Procedimiento y dispositivo para micro-mezclado de fluidos mediante célula de reflujo

Objeto de Ia invención

Procedimiento y dispositivo para micro-mezclado de fluidos miscibles o inmiscibles mediante célula de reflujo, producida por Ia invasión a contracorriente por uno de los fluidos, que penetra aguas arriba en el tubo de alimentación del otro fluido. Dicho tubo está cerrado y dotado de una boca de descarga, situada frente a una zona de confluencia donde el flujo saliente de fluido interceptado se encuentra con una corriente de fluido invasor aproximadamente perpendicular dirigida radial y centrípetamente hacia el eje de dicho flujo saliente. El producto se descarga libremente al exterior a través de un orificio de salida, los bordes de dicha boca de descarga y dicho orificio de salida están enfrentados y separados por un desfase axial; y Ia penetración de dicha célula de reflujo en el tubo de alimentación se regula controlando Ia velocidad del fluido. Una aplicación de Ia invención es el planchado con spray de gotas inferiores a 200 mieras asistido con vapor.

Estado de Ia técnica

La producción de sistemas multifásicos de escala pequeña es de alto interés para múltiples aplicaciones de Ia industria farmacéutica, alimentaria, agronómica y científica. Entre dichos sistemas de multifásicos se cuenta con emulsiones, espumas o aerosoles. La producción de éstos por vías puramente fluidodinámicas, y en particular por vía neumática, da lugar a numerosas aplicaciones y desarrollos industriales, tecnológicos, científicos y de Ia vida cotidiana. Los aerosoles han sido usados en numerosos campos tecnológicos, en particular como medio para tratar las enfermedades de las vías respiratorias mediante Ia nebulización de medicamentos líquidos. La administración de fármacos en forma de aerosol por vía inhalatoria permite obtener concentraciones adecuadas de medicamentos en el aparato respiratorio minimizando los efectos secundarios. Asimismo son muy conocidas las aplicaciones en el sector agronómico, para pulverización de plaguicidas, por ejemplo en tratamientos de desinsectación. Se utilizan para ello equipos manuales o automáticos (portátiles, montados en vehículos), que permiten una aplicación dirigida y cierta capacidad

de regular el grosor de Ia gota, cuyo diámetro suele variar entre las 100 y las 500 mieras. Cuando los tamaños de gota son inferiores, entre 50 - 100 mieras, suele usarse el término nebulización: en las aplicaciones de insecticida, ello aumenta Ia capacidad de flotación del preparado así como Ia extensión cubierta cuando se produce Ia deposición de las gotas.

Son diversos los principios tecnológicos aplicables al mezclado (en el caso de que las fases que confluyen sean molecularmente miscibles) o interpenetración íntima de una o más fases. En Io que sigue se citan los precedentes más cercanos basados en vías puramente fluidodinámicas.

La llamada tecnología Flow Focusing (FF) (Gañán-Calvo 1998, Physical Review Letters 80, 285), mediante el uso de una geometría especial, utiliza Ia vía neumática para generar microchorros de líquido que posteriormente, pasado el orificio de salida, se rompen en gotas de tamaño muy pequeño y sustancialmente homogéneo. Esta última tecnología también es capaz de generar micro-chorros de líquido mediante otro líquido en lugar de gas, o bien puede generar micro- chorros de gas en el seno de un líquido (el mismo líquido u otro diferente usado como forzador, es decir, con el mismo papel desempeñado por el gas en el procedimiento neumático), con Io cual se generan microburbujas de tamaño perfectamente homogéneo. Posteriormente, Ia patente WO 0076673 (D1) propuso una configuración de flujo, denominada violent flow focusing; a diferencia de FF, el gas enfocante tiene aquí un flujo esencialmente radial y centrípeto (flujo-diafragma), dirigido concéntricamente en una capa delgada que intercepta Ia salida del líquido en una superficie de flujo transversal al eje de movimiento del líquido. Como se explica en D1 , el gas procede de una cámara de presión, y Ia intensa interacción que se produce entre Ia fase líquida, cuyo movimiento es esencialmente axial, y Ia fase gaseosa, dirigida radialmente, da lugar a una inmediata transferencia de cantidad de movimiento. Como se describe en D1 , sin embargo, el líquido sale a Ia atmósfera exterior en forma de chorro. Además, también se declara en dicha patente que el tamaño de las gotas tiene una dependencia muy pequeña respecto del caudal de líquido atomizado, al menos a Io largo del rango paramétrico de caudales que se reivindica allí. Es también notable destacar por su importancia diferencial con Ia presente invención, que en D1 se reivindica una relación entre el

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diámetro medio d de las gotas y los parámetros del sistema (el caudal de líquido Q, Ia presión aplicada AP, y las propiedades físicas del líquido: densidad p y tensión superficial σ), dada por: d ld _o » {QI Q ₀ J ¹⁵ (1) donde d _o = σ I AP , y Q ₀ = (σ ⁴ /(pΔP ³ )) ^1/2 . En D1 se reivindica que el líquido es expelido a través del orificio de salida en forma de un chorro; si el diámetro de ese chorro tiene Ia siguiente expresión (A.M. Gañán-Calvo 1998, Physical Review Letters 80, 218): Entonces estaría perfectamente justificada Ia expresión (1) mediante el modelo de mezcla turbulenta (en una región posterior a Ia salida del orificio) de Kolmogorov- Hinze (R. Shinnar, 1961, Journal of Fluid Mechanics 10, 259). En efecto, esta teoría nos dice que el diámetro de las gotas producidas por rotura turbulenta tienen una relación con Ia escala macroscópica del flujo, que estaría dada por d¡ , según Ia siguiente expresión:

Combinando las expresiones (2) y (3) se obtiene Ia expresión (1). Los datos declarados en D1 concuerdan muy bien con Ia ley (1), Io cual concuerda con Ia presencia del chorro (que se puede detectar también por medios visuales). Por otra parte, se declaran también una serie de restricciones geométricas del dispositivo para que el sistema funcione según se reivindica. Más recientemente, Ia solicitud de patente española número P200402333 (D2) de título "Dispositivo y procedimiento para Ia atomización neumática de líquidos mediante flujo implosivo de gas" describe dispositivos y procedimientos para atomizar un líquido utilizando una configuración similar a Ia de Ia presente invención, restringida al caso de un orificio circular y estando Ia fase líquida rodeada de Ia fase gaseosa cuando ambas atraviesan el orificio de salida. Además, se describe una variedad de configuraciones posibles para impulsar el líquido mediante Ia fase gaseosa, que puede ser un vapor.

Con respecto a dichas patentes, Ia invención aquí descrita introduce una modalidad de mezclado que, por una parte, permite Ia interacción de dos o más

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fases arbitrariamente elegidas (no es preciso restringir a chorro líquido central rodeado por corriente gaseosa); por otra parte, no se basa en Ia fragmentación de un chorro emitido por el tubo central de alimentación, sino en un nuevo principio: Ia invasión aguas arriba de dicho tubo de alimentación por una corriente invasora procedente del fluido externo. El rasgo, por Io tanto, esencial del procedimiento y dispositivo descritos es Ia producción de una célula de reflujo, donde se generan escalas de turbulencia que aseguran Ia más íntima interacción entre las fases que allí confluyen. Por Io tanto, a diferencia con Ia patente D1 , (i) no existe un chorro de una fase rodeado por Ia otra fase, pasando a través de un orificio de salida, (ii) las restricciones geométricas que se imponen en D1 no son aplicables a Ia presente invención, y (iii) los tamaños de gota obtenidos, en caso de usarse Ia presente invención como nebulizador de líquidos, son mucho más pequeños (en algunos casos hasta cinco veces más pequeños) que los declarados en D1.

Con respecto al planchado con spray de agua asistido por vapor, Ia primera plancha de vapor apareció a mediados de los años sesenta (US3248813), consistente en una plancha con una fuente de calor en su interior que genera una corriente de vapor que atraviesa un filtro o difusor que existe entre vapor fuente y el vapor del capilar, pasando a través del filtro como pequeñas gotas de humedad. Otra invención relacionada es un aparato de toma de agua integrado en Ia plancha que conduce un flujo de agua hasta un nebulizador utilizado como procedimiento de planchado asistido por vapor (WO9800597) donde el generador de vapor esta situado en un stand independiente de Ia plancha o bien puede ir dentro de Ia plancha (WO9925915) que puede ser rellenado automáticamente (EP1026306). Hay antecedentes que utilizan un sistema para generación de vapor que posteriormente se conduce a través de conductos a Ia plancha (WO02070812). A diferencia de las anteriores, Ia presente invención incluye un nebulizador neumático, en el que las gotas son generadas a partir de Ia mezcla turbulenta con vapor de agua. Dicho vapor de agua puede generarse directamente a través de sistemas independientes (previos o no) de generación de calor (p.ej. eléctricos), o bien mediante Ia utilización de calor proveniente de Ia pieza que se utiliza para presionar en el planchado. Un modo de hacerlo sería hacer atravesar Ia línea de agua destinada a vaporizarse por las inmediaciones de dicha pieza, de tal modo que a Io largo de su recorrido el calor absorbido sea suficiente para ocasionar Ia

vaporización. La elevada velocidad de Ia salida del agua del spray causada por Ia metodología descrita mejora las prestaciones en el planchado frente a otros métodos existentes.

Descripción de la invención

Es objeto de Ia invención un dispositivo de combinación de fases para el mezclado en el caso de fluidos miscibles, y para Ia producción de emulsiones, aerosoles, y micro-espumas en el caso de fluidos no miscibles, mediante Ia creación de una célula de reflujo producida por Ia invasión a contracorriente por uno de los fluidos, el de menor densidad (fluido invasor), que penetra aguas arriba en el tubo de alimentación del otro fluido, más denso (fluido interceptado). Dicho tubo de alimentación es cerrado y está dotado de una boca de descarga; dicha boca de descarga está situada frente a una zona de confluencia donde el flujo saliente de fluido interceptado se encuentra con una corriente aproximadamente perpendicular dirigida radial y centrípetamente hacia el eje de dicho flujo saliente; el producto de Ia interacción de ambas fases, principalmente producida en dicha célula de reflujo, descarga libremente al exterior a través de un orificio de salida que posee aproximadamente las mismas dimensiones que dicha boca de descarga; los bordes de dicha boca de descarga y dicho orificio de salida están enfrentados y separados por un desfase axial; y Ia penetración de dicha célula de reflujo en el tubo de alimentación se regula controlando Ia velocidad del fluido invasor en dicha zona de confluencia, que debe ser al menos dos veces más alta, preferentemente al menos cinco veces más alta que Ia velocidad del fluido interceptado en dicho tubo de alimentación; dicha relación de velocidades es obtenida mediante una adecuada elección de Ia relación de flujos másicos de ambas fases, y mediante Ia elección de dicho desfase axial, que ha de ser inferior a Ia mitad, preferentemente inferior a Ia cuarta parte del diámetro de dicho orificio de salida. Otra variante de Ia invención es un dispositivo de combinación de fases según Io anterior, en el que dicho fluido invasor es compuesto, constando de una pluralidad de corrientes formadas por fases diferenciadas, que interaccionan con Ia corriente de fluido interceptado en dicha célula de reflujo.

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Asimismo se da a conocer un dispositivo de combinación de fases en el que dichos fluidos no son miscibles molecularmente.

Formas más específicas de Ia invención conducen a dispositivos según Io anterior, en los que Ia inercia media por unidad de volumen de cualquiera de las fases en Ia zona de confluencia y en Ia sección de paso de dicho orificio de salida es al menos veinte veces, preferentemente cien veces mayor que el valor medio por unidad de volumen de las fuerzas que se provocan en Ia corriente debido a Ia viscosidad de los fluidos en dichas zona de confluencia y sección de paso del orificio de salida. En otra variante, dicho tubo de alimentación del fluido interceptado es de sección preferentemente circular, siendo su boca de descarga también preferentemente circular, así como dicho orificio de salida de Ia mezcla; dicha boca de descarga está contenida en un plano perpendicular al eje de simetría de dicho tubo, y dicho plano es paralelo al plano que contiene a dicho orificio de salida, existiendo entre ambos planos el dicho desfase axial; Ia diferencia entre los diámetros de dicho orificio de salida y dicha boca de descarga es inferior al 20% del mayor de dichos diámetros, y los centros de dichos orificio y boca se encuentran alineados con un error máximo del 20% del mayor de dichos diámetros.

Una modalidad adicional se basa en que el o los fluidos invasores confluyen hacia Ia boca de descarga del tubo que alimenta el fluido interceptado a través de una o más aperturas orientadas en dirección esencialmente perpendicular hacia el eje de dicho tubo, de manera que dichas aperturas lindan por una parte con dicha boca de descarga y por Ia parte opuesta con dicho orificio de descarga, situado enfrente de Ia boca de descarga de dicho tubo, y siendo el área total de dichas aperturas entre 0.2 y 1.5 veces, preferentemente entre 0.5 y 1 veces el área de dicho orificio de descarga.

En particular, se contempla en esta invención un dispositivo para el mezclad por que se hacen confluir dos fases, siendo Ia fase más densa un líquido y Ia fase menos densa un gas, de manera que Ia relación de caudales másicos entre el gas y el líquido está entre 0.01 y 10000, preferentemente entre 0.05 y 200.

Un uso preferente de los dispositivos descritos es Ia introducción de muestras en espectroscopia atómica mediante Io anterior; el fluido interceptado es una fase líquida que contiene muestras que se quieren caracterizar por espectroscopia atómica óptica o másica, y el fluido invasor es un gas, preferentemente argón.

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Por otra parte, es objeto de Ia invención un procedimiento de combinación de fases para el mezclado en el caso de fluidos miscibles, y para Ia producción de emulsiones, aerosoles, y micro-espumas en el caso de fluidos no miscibles, basado en el uso del dispositivo descrito anteriormente.

Por otra parte, es objeto de Ia invención un dispositivo de planchado o "plancha", que consta de un nebulizador neumático para Ia generación de un aerosol de gotas muy finas a través del mezclado de agua líquida con vapor de agua según las configuraciones descritas. Dicho dispositivo se caracteriza por que el fluido invasor es vapor de agua generado mediante Ia aportación de calor a una corriente de agua líquida que, a su vez, es el fluido interceptado. El calor utilizado para vaporizar el agua puede provenir de Ia pieza que se utiliza para presionar el tejido para plancharlo. Las gotas generadas impactan contra el tejido pudiéndose controlar el tamaño de las mismas de modo que se mejoren los resultados del planchado. El dispositivo puede funcionar con un caudal másico de vapor inferior a Ia mitad del caudal másico de agua líquida empleado. Este sistema proporciona un elevado ahorro de energía frente a los sistemas de planchado convencionales, que requieren mucha más energía para producir Ia vaporación completa de Ia comente líquida. Por contra este sistema utiliza menos energía, ya que para un mismo caudal de agua total eyectado por Ia plancha, el dispositivo propuesto requiere sólo Ia vaporización de una fracción del mismo, reduciendo el consumo energético. Asimismo Ia penetración de Ia humedad en el tejido y, por tanto, Ia efectividad del planchado, se mejoran debido a Ia mayor inercia del aerosol, su pequeño tamaño de gotas y a Ia elevada velocidad de salida del spray del nebulizador.

Descripción de figuras

Figura 1. Configuración axilsimétrica del dispositivo de mezclado de Ia presente invención como nebulizador de líquido. Flechas grises: Líquido a atomizar. Flechas negras: Gas de atomización.

Figura 2. Cuatro ejemplos de mezclado en el interior del tubo, en Ia zona próxima a Ia boca de descarga de dicho tubo (fotografías de alta velocidad tomadas con un

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tiempo de obturación de 0.1 microsegundo, usando una cámara de vídeo de alta velocidad 4Quick de Stanford Computer Optics), para el caso de atomizar un líquido con gas y usando una configuración axilsimétrica. Obsérvese Ia formación de escalas microscópicas, burbujas de muy diferente tamaño y gotas. El líquido utilizado es agua con un 0.1% de Tween 80. El valor de H declarado es Ia distancia entre Ia boca de salida del tubo de alimentación del líquido y el orificio.

Figura 3. Ejemplo de mezclado en el interior del tubo para el caso de atomizar un líquido con gas y usando una configuración axilsimétrica. En esta caso, el líquido utilizado es agua pura a 2O ⁰ C, con una sobrepresión ¿1P=25OO milibares y un caudal de líquido Q=10 mL/min.

Figura 4. Proceso de mezclado dinámico en Ia región de confluencia de las fases 1 (más densa) y 2 (menos densa) y reflujo hacia el conducto de alimentación de Ia fase 1, con tres pasos característicos: (a) Formación de un punto de remanso en el campo de velocidades del fluido 2 entre Ia salida del tubo y el agujero de salida. Empieza a aumentar Ia presión en Ia salida del tubo, (b) Colapso de Ia entrada del fluido 2 hacia el tubo por acumulación del fluido 1 en Ia salida del tubo, (c) Descarga del fluido 2 acumulado en Ia salida del tubo junto con el fluido 1. Bajada de Ia presión en Ia salida del tubo.

Modo de realización de Ia invención

Ejemplo 1. Sistema de atomización neumática de líquidos

Mediante Ia configuración mostrada en Ia figura 1, con simetría de revolución, se alimenta un líquido a través de un tubo de sección circular y diámetro interior D. Dicho tubo se encuentra en el interior de una cámara presurizada con un gas que es alimentado desde una o varias entradas a dicha cámara. La boca de salida del tubo es de forma afilada como indica Ia figura, y está enfrentada a un orificio también circular y de diámetro D situado en una de las paredes de Ia cámara, de tal manera que los planos que contienen al orificio de Ia cámara y a Ia boca de salida del tubo son paralelos y están separados una distancia H. Dicha distancia H es inferior a D/2, preferentemente inferior a DIA, con Io cual Ia sección anular de

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paso lateral de gas entre Ia boca de salida del tubo y el orificio de salida tiene un área de paso aproximadamente del mismo orden que el área del orificio de salida. Debido a que Ia boca de salida del tubo de alimentación del líquido es de forma afilada, Ia sección anular de paso lateral del gas arriba descrita facilita una descarga expedita para el gas, con pocas o nulas pérdidas por fricción. Consecuentemente, el gas presurizado dentro de Ia cámara descargará a través de dicha sección a Ia mayor velocidad que Ie permita Ia expansión esencialmente adiabática, para un salto de presiones AP entre Ia cámara y el exterior, hasta Ia zona intermedia situada entre Ia boca de salida del tubo y el orificio de salida de Ia cámara, como se muestra en Ia figura 1. En dicha zona intermedia se produce una compleja distribución de presiones no estacionaria como consecuencia de: (i) el colapso radial a alta velocidad del gas hacia el eje de simetría del tubo, que provoca un aumento local de Ia presión en las inmediaciones de dicho eje de simetría, y (ii) Ia descarga del líquido a través del tubo dado un caudal volumétrico de líquido Q. La subida de presión local en las inmediaciones del eje de simetría del tubo provoca una penetración del gas aguas arriba del tubo en forma de un corto chorro vertical, que se abre inmediatamente y forma una zona de vorticidad toroidal (configuración en "seta") en el tubo, con su eje de simetría coincidente con el del tubo, en las proximidades de Ia boca de descarga (ver figura 1). En dicha zona se produce un movimiento muy turbulento generador de escalas microscópicas de mezclado, burbujas, y gotas microscópicas, con Io cual se provoca un violento mezclado con el líquido que viene por el tubo (ver figuras 2 y 3). En Ia figura 3 se puede observar también como el líquido sale a alta velocidad de Ia boca del tubo en forma de múltiples ligamentos líquidos muy finos, antes de que éstos atraviesen el orificio de salida. Esta es una diferencia fundamental de Ia presente invención respecto de las anteriores (D 1 y D2).

Ejemplo 2. Sistema de mezclado de líquidos

También mediante Ia configuración mostrada en Ia figura 1 , con simetría de revolución, se alimenta un líquido a través de un tubo de sección circular y diámetro interior D. Dicho tubo se encuentra en el interior de una cámara presurizada con otro líquido que es alimentado desde una o varias entradas a dicha cámara. La boca de salida del tubo es de forma afilada como indica Ia figura,

y está enfrentada a un orificio también circular y de diámetro D situado en una de las paredes de Ia cámara, de tal manera que los planos que contienen al orificio de Ia cámara y a Ia boca de salida del tubo son paralelos y están separados una distancia H. Dicha distancia H es inferior a D/2, preferentemente inferior a DIA, con Io cual Ia sección anular de paso lateral de gas entre Ia boca de salida del tubo y el orificio de salida tiene un área de paso aproximadamente del mismo orden que el área del orificio de salida.

En este caso de Ia mezcla de dos fases líquidas, un posible patrón de flujo observado se describe en Ia figura 4, que presenta tres momentos más o menos cíclicos como se indica en Ia figura.