PT1112773E - Sistema e processo para gerar micro-bolhas gasosas num líquido - Google Patents
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Description
DESCRIÇÃO
SISTEMA E PROCESSO PARA GERAR MICRO-BOLHAS GASOSAS
NUM LÍQUIDO A presente invenção tem por objecto um sistema de geração de micro-bolhas para dissolver com eficiência gás, tal como, ar, oxigénio gasoso, etc. num líquido, tal como, água potável, água de rios, etc., para a purificação de agua poluída e para utilizar com eficiência a água para o reacon-dicionamento e a renovação da água do ambiente.
Nos sistemas de aeraçàc do tipo convencional, por exemplo, na maior parte dos sistemas de aeração utilizando sistemas de geração de micro-bolhas instalados para a cultura e crescimento de animais aquáticos, as bolhas de ar são geradas por injecção do ar à pressão, na água, através de poros finos de sistemas de geração de micro-bolhas tubulares ou em planos instalados no tanque ou as bolhas de ar são geradas por introdução do ar num fluxo de água com força de corte ou por vaporização do ar dissolvido na água por redução rápida da pressão da água pressurizada.
No processo de aeração utilizando um sistema de geração de micro-bolhas com as funções anteriores, a operação é basicamente controlada ajustando a quantidade de ar fornecido ou o número de sistemas de geração de micro-bolhas instalado, embora seja necessário dissolver eficientemente gás, tal como, ar, dióxido de carbono, etc. na água e ainda promover a circulação da água.
Contudo, no sistema de aeração utilizando o sistema de geração de micro-bolhas de tipo convencional, por exemplo, um sistema de difusão â base de injecção, mesmo quando os poros 1 são finos, quando as bolhas de ar são ínjectadas sob pressão através dos poros, o volume de cada uma das bolhas de ar aumenta e o diâmetro de cada uma das bolhas de ar aumenta até vários milímetros devido à tensão superficial das bolhas de ar durante a xnjecção. Assim, é difícil gerar bolhas de ar de diâmetro menor. Também hã problemas, tais como, o entupimento dos poros ou o aumento de consumo de energia causado por uma operação de longa duração.
No sistema para gerar bolhas de ar por introdução de ar num fluxo de agua com força de corte utilizando válvulas e uma corrente de bolhas de ar em jacto, é necessário ter um número maior de revoluções para gerar a cavitação. Também há problemas de aumento de consumo de energia e o problema de corrosão das válvulas e a vibração causada pela geração da cavitação. Ainda hã problemas pelo facto de apenas se gerar uma pequena quantidade de micro-bolhas.
No sistema em que o fluxo de duas fases de líquido e gás colide com a válvula em movimento ou em projecção, os peixes ou os pequenos animais aquáticos, nos lagos naturais ou nos tanques de cultura, podem ficar feridos e isto causa problemas no desenvolvimento e na manutenção das condições ambientais necessárias para o crescimento de peixes e de outros animais aquáticos.
Além disso, no sistema de pressurização, o sistema deve ser desenhado com uma dimensão maior e requer custos mais elevados e os custos de operação são também altos. A patente de invenção norte-americana US-A-4 726 686, refere-se a uma câmara de turbilhonamento que compreende um invólucro, que no seu revestimento ou na sua parede lateral está ligado a pelo menos uma porta tubular com um tubo 2 central, que está pratícamente em ângulos rectos em relação ao eixo e distante do eixo do invólucro. Na câmara de turbilhonamento melhorada, pelo menos duas portas tubulares estendem-se através do revestimento ou das paredes laterais e no que respeita ao raio do referido invólucro que intercepta as portas nas suas extremidades maís interiores, estão inclinadas no mesmo sentido, numa direcção periférica do invólucro, o invólucro esta fechado nas extremidades opostas por placas de extremidade ou paredes terminais, que são interceptadas pelo eixo do invólucro e existe uma abertura numa das placas terminais e um tubo de descarga na outra. A patente de invenção japonesa JP-50-031471 mostra uma câmara de turbilhonamento cilíndrica com uma porta de entrada numa extremidade, uma porta de saída na outra extremidade e uma entrada tangencial do fluido à pressão. A patente de invenção alemã DE-A-39 23 480 refere-se a um dispositivo para o enriquecimento do líquido com gãs, em que se aplica a pressão do gãs acima da superfície do líquido num recipiente cónico em que as espirais do líquido descem e passam à volta do vento cortante. A patente de invenção alemã DE-A-24 41 335 refere-se a um processo num aparelho para enriquecimento do líquido com gãs, em que o líquido é introduzido por via de uma entrada tangencial à câmara cónica de turbilhonamento e se confere um movimento turbílhonar ao líquido, de modo que se gerem as bolhas de gás e que elas se misturem com o líquido.
Faz-se referência à patente de invenção europeia EP 0963784 Al, que representa alguma técnica anterior no artigo 54 (3) EPC. Faz-se ainda referência à patente de invenção suiça CH 343375. 3
Em nenhuma das técnicas anteriores deste domínio descrita antes, foi possível gerar micro-bolhas com diâmetros inferiores a 20 μΜ à escala industrial.
Depois de muitos esforços e estudos, os requerentes desenvolveram com sucesso a presente invenção, por meio da qual é possível gerar micro-bolhas com diâmetros não superiores a 20 μΜ, à escala industrial.
Especificamente, a presente invenção tem por objecto: um sistema de geração de micro-bolhas do tipo turbilho-nar e um processo para gerar micro-bolhas de tipo turbilhonar, conforme reivindicado nas reivindicações 1 a 7. A figura 1 representa uma vista de frente de um sistema de geração de micro-bolhas de tipo turbilhonar da técnica anterior; A figura 2 é um desenho que explica o princípio da presente invenção e também explica um sistema de outro enquadramento da técnica anterior; A figura 3 é um desenho que explica um sistema da presente invenção; A figura 4 é uma representação gráfica que mostra o diâmetro das bolhas de ar e a distribuição da frequência de geração de bolhas quando se instala um sistema de dimensão média da presente invenção debaixo de água e se geram as micro-bolhas utilizando o ar como gás; 4 A figura 5 é um desenho que explica um outro sistema da técnica anterior; e A figura 6 é um desenho que explica um outro sistema da técnica anterior;
Deve notar-se que as figuras 1, 2 e 5a a 6b não mostram um enquadramento da câmara de turbilhonamento conforme reivindicado nas reivindicações.
Tal como se mostra na figura 1, um sistema de geração de micro-bolhas compreende uma câmara de turbilhonamento cilíndrica, com o fundo 1 formado num contentor do sistema, uma entrada de líquido à pressão 2 colocada numa direcção tangencial na parte da superfície circunferencial da parede mais interna da câmara de turbilhonamento, um orifício de introdução do gãs 4 arranjado no centro do fundo 3 do espaço cilíndrico e uma saída 5 da mistura de gãs-líquido em turbilhão, situada próxima do topo da câmara cilíndrica de turbilhonamento 1. A figura 1(a) ê uma vista lateral e a figura l(b) é uma vista em secção ao longo da linha X-X da figura 1(a). A unidade principal do sistema ou, pelo menos, a saída (5) da mistura de gãs-líquido em turbilhão, está instalada no líquido. Por meio da introdução forçada do líquido à pressão na câmara cilíndrica de turbilhonamento 1 através do orifício 2 de introdução do líquido à pressão, gera-se um fluxo turbílhonar na câmara de turbilhonamento e gera-se uma porção com pressão negativa próximo do eixo do tubo cilíndrico.
Por causa desta pressão negativa, o gás é sugado através do orifício 4 de introdução do gás. Quando o gãs passa na 5 vizinhança do eixo do tubo em que a pressão é mais baixa, gera-se uma cavidade em forma de V do gás em turbilhão.
No espaço cilíndrico 1, quando a mistura de gás e líquido em turbilhão flui através da parte inferior 3 da câmara de turbilhonamento para o orifício 2 de introdução do líquido à pressão, gera-se a cavidade em forma de V de turbilhonamento do gãs, em forma de corrente. Esta tem um diâmetro mais pequeno que se estreita para baixo e entra em turbilhão para baixo, para gerar as micro-bolhas. Depois, este fluxo é enviado em turbilhão, através da saída 5 da mistura de gãs-líquido e é descarregado em turbilhão.
Em associação com o turbilhão, devido à diferença da gravidade específica entre o líquido e o gãs, a força centrífuga é aplicada ao líquido e a força centrípeta é aplicada ao gãs ao mesmo tempo. Como resultado, as porções de líquido e de gás separam-se uma da outra. 0 gãs forma-se em forma de cadeia e continua a fluir próximo do líquido à pressão introduzido no orifício 2 do tubo central, da câmara 1 de turbilhonamento cilíndrica. Depois, o turbilhonamento enfraquece rapidamente. Depois, é reforçado pelo fluxo de rotação introduzido através do orifício de introdução do líquido à pressão. Depois, quando o fluxo de rotação na forma cónica se forma na corrente descendente, a velocidade de rotação desta porção decresce rapidamente.
Antes e depois da porção 100 na figura 1 (a) gera-se uma grande diferença na velocidade de rotação. Como resultado, a cavidade V do gás numa forma semelhante a uma cadeia, é continuamente e rapidamente cortada. Depois, as micro-bolhas Mb, por exemplo, as micro-bolhas com diâmetros de 10 - 20 pm, são geradas próximo da saída 5 da mistura de gãs-líquido em turbilhão e são descarregadas no líquido fora do sistema. 6
Normalmente, a unidade principal do sistema ou pelo menos a saída 5 da mistura de gás-líquído em turbilhão, está instalada no líquido. A figura 2 representa um desenho que explica o princípio da presente invenção. A figura 2 (a) representa uma vista lateral e a figura 2 (b) representa uma vista em corte ao longo da linha X-X da figura 2(a).
Um tubo de introdução do gás 8 para a introdução do gás, está ligado à extremidade da frente do orifício 4 de introdução do gás e introduz-se um líquido â pressão no tubo de entrada 7 para fornecer o líquido à pressão (por exemplo, água pressurizada), até à entrada 2 do líquido à pressão.
Também uma entrada de líquido à pressão 2 está aberta na direcção tangencial em relação à superfície circunferencial da parede interna da câmara 1 de turbilhonamento cilíndrica.
De acordo com a presente invenção, tal como se mostra na figura 3, propõe-se um sistema com uma câmara de turbilhonamento cónica 10. 0 sistema contém uma unidade contentora principal com uma câmara cónica de turbilhonamento 10 com a entrada fechada, uma entrada de líquido 20 aberta na direcção tangencial numa parte da superfície circunferencial da parede interna da câmara de turbilhonamento 10, um orifício de introdução de gás 40 aberto numa abertura (extremidade estreita) 30 da câmara de turbilhonamento cónica e uma saída 50 da mistura de gás-líquido em turbilhão aberta na extremidade larga da câmara cónica de turbilhonamento 10. n Há três casos: o caso era que a unidade principal do sistema está instalado abaixo da superfície da água, o caso em que está instalado fora e era contacto com um tanque de água e um caso em que está instalado na torneira das instalações de tratamento de água.
De acordo com a presente invenção, utiliza-se normalmente a. água como o líquido e o ar é utilizado como o gás. Além disso, o líquido pode incluir um dissolvente, tal como, tolueno, acetona, água, etc., um combustível, tal como, petróleo, gasolina, etc., um alimento, tal como, óleo comestível, manteiga, gelado, cerveja, etc., uma preparação farmacêutica, tal como, uma bebida contendo um fármaco, produtos de cuidados de saúde, tais como, líquidos para banhos, águas ambientais, tal como, águas de lagos ou pântanos ou águas poluídas de purificadores de esgotos, etc.. Além disso o gás pode incluir um gás inerte, tal como, hidrogénio, árgon, rãdon, etc., agente de oxidação, tal como, oxigénio, ozono, etc., gases ácidos, tais como, dióxido de carbono, ácido clorídrico, ácido sulfuroso gasoso, óxido de azoto, ácido sulfídrico, etc. e gás alcalino, tal como, amónia. A partir do orifício 4 0 de introdução do gás, o gás é automaticamente sugado (auto-sugado) e é incorporado no fluxo de mistura de gás com líquido em turbilhão na cavidade em turbilhão V, com uma forma semelhante a uma cadeia. A cavidade V de turbílhonamento do gás em forma de cadeia na porção central e o fluxo do líquido em turbilhão à volta dele ê ínjectado através da saída 50. Ao mesmo tempo desta ínjecção, o turbílhonamento é rapidamente enfraquecido pelo líquido estático circundante, por causa da diferença radical que ocorre entre as velocidades de turbílhonamento. 8
Depois, a cavidade gasosa V em forma de cadeia no centro do fluxo de turbilhonamento, é continuamente e rapidamente cortada. Como resultado, gera-se uma grande quantidade de micro-bolhas, por exemplo, micro-bolhas com um diâmetro de 10 - 20 μτη, geradas próximas da saída 50.
Na figura 1 a relação do diâmetro de calibre di da saída 5 da mistura de gás-líquido em turbilhão, diâmetro de calibre d2 do orifício 4 da introdução de gás, diâmetro de calibre d3 do tubo de introdução do líquido à pressão e a distância L entre a saída 5 da mistura de gás-líquido em turbilhão e a parte inferior 3 da câmara cilíndrica de turbilhonamento pode ser dada como: L == 0,5 a 3,0 x di 0 intervalo de valores numéricos devido à diferença do tipo de sistema é o seguinte: di d2 d3 L Sist. mini dimensão 0,5 cm ou menos 0,3 ~ 0,8 cm 0,5 cm ou menos 0,5 ~ 1,5 cm Sist. pequena dimensão 0,5 - 2,0 cm 0,5 - 1,0 cm 0,5 ~ 1,0 cm 1,6 ~ 6,0 cm Sist. dimensão média 2,0 - 5,0 cm 1,0 ~ 1,5 cm 1,0 - 2 f 0 cm 1,0 ~ 15 cm Sist. grande dimensão 5 cm ou mais 1,0 - 2,0 cm 2 cm ou mais 15 cm ou mais
No caso dos sistemas de média dimensão, por exemplo, a bomba tem um motor de 200-400 W, um volume de descarga de 40 litros/minuto e a altura de 15 m. Utilizando isto, pode-se gerar uma grande quantidade de micro-bolhas. Durante a operação acumulam-se sobre toda a superfície da água num tanque de água com um volume de 5 m3, micro-bolhas de cerca de 1 cm de espessura. Este sistema pode ser utilizado para a purificação de água numa lagoa com um volume de 2.000 m3 ou mais. 9
No caso dos sistemas de pequena dimensão, por exemplo, a bomba tem um motor de 3 0 W, um volume de descarga de 20 litros/minuto. Este sistema pode ser utilizado num tanque de água com um volume de 5 litros a 1 m3.
Quando se aplica este sistema para a água do mar, as micro-bolhas podem ser facilmente geradas e ê possível ainda expandir a aplicação para a sua utilização, A figura 4 é uma representação gráfica do diâmetro das bolhas e da distribuição da frequência de geração das bolhas quando se instala um sistema de média dimensão da presente invenção debaixo de água e as micro-bolhas são geradas utilizando ar como gás. Também se mostra os resultados para o caso em que o volume de sucção de ar no orifício 4 0 de introdução do gás é regulado. Nesta figura, mesmo quando se fixa a sucção do ar para 0 cm3/segundo, geram-se bolhas de 10-20 μτη de diâmetro. Isto pode ser causado pelo facto do ar dissolvido na água estar separado e se gerarem as bolhas. Por isso, o sistema da presente invenção pode também ser utilizado para um sistema de desaeração de gás dissolvido.
Tal como descrito na técnica anterior, quando se instala o sistema no líquido, o líquido à pressão (por exemplo, água pressurizada) é introduzido na câmara 1 cilíndrica de turbilhonamento, a partir da entrada 2 de líquido à pressão, por via de um tubo de entrada de líquido à pressão 7, utilizando uma bomba e o tubo 8 de introdução de gás (por exemplo, tubo de introdução de ar) está ligado ao orifício 4 de introdução de gás. Nestas condições, geram-se facilmente micro-bolhas com um diâmetro de 10-25 pm e essas bolhas são fornecidas ao líquido (por exemplo, água). 10
De acordo com a presente invenção, utiliza-se uma câmara de turbilhonamento com um diâmetro que aumenta gradualmente numa das direcções, por exemplo, uma câmara de turbilho-namento com a forma cónica, como se mostra na figura 3. A geração de bolhas pode ser controlada por meio da regulação de uma válvula de regulação da velocidade do fluxo do gás ligada à extremidade da frente do tubo 8 de introdução de gás e pode-se controlar assim facilmente a geração óptima de micro-bolhas. Além disso, podem-se gerar facilmente bolhas com um diâmetro de mais de 10-20 pm regulando a válvula.
Além disso, na figura 5, mostra-se que uma placa 9 deflectora está arranjada com um pequeno espaçamento S imediatamente antes da saída 5 da mistura de gás líquido em turbilhonamento, aberta para a extremidade mais larga da câmara 1 cilíndrica de turbilhonamento. Na figura 5, o desenho figura 5 (a) é uma vista seccional longitudinal e a figura 5(b) é uma vista seccional ao longo da linha X-X. Uma placa 9 deflectora do tipo de um disco, está disposta com um pequeno espaçamento S, preferencialmente, de 0,2 a 1,0 mm imediatamente antes da saída 5 da mistura de gás-líquido em turbilhonamento. Como resultado, as micro-bolhas são descarregadas para fora do sistema numa grande quantidade.
Quando o pequeno espaçamento S diminui, as micro-bolhas tornam-se em bolhas mais finas, mas a quantidade de descarga vai diminuindo. Neste caso, fornecendo gás à pressão através do orifício 4 de introdução de gás, pode-se descarregar uma grande quantidade de bolhas.
Tal como se mostra na figura 6, é preferível que uma placa de partição 9 (a) esteja ligada ímediatamente antes da saída 5 da mistura de gás-líquido em turbilhonamento na 11 extremidade larga da câmara 1 cilíndrica de turbilhonamento e pode-se fechar a saída 5, deixando apenas uma abertura parcial 5(a). Na figura 6, a figura 6(a) representa uma vista de uma secção longitudinal e a figura 6 (b) é uma vista lateral vista da esquerda. A placa de partição 9 (a) está ligada por baixo da saída 5 da mistura gás-líquido em turbilhonamento deixando uma abertura 5 (a) acima da saída. Como resultado, as micro-bolhas são descarregadas para fora do sistema em grande quantidade.
Em particular, podem-se gerar suficientes micro-bolhas mesmo quando o sistema mostrado na figura 5 e na figura 6 é utilizado num lugar em que se aplica uma elevada pressão à água. 0 sistema da presente invenção pode ser feito de materiais, tais como, plásticos, metal, vidro, etc. e é preferível que os componentes do sistema estejam integrados em conjunto por ligações, ligações aneladas, etc..
Por meio do sistema de geração de micro-bolhas do tipo de turbilhão da presente invenção, é possível gerar fácilmente micro-bolhas à escala industrial. Dado que o sistema tem uma dimensão relativamente pequena e é simples de construir, é mais fácil de fabricar e o sistema vai contribuir para a purificação de águas em lagoas, lagos, pântanos, lagos artificiais, rios, etc., para o tratamento de água poluída utilizando microrganismos e para a cultura de peixes e de outros animais aquáticos.
As micro-bolhas geradas pelo sistema de acordo com a presente invenção podem ser utilizadas nas seguintes aplicações: 12 (1) Purificação da qualidade da água em lagos artificiais, lagos naturais, lagoas, rios, mar, etc. e preservação do ambiente natural através do crescimento de animais e de microrganismos. (2) Purificação de águas naturais e artificiais, tais como, biótipo e promoção de crescimento de vaga-lumes, plantas de água, etc.. (3) Aplicações industriais
Difusão de temperaturas elevadas no fabrico do aço. - Promoção da limpeza de placas e fios de aço inoxidável .
Eliminação de substâncias orgânicas em unidades de produção de águas ultra-puras.
Eliminação de substâncias orgânicas em águas poluídas por meio da formação de micro-bolhas de ozono, aumento do oxigénio dissolvido, esterilização, fabrico de espuma de resina sintética, tal como, um produto de espuma de uretano.
Tratamento de vários tipos de águas e líquidos residuais.
Esterilização por meio de óxido de etíleno, promoção da mistura de óxido de etileno com água num esterilizador.
Emulsão de agentes de eliminação de espumas. 3
Aeração de águas poluídas em processos de tratamento de sedimentos activados. (4} Aplicações na agricultura
Aumento do oxigénio e do oxigénio dissolvido a ser utilizado em culturas hidropónicas e aumento do rendimento de produção. (5) Criação de peixes
Cultura de enguias.
Manutenção da vida em tanques de chocos.
Cultura de olho-de-boi.
Desenvolvimento artificial de algas.
Promoção do crescimento de peixes.
Prevenção de maré vermelha, (6) Aplicações medicinais
Utilização de micro-bolhas em banhos quentes para promover a circulação do sangue e para manter a água quente no banho.
Lisboa, 26 de Abril de 2007 14
Claims (7)
- REINVINDICAÇÕES 1. Sistema para produzir micro-bolhas do tipo turbilhonar num líquido, caracterizada pelo facto de compreender uma unidade principal de um recipiente com uma câmara de turbilhonamento cónica (10} com uma entrada na extremidade mais pequena e uma saída na extremidade mais larga, uma entrada de líquido sob pressão (2; 20) aberta numa direcção tangencial em relação à superfície circunferencial da parede interna da dita câmara de turbilhonamento, um orifício de introdução de gás (4; 40) aberto para uma abertura (30) na extremidade mais pequena da dita câmara de turbilhonamento cónica e uma saída da mistura turbilho-nar de gás-líquido (5; 50) aberta na extremidade mais larga da dita câmara de turbilhonamento cónica.
- 2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de providenciar uma pluralidade de entradas de líquido à pressão abertas na direcção tangencial sobre uma parte da superfície circunferencial da parede interna da câmara de turbilhonamento, com espaçamentos na circunferência da parede interna da câmara de turbilhonamento.
- 3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo facto de o orifício de introdução do líquido à pressão ser aberto numa parte da superfície circunferencial da parede interna, na proximidade da parte superior larga da referida câmara de turbilhonamento .
- 4. Sistema, de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo facto de a entrada de líquido à 1 pressão ser aberta numa parte da superfície circunfe-rencial da parede interna, próxima da parte central da dita câmara de turbilhonamento.
- 5. Sistema, de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo facto de uma placa deflectora (9) estar situada imediatamente antes da saída da mistura turbilhonar de gás-líquido, aberta na parede superior da câmara de turbilhonamento cónica.
- 6. Sistema, de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo facto de, uma placa de separação (9a) para fechar a saída, estar fixada, deixando únicamente uma abertura parcial, imediatamente antes da saída da mistura turbilhonar de gás líquido, aberta na parte superior larga da câmara de turbilhonamento cónica.
- 7. Processo de produção de micro-bolhas do tipo turbilhonar num líquido, caracterizada pelo facto de utilizar um esquema de acordo com a reivindicação 1, processo esse que compreende: uma primeira etapa que consiste em formar uma cavidade de gás turbilhonar (V) para fazer turbilhonar e guiar o gás que é aspirado para uma câmara de turbilhonamento (1; 10), produzindo um escoamento turbilhonar fazendo avançar e recuar o escoamento do gás na câmara de turbilhonamento; uma segunda etapa que consiste em produzir uma diferença nas velocidades de turbilhonamento entre as diferentes partes na cavidade turbilhonar do gás (V) e cortar à força e quebrar a cavidade de gás turbilhonar, gerando assim micro-bolhas; e 2 uma terceira etapa que consiste em aumentar a diferença de velocidade de rotação entre a parte cortada, rotativa e a parte quebrada, cortando e quebrando de maneira contínua a cavidade de gãs turbilhonar na referida câmara de turbilhonamento, na qual o fluido que passa na parte cortada, rotativa, é rapidamente expandido sob a forma cónica, voltando a uma posição na qual o fluido que não contém micro-bolhas ê desviado para o fluido rotativo, dilatando-se sob a forma cónica, sendo o ângulo de dilatação da forma cónica de pelo menos 90°. Lisboa, 26 de Abril de 2007 3
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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