CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a los campos de la industria alimenticia, química o farmacéutica, específicamente aquellos que involucren procesos de contacto de partículas granulares con gases o fluidos, de manera continua y en multietapa. Este tipo de sistema, conocido en castellano como "sistema neumático vertical multietapa para el procesamiento en continuo de sólidos", o en inglés como "continuous vertical pneumatic multistage system for solids processing", se utiliza en operaciones que incluyen transferencia de calor, masa y/o reacción química.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Un sistema neumático vertical multietapa para el procesamiento en continuo de sólidos, es un sistema para el contacto de aire, gases o vapores con partículas sólidas. Una de las mayores ventajas de estos sistemas de contacto fluido-sólido radica en el hecho de que son capaces de manejar partículas sólidas de gran tamaño (mayores que 10 ^"3 m). Los sistemas neumáticos, que inicialmente se desarrollaron para el transporte de sólidos, son de especial utilidad en las industrias química, farmacéutica, de alimentos y de plásticos, como un medio efectivo y moderno de mover y transportar material a granel. Estos sistemas se han utilizado posteriormente para el procesamiento de sólidos, como en el secado de granos y semillas, en donde las partículas húmedas son transportadas y secadas por una corriente de aire caliente (Narimatsu et al., 2004); o en el secado de otros materiales (US3,707,775,). La forma de contacto en esos sistemas es compleja, afectada por las características del diseño, las propiedades de las partículas, las condiciones de operación, y el régimen de transporte adoptado para transportar las partículas, que pudiera ser denso o diluido. La forma en que se realiza el transporte puede ser a presiones por arriba de la atmosférica o al vacío. Atendiendo a la relación entre la masa del producto transportado y la masa del gas transportador, se pueden distinguir dos tipos de sistemas: transporte en fase diluida y transporte en fase densa. Entre otros usos de los sistemas neumáticos, se encuentra la separación de sólidos (US4,044,695). Estos sistemas se utilizan en multietapa en la clasificación de materiales de desecho, en los incineradores de basura (US3,951 ,081 ), en los purificadores de aire para remoción de partículas contaminantes de corrientes de aire (US20090038480), o bien, formando parte de sistemas más complejos, como es el caso del dispositivo de "Multizona" de reacción de lecho móvil con la adición de catalizador regenerado (US7, 61 1 ,678), además del transporte neumático de sólidos y, en general, en muchas operaciones en donde puede darse la transferencia de calor, masa y/o reacción química. Se pueden dar multitud de aplicaciones de estos dispositivos de contacto sólidos-fluido en lechos fijos, fluidizados y lechos fuente: el secado de sólidos (Peterson, 1962; Clary et al, 1970), la separación de sólidos (Van Weert y Van Hasselt, 1997), la granulación (Tsvik, 1967), las reacciones catalíticas (Olazar et al., 1994), el tostado de café (Nagaraju et al., 1997), el tratamiento térmico para el control de insectos (Banks, 1998 y Beckett, 2000), el recubrimiento de partículas (Jones, 1994), la pirólisis de poliestireno (Aguado et al., 2003), el secado de camarón (Tapaneyasin et al., 2005), el reactor de Vortex (US 20070196249), el dispositivo para acarrear biomasa en un sustrato fluidizado que permite controlar el grosor de la biomasa (US 20060186041), el dispositivo de lecho fuente con región anular para electro platear pequeños objetos (US 20050217989), el dispositivo perfeccionado de cambio térmico entre partículas sólidas y una corriente gaseosa (US 4423558), un reactor multietapa de lecho fluidizado con recirculación gasificación de biomasa Kersten et al., (2003) y, en general, las operaciones de transferencia de calor y de masa (Uemaki y Kugo, 1967 y Epstein y Mathur, 1974, 1982). En virtud de que la calidad del producto depende, en gran parte, del avance del proceso, se han realizado muchos y variados intentos en la búsqueda de dispositivos y métodos que tengan un buen control del proceso de contacto fluido-sólido, como es el caso del secado y/o tostado de granos y semillas. Estos intentos se han visto reflejados en las diversas patentes presentadas como, por ejemplo: el dispositivo que utiliza radiaciones (Chung, 2010 US7, 740,892), la cámara de tostado que presenta muchos ciclos (Moon, 2004, US 6770315), y los tostadores de café para uso casero que funcionan por lote (Song, 2001 , USRE37238). La gran mayoría de los dispositivos mencionados se refieren a recipientes cilindricos o semicilíndricos, en operaciones por lote de una sola etapa. Las desventajas de estos dispositivos, comparados con la presente invención, son las altas caídas de presión de operación de algunos de ellos, la falta de aplicación específica de otros y los problemas de operación que causan aforamientos, zonas muertas e inundación cuando trabajan en continuo. A pesar de que teóricamente se ha demostrado que este tipo de sistemas, con flujo continuo de sólidos, se comportan de una manera muy similar al modelo de "tanque agitado" (Epstein y Mathur, 1974), y de que un sistema de tanques agitados en serie (multietapa) se aproxima al flujo pistón cuando el número de tanques es grande (Levenspiel y B¡schoff,1963), existen muy pocos trabajos publicados sobre el uso, diseño, operación aplicación y modelación de sistemas de contacto multietapa para sólidos grandes.

Algunos de esos sistemas multietapa hasta ahora inventados, tienen una característica en común: son inestables hidrodinámicamente hablando y presentan serias desventajas en su diseño para su posible aplicación, comercial por ejemplo altas caídas de presión, zonas muertas de poco -o ningún- contacto entre los sólidos y el fluido, atoramiento de sólidos en los bajantes, vaciado incompleto de la columna. La presente invención es un SISTEMA novedoso, NEUMÁTICO VERTICAL en MULTIETAPA PARA EL PROCESAMIENTO EN CONTINUO DE SÓLIDOS CON AIRE, GASES Y/O VAPORES, que ha demostrado ser, dentro del rango de condiciones de operación experimentadas, un ingenioso sistema sin partes móviles, hidrodinámicamente estable, de baja caída de presión por etapa debido al uso de tubos de arrastre, con flujo fácilmente controlable impidiendo la inundación del sistema, con la característica especial de poder acoplar en serie varias unidades idénticas, una sobre otra, para formar una columna. Este dispositivo presenta claras ventajas para su aplicación en la industria debido a su facilidad de operación, intenso contacto fluido-sólido que permite un tratamiento uniforme de las partículas sólidas con gases y/o vapores, lo que resulta muy conveniente para los procesos que incluyen transferencia de calor, masa y/o reacción química.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Los detalles característicos de esta invención denominada SISTEMA NEUMÁTICO VERTICAL MULTIETAPA PARA EL PROCESAMIENTO EN CONTINUO DE SÓLIDOS CON AIRE, GASES Y/O VAPORES se muestran claramente en la siguiente descripción y en las figuras respectivas, las que se mencionan a manera de ejemplo y no deben de ser consideradas como limitativas a la presente invención.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La Figura 1 es una vista explosiva de diversas perspectivas del dispositivo MX/a/2007/016571 (21) que conforma la base para la presente invención.

Las Figura 2 y 3 muestran dos perspectivas de la válvula de sólidos o dispositivo X/a/2008/016567 (22) que se integra a la presente invención.

La Figura 4 es una vista lateral del SISTEMA NEUMÁTICO VERTICAL MULTIETAPA PARA EL PROCESAMIENTO EN CONTINUO DE SÓLIDOS CON AIRE, GASES Y/O VAPORES, montado sobre una estructura soporte de acero inoxidable.

La Figura 5 es una vista lateral de la colocación de los soportes (2), la tolva alimentadora de sólidos (14) y el dispositivo MX/a/2007/016571 (21) que conforma la base para la presente invención.

La Figura 6 es una ampliación de la figura 5 donde se observa el detalle de la colocación de los soportes. La Figura 7 muestra la red de alimentación de aire, gas y/o vapor que alimenta al SISTEMA NEUMÁTICO VERTICAL MULTI ETAPA PARA EL PROCESAMIENTO EN CONTINUO DE SÓLIDOS CON AIRE, GASES Y/O VAPORES.

La Figura 8 muestra la red de alimentación de aire, gas y/o vapor que alimenta al SISTEMA NEUMÁTICO VERTICAL MULTIETAPA PARA EL PROCESAMIENTO EN CONTINUO DE SÓLIDOS CON AIRE, GASES Y/O VAPORES, montado sobre una estructura soporte de acero inoxidable.

La Figura 9 muestra otra vista de la red de alimentación de aire, gas y/o vapor que alimenta al SISTEMA NEUMÁTICO VERTICAL MULTIETAPA PARA EL PROCESAMIENTO EN CONTINUO DE SÓLIDOS CON AIRE, GASES Y/O VAPORES, montado sobre una estructura soporte de acero inoxidable.

La Figura 10 muestra otra perspectiva del SISTEMA NEUMÁTICO VERTICAL MULTIETAPA PARA EL PROCESAMIENTO EN CONTINUO DE SÓLIDOS CON AIRE, GASES Y/O VAPORES, montado sobre una estructura soporte de acero inoxidable para dos columnas.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

En referencia a la Figura 4, se muestran tres etapas solamente, cada una integrada por el dispositivo X/a/2007/016571 (21) que conforma la base para la presente invención; tubos alimentadores-conectores-bajantes (9), soportes (2), para los dispositivos MX/a/2007/016571 (21) que conforman la base para la presente invención, boquillas para la entrada del aire a cada dispositivo MX/a/2007/016571 (21), conductos de salida del aire hacia el ciclón (16), tolva alimentadora de sólidos (13), ciclón separador de partículas finas (14), estructura soporte de todo el sistema en muítietapa (15), válvula de sólidos o dispositivo MX/a/2008/016567 mostrado en las figuras 2 y 3 (22) y entrada de aire para la válvula de sólidos o dispositivo MX/a/2008/016567 (22). Continuando con la Figura 4, se observa como se pueden conectar dos o más dispositivos MX/a/2007/016571 (21) utilizando los tubos bajantes (9) mediante bridas, tornillos y soportes (2), en arreglo vertical para conformar una columna como se muestra en las Figuras 4, 5, 6 y 7. La Figuras 7 y 8 muestran la red de alimentación de aire, gas y/o vapor que alimenta al SISTEMA NEUMÁTICO VERTICAL MULTI ETAPA PARA EL PROCESAMIENTO EN CONTINUO DE SÓLIDOS CON AIRE, GASES Y/O VAPORES, montado sobre una estructura soporte de acero inoxidable. En la Figura 7 se presenta una ampliación que permite observar la entrada del aire proveniente de un compresor (18).

En referencia a la Figura 4, en la cara posterior del dispositivo MX/a/2007/016571 (21), se tiene el sujetador (2), que sirve para soportar el dispositivo (21) a la estructura soporte (15); este sujetador (2) podrá estar colocado indistintamente en cualesquiera de las caras externas del dispositivo MX/a/2007/016571 (21), pudiendo variar en forma y tamaño como se muestra en la Figura 4, dependiendo de la facilidad necesaria para sujetar los dispositivos MX/a/2007/016571 (21) a la estructura. La estructura soporte está diseñada para que resista el peso de los dispositivos MX/a/2007/016571 (21) que conforman la columna -o columnas- y para tener la facilidad de montar y desmontar el sistema multietapa, para tener un mantenimiento y limpieza periódicos.

La Figura 7, presenta una ampliación donde se puede observar la entrada de aire proveniente de un compresor (18), el rotámetro (19) o regulador del flujo de aire, gases y/o vapor, la resistencia (20) y la boquilla (11) que va conectada en la base del dispositivo MX/a/2007/016571 (21). Este arreglo se repite para cada etapa.

Con relación a la Figura 4, un punto importante de nuestro diseño es la implementación de un sistema adecuado para la eliminación de polvos finos en cada etapa (14); estos finos si permanecen dentro del sistema se queman causando un deterioro en la calidad de los productos. MEJOR MÉTODO CONOCIDO PARA LA OPERACIÓN DE LA INVENCIÓN Como puede apreciarse en la Figura 4, la invención en su totalidad se compone de: UN SISTEMA NEUMÁTICO VERTICAL MULTI ETAPA PARA EL PROCESAMIENTO EN CONTINUO DE SÓLIDOS CON AIRE, GASES Y/O VAPORES, montado sobre una estructura de acero con propósitos de soporte para el sistema. En dicha Figura 4, se muestra como este SISTEMA NEUMÁTICO VERTICAL MULTI ETAPA PARA EL PROCESAMIENTO EN CONTINUO DE SÓLIDOS CON AIRE, GASES Y/O VAPORES, construido en acero inoxidable grado alimenticio, está integrado, en la parte superior de la columna, con un recipiente, o tolva (13), en donde se colocan los sólidos que se van a procesar; este recipiente está conectado a un tubo alimentador vertical o bajante (9), que puede ser de diámetro variable (1 -5 pulgadas) dependiendo del tipo de grano, o semilla, que se vaya a procesar. El tubo vertical o bajante (9), está conectado a un dispositivo X/a/2007/016571 (21), permitiendo que los sólidos bajen de la tolva (13) y por efecto de la gravedad los sólidos sean alimentados, a través de toda la columna, al primer dispositivo (21 ) que se encuentra en la parte inferior de la columna; una vez lleno ese primer recipiente, los sólidos que continúan cayendo llenarán el dispositivo siguiente superior y así sucesivamente hasta que se logra el llenado de todos los recipientes (1 ) que conforman El SISTEMA NEUMÁTICO VERTICAL MULTI ETAPA PARA EL PROCESAMIENTO EN CONTINUO DE SÓLIDOS CON AIRE, GASES Y/O VAPORES. Todos los bajantes (9) son de las mismas dimensiones, diámetros y ángulos, bien definidos para evitar aforamientos y/o fluidización de las partículas sólidas dentro de los tubos. Todos los dispositivos MX/a/2007/016571 (21 ) que integran el sistema se encuentran interconectados mediante los bajantes (9).

El SISTEMA NEUMÁTICO VERTICAL MULTI ETAPA PARA EL PROCESAMIENTO EN CONTINUO DE SÓLIDOS CON AIRE, GASES Y/O VAPORES tiene la opción de operar en dos formas de contacto entre las fases: 1. En "flujo cruzado", en el que el aire, gas y/o vapor, requerido para cada dispositivo MX/a/2007/016571 (21 ) que integra la columna multietapa, proviene directamente de la línea de alimentación principal. En este caso, la salida de los gases y/o vapores está conectada a un tubo (16) hacia un ciclón (14), con el propósito de eliminar los polvos finos producto de la fricción. Asimismo, en la base del sistema multietapa y mediante un tubo bajante (9), se conecta la válvula o dispositivo MX/a/2008/016567 (22), que permite el control de flujo de descarga de los sólidos a la salida del sistema.

2. En "flujo en contracorriente", en el que el aire, gas y/o vapor requerido entra únicamente por el dispositivo MX/a/2007/016571 (21) inferior de la columna multietapa. La salida de los gases y/o vapores está conectada a un tubo (16) hacia el dispositivo MX/a/2007/016571 (21 ) inmediato superior de la columna. En este caso, los finos no son eliminados por un ciclón (14).

El SISTEMA NEUMÁTICO VERTICAL MULTIETAPA PARA EL PROCESAMIENTO EN CONTINUO DE SÓLIDOS CON AIRE, GASES Y/O VAPORES presenta, además, la ventaja de poder acoplar, en serie, de manera vertical, varias unidades idénticas (dispositivos MX/a/2007/01657(21), una sobre otra, para formar una columna de dos o más etapas. La columna así formada, es fácilmente desarmable para su mantenimiento y limpieza. Para que la invención funcione de manera apropiada, la columna debe acompañarse de un elevador de cangilones para el llenado continuo de la tolva (13) que alimentará por gravedad los sólidos que se quieran procesar.

Se recomienda como una etapa previa al arranque del sistema, la preparación de las partículas sólidas para cada corrida. Se requieren de la eliminación de varas y sólidos grandes (basuras) que pudieran atorarse en el sistema, de otra manera se crea una resistencia extra que impide que los sólidos fluyan libremente a través de los tubos y el recipiente, revisión y limpieza de los filtros de aire y la trampa de agua de la línea de aire y verificar el llenado del compresor. Los sólidos (granos de maíz, café, arroz, cacao, pimienta, etc., semillas de todo tipo, aglomerados, tabletas, metales) a ser procesados, caen por gravedad a través de los bajantes (9) al interior de los dispositivos X/a/2007/016571 (21) que constituyen el sistema multietapa; una vez que se llenan todos los dispositivos MX/a/2007/016571 (21), se inyecta al interior de estos, mediante las boquillas (11 ), una corriente de aire, gas y/o vapor que proviene de un compresor, con el propósito de crear el movimiento interno - agitación controlada- de los sólidos. De esta manera, los sólidos en el interior de los dispositivos MX/a/2007/016571 (21) son empujados por la corriente, obligados a pasar por el tubo de arrastre dentro de cada una de las etapas, y brincar por encima de dicho tubo. El caudal del aire, gas y/o vapor debe operar con la suficiente presión para evitar que los sólidos colapsen e inunden la sección de transporte y dejen de fluir. Asimismo, dependiendo del proceso, el aire, gas y/o vapor, puede ser calentado mediante el uso de resistencias eléctricas, o enfriarse utilizando la parte fría de un tubo vortex. El control de las temperaturas del aire, gas y/o vapor en cada etapa, opera mediante un panel con controladores e indicadores programables, conectados a las resistencias eléctricas y termopares.

Opcionalmente, el SISTEMA NEUMÁTICO VERTICAL MULTIETAPA PARA EL PROCESAMIENTO EN CONTINUO DE SÓLIDOS CON AIRE, GASES Y/O VAPORES puede integrar una computadora que se conecta a un módulo de adquisición de datos, cuyo programa de acción es registrar las temperaturas a la salida de cada etapa mediante un software gráfico. Cada dispositivo MX/a/2007/016571 (21) cuenta con un barreno (10) que permite la opción de montar y desmontar sensores de humedad, temperatura y presión.

EJEMPLO DE LA APLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

El SISTEMA NEUMÁTICO VERTICAL MULTIETAPA PARA EL PROCESAMIENTO EN CONTINUO DE SÓLIDOS CON AIRE, GASES Y/O VAPORES, es mas claramente ilustrativo por medio del ejemplo que a continuación se describe, el cual se presenta con el propósito meramente ilustrativo, pero no limitativo, siendo dicho ejemplo el siguiente:

En el caso específico del tostado del café, el café verde, o mezclas controladas de diversos tipos de granos, se alimentan por gravedad, en la parte superior del SISTEMA

NEUMÁTICO VERTICAL MULTI ETAPA PARA EL PROCESAMIENTO EN CONTINUO

DE SÓLIDOS CON AIRE, GASES Y/O VAPORES. El grano desciende por la columna, integrada por dispositivos MX/a/2007/016571 (21) interconectados mediante bajantes, manteniendo un contacto intenso y controlado con aire, 1 lOlitro/minuto, a diferentes temperaturas, 400-500°C, determinadas por el sistema de control. El patrón de contacto aire-sólido se realiza en flujo cruzado. Las primeras etapas, conformadas por dispositivos

MX/a/2007/016571 (21), del SISTEMA NEUMÁTICO VERTICAL MULTIETAPA PARA EL

PROCESAMIENTO EN CONTINUO DE SÓLIDOS CON AIRE, GASES Y/O VAPORES son de mezclado y precalentamiento, en las siguientes se realiza el tostado y en las últimas el enfriamiento del café para detener las reacciones correspondientes. Por la parte inferior del SISTEMA NEUMÁTICO VERTICAL MULTIETAPA PARA EL

PROCESAMIENTO EN CONTINUO DE SÓLIDOS CON AIRE, GASES Y/O VAPORES, se obtiene café uniformemente tostado, de buena calidad sensorial y de manera continua.

En el aire se controla temperatura, humedad y flujo; en el grano se monitorean: temperatura, mediante sensores para medir la temperatura de los granos de café en la parte interna de los recipientes, de esta manera se obtiene la relación que existe entre la temperatura del grano dentro del sistema y la temperatura de entrada del aire, color y propiedades mecánicas. El flujo de sólidos a la salida del SISTEMA NEUMÁTICO

VERTICAL MULTIETAPA PARA EL PROCESAMIENTO EN CONTINUO DE SÓLIDOS

CON AIRE, GASES Y/O VAPORES es controlado por una válvula o dispositivo

MX/a/2008/016567 (22) que regula el tiempo que los sólidos permanecen circulando dentro del recipiente. El grado de tostado dependerá del tiempo que permanezcan los granos en el SISTEMA NEUMÁTICO VERTICAL MULTIETAPA PARA EL PROCESAMIENTO EN CONTINUO DE SÓLIDOS CON AIRE, GASES Y/O VAPORES. En este ejemplo, el tostado del café cumplió satisfactoriamente con el patrón establecido por el Consejo Estatal de Productores de Café del Estado de Jalisco, A. C. (específicamente el de los productores de Talpa de Allende).