metodo y sistema para enriquecer el contenido de oxigeno del agua.

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REGISTRO DE LA
PROPIEDAD INDUSTRIAL
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ES 2 018 544
kInt. Cl. : A01K 63/04
11 N.◦ de publicación:
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ESPAÑA
C02F 1/00
C02F 7/00
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TRADUCCION DE PATENTE EUROPEA
kNúmero de solicitud europea: 87302980.5
kFecha de presentación : 06.04.87
kNúmero de publicación de la solicitud: 0 244 954
kFecha de publicación de la solicitud: 11.11.87
B3
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54 Tı́tulo: Método y sistema para enriquecer en oxı́geno una masa de agua.
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73 Titular/es: ATEC, Inc.
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72 Inventor/es: Weber, Willis W.
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74 Agente: Herrero Antolı́n, Julio
30 Prioridad: 07.04.86 US 849220
877 North 8th West
Riverton Wyoming 82501, US
45 Fecha de la publicación de la mención BOPI:
16.04.91
45 Fecha de la publicación del folleto de patente:
16.04.91
Aviso:
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En el plazo de nueve meses a contar desde la fecha de publicación en el Boletı́n europeo de patentes,
de la mención de concesión de la patente europea, cualquier persona podrá oponerse ante la Oficina
Europea de Patentes a la patente concedida. La oposición deberá formularse por escrito y estar
motivada; sólo se considerará como formulada una vez que se haya realizado el pago de la tasa de
oposición (art◦ 99.1 del Convenio sobre concesión de Patentes Europeas).
Venta de fascı́culos: Registro de la Propiedad Industrial. C/Panamá, 1 – 28036 Madrid
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DESCRIPCION
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Esta invención se refiere a un método y a un sistema para enriquecer en oxı́geno una masa de agua con
un contenido de oxı́geno relativamente bajo. En un aspecto, esta invenición se refiere a un método y a un
sistema para enriquecer en oxı́geno una masa de agua, tal como un caz, balsa o estanque de piscifactorı́a,
utilizados en operaciones de acuicultura.
La gestión convencional de las piscifactorı́as comprende no solamente el “vivero” convencional, con
sus pilas y cazes, sino también sistemas de acuicultura previamente considerados inapropiados para criar
grandes números de peces en un ambiente cautivo. La selección de un intervalo apropiado de concentraciones de oxı́geno disuelto para un sistema de acuicultura particular es sólo una de las muchas variables
que se considera conveniente controlar para optimizar las operaciones de las piscifactorı́as.
El mantenimiento de niveles adecuados de oxı́geno disuelto en los sistemas de acuicultura es una
función compleja que depende de los diferentes tipos o especies de peces que habitan el sistema. Por
ejemplo, no solamente es necesario considerar las densidades de población relativas de las diferentes especies de peces y sus tamaños individuales y salud general sino que también es necesario considerar las
necesidades de poblaciones de diversos organismos secundarios tales como zooplankton, fitoplankton y
algas. Además, es sabido que el fitoplankton, corrientemente encontrado en los estanques de barbos, consume oxı́geno durante periodos de baja radiación solar. El fitoplankton puede agotar el oxı́geno disuelto
en el estanque hasta el punto de que el barbo padece anoxia. Durante estos periodos, es conveniente poder
oxigenar el estanque para garantizar la supervivencia de los barbos durante este periodo. La capacidad
del sistema de acuicultura de mantener el desarrollo deseable del pez también es afectada por las condiciones del agua tales como la temperatura y el pH, ası́ como el contenido de dióxido de carbono, nitrógeno
y amoniaco del agua. Por ejemplo, las concentraciones de oxı́geno disuelto de los sistemas acuosos para
acuicultivo disminuyen por diversos caminos. Los principales mecanismos de agotamiento del oxı́geno
son la respiración de los peces y otros organismos y la reacción quı́mica con la materia orgánica tal como
heces y plantas y animales en putrefacción.
También se sabe que los gases como el oxı́geno, el nitrógeno y el dióxido de carbono son relativamente
más solubles en agua más frı́a que en agua más caliente. Considerando solamente la respiración de los
peces, sin embargo, el metabolismo aumenta a medida que aumenta la temperatura del agua, necesitando
por ello cantidades crecientes de oxı́geno para mantener un crecimiento saludable del pez. Asimismo, se
sabe que el nitrógeno y/o el dióxido de carbono desplazan el oxı́geno. Además, las concentraciones excesivas de nitrógeno o de dióxido de carbono pueden ser perjudiciales para los peces.
Por lo tanto, debido a que se consideran crı́ticas las cantidades adecuadas de oxı́geno disuelto para
conseguir el crecimiento y la supervivencia convenientes de los peces, el mantenimiento de concentraciones predeterminadas de oxı́geno disuelto es de la mayor importancia para los criadores de peces. En
general, los peces se encuentran bien a unas concentraciones de oxı́geno disuelto superiores a unas 4
partes por millón (ppm). En particular, se prefiere una concentración de oxı́geno disuelto de alrededor
de 5 ppm y aún se prefiere mejor una concentración de oxı́geno disuelto ligeramente superior a unos 5 ppm.
Los niveles excesivos de concentración de oxı́geno, sin embargo, pueden inducir enfisemas en los peces,
lo que de nuevo es indeseable. No obstante, en general, los problemas relacionados con el oxı́geno en los
peces son causados por concentraciones del gas demasiado bajas. Se sabe que los peces sobreviven durante
periodos prolongados (es decir, dı́as) a unas 3 ppm pero generalmente no crecen bien. La mayorı́a de los
peces pueden tolerar alrededor de 1 a 2 ppm durante solamente algunas horas y morirán si las concentraciones de oxı́geno a este nivel se prolongan durante mucho tiempo o descienden por debajo de este nivel.
Estudios recientes han sugerido que es conveniente, para optimizar la producción de peces, mantener en el agua del sistema de acuicultura unas concentraciones de oxı́geno disuelto próximas al nivel de
saturación del oxı́geno en ese sistema, en las condiciones ambiente del mismo. (En general, el término
“saturación” se refiere a la cantidad de un gas que se disuelve en una cantidad conocida de agua cuando
las fases acuosa y atmosférica del gas disuelto están en equilibrio).
En los estanques a los que no se suministra agua fresca corriente, el oxı́geno procede solamente de
dos orı́genes, a saber: la difusión desde el aire y la fotosı́ntesis. El oxı́geno se difunde a través de la
superficie del agua entrando y saliendo del estanque, lo que depende de si el agua está subsaturada o
sobresaturada con respecto al gas. Una vez que el oxı́geno del aire atraviesa la pelı́cula superficial del
agua, se difunde con relativa lentitud a través de la masa de agua. Generalmente, sólo si la superficie
del agua es mecánicamente mezclada con el resto del estanque - por ejemplo, por el viento, una bomba,
dispositivos de aireación o motores fuera borda - el oxı́geno difundido será significativo para airear toda
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la masa de agua.
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Desgraciadamente, la eficacia de transferencia de oxı́geno o difusión del oxı́geno de los dispositivos de
aireación convencionales - como los aireadores de aire difundido o los aireadores mecánicos superficiales es baja, debido principalmente a la profundidad relativamente pequeña de la mayorı́a de los sistemas de
acuicultura.
El requisito de mantener las concentraciones de oxı́geno disuelto sustancialmente saturadas en las
condiciones ambiente presenta un impedimento adicional en los sistemas de acuicultura debido a que en
muchos de estos sistemas el fitoplankton, que es el mayor productor de oxı́geno cuando la luz induce la
fotosı́ntesis, se convierte tı́picamente en el mayor consumidor de oxı́geno en ausencia de fotosı́ntesis.
Especialmente durante la temporada de crecimiento de los peces, la concentración de oxı́geno disuelto
en cualquier sistema de acuicultura está determinada fundamentalmente por el equilibrio entre la fotosı́ntesis y la respiración. Para que un cultivo de peces prospere, las concentraciones de oxı́geno disuelto
en un sistema de acuicultura deben ser controladas dentro de lı́mites predeterminados que dependen del
tipo particular de peces que están siendo criados. Por ejemplo, el nivel más bajo de seguridad para las
truchas es alrededor de 5 ppm de oxı́geno disuelto. Otras especies de peces, como se ha mencionado
antes, pueden ser capaces de tolerar una concentración de oxı́geno disuelto algo menor. Sin embargo, el
objetivo no es establecer una concentración de oxı́geno que pueda tolerar el pez. Es conveniente poder
mantener la concentración de oxı́geno disuelto a un nivel de prosperidad de los peces que sea óptimo para
la especie de pez particular que está siendo cultivada.
Esta invención proporciona un método y un sistema para enriquecer de manera controlable el contenido de oxı́geno disuelto de una masa de agua con un contenido de oxı́geno relativamente bajo. El método
contempla el suministro, a un conducto de flujo confinado (tal como una tuverı́a) que comunica con la
masa de agua, de una corriente de un lı́quido acuoso fluyente confinado que está a una presión superior a
la atmosférica y sobresaturado con respecto a la concentración de oxı́geno disuelto. Esta corriente lı́quida
se mantiene sustancialmente libre de burbujas cuyo tamaño aumenta bajo las condiciones reinantes en la
masa de agua. El caudal de la corriente de lı́quido acuoso enriquecido en oxı́geno es modulado de manera
que se mantiene un número adimensional definido como:
ρD3 V
gc∆P L2 t
donde ρ = densidad del lı́quido de la corriente lı́quida acuosa a presión en el conducto de flujo confinado,
D = diámetro interno equivalente a un tubo circular del conducto de flujo confinado.
V = velocidad media del lı́quido de la corriente lı́quida acuosa en el conducto de flujo confinado,
gc = constante de gravedad, v.g. 32.174 lbm .ft/lbf . seg2 (9,8 kgm .m/kgf .seg2 ,
∆P = caı́da de presión de la corriente lı́quida acuosa que fluye a través del conducto de flujo confinado,
L = longitud del conducto de flujo confinado y
t = tiempo medio de tránsito requerido por la corriente lı́quida acuosa para fluir a través del conducto
de flujo confinado,
en un valor comprendido aproximadamente entre 1 x 10−10 y 5 x 10−7 hasta que la corriente se entremezcla con la masa de agua, cuyo contenido de oxı́geno ha de ser enriquecido. La corriente móvil de
lı́quido acuoso a presión y enriquecido en oxı́geno se entremezcla con la masa de agua de forma tal que se
produce el enriquecimiento en oxı́geno de la masa de agua sin pérdida sustancial de oxı́geno de la masa de
agua enriquecida en oxı́geno a la atmósfera ambiente. Preferiblemente, el valor del número adimensinal
se mantiene entre 5 x 10−10 y 1 x 10−8 aproximadamente.
La operación de entremezclado se realiza preferiblemente de manera tal que la densidad de flujo de
la corriente acuosa que sale del extremo distal del conducto de flujo confinado y pasa a la masa de agua
distribuye la corriente acuosa sobresaturada dentro de la mayor parte de la masa de agua en un punto
situado debajo de la superficie.
Otras caracterı́sticas, aspectos y/o ventajas del método de la presente invención, incluı́do el sistema
empleado para realizar este método, son discutidos más adelante.
La Figura 1 es un diagrama de bloques que representa llos principios de la presente invención;
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La Figura 2 es un dibujo esquemático que ilustra un sistema actualmente preferido de la presente
invención;
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La Figura 3 es una sección transversal de un componente que puede ser utilizado en el sistema mostrado en la Figura 2;
La Figura 4 es un gráfico que ilustra la relación entre la eficacia relativa de retención del oxı́geno
disuelto de una masa de agua enriquecida en oxı́geno y el número adimensional definido anteriormente y
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La Figura 5 es un dibujo esquemático de un componente oxigenante preferido del sistema mostrado
en la Figura 2.
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Aunque esta invención es susceptible de realizarse en diversas formas, en los dibujos se muestra y más
adelante se describe con detalle una realización actualmente preferida de la invención, en el entendimiento
de que esta descripción debe considerarse ejemplificadora de la invención sin limitarla a la realización
especı́fica ilustrada.
En sentido amplio, esta invención se refiere a un método para enriquecer el contenido de oxı́geno
disuelto de una masa de agua con un contenido de oxı́geno relativamente bajo. Aunque los datos experimentales presentados más adelante se han obtenido teniendo en cuenta el enriquecimiento del contenido
de oxı́geno disuelto para optimizar el crecimiento de los peces, esta invención es aplicable a otras numerosas situaciones que también requieren el enriquecimiento en oxı́geno disuelto.
Por ejemplo, el método de esta invención también es útil para la esterilización hiperbárica. En particular, poblaciones de organismos patógenos muy conocidos tales como Staphylococcus aureus, Pseudomonas
aeruginosa, y similares pueden ser reucidas sustancialmente en número después de ser sometidas a una
presión parcial de oxı́geno superior a unas 2 atmósferas (es decir, alrededor de 1520 milı́metros de mercurio). Por lo tanto, es posible aumentar la calidad del agua de acuicultura, por ejemplo sometiendo
el sistema de acuicultura al método de la presente invención, para reducir con ello sustancialmente la
población de un organismo patógeno preseleccionado que pueda estar presente en el sistema de acuicultura.
Todavı́a otra aplicación de la presente invención es la lixiviación oxidativa de menas minerales. En
particular, el método de esta invención puede ser apicado a la llamada “lixiviación en montón” in situ
de mineral de cobre de baja calidad. Por ejemplo, una variedad comercial de mineral de cobre está constituı́da fundamentalmente por sulfuro de cobre pero contiene también sulfuros de hierro y compuestos
similares, todos ellos insolubles en agua. El método de esta invención puede ser empleado para oxidar
estos compuestos que eran insolubles en agua, con o sin ayuda de bacterias acidófilas tales como Thiobacillus ferrooxidans, o similares, formando con ello sulfatos de cobre y sulfatos de hierro solubles en
agua. De forma similar, también puede realizarse la desulfuración efectiva de la hulla. Por ejemplo, la
hulla bituminosa en partı́culas, con un contenido de azufre del orden del 2 al 8%, y microorganismos T.
ferrooxidans se suspenden con agua enriquecida en oxı́geno para formar una suspensión al 10-25% en peso
de hulla en agua. Cuando la suspensión resultante se transporta a lo largo de una tuberı́a de suspensiones bajo condiciones de flujo turbulento, puede conseguirse la eliminación del azufre pirı́tico de la hulla.
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Otro ejemplo es la inyección de una corriente de lı́quido acuoso sobresaturado en oxı́geno en una masa
de mineral subterránea natural o artificialmente fracturada mediante un sistema de inyección adecuado,
para obtener caldos cargados de mineral. Los caldos cargados, a su vez, pueden ser sacados a la superficie
a través de pozos de recogida y después purificados para recuperar el metal deseado. Los procesos o sistemas convencionales de purificación y/o recuperación incluyen la electrolisis, la precipitación y la difusión
a través de una membrana. Los caldos aprovechados resultantes pueden ser re-oxigenados y devueltos a
la masa mineral.
En otra de estas aplicaciones, un montón de mineral puede mezclarse y apilarse sobre una membrana
impermeable con un sistema de drenaje adecuado a base de baldosas o tuverı́as disupuesto encima de
ella. El montón de mineral puede colocarse sobre la membrana de forma que el sistema de drenaje se
encuentre cerca de la base del montón de mineral. Puede distribuirse auga sobresatureada de oxı́geno
sobre la superficie del mineral a través de un sistema de distribución de pasos múltiples. Después puede
utilizarse el sistema de drenaje para recoger los caldos cargados. Si se desea, puede mantenerse encima
del montón de mineral un estanque de agua, de manera que el agua sobresaturada de oxı́geno pueda
ser distribuı́da sobre la pila con una pérdida mı́nima de oxı́geno. De esta forma, todo el montón o pila
de lixiviación puede saturarse sustancialmente de agua oxigenada, con lo que la oxidación de los com4
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puestos metálicos transcurre sin necesidad de penetrar en el montón, como ocurre convencionalmente.
Una ventaja de emplear esta invención en dicha aplicación es que el tamaño de partı́cula del mineral,
controlado convencionalmente para conseguir una permeabilidad adecuada para obtener un flujo de aire
predeterminado a través del montón, ya no tiene que ser controlado.
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En una realización alternativa de esta solicitud, el agua oxigenada puede ser alimentada a un montón
a través de un sistema de distribución de pasos múltiples situado en la base del montón. El montón
puede cubrirse con una pared de retención adecuada y puede hacerse fluir agua oxigenada hacia la parte
superior del montón. Esta pared de retención puede estar dimensionada de manera que sea más alta
que el montón y puede estar construı́da de forma que resulte impermeable al agua para permitir que
el montón quede inundado por el agua oxigenada que se introduce en el mismo a través del sistema de
distrivución de agua oxigenada. Este agua, después de haber inundado el montón en la forma descrita,
puede ser recogida en un sistema colector de tuberı́as situado, por ejemplo, encima del montón inundado.
Esta disposición puede ser entonces controlada para garantizar que el montón se mantiene inundado de
agua oxigenada, como se desea.
Todavı́a otra aplicación de esta invención contempla la eliminación de ciertas sales del agua, por ejemplo la eliminación del hierro y del manganeso del agua potable. La presencia de iones hierro y manganeso
en el agua potable puede ser indeseable por diversas razones. Por ejemplo, los iones hierro y manganeso
pueden comunicar un sabor metálico amargo al agua potable, por encima de ciertos niveles de concentración. Debido a que el hierro y el manganeso se encuentran tı́picamente en el agua potable en forma
de iones ferroso y manganoso solubles, respectivamente, puede reducirse la concentración de estos iones
por oxidación a iones férrico y mangánico que generalmente forman compuestos insolubles.
Refiriéndonos ahora a la Figura 1, se muestra un diagrama de bloques que ilustra las etapas básicas
del método de esta invención. En la etapa 10 de absorción de gas se combina una corriente gaseosa que
contiene oxı́geno con una corriente lı́quida acuosa para enriquecer la corriente lı́quida acuosa en oxı́geno
disuelto. En la etapa 12 de transferencia a presión se transfiere la corriente lı́quida acuosa enriquecida
en oxı́geno a una masa de agua mediante una etapa 16 de mezcla lı́quido-lı́quido mientras el flujo de la
corriente lı́quida acuosa enriquecida en oxı́geno es simultáneamente modulado mediante la etapa 14 de
modulación del flujo.
La absorción de gas es una operación unitaria conocida en la que los componentes solubles de un gas,
tales como el oxı́geno, se disuelven en un lı́quido. Generalmente se prefiere realizar la etapa de absorción
del oxı́geno de forma continua. Pueden utilizarse diversos tipos de aparatos convencionales para poner en
contacto continuamente la corriente de lı́quido con la corriente de gas que contiene oxı́geno para producir
la absorción del oxı́geno. Estos aparatos incluyen dispositivos de contacto de gas tales como torres rellenas, unidades del tipo de placas, cámaras de pulverización, columnas de pared mojada, vasijas agitadas
o asperjadas y similares.
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Tı́picamente, el aparato de contacto gas-lı́quido se diseña de manera que las corrientes de gas y lı́quido
fluyen en cotracorriente una junto a otra. Un aparato de absorción de gas preferido es un contactor de gas
especialmente adaptado para disolver el oxı́geno gaseoso en las corrientes lı́quidas acuosas y de diseño generalmente “cerrado” y evacuado, respecto a las condiciones ambiente, de manera que el oxı́geno gaseoso
dentro del contactor puede ser sometido a una presión superior a la atmosférica que facilita la disolución
del oxı́geno gaseoso en el lı́quido acuoso.
Como cuestión práctica, se sabe que los sistemas de acuicultura incluyen diversos gases disueltos indeseables tales como nitrógeno, dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno y cianuro de hidrógeno, por citar
algunos. El agua sobresaturada de nitrógeno puede hacer que burbujas de nitrógeno se alojen en los vasos
sanguı́neos del pez, restringiendo con ello la circulación respiratoria y conduciendo incluso a la muerte del
pez por asfixia. Ciertos niveles de dióxido de carbono pueden ser perjudiciales para el pez. Por ejemplo,
puede producirse una mortalidad del 50% de los huevos de salmón cuando las concentraciones de dióxido
de carbono llegan a 90 ppm. El sulfuro de hidrógeno y el cianuro de hidrógeno a concentraciones muy
bajas, pueden matar a los peces. Por ejemplo, unas pocas partes por mil millones (ppmm) de sulfuro
de hidrógeno son letales para numerosas especies y/o variedades de peces. Sin embargo, los sistemas de
acuicultura reciben fundamentalmente el sulfuro de hidrógeno como subproducto de la descomposición
anaerobia de los compuestos de azufre que se encuentran en los sedimentos. El cianuro de hidrogeno,
por su parte, es un contaminante en acuicultura aportado por la industria. El cianuro de hidrógeno es
generalmente tóxico a concentraciones de 100 ppmm o menos.
Se ha observado, empleando los principios de la presente invención, que enriqueciendo en oxı́geno
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disuelto un sistema de acuicultura subsaturado de oxı́geno suele reducirse la concentración de los gases
indeseables antes mencionados disueltos en el sistema. Esto es, el enriquecimiento en oxı́geno disuelto del
sistema de acuicultura tiene a eliminar estos gases indeseables del mismo.
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La etapa 12 de transferencia a presión (Figura 1) se emplea después para transferir la corriente acuosa
lı́quida enriquecida en oxı́geno ası́ producida, bajo una presión superior a la atmosférica, a una masa de
agua con un contenido de oxı́geno relativamente más bajo, tal como un sistema de acuicultura subsaturado de oxı́geno, mencionado antes. Esta etapa 12 incluye el confinamiento de la corriente lı́quida acuosa
enriquecida en oxı́geno para garantizar con ello que el oxı́geno disuelto no abandona prematuramente
dicha corriente, es decir, antes de que se incorpore a la masa de agua que ha de ser enriquecida en
oxı́geno. Preferiblemente, la transferencia de masas de la corriente lı́quida acuosa enriquecida en oxı́geno
se efectúa, por lo tanto, en un conducto de flujo confinado presionizable tal como una tuberı́a presionizada.
Como se ha mencionado antes, esta invención proporciona medios para modular el caudal de una
corriente lı́quida acuosa confinada enriquecida en oxı́geno de forma que se mantenga la concentración
de oxı́geno de una masa de agua dentro de un intervalo óptimo predeterminado. En particular, se ha
encontrado que diversos parámetros fı́sicos concernientes a la etapa 12 de transferencia a presión afectan
al nivel de oxigenación que puede alcanzarse finalmente en la masa de agua. Por consiguiente, la etapa
14 de modulación del flujo se utiliza para controlar el flujo de la corriente lı́quida acuosa presionizada
enriquecida en oxı́geno a través del conducto de flujo confinado para conseguir la transferencia final optimizada de oxı́geno a la masa de agua que ha de ser oxigenada.
Después se emplea la etapa 16 de mezcla lı́quido -lı́quido, durante la cual la corriente acuosa enriquecida en oxı́geno se combina con la masa de agua que ha de ser enriquecida en oxı́geno, sin pérdida
sustancial de oxı́geno de la masa de agua a la atmósfera ambiente.
A continuación hacemos referencia a la Figura 2 que es un dibujo esquemático que muestra los componentes básicos de un sistema que utiliza los principios de la presente invención. En pocas palabras, se
introducen una corriente lı́quida acuosa fluyente, subsaturada de oxı́geno, y un gas fluyente que contiene
oxı́geno en un dispositivo contactor 20 generalmente cerrado, evacuado, donde el lı́quido subsaturado de
oxı́geno y el gas que contiene oxı́geno se ponen directamente en contacto entre sı́ en una relación de flujo
fundamentalmente en contracorriente. El dispositivo contactor 20 es presioniazado a una presión superior
a la atmosférica. Como resultado de esta operación, el oxı́geno disuelto contenido en el lı́quido acuoso
en el dispositivo contactor 20 aumenta y se produce una corriente lı́quida acuosa enriquecida en oxı́geno.
Preferiblemente, el dispositivo contactor 20 incluye un medio de evacuación del gas 21, para permitir
evacuar del sistema el gas cuyo contenido en oxı́geno ha sido agotado.
El dispositivo contactor 20 puede ser una combinación de columna rellena-cámara de compensación
del tipo mostrado en la Figura 5, donde sobre una cámara de compensación 110 está montada una columna rellena 120. El agua que ha de ser oxigenada se alimenta a la columna rellena 120 a través del
tubo 133. El agua oxigenada, a su vez, se recoge en la cámara de compensación 110 que también define
una zona 115 de desprendimiento de burbujas de gas definida por las lı́neas de puntos de la Figura 5. La
cámara de compensación 110 está dimensionada de manera que la velocidad del lı́quido en la dirección
descendente dentro de la cámara de compensación 110 no pasa de unos 10 cm/segundo (alrededor de
4”/segundo) para permitir que las burbujas de gas en crecimiento presentes dentro del agua oxigenada
se desprendan de la misma antes de que el agua salga de la cámara de compensación 110 a través de un
tubo 122. En la columna rellena 120 se introduce oxı́geno o aire enriquecido en oxı́geno a través del tubo
de gas 138. Un relleno adecuado para la columna 120 son los anillos de Raschig, las silletas de Berl, las
silletas de Intalox, los anillos de Tellerette, los anillos de Pall y similares.
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Alternativamente, el dispositivo contactor 20 puede comprender una columna de bandejas, un reactor
agitado o una columna de burbujas. Por ejemplo, el agua oxigenada puede ser introducida en un reactor
agitado a presión para oxidar los iones manganeso y ferroso, para producir compuestos insolubles, en
combinación con un sistema de tratamiento de agua potable.
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Como muestra la Figura 2, la corriente lı́quida acuosa enriquecida en oxı́geno se envı́a a través de un
conducto de flujo confinado, tal como una tuberı́a 22 presionizada, desde el dispositivo contactor 20 a la
masa de agua W con un contenido relativamente menor de oxı́geno disuelto (por ejemplo, subsaturada
respecto al oxı́geno disuelto) para enriquecerla en oxı́geno disuelto. En particular, se introduce un gas a
presión que contiene oxı́geno procedente de una fuente 36 en el dispositivo contactor 20 para enriquecer
en oxı́geno el agua subsaturada de oxı́geno que fluye a través de éste.
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El gas a presión que contiene oxı́geno suministrado al dispositivo contactor 20 puede ser oxı́geno relativamente puro o aire enriquecido en oxı́geno. Este último puede proceder de un sistema de absorción
oscilante a presión (AOP).
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Debido a que el dispositivo contactor 20 incluye medios de evacuación 21, una parte del oxı́geno contenido en dicho gas puede ser transferida al agua W para aumentar la concentración de oxı́geno disuelto
de la misma mientras el gas, ahora con un contenido de oxı́geno reducido o agotado, puede ser evacuado
del sistema. Esto permite que el agua, inicialmente subsaturada con respecto al oxı́geno, se haga sobresaturada con respecto al oxı́geno al mismo tiempo que los otros gases disueltos, tales como nitrógeno,
dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno y cianuro de hidrógeno, son arrastrados fuera de la misma.
La masa principal de agua W puede ser un sistema de agua corriente tal como un caz o puede ser un
sistema de agua esencialmente quieta tal como un estanque.
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La corriente enriquecida en oxı́geno transportada por la tuberı́a a presión 22 puede ser un lı́quido
monofásico o un fluı́do bifásico caracterizado por una fase acuosa continua y una fase gaseosa discontinua. Puede recuperarse del fluı́do bifásico una corriente acuosa que está enriquecida con respecto al
oxı́geno disuelto y sustancialmente exenta de burbujas de gas en crecimiento, mientras el fluı́do bifásico
se mantiene bajo una presión parcial de oxı́geno superior a la presión parcial atmosférica de oxı́geno. La
corriente acuosa recuperada puede ser después suministrada a la masa de agua W a través de la tuberı́a 22.
Para optimizar el enriquecimiento en oxı́geno de la masa de agua W y reducir al mı́nimo el crecimiento
de las burbujas de gas, se ha encontrado necesario modular el flujo de la corriente lı́quida a presión enriquecida en oxı́geno que fluye a través de la tuberı́a 22 presionizada. Por consiguiente, se emplea un
analizador 26 de la corriente lı́quida acuosa (por ejemplo un sistema de electrodo de oxı́geno) para determinar parámetros de la corriente previamente seleccionados (es decir, la concentración de oxı́geno)
mediante un transductor 25 adecuado que transmite esta información sobre la corriente al analizador de
corriente 26 mediante una conexión o enlace 27 de comunicación. Puede utilizarse una válvula automática
28 de control del flujo, que comunica operativamente con el analizador de corriente 26 a través de un
enlace de comunicación 29 distinto, para ajustar el flujo de la corriente lı́quida enriquecida con oxı́geno
a presión que atraviesa la tuberı́a 22.
Después, la corriente lı́quida acuosa enriquecida en oxı́geno se introduce en la masa de agua W de
forma que se entremezcle la corriente lı́quida acuosa enriquecida en oxı́geno con la mayor parte de la masa
de agua W, para enriquecer esta última en oxı́geno suelto sin pérdida sustancial del oxı́geno disuelto de
la masa de agua W a la atmósfera ambiente. Para este fin, puede utilizarse un entremezclador 30, situado en el extremo distal de la tuberı́a 22 presionizada, en relación con el dispositivo contactor 20. El
entremezclador 30 combina la corriente lı́quida acuosa a presión enriquecida en oxı́geno con una parte de
la masa de agua W y suelta la mezcla resultante al resto de la masa de agua. Es decir, el entremezclador
30 está preferiblemente sumergido dentro de la masa de agua W.
La corriente lı́quida acuosa que es oxigenada puede ser una parte de la masa de agua W que es retirada y enviada desde allı́ al dispositivo contactor 20 a través de una tuberı́a 32 y que es preferiblemente
bombeada al dispositivo contactor 20 mediante una bomba 34. La tuberı́a 32 puede incluir un medio de
entrada 33 para introducir la corriente lı́quida acuosa subsaturada de oxı́geno en el dispositivo contactor
20. Alternativamente, la corriente lı́quida acuosa que ha de ser oxigenada puede obenerse de una fuente
diferente, por ejemplo un pozo.
Como muestra la Figura 2, la fuente 36 de gas que contiene oxı́geno, brevemente mencionada antes,
suministra el gas a presión que contiene oxı́geno al dispositivo contactor 20 a través de la tuberı́a 38.
Esta última puede contener también un medio de entrada 39 para introducir el gas que contiene oxı́geno
procedente de la fuente 36 en el dispositivo contactor 20. Puede emplearse, y preferiblemente se emplea,
una segunda bomba 40 para transferir la corriente lı́quida acuosa enriquecida en oxı́geno desde el dispositivo contactor 20 al entremezclador 30 a través de la tuberı́a 22.
55
Puede disponerse una sonda de oxı́geno en la masa de agua para vigilar la concentración de oxı́geno
de la misma. La salida de la sonda de oxı́geno puede ser utilizada para modular el flujo de agua al
dispositivo contactor 20.
60
Además la caı́da de presión y el tiempo medio de tránsito a través de un segmento seleccionado predeterminado de la tuberı́a 22 presionizada pueden ser vigilados mediante un dispositivo microprocesador
42 operativamente asociado a un par respectivo de transductores o sensores 41 y 43. El transductor o
7
2 018 544
5
10
15
20
25
30
sensor 41 y el transductor o sensor 43 pueden incluir cada uno de ellos un elemento sensor adecuado
de la densidad del lı́quido y de la velocidad del lı́quido para medir respectivamente estos parámetros de
la corriente del agua que fluye a través de la tuberı́a 22, si se desea. La caı́da de presión del fluı́do,
el tiempo medio de tránsito y otros parámetros de la corriente tales como la densidad del lı́quido y la
velocidad del lı́quido pueden ser alimentados a un analizador de corriente 26 a través de un enlace de
comunicación 44 para modular adicionalmente el funcionamiento de la valvula de control del flujo 28 a
través del analizador 26, si se desea.
También puede suministarse a la masa de agua W agua complementaria procedente de una fuente 46
a través de un conducto 48, si se desea. Además puede ser conveniente purgar de vez en cuando una parte
de la masa de agua W. El sistema ilustrado (Figura 2) puede incluir medios purgadores convencionales
(no mostrados) para ello, si se desea. Preferiblemente, el agua complementaria procedente de la fuente
46 se pasa primero a través del dispositivo contactor 20 mediante el conducto 49.
A continuación nos referimos a la Figura 3, donde se ilustra un tipo adecuado de entremezclador que es
un eyector lı́quido-lı́quido 50. El eyector lı́quido-lı́quido 50 comprende un orificio de entrada 52 de fluı́do
motor y un orificio de entrada por succión 54, respectivamente, y un orificio de salida 56. Dentro del
cuerpo 51 del eyector 50 se dispone un sistema de venturi de dos fases que comprende un venturi primario
58 y un venturi secundario 60 de forma tal que el venturi primario 58 está alineado con y parcialmente dispuesto dentro del venturi secundario 60. La corriente de lı́quido acuoso a presión enriquecido en oxı́geno
(descrita antes) se bombea, vı́a el orificio de entrada 52 de fluı́do motor, a través de ambos venturis 58
y 60 y se descarga del eyector 50 por el orificio de salida 56. Una cámara 62, definida dentro del cuerpo
51 del eyector 50, comunica con la masa de agua W (Figura 2) por el orificio de entrada por succión
54. Además, la cámara 62 circunda a las secciones de los venturis 58 y 60 donde el extremo de descarga
61 del venturi primario 58 está dispuesto en el interior del extremo de entrada 63 del venturi secundario 60.
En funcionamiento, cuando la corriente lı́quida acuosa enriquecida en oxı́geno a presión se bombea a
través del eyector lı́quido-lı́quido 50, en la forma descrita antes, se crea un efecto de succión o vacı́o en la
cámara 62, arrastrando el agua (de la masa W) a la cámara 62 a través del orificio de entrada por succión
54 y después al venturi secundario 60 donde tiene lugar la mezcla con la corriente lı́quida acuosa a presión
enriquecida en oxı́geno. La mezcla resultante se descarga en la masa de agua W por el orificio de salida 56.
Para facilitar la limpieza, el eyecto 50 puede estar provisto de unos tapones desmontables de limpieza
64 y 66, roscados en el cuerpo 51 del eyector 50.
35
40
Debido a que la presión de la mezcla resultante que está siendo descargada del eyector 50 a la masa
de agua W es mayor que la presión del fluı́do (de la masa de agua W) en las proximidades del orificio de
salida 56, la pérdida de oxı́geno disuelto de la masa de agua W a la atmósfera es sustancialmente menor
que la que se conseguı́a hasta ahora utilizando los métodos convencionales de oxigenación de masas de
agua. Uno de estos métodos convencionales, por ejemplo, consiste en hacer burbujear aire u oxı́geno a
presión a través de la masa de agua pero no contempla la forma de retener las burbujas en dicha masa.
Estos métodos convencionales, además, emplean tı́picamente dispositivos de aireación que no pueden
elevar económicamente el contenido de oxı́geno disuelto del agua por encima de, por ejemplo, alrededor
del 80% del valor de saturación.
45
50
55
60
La Figura 4 es un gráfico que muestra el logaritmo de la eficacia relativa de retención del oxı́geno
disuelto en función de tres ciclos logarı́tmicos (es decir, órdenes de magnitud) de los valores del número
adimensional antes mencionado. En pocas palabras, la modulación de una variedad de parámetros relativos al flujo de la corriente lı́quida acuosa a presión enriquecida en oxı́geno que atraviesa un conducto de
flujo confinado, para mantener el valor del número adimensional dentro del intervalo deseado, ha producido sorprendentes beneficios, especialmente en relación con el aumento del contenido de oxı́geno disuelto
de una masa de agua con un contenido relativamente bajo de oxı́geno. En particular, el mantenimiento
del valor del número adimensional dentro de un intervalo de valores predeterminados ha permitido que
tenga lugar el enriquecimiento en oxı́geno de una masa de agua subsaturada de oxı́geno de manera tal
que prácticamente la totalidad del oxı́geno disuelto presente en una corriente lı́quida acuosa a presión
enriquecida en oxı́geno sea transferida a la masa de agua subsaturada de oxı́geno.
La eficacia de transferencia del oxı́geno de la presente invención es por consiguiente optimizada mediante el mantenimiento del número adimensinal habitualmente en un valor comprendido aproximadamente entre 1 x 10−10 y 5 x 10−7 y preferiblemente entre 5 x 10−10 y 1 x 10−8 aproximadamente.
A continuación describimos un ejemplo que aplica los principios de la presente invención a un caz de
8
2 018 544
piscifactorı́a.
Ejemplo
5
10
15
20
Un caz de una piscifactorı́a fue enriquecido en oxı́geno disuelto utilizando los principios de la presente
invención como sigue. El caz estaba situado a una altitud geográfica de unos 219,2 m (4000 pies) por
encima del nivel del mar. El caudal de agua al caz (F1 ) era alrededor de 75,7 l (20 galones) por minuto.
La temperatura del agua del caz era alrededor de 18◦C (65◦ F). La concentración media de oxı́geno disuelto (O.D.) en el agua del caz antes del enriquecimiento en oxı́geno era alrededor de 6,96 miligramos
por mililitro (mg/ml).
La corriente de agua utilizada para el enriquecimiento en oxı́geno disuelto fue saturada de oxı́geno
a diversas presiones superatmosféricas en una columna rellena presionizada, produciendo con ello una
mezcla de agua enriquecida en oxı́geno. Esta mezcla se hizo pasar después a través de una zona de
desprendimiento de burbujas dentro de la columna, de forma tal que la corriente de agua enriquecida en
oxı́geno que pasaba al caz estaba sustancialmente libre de burbujas que de otro modo hubieran crecido
espontáneamente en el caz a la presión de saturación superatmosférica empleada.
En pocas palabras, se registro la caı́da de presión a lo largo de un conducto de flujo confinado presionizado, utilizado para transportar la mezcla de agua enriquecida en oxı́geno desde la columna rellena al
caz, ası́ como la presión ambiente y el caudal de la mezcla de agua a través del conducto de flujo confinado
(F2 ). Se calculó el tiempo medio de tránsito de la mezcla de agua a través del conducto de flujo y se
determinó la concentración de oxı́geno disuelto (O.D.) del agua del caz después del enriquecimiento en
oxı́geno, analizado de vez en cuando el agua enriquecida en oxı́geno.
25
La corriente de agua enriquecida en oxı́geno se introdujo en el caz empleando un dispositivo distribuidor convencional situado a unos 35,6 cm (14”) por debajo de la superficie del agua del caz.
30
Después se realizó una serie de 87 ensayos oxigenando el agua del caz de acuerdo con el ejemplo antes
descrito. Los resultados de estos ensayos están resumidos en la Tabla I y presentados en la Figura 4.
Tabla I
Oxigenación en el caz
35
Ensayo
número
Presión
barométrica,
mm Hg
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
654,0
652,9
652,6
652,1
651,7
652,8
652,6
651,7
650,6
653,4
653,9
652,8
650,3
651,1
650,7
40
45
50
55
P1 , psig
(kg/cm2 )
40
40
40
40
40
40
40
40
40
40
40
40
40
40
40
(2,8)
(2,8)
(2,8)
(2,8)
(2,8)
(2,8)
(2,8)
(2,8)
(2,8)
(2,8)
(2,8)
(2,8)
(2,8)
(2,8)
(2,8)
P2 , psig
(kg/cm2 )
Número de
agujeros en el
distribuidor
39 (2,73)
30 (2,1)
20 (1,4)
10 (0,7)
5 (0,35)
6 (0,42)
13 (0,91)
26 (1,82)
32 (2,24)
39 (2,78)
6 (0,42)
10 (0,70)
20 (1,40)
29 (2,03)
38 (2,66)
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
3
3
3
3
3
60
9
F2 , gpm
(l/m)
0,32
0,28
0,25
0,30
0,17
0,30
0,40
0,47
0,50
0,53
0,40
0,50
0,71
0,80
0,88
(1,21)
(1,06)
(0,95)
(1,13)
(0,64)
(1,13)
(1,51)
(1,78)
(1,89)
(2,00)
(1,51)
(1,89)
(2,69)
(3,02)
(3,33)
2 018 544
Tabla I (cont.)
Oxigenación en el caz
5
Ensayo
número
Presión
barométrica,
mm Hg
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
648,8
650,6
649,7
650,1
650,5
651,3
650,4
649,6
649,0
648,7
648,5
646,4
646,7
646,1
648,1
648,0
647,8
647,8
654,5
654,4
654,8
654,4
654,0
654,5
654,9
654,0
652,4
652,6
648,2
648,0
650,5
650,5
650,1
649,8
649,0
649,0
649,8
650,0
650,0
650,2
P1 , psig
(kg/cm2 )
P2 , psig
(kg/cm2 )
Número de
agujeros en el
distribuidor
10 (0,70)
20 (1,40)
30 (2,10)
40 (2,8)
50 (3,50)
56 (3,92)
10 (0,70)
20 (1,40)
30 (2,10)
40 (2,80)
50 (3,50)
57,5 (4,02)
10 (0,70)
20 (1,40)
30 (2,10)
40 (2,81)
50 (3,50)
59 (4,13)
5 (0,35)
10 (0,70)
15 (1,05)
19,5 (1,36)
5 (0,35)
10 (0,71)
15 (1,05)
19 (1,33)
5 (0,35)
10 (0,70)
15 (1,05)
17,5 (1,22)
30 (2,10)
34 (2,38)
36 (2,52)
39,5 (2,76)
30 (2,10)
34 (2,38)
39 (2,73)
30 (2,10)
34 (2,38)
37 (2,59)
3
3
3
3
3
3
2
2
2
2
2
2
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
3
3
3
3
1
1
1
1
2
2
2
3
3
3
F2 , gpm
(l/m)
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
40
40
40
40
40
40
40
40
40
40
(4,2)
(4,2)
(4,2)
(4,2)
(4,2)
(4,2)
(4,2)
(4,2)
(4,2)
(4,2)
(4,2)
(4,2)
(4,2)
(4,2)
(4,2)
(4,2)
(4,2)
(4,2)
(1,4)
(1,4)
(1,4)
(1,4)
(1,4)
(1,4)
(1,4)
(1,4)
(1,4)
(1,4)
(1,4)
(1,4)
(2,8)
(2,8)
(2,8)
(2,8)
(2,8)
(2,8)
(2,8)
(2,8)
(2,8)
(2,8)
60
10
0,52
0,69
0,80
0,91
0,99
1,03
0,35
0,43
0,49
0,54
0,58
0,61
0,24
0,27
0,30
0,33
0,36
0,38
0,18
0,24
0,27
0,29
0,26
0,36
0,42
0,46
0,40
0,51
0,62
0,67
0,28
0,29
0,29
0,30
0,45
0,46
0,49
0,64
0,67
0,69
(1,97)
(2,61)
(3,02)
(3,44)
(3,75)
(3,90)
(1,32)
(1,63)
(1,85)
(2,04)
(2,20)
(2,31)
(0,91)
(1,02)
(1,13)
(1,25)
(1,36)
(1,44)
(0,68)
(0,91)
(1,02)
(1,10)
(0,98)
(1,36)
(1,59)
(1,74)
(1,51)
(1,93)
(2,35)
(2,53)
(1,06)
(1,10)
(1,10)
(1,13)
(1,70)
(1,74)
(1,85)
(2,42)
(2,54)
(2,61)
2 018 544
Tabla I (cont.)
Oxigenación en el caz
5
Ensayo
número
Presión
barométrica,
mm Hg
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
643,0
643,0
643,2
645,0
645,4
647,1
647,0
645,2
643,0
643,0
643,0
650,3
650,3
650,3
650,3
650,3
650,1
649,6
648,7
649,8
650,6
651,3
650,5
650,5
650,3
653,3
653,8
653,6
653,3
653,1
653,0
652,9
P1 , psig
(kg/cm2 )
P2 , psig
(kg/cm2 )
Número de
agujeros en el
distribuidor
F2 , gpm
(l/m)
20 (1,40)
20 (1,40)
25 (1,75)
10 (0,70)
15 (1,05)
20 (1,40)
25 (1,75)
10 (0,70)
15 (1,05)
20 (1,40)
25 (1,75)
5 (0,35)
5,5 (0,38)
5 (0,35)
5 (0,35)
15 (1,05)
20 (1,40)
24 (1,68)
30 (2,10)
5 (0,35)
10 (0,70)
15 (1,05)
20 (1,40)
25 (1,75)
30 (2,10)
9 (0,63)
15 (1,05)
20 (1,40)
24 (1,68)
30 (2,10)
35 (2,45)
40 (2,80)
3
3
3
2
2
2
2
3
3
3
3
3
2
3
3
3
3
3
3
2
2
2
2
2
2
3
3
3
3
3
3
3
0,28 (1,06)
0,30 (1,13)
0,32 (1,21)
0,40 (1,51)
0,46 (1,74)
0,50 (1,89)
0,53 (2,00)
0,39 (1,48)
0,44 (1,67)
0,50 (1,89)
0,54 (2,04)
0,19 (0,72)
0,36 (1,36)
0,43 (1,63)
0,19 (0,72)
0,24 (0,91)
0,28 (1,06)
0,30 (1,13)
0,32 (1,21)
0,15 (0,57)
0,30 (1,13)
0,36 (1,36)
0,41 (1,55)
0,47 (1,78)
0,50 (1,89)
0,31 (1,17)
0,42 (1,59)
0,50 (1,89)
0,54 (2,04)
0,61 (2,31)
0,66 (2,50)
0,71 (2,69)
10
15
20
25
30
35
40
45
40
40
40
40
40
40
40
40
40
40
40
40
40
40
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
60
(2,8)
(2,8)
(2,8)
(2,8)
(2,8)
(2,8)
(2,8)
(2,8)
(2,8)
(2,8)
(2,8)
(2,8)
(2,8)
(2,8)
(4,2)
(4,2)
(4,2)
(4,2)
(4,2)
(4,2)
(4,2)
(4,2)
(4,2)
(4,2)
(4,2)
(4,2)
(4,2)
(4,2)
(4,2)
(4,2)
(4,2)
(4,2)
50
55
60
11
2 018 544
Tabla I (cont.)
5
Ensayo
número
Contribución
de O2 al caz
por alimentación,
mg/ml
Conc. O.D.
en el caz
después de
mezclar
Tiempo de
tránsito
calculado,
seg.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
123,8
91,7
75,0
53,4
23,6
78,7
90,6
116,7
125,0
127,4
76,8
107,8
124,8
128,4
134,1
104,4
149,1
163,7
160,7
164,3
163,6
91,3
113,9
140,4
150,4
162,7
165,1
69,4
94,8
127,4
137,0
146,1
155,0
57,4
69,4
8,28
8,13
7,80
7,42
7,10
8,02
8,60
9,48
9,84
10,07
8,33
9,42
11,00
11,63
12,32
9,43
11,70
12,99
13,65
14,38
14,63
8,41
9,21
10,15
10,73
11,35
11,64
7,70
8,13
8,74
9,07
9,42
9,72
7,41
7,70
15,0
17,2
19,3
24,1
38,3
16,1
12,0
10,2
9,6
9,1
12,0
9,6
6,8
6,0
5,5
93
7,0
6,0
5,3
4,7
4,7
16,7
11,2
9,8
8,9
8,3
8,0
20,1
17,8
16,1
14,6
13,6
12,7
26,8
20,1
ρD3 V
gc ∆P L2 t
Eficacia
relativa,
%
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
12
1,633E-9
4,497E-10
4,984E-11
2,126E-11
1,317E-11
4,221E-11
9,451E-11
1,468E-11
4,984E-10
4,480E-9
7,505E-11
1,329E-10
4,020E-10
2,759E-10
6,079E-9
8,625E-11
1,898E-10
3,402E-10
6,602E-10
1,563E-9
4,229E-9
3,907E-11
1,475E-10
1,276E-10
2,325E-10
5,365E-10
2,373E-9
1,837E-11
2,907E-11
4,784E-11
8,684E-11
2,067E-10
2,303E-9
3,445E-11
9,186E-11
92
68
56
40
18
59
68
87
93
95
57
80
93
96
100
63
90
99
97
100
97
55
69
85
91
99
100
42
57
77
83
88
94
68
83
2 018 544
Tabla I (cont.)
5
Ensayo
número
Contribución
de O2 al caz
por alimentación,
mg/ml
Conc. O.D.
en el caz
después de
mezclar
Tiempo de
tránsito
calculado,
seg.
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
79,8
83,9
77,9
77,1
76,5
75,9
65,1
75,3
83,1
83,2
98,9
109,1
115,4
117,3
109,7
111,5
113,2
118,5
129,1
134,1
72,2
89,5
99,0
90,0
104,4
112,3
117,4
91,7
105,9
116,8
124,1
101,5
89,0
120,5
92,0
7,93
8,06
7,87
8,20
8,39
8,51
8,10
8,66
9,25
9,43
8,23
8,42
8,51
8,59
9,22
9,31
9,50
10,42
10,92
11,20
7,86
8,18
8,41
8,58
9,15
9,53
9,81
8,58
9,09
9,64
10,04
7,85
8,41
9,35
7,76
17,8
16,6
18,5
13,4
11,5
10,5
12,0
9,4
7,8
7,2
3,45
3,33
3,33
3,22
2,15
2,10
1,97
1,51
1,44
1,40
3,45
3,22
3,02
2,42
2,10
1,93
1,82
2,48
2,20
1,93
1,79
5,09
2,68
2,25
5,09
ρD3 V
gc ∆P L2 t
Eficacia
relativa,
%
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
13
2,325E-10
2,682E-9
7,188E-11
2,067E-10
5,626E-10
3,375E-9
1,702E-10
3,287E-10
1,226E-9
2,864E-9
2,448E-10
4,377E-10
6,565E-10
5,619E-9
2,632E-10
1,101E-9
7,496E-9
1,279E-9
2,336E-9
4,954E-9
9,79OE-11
1,495E-10
2,131E-10
1,665E-10
2,642E-10
3,902E-10
5,847E-10
1,583E-10
2,418E-10
3,902E-10
6,069E-10
3,534E-11
1,173E-10
1,649E-10
2,049E-10
95
100
93
92
91
90
78
90
99
99
74
81
86
87
82
83
84
88
96
100
54
67
74
67
78
84
88
68
79
87
93
76
66
90
56
2 018 544
Tabla I (cont.)
5
10
15
20
25
Ensayo
número
Contribución
de O2 al caz
por alimentación,
mg/ml
Conc. O.D.
en el caz
después de
mezclar
Tiempo de
tránsito
calculado,
seg.
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
128,4
133,8
130,8
146,7
63,4
92,2
114,4
121,5
141,5
151,7
115,7
120,1
143,1
158,0
169,5
183,8
178,5
8,40
8,71
8,79
9,16
7,38
8,22
8,86
9,26
10,05
10,49
8,62
9,30
10,28
10,93
11,77
12,61
12,84
4,02
3,45
3,22
3,02
6,44
3,22
2,68
2,36
2,06
1,93
3,22
2,30
1,93
1,79
1,58
1,46
1,36
ρD3 V
gc ∆P L2 t
3,996E-11
6,119E-11
7,805E-11
1,061E-10
1,277E-11
5,619E-11
8,991E-11
1,280E-10
1,970E-10
2,601E-10
5,869E-11
1,239E-10
1,951E-10
2,529E-10
3,871E-10
5,438E-10
7,892E-10
Eficacia
relativa,
%
79
81
80
89
39
56
70
74
86
92
70
74
87
96
103
112
109
30
35
40
45
50
55
En pocas palabras, la Figura 4 es una gráfica que ilustra la eficacia relativa de retención del oxı́geno
disuelto de una corriente lı́quida acuosa o masa de agua enriquecida en oxı́geno, donde el contenido de
oxı́geno disuelto de la masa de agua es aumentado empleando los principios de la presente invención. El
logaritmo de la eficacia relativa se lee en el eje vertical. El eje horizontal presenta tres órdenes o magnitudes (es decir, cada una de ellas logarı́tmicamente graduada) del número adimensional mencionado antes.
Lo que ha sido ilustrado y descrito aquı́ es un nuevo método y un nuevo sistema para enriquecer en
oxı́geno disuelto una masa de agua con un contenido relativamente bajo de oxı́geno. Aunque el método y
el sistema de esta invención han sido ilustrados y descritos haciendo referencia a una realización preferida
(es decir, optimización de las condiciones de una piscifactorı́a), la presente invención no se limita exclusivamente a esta realización. Por ejemplo, el método descrito aquı́ puede ser utilizado para mantener
el contenido de oxı́geno disuelto de un sistema de acuicultura, para esterilizar hiperbáricamente medios
acuosos, para oxigenar reactores biológicos, para lixiviar minerales oxidativamente y para eliminar los
iones hierro y manganeso del agua potable. Por lo tanto, esta invención contempla la posibilidad de que
pueda introducirse agua oxigenada en un sistema biofiltrante para promover la oxidación biológica del
amoniaco y para convertir el ion nitrito en ion nitrato. Esta invención también contempla la posibilidad
de introducir agua oxigenada en un fermentador para promover la oxidación biológica de compuestos
orgánicos, por ejemplo este agua puede ser introducida en un digestor de aguas residuales para promover la digestión aeróbica de los residuos. Por consiguiente, pueden resultar evidentes al experto en este
campo, después de la lectura de la descripción anterior, equivalentes funcionales de las etapas del método
y/o equivalentes mecánicos de los elementos o componentes del sistema y otras alternativas, cabios o
modificaciones del método y del sistema de la presente invención. Además, estas alternativas, equivalentes, cambios y modificaciones deben considerarse como parte de la invención en tanto en cuanto esten
comprendidos dentro del ámbito de las reivindicaciones del anexo.
60
14
2 018 544
REIVINDICACIONES
1. Un método para enriquecer en oxı́geno una masa de agua con un contenido relativamente bajo de
oxı́geno, que comprende las siguientes etapas:
5
10
15
20
25
suministrar a un conducto de flujo confinado que comunica con la citada masa de agua una corriente
lı́quida acuosa fluyente a presión, sobresaturada con respecto a la concentración de oxı́geno disuelto en
ella y sustancialmente libre de burbujas en crecimiento, produciendo con ello una corriente lı́quida acuosa
fluyente a presión, enriquecida en oxı́geno;
modular el caudal de la citada corriente lı́quida acuosa fluyente a presión, enriquecida en oxı́geno, de
manera que se mantenga un múmero adimensional definido como:
ρD3 V
gc∆P L2 t
donde ρ = densidad del lı́quido de la corriente lı́quida acuosa bajo presión en el conducto de flujo confinado,
D = diámetro interno del conducto de flujo confinado,
V = velocidad media del lı́quido de la corriente lı́quida acuosa en el conducto de flujo confinado,
gc = constante de gravedad,
∆P = caı́da de presión de la corriente lı́quida acuosa a lo largo del conducto de flujo confinado,
L = longitud del conducto de flujo confinado y
t = tiempo medio de tránsito requerido por la corriente lı́quida acuosa para fluir a través del conducto
de flujo confinado,
en un valor comprendido aproximadamente entre 1 x 10−10 y 5 x 10−7 y
30
35
entremezclar la corriente lı́quida acuosa fluyente a presión, enriquecida en oxı́geno, con la masa de
agua para producir el enriquecimiento en oxı́geno de la masa de agua sin pérdida sustancial de oxı́geno
de la masa de agua enriquecida en oxı́geno a la atmósfera ambiente.
2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, donde el valor del número adimensional está comprendido aproximadamente entre 5 x 10−10 y 1 x 10−8 .
3. Un método para enriquecer en oxı́geno una masa de agua con un contenido de oxı́geno relativamente bajo, que comprende las siguentes etapas:
40
tratar una corriente de agua para aumentar la relación ponderal de oxı́geno disuelto en ella por contacto de la corriente de agua con una corriente de gas enriquecido en oxı́geno a una presión superior a
la atmosférica para producir un fluı́do bifásico caracterizado por una fase contı́nua acuosa en una fase
discontinua gaseosa;
45
recuperar del fluı́do bifásico una corriente lı́quida acuosa que está enriquecida con respecto a la concentración de oxı́geno disuelto en la misma y que está sustancialmente libre de burbujas en crecimiento,
produciendo con ello una corriente lı́quida acuosa recuperada, fluyente, a presión, enriquecida en oxı́geno,
mientras que el fluı́do bifásico se mantiene bajo una presión parcial de oxı́geno superior a la presión
parcial de oxı́geno atmosférica;
50
confinar la corriente lı́quida acuosa recuperada a un conducto de flujo confinado;
55
modular el caudal de la corriente lı́quida acuosa recuperada confinada de forma que se mantenga un
número adimensional definido como:
ρD3 V
gc∆P L2 t
60
donde ρ = densidad del lı́quido de la corriente lı́quida acuosa bajo presión en el conducto de flujo confinado,
15
2 018 544
5
D = diámetro interno del conducto de flujo confinado,
V = velocidad media del lı́quido de la corriente lı́quida acuosa en el conducto de flujo confinado,
gc = constante de gravedad,
∆P = caı́da de presión de la corriente lı́quida acuosa a lo largo del conducto de fujo confinado,
L = longitud del conducto de flujo confinado y
t = tiempo medio de tránsito requerido por la corriente lı́quida acuosa para fluir a través del conducto
de flujo confinado,
en un valor comprendido aproximadamente entre 1 x 10−10 y 5 x 10−7 y
10
entremezclar la corriente lı́quida acuosa recuperada confinada con la masa de agua, de manera tal
que se produzca el enriquecimiento en oxı́geno de la masa de agua sin pérdida sustancial de oxı́geno de
la masa de agua enriquecida en oxı́geno a la atmósfera ambiente.
15
4. Un método de acuerdo con la eeivindicación 3, donde el valor del número adimensional está comprendido aproximadamente entre 5 x 10−10 y 1 x 10−8 .
20
5. El método de la reivindicación 3, donde, en la etapa de tratamiento, la corriente de agua se trata
en un dispositivo contactor de flujo continuo, evacuado y generalmente cerrado, con un sector de flujo
en contracorriente y donde la corriente de agua y la corriente de gas enriquecido en oxı́geno se ponen en
contacto en el sector de flujo en contracorriente del dispositivo contactor y fluyen a través del mismo en
contracorriente una respecto a otra.
25
6. Un sistema para enriquecer en oxı́geno una masa de agua (W) con un contenido en oxı́geno relativamente bajo, que está constituı́do por:
un dispositivo contactor (20) de flujo continuo, evacuado y generalmente cerrado, con un sector (120)
de flujo en contracorriente;
30
un conducto de flujo confinado (22) operativamente conectado al dispositivo contactor (20), que establece una comunicación fluı́da cerrada entre el dispositivo contactor (20) y la masa de agua (W);
35
un medio de entrada (133/38) para introducir una corriente lı́quida acuosa y una corriente gaseosa
enriquecida en oxı́geno a presión superior a la atmosférica en el sector (120) de flujo en contracorriente del
dispositivo contactor (20) de flujo continuo para proporcionar una corriente lı́quida acuosa sometida a una
presión superior a la atmosférica y sobresaturada con respecto a la concentración de oxı́geno disuelto en
la misma y sustancialmente libre de burbujas en crecimiento, produciendo con ello una corriente lı́quida
aucosa fluyente, a presión, enriquecida en oxı́geno;
40
medios para modular (26) el caudal de dicha corriente lı́quida acuosa fluyente, a presión, enriquecida
en oxı́geno, de manera que se mantenga un número adimensional definido como:
45
50
55
ρD3 V
gc∆P L2 t
donde ρ = densidad del lı́quido de la corriente lı́quida acuosa bajo presión en el conducto de flujo confinado,
D = diámetro interno del conducto de flujo confinado,
V = velocidad media del lı́quido de la corriente lı́quida acuosa en el conducto de flujo confinado,
gc = constante de gravedad,
∆P = caı́da de presión de la corriente lı́quida acuosa a lo largo del conducto de flujo confinado,
L = longitud del conducto de flujo confinado y
t = tiempo medio de tránsito requerido por la corriente lı́quida acuosa para fluir a través del conducto
de flujo confinado,
en un valor comprendido aproximadamente entre 1 x 10−10 y 5 x 10−7 y
60
medios entremezcladores (30, 50) para entremezclar, en el extremo distal del conducto de flujo confinado respecto al dispositivo contactor (20), la corriente lı́quida acuosa a presión enriquecida en oxı́geno
con la masa de agua (W) de manera que se produce el enriquecimiento en oxı́geno de la masa de agua
16
2 018 544
(W) sin pérdida sustancial de oxı́geno de la masa de agua (W) enriquecida en oxı́geno a la temperatura
ambiente.
5
7. El sistema de acuerdo con la reivindicación 6, donde el valor del número adimensional está comprendido aproximadamente entre 5 x 10−10 y 1 x 10−8 .
8. El sistema de la reivindicación 6, donde el dispositivo contactor (20) de flujo continuo está constituı́do por:
10
una cámara de compensación vertical, alargada verticalmente, presionable (110) que define una zona
(115) de desprendimiento de burbujas gaseosas dispuesta verticalmente, estando adaptada la cámara de
compensación (110) para permitir que la corriente lı́quida acuosa presionizada enriquecida en oxı́geno
contenida en ella descienda continuamente a través de ella y
15
una columna rellena (120) presionable, montada sobre la cámara de compensación (110) y comunicando con ella, para recibir la corriente lı́quida acuosa y la corriente gaseosa enriquecida en oxı́geno y
para proporcionar el contacto directo entre ellas en una relación en contracorriente, produciendo con ello
la corriente lı́quida acuosa presionada enriquecida en oxı́geno, donde la zona (115) de desprendimiento
de burbujas gaseosas está dimensionada de manera que permite que las burbujas de gas en crecimiento
que están contenidas dentro de la corriente lı́quida acuosa enriquecida en oxı́geno que está descendiendo
a través de la cámara de compensación (110) se desprendan de la corriente lı́quida acuosa antes de que
salga de la cámara de compensación.
20
25
9. El sistema de la reivindicación 6, donde los medios entremezcladores están constituı́dos por un
eyector lı́quido-lı́quido (50).
30
35
40
45
50
55
60
17
2 018 544
18
2 018 544
19
2 018 544
20