CAMPO TECNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un equipo y un proceso de reacción o mezcla entre un liquido y un gas con el objetivo de obtener una reacción o mezcla más eficiente entre el liquido y el gas. La presente invención, además, permite recuperar el gas que no reacciona durante la reacción o la formación de la mezcla entre el gas y el liquido y, reciclar dicho gas a la zona de reacción o mezcla mejorando la eficiencia del proceso.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

Desde hace bastante tiempo existen varios procesos industriales donde se utilizan reacciones o mezclas de un liquido y un gas para distintos fines desde la producción de aguas gasificadas, desinfección de agua hasta llegar a la neutralización de aguas residuales por medio del contacto directo de un gas y un liquido. Dichas aplicaciones presentan distintas problemáticas que por lo general corresponden a la misma desventaja, que es la no utilización completa del gas utilizado en el proceso de reacción o mezcla. Esto produce una pérdida del gas por no uso en los distintos procesos industriales, generando una reacción o mezcla no completa y, donde el gas no reaccionado o solubilizado no es recuperado. Actualmente, una aplicación relacionada con el proceso de reacción o mezcla entre un gas y un liquido, es el uso de dióxido de carbono para neutralizar y/o ajustar el pH de soluciones acuosas alcalinas en reemplazo de ácidos fuertes. Los procedimientos conocidos que emplean CO ₂ muestran bajos índices de eficacia, de 20 a 50 %, debido a que la mezcla de líquido-gas no se realiza en forma eficiente.

Además, existe una tendencia natural de las burbujas de CO ₂ a salir de la solución por lo livianas que son, como consecuencia no se logra una buena interacción entre el gas y el líquido para formar ácido carbónico.

Por otro lado, cuanto mayor es el tamaño de una burbuja de CO ₂ en la solución acuosa, más difícil es que se produzca ácido carbónico. Para solucionar estos problemas, se utilizan en la actualidad eyectores convencionales, que son dispositivos empleados con el objetivo de promover la mezcla entre CO ₂ (gas) y la solución acuosa (líquido) . Estos eyectores están construidos alrededor de tubos Venturi del tipo Herschel, y que originalmente están diseñados para medir el flujo de líquidos y gases en un conducto cerrado o directamente el uso como inyector de gas .

Los dispositivos que se han desarrollado para poder mejorar la formación de ácido carbónico, tienen como objetivo generar burbujas más pequeñas y un flujo turbulento, para tener una mezcla más completa y eficiente entre las burbujas del gas y el liquido.

Estos dispositivos han logrado mejorar la producción de ácido carbónico, sin embargo, igual existe una cantidad de CO ₂ que se pierde en el proceso por no alcanzar a reaccionar o mezclarse con el liquido, y se eliminan en el proceso de reacción o mezcla como burbujas no reaccionadas.

En el estado del arte es posible encontrar varias patentes que utilizan diferentes tecnologías tendientes a solucionar las problemáticas antes mencionadas. Por ejemplo, el documento EP0211685, "Ej ector _r Particularly for the Neutralization of Aqueous Alkaline Solutions by Carbón Dioxide" ; el cual divulga que la invención tiene como objetivo lograr niveles de eficiencia de alrededor del 90% a través de una mezcla perfecta de los dos fluidos, una en la fase líquida (agua) y el otro en la fase de gas (CO ₂ ) , mediante la incorporación de cambios en el tubo Venturi convencional. Estos cambios, basados en estudios de reacciones entre el líquido y la fase gas, propiedades de las soluciones y sus componentes alcalinos, han hecho posible el desarrollo de un nuevo tipo de eyector que es objeto de este documento invención. Otro documento relacionado con la materia técnica de la presente invención es DE2030290, "¡¥aste waters treatment by neutralising in a flow-pipe" ; que divulga la reacción del agua a tratar con los productos químicos necesarios para el ajuste de pH que se lleva a cabo en una tubería de flujo, en un proceso para la neutralización de residuos de aguas ácidas y/o alcalinas. La adición y mezcla de productos químicos con agua se lleva a cabo a través de un eyector integrado en el flujo de la tubería, y el agua es cargada mediante una bomba, preferiblemente después de recoger todas las aguas a ser tratadas en receptor de bombeo. Las aguas tratadas pasan un control final en el flujo de la tubería antes de salir del canal .

Por último, el documento US 7537707, "Gas Inj ector and Method Therefor" divulga un inyector de gas que se puede instalar de una manera que es menos invasiva que utiliza actualmente sistemas de inyección de gas pre-existente para plomería de un sistema de bombeo y que permite la absorción de gas más eficiente en agua que los sistemas de inyección de gas que se utilizan actualmente.

En cambio, el equipo y proceso de la presente solicitud permiten una reacción o mezcla de un líquido y un gas, como por ejemplo, en un control de pH, por medio de tres etapas consecutivas, donde se comienza con una etapa de inyección gas (A) en dos zonas, una de alta y una de baja presión, para luego continuar con una etapa de mezcla y pulverización de las burbujas de gas, (B) y, finalmente en una etapa (C) se recuperan las burbujas de gas no reaccionado o mezclado en estado gaseoso, el cual es llevado a la etapa (A) para ser inyectado en la zona de baja presión (2) .

Específicamente, la presente invención se relaciona con un proceso de reacción o mezcla de un gas y un líquido por medio de un equipo que cuenta con cuatro componentes para llevar a cabo etapas que mejorarán, por ejemplo, la acidificación de agua mediante la utilización de dióxido de carbono (CO ₂ ) formando ácido carbónico, compuesto encargado de acidificar el agua con un alto porcentaje de eficiencia en el uso de dicho gas. La presente invención permitirá obtener una mezcla líquido/gas a través de un método más seguro para las personas y el medio ambiente, evitando utilizar productos químicos peligrosos, como por ejemplo ácido sulfúrico, etc.

Para llevar a cabo el método de la presente invención, se utiliza un eyector tipo Venturi convencional (3) con puntos de inyección directa de gas (1) y puntos de recuperación de gas (2), utilizando las características peculiares del Venturi. El equipo comprende un mezclador estático (5) con hélices seccionadas y giradas en 90° (4) que es utilizado para mezclar el gas y el líquido, disminuyendo el tamaño de las burbujas de gas y, que permite mejorar la reacción o mezcla, como por ejemplo, la formación de ácido carbónico. Finalmente, en un dispositivo de recuperación de burbujas de gas (9) que no alcanzaron a reaccionar o a mezclarse con el líquido, las burbujas de gas son ventajosamente recuperadas para volver a ser inyectadas al proceso de reacción o mezcla mediante un conducto (11) . El ajuste o regulación del gas que ingresa en el punto (1) se efectúa de acuerdo a una medición realizada de la mezcla o reacción liquido/gas obtenida, tomando en el punto (10) una muestra de la mezcla resultante, la que se mide con una sonda adecuada al proceso, conectada a un controlador, el cual en base al objetivo requerido actúa sobre una válvula de regulación, ubicada en el punto (2), permitiendo ajustar la inyección del gas.

RESUMEN DE LA INVENCION

La presente invención se relaciona con un equipo y un proceso de reacción o mezcla que tienen como objetivo obtener una reacción o mezcla más eficiente y completa entre un liquido y un gas y que, además, permitirá recuperar el gas que no reacciona o no se mezcla en el proceso de reacción o mezcla reciclándolo a la zona de reacción o mezcla inicial para una mayor eficiencia del proceso.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

Los dibujos que se acompañan, se incluyen para dar a conocer los principios de la invención:

Figura 1.- Representa las etapas del proceso de reacción o mezcla liquido/gas de acuerdo a la presente invención. Figura 2.- Representa una vista detallada de los componentes principales del equipo de mezcla liquido/gas de acuerdo a la presente invención.

DESCRIPCION DE LA INVENCIÓN

La presente invención tiene como objetivo lograr una mezcla más eficiente y completa entre un liquido y gas mediante un equipo que comprende 4 componentes para llevar a cabo un proceso de reacción o mezcla que mejora el contacto, y por ende, la reacción o mezcla entre un liquido y un gas, seguido de una etapa de recuperación del gas que no reacciona durante la reacción o formación dicha mezcla. Este gas es reciclado a la zona de reacción o mezcla permitiendo mejorar la eficiencia y el costo del proceso de reacción o mezcla entre el liquido y el gas.

Una forma de realización y sin limitar el alcance de la presente invención, es control de pH en sistemas de conducción de agua para riego agrícola o similar, con el objetivo de obtener aguas levemente acidas, lo que permitirá mejorar la disponibilidad de nutrientes por parte de las plantas en procesos de fertiriego. Aguas con esta característica, es decir, levemente ácidas con valores de pH entre 6 a 7 similares al pH de la savia de las plantas, permiten mejorar notablemente la absorción de los nutrientes necesarios para el crecimiento y producción agrícola. Adicionalmente al disminuir el pH del agua se logra eliminar la formación de sarro o incrustaciones en tuberías, micro aspersores y goteros. La formación de sarro o incrustaciones en tuberías, micro aspersores y goteros se debe a que la mayoría de las aguas, como por ejemplo las utilizadas en Chile, presentan valores de dureza total de medios a altos, lo que se traduce en la formación de incrustaciones o depósitos en tuberías, líneas y medios de riego.

En forma más concreta la invención de la presente solicitud propone un proceso de reacción o mezcla entre un líquido y un gas mediante un equipo permitiendo controlar el pH del líquido (agua) en forma más inocua, segura para el medio ambiente y las personas aumentando la eficiencia en el uso del un gas (CO ₂ ) igual o superior al 95 % mediante una reacción o mezcla líquido/gas más eficiente. Para el cumplir con el objetivo anterior, el equipo dispone de un componente de recuperación del gas no absorbido por el líquido a tratar, durante el proceso de reacción o mezcla líquido/gas, reciclando dicho gas a la etapa (A) para obtener una reacción o mezcla más eficiente, lo que permitirá bajar los costos de operación y aumentar el rendimiento del gas utilizado.

El equipo utilizado en el proceso de reacción o mezcla, también es objeto de la presente invención. Este equipo comprende cuatro componentes, a través de los cuales se logra obtener una reacción o mezcla con mayor eficiencia reduciendo, por ejemplo, el pH del agua mediante el uso de CO ₂ gas.

El proceso de la presente solicitud se muestra en la Figura 1, donde se establecen las distintas etapas del proceso de reacción o mezcla entre un gas y un liquido y los componentes del equipo que participan en dicho proceso, por una lado la reacción y formación de un compuesto determinado, como por ejemplo, ácido carbónico y por el otro, la recuperación del gas, como por ejemplo, CO ₂ no reaccionado, y que es retornado al punto de inyección de baja presión permitiendo aumentar la eficiencia del proceso de uso del gas a un valor igual o superior al 95 %.

Las condiciones propuestas por la presente invención, se basan en estudios de reacciones entre fases liquidas y gaseosas, propiedades de las soluciones y componentes alcalinos, los cuales han permitido desarrollar un proceso de mezcla para lograr el objetivo propuesto por la presente solicitud, donde el equipo está configurado por varios componentes que trabajan en conjunto.

Asi, la presente invención proporciona un equipo que comprende los siguientes componentes; Componente 1.- Inyector de gas Alta Presión (Etapa (A)), Componente 2.- Inyector de gas de Baja Presión con pre-mezclador (Etapa (A)), Componente 3.- Mezclador y pulverizador de burbuja de gas (Etapa (B) ) y Componente 4.- Recuperador de Burbujas de gas (Etapa (C) ) , que permite que el gas recuperado sea reinyectado al Componente 2.

El proceso de la presente invención consiste en un paso de reacción o mezcla de un liquido y un gas, lo que involucra dos etapas distintas, una etapa de reacción y una etapa de recuperación. La etapa de reacción, como por ejemplo acidificación de agua con CO ₂ , utiliza un eyector convencional o Venturi adecuado a la linea de agua del sistema de riego.

El equipo utilizado en el proceso de la presente invención corresponde a un dispositivo estático, es decir, no tiene partes móviles, emplea energía cinética procedente del flujo de líquido (agua) . El líquido entra en la sección de entrada cilindrica del Venturi y se inyecta el gas (CO ₂ ) (1) desde un depósito de almacenamiento de gas presurizado y regulado, después el líquido es restringido en el cuello de botella en la sección convergente del eyector (3) . Esto permite una reducción en la presión estática y un aumento en la velocidad de flujo del líquido (agua), dicha reducción de presión estática (2) es la que permite recuperar el gas no reaccionado de la reacción o mezcla que proviene del tercer componente.

Esta velocidad alcanza su punto máximo en la sección (cuello de botella) de menor diámetro del eyector y está determinada por la fórmula:

V =Q/A

En la que: V = velocidad del fluido en la sección cilindrica (cuello de botella) de diámetro reducido del eyector, en metros por segundo (m/s) .

Q = flujo del fluido a través del eyector, en metros cúbicos por hora (m ₃ /h) .

A = diámetro interno de la sección cilindrica (cuello de botella) de diámetro reducido del eyector en milímetros (mm) .

En el estado del arte, velocidades cercanas a 17,3 m/s han demostrado que presenta la mayor eficacia de mezcla. Menores diámetros de burbujas de un gas y en consecuencia, mayor interacción líquido/gas promueven una eficacia de reacción de 90 ± 5 % para la formación de ácido carbónico según la siguiente ecuación de equilibrio:

C0 _2(g) + H ₂ O^C0 _2(ac) + H ₂ 0 C0 _2(ac) + H ₂ O^H ₂ C0 ₃ (I)

H ₂ C0 ₃ H ⁺ + HC0 ₃ ^~ HC0 ₃ ^~ H ⁺ + C0 ₃ ⁼ (II)

Debido a la formación de las micro burbujas en la etapa de inyección del gas, C0 ₂ , se logra una pre-mezcla entre gas y líquido produciendo la reacción anteriormente descrita. La inyección no es lo suficiente efectiva para solubilizar el C0 ₂ , por lo que se debe dispone de una zona de mezcla más efectiva y de pulverización, favoreciendo la formación de burbujas de menor diámetro, aumentando tanto la capacidad de solubilizar el CO ₂ gaseoso y la velocidad de la reacción.

En el Componente 4 (9) se recupera el gas no reaccionado con el liquido y que luego es llevado al Componente 2, gracias a la reducción de presión que se genera en la zona más estrecha del Venturi (2), donde se dispone de un punto o zona de menor presión que en el Componente 4, llamada zona de inyección de baja presión de gas del Componente 2.

Este punto o zona de baja presión en el Venturi está constituido por una reducción de diámetro y luego una expansión del diámetro de la tubería para llegar al diámetro inicial de la tubería, obteniéndose una área o zona de baja presión, la que corresponde a la zona de reducción de diámetro antes de la expansión y a la recuperación del diámetro de tubería .

E JEMPLO DE APLICACIÓN

El equipo y proceso de la presente invención permiten lograr niveles de eficacia de mezcla iguales o superiores al 95 %, mediante una reacción o mezcla perfecta de los dos fluidos, líquido y gas. El proceso de reacción o mezcla de la presente invención comprende tres etapas, las que serán detalladas mediante la descripción de la Figura 1, en donde se representa en forma esquemática el método de acidificación del agua por medio de dióxido de carbono. Los componentes del equipo de la presente invención también serán descritos más adelante (Figura 2) .

Método de acidi icación de agua:

A. - Etapa Inyección de CO2 .

B. - Etapa Mezclar y Pulverizar burbujas de CO2 .

C - Etapa Recuperar burbujas de CO2 .

Etapa 1.- Inyección Dióxido de Carbono ( CO2 ) ·

La inyección de CO2 se realiza mediante dos fuentes distintas para comenzar con el proceso de acidificación que comprende la formación de ácido carbónico anteriormente detallado. Para ello se dispone de un sistema de inyección de alta presión de CO2 , es decir un cilindro de CO2 de alta presión que cuenta con reguladores de presión, él cual está conectado por ducto (manguera) y ajustado a una presión 1,1 veces por sobre la presión de la linea de agua, llegando a una pequeña tubería (1) que atraviesa la tubería principal que posee micro agujeros de 0,5 mm en el sentido del flujo del agua, seguido de un eyector Venturi Convencional (3) donde se realiza la inyección de baja presión de CO2. En el eyector Venturi se dispone de una zona convergente que favorece el aumento de la velocidad del fluido, donde el fluido pasa de una sección de diámetro mayor a una sección de diámetro menor, zona convergente de menor diámetro o garganta. La característica de esta garganta permite obtener una presión menor que la presión del sistema total, la presión del sistema depende de la presión de la bomba de impulsión que se disponga en el sistema de riego, lo que proporciona una fuerza motriz suficiente para succionar CO ₂ desde la zona de recuperación, punto que se identifica como zona de inyección de baja presión de C0 ₂ (2) .

Etapa 2.- Mezcla y Pulverización de CO ₂ .

En esta etapa se dispone de una sección de mezclamiento mecánico, mediante un mezclador estático (5), que cuenta con un espiral de varios cuerpos (hélice) (4), los que se encuentran a 90° uno frente al otro. El objetivo de estar en un ángulo de 90° uno respecto al otro es permitir mejorar el contacto del gas y el agua, por medio de la disminución de tamaño de la burbuja y la mezcla de ambos fluidos líquido/gas. El tamaño inicial de la burbuja de gas está entre 0,6 a 0,4 rom, y por estar a 90° los planos de las distintas hélices disminuye el tamaño por debajo del 50% del tamaño original de la burbuja. Adicionalmente, se mejora la reacción o mezcla del gas y líquido mediante cambios de dirección de la mezcla, lo que genera un mejor contacto entre el líquido y el gas. Etapa 3.- Recuperación de Burbujas de CO2 .

En esta etapa se lleva cabo la recuperación del CO2 gas no reaccionado el cual es reciclado a la Etapa 1, zona de inyección de baja presión de CO2 (2) .

Para poder recuperar el CO2 gas (burbujas) y reciclarlo a la Etapa 1, se dispone del Componente 4 (9) que se basa su funcionamiento en el cambio de dirección del liquido, perpendicular al sentido del flujo, hacia una zona de mayor diámetro, 30 % mayor en diámetro que la linea principal de agua. Esto se logra por medio de un tubo en 90° (6) que es introducido por una cámara de mayor diámetro y ocupa el 75 % del largo total del tubo o cámara de mayor diámetro. Con este cambio de dirección de flujo, se obliga a que la mezcla agua/CC>2 se dirija a la zona alta de la cámara de mayor diámetro (7) . Esto provoca una disminución de la velocidad del liquido y favorece la separación del gas del liquido, el liquido (agua) desciende en el sentido contrario del flujo de entrada sin CO2 gas (12) . El CO2 gas se acumula en la parte superior de la cámara de mayor diámetro (7) se recupera a través de la salida (8) y se conduce dicho CO2 gas hacia el Componente 2 por un conducto (11), como por ejemplo una manguera, hacia la zona de baja presión (2) del Venturi (Componente 2 ) . Equipo de la presente invención:

Componente 1.- Inyector de gas de Alta Presión.

Componente 2.- Inyector de gas de Baja Presión y premezclado

Componente 3.- Mezclador y pulverizador de burbu a de gas Componente 4.- Recuperador de burbujas de gas

El equipo de la presente invención se detalla a continuación, a través del cual se obtiene un aumento de la eficiencia del 95 %:

Comprende un tubo de 10 mm (1) que ocupa todo el diámetro de la tubería de entrada al Venturi, que cuenta con pequeñas perforaciones, encargadas de entregar micro burbujas de un gas a un líquido que converge y acelera su velocidad para generar un flujo turbulento.

- Comprende otro punto de inyección de gas que proveniente del Componente 4 (9) a la zona de baja presión o garganta del Venturi (3) . El gas recuperado, es recirculado desde la parte superior de la cámara de recuperación del gas (7) y vuelto a inyectar en la zona de baja presión del Venturi (2) . En este caso, se utiliza el Venturi como un sistema motriz que succiona el gas recuperado del Componente 4, que genera un punto o zona de menor presión que la del sistema, característica propia del Venturi convencional. Esto genera un flujo desde una zona de mayor presión a otra de menor presión que es donde se recupera el gas, con esto se elimina la perdida de gas no reaccionado o mezclado a diferencia de sistemas en que el gas se inyecta pero el gas no utilizado no es recuperado en el proceso de reacción o mezcla.

- Dispone de una sección de mezcla forzada (5) para mejorar la interacción del gas y el liquido, lo cual permite mejorar la solubilización del gas en el liquido, y asi formar, por ejemplo, en un proceso de neutralización, ácido carbónico. Esta sección cuenta con 6 cuerpos de espirales (4) invertidos que permiten mejorar y ayudar a la interacción del gas con el liquido en la linea acuosa.

- Incluye una cámara de mayor diámetro (9), que permite bajar la velocidad del liquido y de las burbujas no reaccionadas, las que suben a la parte superior de la cámara de recuperación (7) para ser conducidas por un conducto o una tubería (11) para su inyección en la zona de baja presión del Venturi ( 2 ) .