d) la relación de caudales entre el líquido base y el fluido dispersado que sale por los extremos de salida del conjunto de tubos se mantiene aproximadamente igual (con un máximo de un 20% de variación) a la relación de caudales de alimentación QA y QB de dichos fluidos. Finalmente, es objeto de la invención un procedimiento para la producción de espumas o emulsiones por el que se dispersa al menos un fluido dispersado, líquido o gas, en el seno de un líquido base inmiscible con el dispersado, usando el dispositivo anteriormente descrito en cualquiera de las formas mencionadas.
Breve descripción de las figuras
Figura 1: dispositivo según la invención, con un bloque o matriz porosa (1) , flanqueada por dos de sus caras, respectivamente, por una cámara en la que se inyecta fluido dispersado (2) , en la que se encuentra la superficie de alimentación (8) , y por otra cámara en la que se inyecta líquido base (3) , en la que se encuentra la superficie de generación (5) . La segunda cámara acomoda un conjunto de tubos receptores (4) , en este caso paralelos. Ambos fluidos, en su avance hacia las bocas receptoras (7) , única salida practicable, deben cruzar, al menos en parte, la matriz porosa.
Fig. 2: detalle del contacto entre superficie de generación (5) y tubos receptores (4) en el caso en que las bocas receptoras (7) penetran en la matriz porosa (1) , previéndose para ello unas cavidades o alveólos que han de alojar un corto segmento de las extremidades correspondientes de los tubos, o bien construyendo la matriz porosa alrededor de dichas extremidades de los tubos. Se muestra la entrefase (6) de los dos fluidos en el seno de dicha matriz.
Fig. 3: detalle del contacto entre superficie de generación (5) y tubos receptores (4) en el caso en que las bocas receptoras (7) están simplemente adosadas a la matriz porosa (1) , en contacto directo. Se muestra la entrefase (6) de los dos fluidos en el seno de dicha matriz.
Fig. 4: detalle del contacto entre superficie de generación (5) y tubos receptores (4) en el caso en que las bocas receptoras (7) están ligeramente apartadas de la matriz porosa (1) , formándose un intervalo o salto entre superficie de generación (5) y boca receptora (7) . Se muestra la entrefase (6) de los dos fluidos en el seno de dicha matriz.
Descripción de la invención
La presente invención hace referencia a un procedimiento y dispositivo asociado para la producción de espumas y emulsiones. En ella se hace uso de un medio que puede ser (i) un medio poroso, o (ii) que contiene una multiplicidad de pequeños canales, o (iii) en general que presenta una geometría o estructura reticular o en láminas delgadas, a partir de aquí matriz porosa o matriz. El procedimiento exige la coordinación del flujo y el control de la entrefase de dos fluidos inmiscibles: (a) un líquido base, que ha de rodear a las gotas o burbujas de la emulsión o la espuma; (b) un líquido o gas, inmiscible con el líquido base -a partir de aquí, fluido dispersado- , que, al dispersarse, proporciona el material para las gotas o burbujas.
El modelo de flujo objeto de la invención consta de una matriz porosa limitada por dos superficies opuestas abiertas a la circulación fluida. Las restantes superficies de la matriz porosa son impermeables. En una de dichas superficies opuestas (superficie de alimentación) , la matriz porosa se encuentra en contacto directo con una fuente de fluido dispersado; dicho fluido es presionado homogéneamente sobre la citada superficie a la presión de alimentación PA, con un caudal de alimentación QA. La superficie opuesta (superficie de generación) se encuentra en contacto con una cámara bañada por el líquido base, que es inyectado en la cámara a la presión de base PB y con un caudal de base QB. La sobrepresión Δp=PA- PB permite controlar la entrefase que el citado fluido dispersado establece al abrirse paso por el medio poroso, desplazando el líquido base. Adicionalmente, se dispone un conjunto de tubos dirigidos transversalmente a la superficie de generación, cuyos extremos o bocas receptoras, abiertas, apoyan sobre la citada superficie de generación o se sitúan a una distancia corta con respecto a ésta, tanto penetrándola ligeramente hacia el interior de la matriz como manteniéndose apartados de ella; los tubos atraviesan, por orificios sellados herméticamente, la pared de la cámara; los extremos de salida, opuestos a las bocas receptoras, están abiertos al exterior.
Es característica esencial en la presente invención la formación de una entrefase líquido base/fluido dispersado situada en la matriz porosa; dicha entrefase es creada por la relación entre las presiones de inyección PA y PB de ambos fluidos, de la que, a su vez, dependen los caudales QA y QB. La proximidad a la superficie de generación de unas bocas receptoras adosadas, con sus correspondientes secciones de paso que abren, a través de tubos, a la atmósfera exterior, da lugar a unos focos de baja presión que crean caminos preferentes para ambos fluidos. Así pues, mediante una adecuada regulación de las presiones de alimentación y de base, el fluido dispersado se hace fluir simultáneamente con el líquido base en el seno de la matriz porosa, produciéndose una estructura especial del flujo tal que el fluido dispersado forma unos torrentes ("fingers") que se dirigen hacia los orificios de salida rodeados por el líquido base. En la proximidad de las bocas receptoras, ambos fluidos son acelerados de modo que cuando el fluido dispersado abandona la matriz porosa para emerger a la superficie de generación lo hace buscando las secciones de paso de las bocas de los tubos, donde la presión es mínima. Bajo determinadas condiciones de flujo y de presiones, la emergencia de los fingers y su captación por los tubos receptores se produce en forma de gotas o burbujas envueltas por el líquido base. Dichas gotas o burbujas avanzan seguidamente por los tubos del conjunto, formando a su salida la espuma o emulsión.
La disposición de los tubos receptores puede ser objeto de variantes de diseño:
• El dispositivo más simple constaría de un solo tubo receptor; • en otros dispositivos, la directriz de los tubos receptores puede organizarse como una radiación tri- o bidimensional, en cuyo caso la superficie de generación sería aproximadamente esférica o cilíndrica; • o bien, los tubos receptores pueden ser rectos y esencialmente paralelos entre sí, constituyendo un haz de tubos; • las secciones de paso de los tubos receptores pueden ser diversas o uniformemente idénticas; la producción de emulsiones o espumas monodispersas exigirá diseños con tubos homogéneos; • la fijación de tubos entre sí puede realizarse merced a diversas soluciones constructivas si éstos son exentos; alternativamente, cabe generar los huecos de tubo mediante perforaciones en una matriz sólida no permeable a los fluidos base y dispersado. Por otra parte, la separación de las bocas receptoras con respecto a la superficie de generación admite variantes de diseño:
\circ Cabe situar las bocas receptoras en contacto con la superficie de generación, simplemente adosadas; \circ O bien puede establecerse una distancia corta, separando las bocas de la superficie hacia el exterior de la matriz porosa; \circ O bien cabe hacer que las bocas receptoras penetren en la matriz porosa, previendo para ello unas cavidades o alveolos que han de alojar un corto segmento de las extremidades correspondientes de los tubos, o bien construyendo la matriz porosa alrededor de dichas extremidades de los tubos. En el caso de bocas penetrantes o distanciadas, la distancia entre bocas y superficie de generación (distancia de contacto) será corta, no superando un orden de magnitud de dos o tres veces el tamaño transversal o diametral de la sección de paso de los tubos.
Una alternativa de diseño consiste en usar la distancia de contacto como una variable de regulación, modificable a voluntad durante el proceso de ajuste previo a la producción de espumas o emulsiones, que, conjuntamente con las presiones p y p+Δp, permita controlar el proceso de dispersión fluida.
A fin de asegurar el comportamiento adecuado de la entrefase, es preciso que la viscosidad de líquido base sea superior a la del fluido dispersado. El líquido base fluye a través de la matriz de modo que las fuerzas viscosas son significativamente mayores que las fuerzas de inercia o convección de cantidad de movimiento (es decir, dicho flujo tiene lugar a bajos números de Reynolds) , excepto posiblemente en la proximidad de las bocas receptoras. En la zona alrededor de las bocas receptoras, donde los fluidos se aceleran, las fuerzas viscosas no son necesariamente mayores que las de inercia o convección de cantidad de movimiento.
Parámetros importantes para el control del proceso son la geometría de la matriz porosa, su permeabilidad (tamaño característico de poros) , la higroscopicidad del material base de la matriz (ángulo de contacto del material de la matriz porosa con el líquido base) , la geometría y disposición de los tubos receptores (diámetros interior y exterior, longitud, distancia de contacto, carácter regulable o no de ésta) , las propiedades de ambos fluidos (coeficientes de viscosidad y tensión superficial mutua) , y la relación entre PA y PB.
Modo de realización de la invención
Se ha tomado una sección de tubo cilíndrico de latón de diámetro exterior 12 mm e interior 6.5 mm, de 16 mm de longitud, con un reborde interior en uno de sus extremos y una rosca interior de métrica fina M8/0.5 mm en el otro extremo; el reborde tiene como objeto que una pieza cilíndrica introducida en el interior del tubo no pueda salir por el extremo del tubo que tiene dicho reborde. Dicha pieza cilíndrica, fabricada en DELRIN® tiene de diámetro 6.5 mm y altura 3 mm, con siete taladros longitudinales pasantes (en la dirección del eje del cilindro) de 0.7 mm de diámetro, formando una disposición hexagonal simétrica respecto al eje del cilindro. Cada taladro se encuentra a 1 mm de los otro taladros más próximos. Se introducen por los taladros de 0.7 mm de la pieza cilíndrica anterior siete tubos de acero inoxidable de longitud 5 mm, diámetro exterior 0.71 mm e interior 0.5 mm, de manera que el ajuste entre tubo y pieza cilíndrica es muy prieto y hermético. Los extremos de dichos tubos se encuentran en el plano de una de las caras de la pieza cilíndrica por un lado, y por la otra cara los tubos sobresalen 2 mm. La pieza cilíndrica con los tubos así dispuestos se introduce en el tubo de latón primero, o cuerpo del dispositivo, por el extremo roscado de manera que la cara de dicha pieza cilíndrica que coincide con los extremos de los tubos de 0.71 mm de diámetro mira hacia el tubo. Previamente, se ha introducido una junta tórica de 7x1 mm, de silicona, entre el reborde del cuerpo y la pieza cilíndrica para evitar fugas. Se realiza un taladro lateral de 1.55 mm en el cuerpo del dispositivo a la altura justa a la que quedan los extremos sobresalientes de los tubos de la pieza cilíndrica, para que entre el líquido base (ver figura 1) . En dicho taladro se introduce por ajuste prieto un tubo de acero inoxidable de 1/16' de pulgada, que conduce el fluido dispersante hacia el dispositivo. Se introduce entonces, por el extremo roscado del cuerpo como la pieza ciíndrica, una pastilla porosa cilíndrica sinterizada de partículas de acero inoxidable ("frit" de la marca UPCHURCH, para 0.5 micras de paso) , con un diámetro exterior de 6.5 mm y longitud 1.5 mm, hasta que dicha pastilla se encuentra con los extremos de los tubos de la pieza cilíndrica. Se presiona finalmente el conjunto por el extremo roscado del cuerpo con un tapón de cierre roscado con métrica fina M8/0.5 mm, usando una junta tórica de silicona entre la pastilla porosa y el tapón roscado. Dicho tapón roscado tiene un taladro central pasante de 1.55 mm alineado con el eje del cilindro para permitir el paso del fluido dispersado (ver figura 1) . En dicho taladro se introduce por ajuste prieto un tubo de acero inoxidable de 1/16' de pulgada, que conduce el fluido dispersado hacia el dispositivo. El tapón roscado descrito tiene interiormente una oquedad apropiada para que el fluido dispersado se distribuya uniformemente por la pastilla porosa, mientras que los bordes del tapón aprietan la junta tórica de silicona contra la pastilla porosa. De esta forma, se obliga a que todo el fluido dispersado pase por la pastilla porosa en dirección de las bocas de los tubos de 0.7 mm que se encuentran en contacto con la otra cara de la pastilla (ver figura 1) . De esta forma queda listo el dispositivo de producción de la microespuma. Se le hace funcionar introduciendo un caudal de gas de 120 ml/min como fluido dispersado, y 100 ml/min de una mezcla de 60% glicerina, 39.5% agua y 0.5% de Tween ® 80 como fluido dispersante.
