara de reacción, limitando la corriente que circula por los electrodos.

[0023] De acuerdo con una modalidad, el sistema además comprende al menos una bomba de alta presión dispuesta aguas arriba de la cámara de reacción, para presurizar el líquido a tratar antes del ingreso a la cámara de reacción elevando la presión del líquido en un rango de 0,5 a 150 bar(g), más preferentemente en un rango de 2 a 70 bar(g). Adicionalmente, el sistema puede comprender un manómetro dispuesto entre la al menos una bomba de alta presión y la al menos una abertura de entrada de la cámara de reacción, para el ajuste de la presión de alimentación de la cámara de reacción.

[0024] Utilizando presiones de alimentación de 150 bar(g), es posible alcanzar velocidades de la descarga de la tobera en torno a los 157 m/s, considerando una eficiencia de tobera de conversión de energía mecánica de 82% en dicho punto de operación.

[0025] Al emplear bomba de vacío en la descarga, es posible operar el reactor o cámara de reacción a presiones de alimentación de 0,5 bar(g) obteniendo velocidades del flujo del orden de los 7 m/s, al operar con una tobera cuya eficiencia de conversión de energía mecánica es de 50% en dicho punto de operación.

[0026] De acuerdo con una modalidad, el sistema además comprende al menos una bomba de vacío dispuesta aguas abajo de la cámara de reacción, para generar un nivel de vacío hacia la al menos una abertura de descarga de la cámara de reacción que llega hasta un valor cercano a la presión de vapor del líquido. Adicionalmente, el sistema puede comprender un vacuómetro dispuesto entre la al menos una abertura de descarga de la cámara de reacción y la al menos una bomba de vacío, para el ajuste del nivel de vacío en la sección de descarga de la cámara de reacción.

[0027] De acuerdo con una modalidad, el sistema además comprende un flujómetro dispuesto aguas abajo de la cámara de reacción, para el ajuste del caudal del líquido tratado.

[0028] De acuerdo con una modalidad preferente, el sistema comprende al menos una fuente de poder de alta frecuencia, en donde el campo eléctrico se genera mediante un diferencial de potencial entre al menos un par de electrodos en la sección intermedia de la cámara de reacción, en donde dicho diferencial de potencial es aplicado por la al menos una fuente de poder y controlado por el al menos un limitador de corriente. Dicho limitador de corriente puede estar integrado a la menos una fuente de poder que aplica el diferencial de potencial.

[0029] De acuerdo a una modalidad, el sistema comprende al menos una fuente de corriente continua DC, la cual puede funcionar en régimen continuo o pulsante, y comprende emplear un limitador de corriente para limitar la corriente que circula por los electrodos, en donde el campo eléctrico se genera mediante un diferencial de potencial entre los electrodos.

[0030] Dicho limitador de corriente puede ser pasivo en la forma de un sistema estable autoajustado, o activo en la forma de un controlador realimentado.

[0031] De acuerdo con una modalidad del sistema, la al menos una abertura de descarga en la sección de descarga de la cámara de reacción es conectada con al menos un conducto que tiene una sección transversal mayor a la abertura de descarga, facilitando la reconversión del flujo bifásico en el flujo de líquido tratado.

[0032] De acuerdo con una modalidad, el sistema puede comprender dos o más cámaras de reacción, conectadas entre sí en serie o en paralelo.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

[0033] Como parte de la presente invención se presentan las siguientes figuras representativas de la misma, las que enseñan modalidades preferentes de la invención y, por lo tanto, no deben considerarse como limitantes a la definición de la materia reivindicada.

La Figura 1 corresponde a una representación de la cámara de reacción para el tratamiento líquidos en forma continua, de acuerdo con una modalidad de la invención. La Figura 2 corresponde a un esquema representativo del sistema para el tratamiento líquidos en forma continua, incluyendo los principales componentes hidráulicos del sistema, de acuerdo con una modalidad de la invención.

Las Figura 3 corresponde a un diagrama de la cámara de reacción generando la condición hidrodinámica de flujo bifásico turbulento de baja presión en su interior, hasta la zona de descarga donde se condensa el flujo bifásico.

La Figura 4 corresponde a una comparación gráfica de P _Min según modelo predictivo contrastado con datos obtenidos experimentalmente.

La Figura 5 corresponde a un gráfico del trabajo de bombeo específico para distintos niveles de vacío en la descarga.

La Figura 6 corresponde a un esquema de la cámara de reacción mostrando la distancia entre electrodos.

La Figura 7 corresponde a un modelo electrostático simétrico-axial de la cámara de reacción, y a una curva de intensidad de campo eléctrico longitudinal aplicado.

La Figura 8 corresponde a una vista detallada del electrodo de la cámara de reacción de la invención.

La Figura 9 corresponde a un gráfico de la curva de corriente/voltaje para los distintos regímenes de operación del plasma.

La Figura 10 corresponde a un modelo de cargas pasivas, tanque resonante y cámara de reacción, de acuerdo con una modalidad de la invención.

La Figura 11 corresponde a un gráfico de la respuesta resonante en frecuencia, régimen sin ionizar y plasma activado.

La Figura 12 corresponde a un modelo de cargas pasivas, tanque resonante y cámara de reacción, de acuerdo con una modalidad de la invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE UNA MODALIDAD PREFERENTE

[0034] Con mención a las figuras que se acompañan, para definir la modalidad preferente de la invención se ha separado la misma en los distintos aspectos que la componen.

Aspectos Hidráulicos Sistema hidráulico

[0035] El líquido a tratar es presurizado mediante una bomba de alta presión, que eleva la presión en un rango de, por ejemplo, 2 a 70 bar (g) en la entrada de la cámara de reacción, hacia la sección de entrada de dicha cámara. La presurización del líquido proporciona la presión necesaria para generar la condición hidrodinámica que habilita la formación de plasma cuando la cámara de reacción es energizada. La presión de alimentación se ajusta mediante un manómetro, tal como puede observarse en la Figura 2.

[0036] Adicionalmente, se puede añadir en la descarga de la cámara de reacción una bomba de vacío, generando niveles de vacío que pueden llegar hasta valores cercanos a la presión de vapor del líquido. La implementación de la bomba de vacío reduce el requerimiento de presión en la entrada de la cámara de reacción para generar la condición hidrodinámica. El nivel de vacío en la línea de descarga es ajustado mediante un vacuómetro, en un nivel superior a la presión de vapor del líquido, tal como puede observarse en la Figura 2.

[0037] Finalmente, el caudal de líquido procesado es controlado mediante un flujómetro en la descarga, tal como puede observarse en la Figura 2.

[0038] Adicionalmente, en la Figura 1 puede apreciarse un esquema más detallado de la cámara de reacción de la invención de acuerdo con la modalidad preferente, identificando algunos de sus componentes y, en particular, la sección o zona activa de la misma. Además, en la Figura 1 puede apreciarse que la cámara de reacción se dispone en un formato axial, dado por una configuración cilindrica de la cámara de reacción

Características generales de la condición hidrodinámica en la cámara de reacción

[0039] En la cámara de reacción se transforma el líquido a tratar en un flujo bifásico turbulento de alta velocidad, particularmente en la sección de entrada. En dicha sección, la presión al interior de la cámara de reacción disminuye a un punto cercano a la presión de vapor del líquido.

[0040] La fase gaseosa del flujo bifásico proviene de la evaporación parcial, de la desgasificación del mismo líquido y de los gases de reacción del plasma. No hay inyección de gases externos.

[0041] El flujo bifásico que se genera al interior de la cámara de reacción, en la sección den entrada, tiene la característica de ser turbulento, con el propósito de maximizar la superficie de contacto entre las fases, y mejorar el efecto del gas ionizado sobre el líquido cuando se forma el plasma.

Turbulencia [0042] La turbulencia, para efectos del presente método, es un régimen de flujo irregular caracterizado por cambios espacio-temporales rápidos de presión y velocidad.

[0043] La turbulencia del flujo bifásico es inicialmente generada por una tobera que puede disponerse en la sección de entrada de la cámara de reacción, en donde dicha tobera puede poseer distintos mecanismos que utilicen la energía del flujo para fomentar la formación de turbulencia al interior de la cámara de reacción, como también mecanismos externos activos como ultrasonido que pueden ayudar a incrementar dicho efecto.

[0044] Para permitir que la turbulencia iniciada en la tobera aumente la superficie de contacto de las fases, la descarga de la tobera se expande al interior de la cámara de reacción mediante un aumento de la sección transversal. En diseños actuales, la proporción de la fracción volumétrica gaseosa sobre la líquida varía de, por ejemplo, 5 a 70, permitiendo alta superficie de contacto entre fases.

[0045] Por ejemplo, en reactores de 9,8 mm de diámetro interior, con una tobera cuya restricción es de 0,6 mm, la fracción volumétrica de la fase gaseosa puede llegar a ser 270 veces superior a la fracción líquida.

[0046] Por otra parte, en reactores de 2,61 mm de diámetro interior, con una tobera cuya restricción es de 1,5 mm, la fracción volumétrica de la fase gaseosa es sólo 2 veces superior a la fracción líquida.

Caída de presión

[0047] La baja presión del flujo bifásico facilita la iniciación del plasma, disminuyendo el voltaje de ruptura de la fase gaseosa. La caída de presión es provocada al expandir el flujo de alta velocidad de la descarga de la tobera al interior de la cámara de reacción, en su sección de entrada, alcanzando velocidades que varían de, por ejemplo 15 a 60 m/s.

[0048] La reducción de presión genera evaporación adiabática parcial y desgasificación parcial del líquido, llenando el espacio interior con el flujo bifásico turbulento hasta la descarga de la cámara de reacción, como se indica en la Figura 3.

Condensación del flujo bifásico

[0049] En la descarga de la cámara de reacción, hacia la sección de descarga, se produce la condensación del flujo bifásico, donde desacelera en un choque inelástico, perdiendo energía cinética, lo que provoca un incremento de la presión y densidad. Después de la zona de condensación del flujo bifásico se genera un flujo casi totalmente líquido donde la fracción volumétrica gaseosa sobre la líquida varía de, por ejemplo, 50 a 0,25, cuando hay ionización de la fracción gaseosa en el flujo bifásico. Un esquema mostrando la zona de condensación del flujo bifásico se muestra en la Figura 3. [0050] La zona de condensación del flujo del bifásico tiende a estabilizarse en la sección de descarga de la cámara de reacción, donde hay un aumento de la sección transversal interior al conectar la cámara de reacción a una tubería de mayor diámetro interno en la descarga, como se muestra en la Figura 3.

Condición para formación de flujo bifásico turbulento de baja presión

[0051] Para mantener la condición de flujo bifásico de baja presión al interior de la cámara de reacción es necesario que la fuerza de reacción provocada por la variación de la cantidad de movimiento del flujo, al condensar antes de salir de la cámara de reacción, sea mayor que la fuerza del diferencial de presión entre la presión de descarga y la presión interior.

[0052] La siguiente expresión describe la condición en base al balance de fuerzas que se debe cumplir:

¹ variación momentum f Pre ión

AV m > A (P ₂ - P _v )

[0053] Donde AV es la variación de velocidad del flujo al colapsar, cuando se produce la condensación del flujo bifásico, A es la sección transversal donde se produce la condensación del flujo bifásico, P ₂ presión de descarga, P _v es la presión de vapor del líquido representando la presión al interior de la cámara de reacción y m es el flujo másico.

[0054] Fuera de la cámara de reacción, inmediatamente después de la sección de descarga, el aumento de sección transversal A incrementa abruptamente el requerimiento de fuerza de reacción para sostener la condición de flujo bifásico turbulento de baja presión. Es en este punto donde normalmente se estabiliza la zona de condensación del flujo bifásico.

Modelo para establecer la mínima presión de operación

[0055] Para evaluar, a nivel de diseño, el requerimiento mínimo de presión de alimentación P _Min , se desarrolló un modelo basado en el balance de las fuerzas provocada por el diferencial de presión entre el interior y la sección de descarga de la cámara de reacción, y la variación de momentum cuando el flujo desacelera justo antes de la sección de descarga de la cámara de reacción.

[0056] El uso de este modelo permite optimizar el diseño para reducir el requerimiento de presión y reducir el trabajo de bombeo asociado a la presurización del fluido.

[0057] A continuación, se presenta el modelo que predice la mínima presión de operación de la cámara de reacción. [0058] La presión al interior de la cámara de reacción, para efectos de cálculo de P _Min , se considera como la presión de vapor del líquido P _v . A _± corresponde a la sección transversal de la estrangulación de la tobera, en la sección de entrada de la cámara de reacción, y A ₂ a la sección transversal interior de la cámara de reacción, en su sección intermedia. _tobera Y m _o m _e n _t um son la eficiencia de la tobera y la eficiencia de momentum axial, respectivamente. Estos parámetros se determinan en forma empírica.

Evaluación de modelo de mínima presión

[0059] Al utilizar valores promedio de _tobera Y Vm _o m _e n _t um _r en dos casos de las cámaras de reacción conocidas, se puede contrastar los resultados del modelo predictivo con valores obtenidos experimentalmente para el caso de generar la condición hidrodinámica con agua a 20 °C. En la tabla a continuación se presentan los parámetros de las cámaras de reacción para alimentar el modelo.

Tabla 1 : Parámetros de las cámaras de reacción o reactores para alimentar el modelo

[0060] En el gráfico de la Figura 4 se puede apreciar que el modelo ajustado es capaz de predecir la presión mínima de operación para los casos de cámaras de reacción o reactores de plasma que han sido evaluados con el modelo.

Cálculo de la eficiencia de la tobera

[0061] Se considera la eficiencia de la tobera h _tobe ra como la eficiencia de la conversión energética de la variación de presión en energía cinética. Se puede expresar _Tobera como una función del flujo másico y del diferencial de presión aplicado AP.

me

’ ⁷ “ ⁼ 2 p _hlq Al {AP)

[0062] Para calcular empíricamente _Tobera , se realiza un barrido en el diferencial de presión aplicado en la tobera, que contemple los puntos de operación de la cámara de reacción. En diseños actuales de la cámara de reacción es de plasma, J7 _robera varía de, por ejemplo, 0,2 a 0,95.

Cálculo de la eficiencia de momentum axial

[0063] La eficiencia de momentum axial h m _o m _e n _t um corresponde a la pérdida de momentum del flujo bifásico, por efectos de pérdida de velocidad axial del flujo a lo largo de la cámara de reacción. Este parámetro depende de factores constructivos como el largo, el diámetro y la rugosidad en las paredes internas de la cámara de reacción, además de la forma del chorro de la tobera, el tipo de difusor utilizado y la alineación del mismo. Este factor se obtiene experimentalmente, despejando h m _o m _e n _t um de la ecuación de presión mínima de operación.

[0064] En algunas cámaras de reacción de la presente invención, los valores h m _o m _e n _t um varían de, por ejemplo, 0,10 a 0,99, dependiendo de sus características geométricas y de la forma del chorro. Los valores que se obtienen permiten predecir h m _o m _e n _t um en el diseño de la cámara de reacción es con características geométricas y de tobera similares a los ensayados. El valor _momentum se puede utilizar como indicador de la variación de velocidad al interior de las cámaras de reacción y de la cantidad de energía que se pierde al impactar en paredes.

Trabajo de bombeo

[0065] En diseños actuales, el consumo energético asociado al trabajo de bombeo consume una fracción importante de la energía empleada - por ejemplo, 10-80% del consumo total del sistema.

[0066] El trabajo de bombeo del conjunto formado por la bomba de alta presión y la bomba de vacío, presentado en la Figura 2, se puede reducir al incrementar el nivel de vacío en la succión.

[0067] La reducción de la presión en la descarga ayuda a reducir el requerimiento de presión según el modelo de presión mínima de alimentación evaluado en la Figura 4, siendo el principal consumo del trabajo de bombeo.

[0068] Al evaluar el trabajo de bombeo específico usando la cámara de reacción identificada anteriormente como R2, con un contenido de burbujas de, por ejemplo, un 18% a la salida de la cámara de reacción, y utilizando el modelo que predice la mínima presión de operación de la cámara de reacción, basado en el requerimiento mínimo de presión para relacionar la presión de descarga con la de alimentación. Es posible graficar el trabajo de bombeo requerido para operar el sistema con distintos niveles de vacío en la descarga.

[0069] En la curva de la Figura 5 se puede apreciar que la presión de descarga, hacia la salida de la cámara de reacción, no puede ser menor a la presión de vapor del fluido.

[0070] A pesar de que se puede generar la condición hidrodinámica con bajos requerimientos energéticos, al reducir la presión de descarga, es necesario que la presión en la tobera, en la sección de entrada, sea lo suficientemente alta para disponer de energía mecánica necesaria para generar turbulencia y aumentar la superficie de contacto entre las fases del flujo. Por lo tanto, el uso de vacío es conveniente cuando la reducción de presión de alimentación no compromete la superficie de intercambio entre las fases del flujo.

Bomba de vado

[0071] La bomba de vacío debe ser capaz de manejar flujos con contenidos de burbujas que pueden llegar hasta el 85% de su composición volumétrica. Como diseño, es conveniente utilizar tecnologías como bombas de anillo líquido, o un separador para presurizar en forma independiente la fase líquida de la gaseosa.

Zona de preacondidonamiento de flujo bifásico

[0072] La zona de preacondicionamiento es la distancia necesaria desde la descarga de la tobera, en la sección de entrada, para que la fase líquida del flujo bifásico alcance las paredes internas de la cámara de reacción.

[0073] Después de la zona de preacondicionamiento se encuentra la zona o sección activa, donde se ioniza la fracción gaseosa del flujo bifásico. De esta forma, se garantiza la refrigeración de los electrodos, que están en contacto el flujo bifásico, y se mejora la aislación eléctrica entre la tobera y el primer electrodo.

Maximización de superficie de intercambio entre fases al interior de la cámara de reacción.

[0074] A continuación, se presentan métodos y estrategias empleadas, ya sea por si solas o en combinación, para maximizar la superficie de contacto entre las fases del flujo bifásico.

a. Aumento de la presión de alimentación. El aumento de presión ayuda a la formación de gotas de menor tamaño, sin embargo, representa un compromiso energético por el aumento de trabajo de bombeo asociado.

b. Aumento de ángulo de divergencia de la tobera. Los difusores generan turbulencia introduciendo cambios de dirección y generando cavitación antes de la zona de estrangulamiento de la tobera. El uso de difusor aumenta la divergencia del chorro en la recámara, sin embargo, representa un compromiso, ya que precipita las gotas atomizadas contra la pared interior de la cámara de reacción, disminuyendo la superficie de intercambio con el plasma. Algunos de los mecanismos utilizados para aumentar el ángulo de divergencia son : i. Difusor tipo mezclador

ii. Difusor tipo placa orificio

iii. Difusor de múltiples perforaciones paca orificio

c. Incorporación de elementos para aumentar la turbulencia del flujo al interior de la cámara de reacción, con el objetivo de evitar el ordenamiento del flujo al contactar paredes internas de la cámara de reacción.

Aspectos Eléctricos

[0075] El flujo bifásico turbulento se ioniza mediante un campo eléctrico aplicado por los electrodos de la cámara de reacción, los cuales están sometidos a un diferencial de potencial capaz de superar el voltaje de ruptura del medio bifásico en la zona activa. Para lograr esto existe una gran dependencia entre la geometría de la cámara de reacción, el voltaje máximo aplicable a los electrodos, y la presión de vapor del fluido. Una forma simplificada de analizar dicha dependencia es a través de la ley de Paschen, donde existe una relación entre el voltaje (y por ende el campo eléctrico máximo), la distancia de los electrodos, y la presión de vapor del gas, para similares condiciones constructivas de electrodos, como se muestra en la siguiente ecuación.

a P _v (T)d _e

^B ln( P _v (T)d _e ) + b

Donde:

Pv(T) : Representa la presión de vapor del fluido, dependiente de la temperatura. En el caso del presente método (que no requiere calentar el agua ya que la evaporación se produce por vacío), los rangos de operación típicos son del orden de 4°C a 45°C, por lo tanto, las presiones de vapor están en el rango de 813,5 Pa a 9594,4 Pa, muy inferior a la presión atmosférica y que, gracias a una fuente de poder diseñada para trabajar bajo estas condiciones, se traduce un rango operativo sumamente amplio. Según la ecuación de Paschen, se puede observar que a una menor temperatura disminuye la presión, siendo así más fácil superar el voltaje de ruptura, lo que permite el aumento de la distancia entre los electrodos. de: Distancia entre electrodos. Si la geometría es fija, determina el campo eléctrico máximo con un cierto voltaje. A mayor distancia se requiere un mayor voltaje para ionizar el gas.

a, b: Parámetros de ajuste del modelo de Paschen para un gas específico, contempla los ajustes del gas y de la geometría tanto de los electrodos como de la cámara de reacción.

Vb: Es el voltaje que la fuente de poder debe emitir en un principio para iniciar la ionización del gas.

[0076] Aplicando esta relación a la cámara de reacción de la presente invención, se puede observar una correlación entre la distancia entre los electrodos "de", la presión de vapor, y el voltaje máximo emitido por la fuente de poder, como se muestra en la Figura 6.

[0077] En general, la distancia entre electrodos no es suficiente para estimar dicho voltaje. La geometría y los coeficientes dieléctricos de los materiales juegan un papel muy importante en la generación de campo eléctrico, por lo que los diseños de la cámara de reacción deben ser sometidos a simulaciones electrostáticas para estimar el campo eléctrico máximo y su distribución.

[0078] En la Figura 7, se muestra una simulación simétrica-axial de una cámara de reacción real, en donde se puede visualizar la distribución de campo eléctrico en el volumen. Además, se aprecia un gráfico en donde se puede observar la intensidad de campo eléctrico a través de una trayectoria longitudinal dentro de la cámara de reacción. Esta información es muy útil, ya que permite identificar las zonas en donde se iniciará la ionización de los gases, para luego asegurar de que dichos gases ionizados estén en la posición correcta y logren generar un canal conductor entre ambos electrodos para generar un canal estable de plasma. En este caso en particular, se puede observar que el campo eléctrico es máximo en la sección o zona intermedia de la cámara de reacción, que es precisamente donde se quiere iniciar el plasma.

[0079] El uso de electrodos capacitivos permite inyectar cargas en forma capacitiva al flujo bifásico, facilitando la homogenización del plasma, generando descargas distribuidas desde las paredes de la cámara de reacción hacia el interior, utilizando el medio dieléctrico de la pared de la cámara de reacción como medio para aplicar la descarga distribuida, como se muestra en la Figura 8. Se podrá notar que esta configuración se asemeja a un capacitor, reflejando un compartimiento capacitivo de la zona cercana a las paredes de la cámara de reacción. Esta implementación, mejora la homogenización del plasma y reduce la afinidad de las gotas a adherirse a las paredes de la cámara de reacción, obteniendo una mejora en la exposición de la fase líquida con el plasma en la cámara de reacción. [0080] El plasma no térmico generado en la fracción gaseosa tiene una densidad de energía que varía, por ejemplo, entre 0,144 y 7 W/mm ³ .

[0081] Por ejemplo, al emplear un reactor de plasma de 2,61 mm de diámetro interior, con una tobera cuya restricción es de 1,5 mm y una zona activa de formación de plasma 35 mm de largo, es posible alcanzar una densidad de energía de 7 W/mm ³ al emplear una potencia de 880 W.

[0082] Por otra parte, al emplear un reactor de plasma de 9,8 mm de diámetro interior, con una tobera cuya restricción es de 0,6 mm y una zona activa de formación de plasma 500 mm de largo, es posible alcanzar una densidad de energía de 0,0133 W/mm ³ al emplear una potencia de 500 W

[0083] El calor generado por el plasma se elimina con el flujo. No es necesario agregar un dispositivo adicional para eliminar el calor.

[0084] Una vez iniciado el plasma producto de la ionización, este debe poder funcionar en forma estable, para lo cual requiere una corriente suficiente para poder operar en la zona de operación conocida como "glow discharge" o descarga luminiscente (E-H), evitando la transición a "Are discharge" (H) como se muestra en la Figura 9.

[0085] Debido a lo anterior, la fuente de poder debe ser capaz de trabajar en dos puntos de operación distintos:

1. Un punto de alto voltaje y poca corriente requerido para gatillar la ionización de los gases, cumpliendo con la ley de Paschen.

2. Un punto de operación de voltaje medio y corriente controlada para poder mantener el plasma operando en las zonas de "Glow Discharge" y "Non-thermal Are Discharge". Entre puntos E y J según la Figura 9.

Funcionamiento de la fuente de poder

[0086] Ya que la cámara de reacción se comporta como un circuito abierto cuando el plasma no está iniciado, y para solucionar el problema de trabajar en dos puntos de operación distintos, se diseñó una fuente de poder que incorpora un módulo resonador, el cual es capaz de acumular energía cuando no percibe una carga (plasma no iniciado) y, por ende, eleva varias veces voltaje a la salida. A continuación del resonador se encuentra, en cascada, un transformador elevador diseñado con la relación de vueltas correcta para entregar el voltaje y corriente necesarios para el funcionamiento en modo "Glow Discharge".

[0087] En la Figura 10 se puede observar un modelo simplificado de la fuente de poder y la cámara de reacción, en donde el sistema se alimenta desde una etapa inversora inicial, modelada como una fuente de AC ajustada a la frecuencia de resonancia del sistema, el resonador como LR y CR, un transformador ideal con inductancias de pérdida y magnetización (Lk y Lm) y la cámara de reacción en funcionamiento como una carga RLC (Rp, Lp, Cp).

[0088] Este modelo, en sus dos formas de operación descritas anteriormente, presenta dos curvas similares a respuestas de segundo orden, en donde, sin plasma iniciado (curva roja Ho(S) en la Figura 11), se genera una asíntota infinita en la ganancia de voltaje en la frecuencia de resonancia y, con el plasma iniciado, se genera una ganancia finita dependiente de la carga resistiva (curva azul, HI(S) en la Figura 11).

[0089] De esta forma, se pueden ajustar los parámetros de funcionamiento de la cámara de reacción modificando los aspectos constructivos tanto del resonador como del transformador elevador.

[0090] Como se muestra en la Figura 12, el sistema de alimentación de energía comprende los siguientes componentes principales.

a. Una fuente de voltaje continuo constante (VDC).

Esta fuente entrega la energía al sistema y, en un cierto rango, puede modificar la potencia del sistema dependiendo del voltaje.

Sus parámetros básicos de operación son:

Vo: Voltaje continuo que emite la fuente.

Io(rms) : Corriente en valor RMS medida a la salida de la fuente, permite calcular la potencia de entrada al sistema en conjunto con el voltaje Vo.

b. Una etapa inversora que transforma el voltaje continuo en una señal de corriente alterna a la frecuencia de resonancia requerida.

Sus parámetros básicos de operación son:

Fe: Frecuencia de conmutación, la cual debe ser ajustada a los parámetros de resonancia del sistema.

La posibilidad de emplear un sistema que autoajuste la frecuencia de la etapa inversora, sintonizándose con la frecuencia de resonancia natural del sistema, produce beneficios significativos. Esto se debe a que dicha frecuencia de resonancia varía principalmente entre el momento antes y después de la generación de plasma, pero también por otros factores, como lo es la temperatura y la conductividad del agua, que modifican la impedancia de la cámara de reacción. c. Una etapa resonadora que acumula energía y eleva progresivamente el voltaje cuando el plasma no se ha iniciado, para permitir que se ionice.

Sus parámetros básicos de operación son:

Fres: Frecuencia de resonancia, debe escogerse para obtener un máximo acoplamiento con el resto del sistema.

Bajo la condición de acoplamiento óptimo se obtiene la máxima ganancia en voltaje, lo que se traduce en estabilidad del plasma. Si la frecuencia del sistema se aleja de manera significativa de la frecuencia de resonancia, sobre todo si la supera, el sistema pierde estabilidad en la generación de plasma, lo que se traduce, por ejemplo, en una menor reducción microbiológica.

Umax: Energía máxima de almacenamiento en el resonador. Aunque el modelo de un resonador ideal permite la acumulación infinita de energía, en la práctica, tanto el inductor como el capacitor tienen voltajes y corrientes máximas de operación que, si se superan, pueden destruirlos. La cantidad de energía a almacenar dependerá de los requerimientos de estabilidad de la recámara y de voltaje máximo requerido.

El empleo de un cable trenzado de múltiples filamentos aislados eléctricamente entre sí (Hilo de Litz) permite disminuir las pérdidas generadas por el efecto "skin", ya que en el caso de trabajar a una frecuencia de 50 kHz y con filamentos de cobre, se genera una penetración superficial de 292 pm, aproximadamente.

En el caso de aumentar la frecuencia de resonancia Fres de la señal de voltaje entregada a la cámara de reacción, se mejora la generación de plasma en la porción de descarga dieléctrica de los electrodos, ya que dicha porción, al poseer una impedancia altamente capacitiva, disminuye con el aumento de la frecuencia y permite una mejor transferencia de potencia hacia el interior de la cámara de reacción.

d. Un transformador con una relación de vueltas que permita la operación estable del plasma cuando este ya se inició.

Sus parámetros básicos de operación son:

N1/N2: Relación de vueltas.

Un aumento en la cantidad de vueltas mejora el acoplamiento del trasformador, lo que le permite una mayor trasferencia de potencia. Se debe considerar que, una vez iniciado el plasma, el mismo demanda altos niveles de corriente instantánea, por lo que dicho fenómeno debe ser considerado en el diseño del acoplamiento del trasformador.

Una relación de vueltas baja (alta elevación), permite regular limitando la corriente que se le entrega a la cámara de reacción de plasma, manteniendo la descarga en régimen de "Glow Discharge". Al limitar la corriente, también se limita la cantidad máxima de potencia que se le puede entregar a la cámara de reacción, por lo que se debe elegir una relación de vueltas que permita entregar la potencia deseada, sin afectar el régimen de "Glow Discharge".

Lk: Inductancia de pérdida.

Lm: Inductancia de magnetización.

Vp: Voltaje en el primario.

Ip: Corriente en el secundario.

Tanto la inductancia de pérdida como la inductancia de magnetización incrementan con el número de vueltas en el primario del trasformador, lo que se traduce en un menor corrimiento de la frecuencia de resonancia del sistema cuando se genera plasma.

e. La cámara de reacción, que tiene una carga variable dependiendo de si el plasma se ha iniciado, y se modela como un sistema RLC, ya que por factores constructivos puede presentar comportamientos capacitivos e inductivos.

Sus parámetros básicos de operación son:

Rp: La componente resistiva corresponde al gasto energético que disipa el plasma para su operación.

Lp: La componente inductiva corresponde a los efectos producidos por el canal central de plasma.

Cp: La componente capacitiva está asociada mayoritariamente al efecto de los "electrodos capacitivos", los cuales aumentan el campo eléctrico, pero no están en contacto directo con el fluido.

[0091] Considerando la conjunción de los aspectos que componen la presente invención, de acuerdo con una modalidad preferente de la misma y las consideraciones de diseño planteadas, se obtiene una cámara de reacción que opera en un método y sistema para el tratamiento de líquidos en forma continua que no solo son eficientes en términos energéticos, sino que también eficaces en el tratamiento de aguas contaminadas, aprovechando las bondades de la generación estable de plasma sobre un flujo de fluido, en términos de desinfección y eliminación de patógenos desde dicho fluido.

GLOSARIO

Burbuja : Glóbulo de gas no disuelto en la fracción líquida.

Condensación del flujo bifásico·. Transición entre el fluido bifásico y la fase líquida de descarga, donde el fluido bifásico desacelera en un choque inelástico contra la fase líquida, transformando la variación de cantidad de movimiento en presión que impulsa la fase líquida fuera de la cámara de reacción.

Fracción volumétrica gas - líquido : Proporción entre el volumen de la parte gaseosa y el volumen de la parte líquida.

Fase líquida: Fluido que contiene gases disueltos y burbujas, en una proporción en donde la parte volumétrica líquida es mucho mayor a la parte volumétrica gaseosa.

Flujo bifásico: Flujo de fluido que contiene gases disueltos, vapor, burbujas, y gotas en suspensión, en una proporción en donde la parte volumétrica gaseosa es mayor a la parte volumétrica líquida, y la presión es menor a la presión atmosférica y mayor a la presión de vapor del líquido.

Cámara de reacción o reactor: Dispositivo que por una apertura de entrada recibe un fluido en fase líquida a alta presión, lo acelera, atomiza y disminuye su presión mediante una tobera transformándolo en flujo bifásico, lo ioniza mediante la aplicación de un campo eléctrico a través de electrodos, y lo condensa en una fase líquida y lo expulsa por una apertura de salida.

Flujo turbulento: flujo irregular caracterizado por cambios espacio-temporales rápidos de presión y velocidad.

Tobera: Elemento que acelera el flujo a partir de la diferencia de presión entre la entrada y descarga de este, transformando la energía mecánica en forma de presión en energía cinética.

Voltaje de ruptura: Voltaje requerido para elevar el campo eléctrico en el flujo bifásico lo suficiente para romper su capacidad dieléctrica y ionizarlo, iniciando la generación de plasma.

Evaporación adiabática parcial: Evaporación del líquido que se genera cuando el flujo se expone a una caída de presión por debajo de la presión de saturación del mismo, forzándolo a evaporarse parcialmente. Por ser un proceso adiabático, la evaporación emplea la energía interna del mismo líquido.

Choque inelástico-. Es un tipo de choque en el que la energía cinética no se conserva y la velocidad de los cuerpos se igualan conservando la cantidad de momentum del sistema.

Plasma no térmico-. Tipo de plasma de baja corriente y alto voltaje, generado a una presión menor a la atmosférica, con una corriente eléctrica de excitación menor a 10 Amperes, que incluye la formación de plasma de los tipos descarga luminiscente, descarga luminiscente anormal, y transición a descarga de arco no térmica.

Limitador de corriente-. Dispositivo que limita la cantidad máxima de corriente eléctrica que puede circular hacia una carga. Este dispositivo puede ser pasivo, en la forma de un sistema estable y autoajustado, o puede ser activo en la forma de un sistema de control realimentado.