Ps = presión en la cámara de expansión y rotura. Un caudal de líquido es suministrado a la cámara de presión (3) . En esta misma cámara a presión, un caudal de gas en forma de burbujas es suministrado a través del conducto de alimentación 1. La cámara a presión está conectada a otra, denominada de descarga (5) a través de una placa a la que se le han realizado una serie de orificios.
Figura 2. Representación esquemática del proceso de extrusión y disgregación de una gota o burbuja por los vórtices de la capa de cortadura formada a la salida de los orificios que comunican la cámara de presión con la de descarga, siendo e
el espesor de la capa de cortadura.
Las burbujas son extrusionadas a través de los orificios de la placa perforada. Por otra parte, los vórtices de la capa de cortadura que se genera en la cámara de descarga por la corriente de líquido que rodea a la burbuja desprenden trozos del núcleo principal de la burbuja. Son por tanto las fluctuaciones turbulentas de presión del líquido en la cámara de expansión las que, al vencer a las fuerzas de confinamiento de tensión superficial, arrancan de la burbuja principal trozos de menor tamaño.
Figura 3. Proceso de fragmentación de una burbuja de aire en agua tomada a la salida de un orificio. Se trata de un caso real donde se observa cómo del núcleo principal son desprendidos fragmentos de tamaños sensiblemente inferiores al de la burbuja original.
Figura 4. Vista lateral de las cámaras de presión y de descarga En la figura 4 se muestra una vista lateral de las cámaras de presión y de descarga, separadas entre sí por una placa perforada. La cámara a presión está conectada a un conducto de alimentación de líquido. La alimentación del gas a la cámara a presión se realiza a través de una aguja que descarga en la cámara de presión y que es alimentada a través de la conexión marcada en la figura.
Figura 5. Vista cenital del dispositivo mostrando la placa perforada. En el extremo de la aguja que descarga el gas en la cámara de presión se generan las burbujas que posteriormente serán fragmentadas al pasar a través de la placa perforada mostrada en la figura.
Descripción detallada de la invención
El objeto de la presente invención es un procedimiento de atomización y fragmentación de gotas o burbujas en el seno una corriente líquida. De entre muchos de los procedimientos habitualmente empleados para producir burbujas de tamaño micrométrico esta invención utiliza el extrusionado de burbujas, que pueden haberse producido por cualquier otro método alternativo, para su posterior rotura en fragmentos de mucho menor tamaño. El dispositivo objeto de esta invención, cuya geometría ha sido ilustrada en las figuras anteriormente descritas, consta de una cámara a presión de área transversal comprendida entre 10- 10 y 104 m2. La placa perforada tiene un número indeterminado de orificios cuyas longitudes transversales características están comprendidas entre 10- 4 y 100 mm. Los caudales inyectados de la fase continua como de la dispersa, que han de ser fluidos inmiscibles, están comprendidos entre 10- 15 y 10 m3/s. Para asegurar que tanto la fase dispersa como la continua pasan a través de los orificios de la placa perforada la relación de presiones entre la cámara de descarga y la de presión, Ps/Po, ha de estar comprendida entre 0 y 1.
Los materiales de que puede estar fabricado el atomizador pueden ser cualesquiera (metal, plástico, cerámica, vidrio) , dependiendo fundamentalmente de la aplicación específica en la que vaya a emplearse el dispositivo.
La deformación de las burbujas en la zona de aceleración del líquido es consecuencia de una abrupta disminución de la presión desde la zona aguas arriba del orificio a la zona aguas abajo del mismo. Una vez que la burbuja extrusionada sale del orificio se produce simultáneamente su expansión y su rotura en pequeños fragmentos.
Cuando se mantienen constantes los caudales de los dos fluidos introducidos en el dispositivo, las burbujas o gotas que se forman aguas arriba de los orificios, mediante por ejemplo un inyector neumático, van extruxionándose en una corriente laminar de líquido, por lo que las velocidades típicas que se alcanzan a la salida del orificio son del orden de
U = \sqrt{2 (Po - Ps) /ρl},
donde Po y Ps son la presión aguas arriba y aguas abajo del orificio respectivamente y ρl es la densidad de la fase continua.
El número de Weber (cociente entre las fuerzas dinámicas y las de tensión superficial) es
We = \frac{ρlU2d}{σ},
donde σ es la tensión superficial y d el diámetro del orificio. En el rango de interés para las aplicaciones que aquí se incluyen los valores de We suelen ser muy grandes, lo que significa que en el proceso de ruptura de una burbuja o gota que tuviera un diámetro del orden de el del orificio, la tensión superficial no jugaría un papel importante, siendo las fuerzas de presión y las dinámicas las dominantes. Esto quiere decir que se pueden producir mediante este procedimiento gotas o burbujas de un tamaño mucho menor que las del orificio, aunque ciertamente de esta ruptura surgen tamaños muy diversos.
En el rango de parámetros para las aplicaciones de interés se aseguran condiciones de funcionamiento tales que
We = \frac{ρlU2e}{σ} > 1,
donde e es el espesor de la capa de cortadura (véase figura 2) . Cuando se cumple esta condición, las fluctuaciones turbulentas de presión del líquido en la cámara de expansión vencen a las fuerzas de confinamiento de tensión superficial, arrancando de la burbuja principal trozos de tamaño e. Por ejemplo, en la rotura de burbujas de aire en agua (σ= 70 mN/m) en una corriente con velocidades de varios metros por segundo, se pueden alcanzar altos valores del número de Weber, basado en el espesor de la capa de mezcla, generando tamaños de burbujas de unas pocas decenas de micras. Por otra parte, las burbujas de mayor tamaño tienen diámetros que típicamente están entre la quinta y la tercera parte del diámetro de la burbuja de la que proceden, ya que después de formarse los fragmentos de menor tamaño puede quedar un resto en el núcleo de la capa de cortadura que la cada vez más débil turbulencia no es capaz de fraccionar. En este proceso los consumos energéticos derivan de la impulsión de los dos fluidos (que se invierten en aumentar la energía superficial, la energía cinética y en disipación viscosa) y por lo tanto pueden calcularse mediante la expresión W = (Ql + Qg) (Po - Ps) , donde Ql es el caudal del líquido promotor (fase continua) y Qg el del gas o líquido dispersado (fase dispersa) . Por ejemplo, para las aplicaciones de oxigenación o disolución de gases en líquidos la eficiencia de disolución (E) en Kg de O2 por Kw y hora puede obtenerse de
E = [3600 Qg ρg αO2]/W
donde los caudales se expresan en m3/s, la densidad del gas, ρg, en Kg/m3 y la potencia, W, en Kw; αo2 es la fracción volumétrica de oxígeno en el gas inyectado.
Para una sobrepresión de tan sólo 1 bar, en el caso de utilizar aire en condiciones normales (1 atm y 20°C)
E = 9 D/ (1 + Ql/Qg) ,
donde D es el tanto por ciento de oxígeno disuelto en el líquido. En el caso de usar oxígeno puro (teniendo en cuenta entonces que el gas se suministra ya comprimido y por lo tanto no hay que consumir energía para impulsarlo)
E = 50 Qg/Ql.
Teniendo en cuenta los reducidos tamaños de burbujas que se producen (las mayores burbujas están en el rango de los cientos de micras) y de las propiedades de la corriente turbulenta en la que están inmersas (con fluctuaciones de velocidad de varios metros por segundo) , la tasa de disolución de oxígeno en el líquido si el tiempo de residencia es suficientemente prolongado. En estas condiciones la eficiencia resultante puede ser muy elevada, pudiéndose llegar a más 4 kg O2/Kwh para aire y a más de 20 kg O2/kWh para oxígeno puro. Aunque a estos valores les debe ser aplicado el rendimiento de la bomba impulsora del líquido es claro que pueden alcanzarse eficiencias muy superiores a las obtenidas mediante otros procedimien- tos.
El sistema propuesto requiere obviamente del suministro de unos caudales de fluido promotor y de gas o líquido a dispersar. Ambos caudales deben ser:
\sqbullet Los apropiados para que el sistema esté dentro del rango parámetrico de interés. Puede recurrirse a la multiplexión si los caudales requeridos son superiores a los de una celda individual. \sqbullet Los apropiados para que la relación de caudales esté dentro de las especificaciones de cada aplicación. Puede suministrarse un mayor caudal del fluido en fase continua y del gas o líquido a dispersar por cualquier medio en aplicaciones específicas (oxigenación, reactores químicos, etc.) ya que esto no interfiere en el funcionamiento del atomizador. Por lo tanto pueden usarse cualesquiera métodos de suministro los fluidos introducidos en el dispositivo (compresores, bombas volumétricas, botellas de gas comprimido, etc.) . Si se requiere multiplexión el caudal del fluido a dispersar deberá ser lo más homogéneo posible entre los distintos orificios, lo cual puede requerir la inyección a través de medios porosos, placas perforadas o cualquier otro método capaz de distribuir un caudal homogéneo entre los diferentes puntos de alimentación y, por lo tanto, una frecuencia de paso de gotas o burbujas por los distintos orificios extrusionadores lo más homogénea posible.
Si se requiere un rango de tamaños de gotas o burbujas más homogéneo se pueden disponer varias placas con orificios en serie, de forma que se produzca en varias etapas la fragmentación de las gotas o burbujas de mayor tamaño.
Ejemplo de realización de la invención
En la figura 4 se muestra una vista lateral de las cámaras de presión y de descarga, que en este ejemplo en concreto están ambas construidas mediante tubos de PVC transparente de 40 mm y 60 mm de diámetro respectivamente y separadas entre sí por una placa perforada. La cámara a presión está conectada a un conducto de alimentación de líquido (tubo de PVC de 20 mm de diámetro) . La alimentación del gas a la cámara a presión se realiza a través de una aguja de diámetro exterior 400 micras que descarga en la cámara de presión y que es alimentada a través de la conexión marcada en la figura 4. En el extremo de esta aguja se generan las burbujas que posteriormente serán fragmentadas al pasar a través de la placa perforada mostrada en la figura 5. Esta placa perforada tiene 7 orificios de 500 micras cada uno. En una aplicación de disolución de gases en líquidos la parte de la cámara de expansión está abierta a un tanque de grandes dimensiones en el que se disuelve el gas inyectado. Este dispositivo ha sido usado para la disolución de oxígeno en agua, utilizándose como gas tanto aire como oxígeno puro. Se ha trabajado con un rango de caudales de agua desde 0.2 a 3 l/min, mientras que la relación de caudales líquido/gas se ha variado desde 1 hasta 10. En un tanque de 1 m3 sin ningún tipo de agitación, el porcentaje de disolución de oxígeno toma valores típicos entre el 15 y el 40% del oxígeno inyectado.
