Aparato para concentrar una disolución acuosa de un material orgánico soluble en agua que forma un azeótropo con el agua que comprende:

(a) una columna de destilación (1) para destilar dicha disolución acuosa de dicho material orgánico soluble en agua;

(b) un separador (4) conectado a la parte superior (1b) de dicha columna de destilación que va a alimentarse con el vapor procedente de la parte superior de la columna y que comprende una membrana de separación para separar dicho vapor en agua y en dicho material orgánico soluble en agua caracterizado porque presenta;

(c) un condensador (3) dispuesto en el lado aguas abajo de dicho separador para recibir el vapor en el que la fracción de dicho material orgánico soluble en agua es mayor que la que está presente en dicho vapor procedente de la parte superior de la columna; y

(d) unos medios para someter a reflujo el líquido condensado que fluye fuera de dicho condensador hacia la parte superior de dicha columna de destilación

Aparato de destilación de material orgánico soluble en agua.

Antecedentes de la invención

La presente invención se refiere a un aparato para concentrar un material orgánico soluble en agua, en particular, a un aparato para concentrar un material orgánico soluble en agua, que comprende una columna de destilación para destilar disoluciones acuosas de materiales orgánicos solubles en agua que forman azeótropos con el agua, por ejemplo, alcoholes tales como etanol, propanol, etc.

En el caso de la destilación de una disolución acuosa del 3% en moles de etanol, por ejemplo, la destilación se lleva a cabo convencionalmente utilizando un aparato para concentrar del tipo mostrado en la figura 7. En la figura 7, un líquido que contiene etanol (alimentación) se suministra a una parte central de una columna de destilación 1. Parte del líquido en la columna de destilación 1 se envía desde la parte inferior de la columna 1a hasta un evaporador 2, en el que se calienta para generar el vapor, que se devuelve a la parte inferior de la columna de destilación 1 y se dirige hacia arriba en la columna. El vapor y el líquido que han alcanzado un equilibrio se separan hacia arriba y hacia abajo en cada plato de la columna de destilación 1. El vapor que alcanza la parte superior de la columna 1b se enfría y se condensa mediante un condensador 3, y se somete a reflujo hacia la parte superior de la columna 1b. Como resultado, el vapor y el líquido se hacen circular hacia arriba y hacia abajo en la columna de destilación 1 tal como se muestra mediante las fechas en la figura 7. Un etanol concentrado se retira apropiadamente desde la parte superior de la columna 1b hacia el exterior, y el líquido residual con una concentración reducida de etanol se retira desde la parte inferior de la columna 1a hacia el exterior. Entre los recorridos que conectan las partes que constituyen el aparato para concentrar en las figuras descritas a continuación, aquéllas que se muestran mediante líneas continuas representan los recorridos de flujo del líquido, y aquéllas que se muestran mediante líneas discontinuas representan los recorridos de flujo del vapor. Las flechas representan las direcciones de los fluidos que fluyen en los recorridos de flujo.

En la columna de destilación 1, por ejemplo, la concentración avanza a través de los platos mostrados en las figuras 8. 1, 2, 3,... y 13, y 2', 3',... y 8' en la figura representan los contenidos en etanol en una fase de vapor y una fase líquida en los platos (platos teóricos) de la columna de destilación 1. 1, 2, 3,... representan la composición en cada plato en la sección de concentración, y 2', 3',... representan la composición en cada plato en la sección de recuperación.

La alimentación y el líquido que fluyen hacia abajo desde el plato justo por encima están en contacto con el vapor que viene hacia arriba desde el plato justo por debajo en la sección de alimentación (plato de alimentación), dando como resultado las composiciones de la fase de vapor y la fase líquida tal como se muestra en 1 en la figura. La relación en una composición de vapor-líquido entre un cierto plato y sus platos por encima y por debajo se determina por las cantidades del líquido y vapor circulantes, y las cantidades del líquido y el vapor retirados desde la parte inferior de la columna 1a y la parte superior de la columna 1b hacia el exterior, que se muestra como la línea de operación en la figura.

En la sección de concentración (platos superiores al plato de suministro), la concentración de etanol cambia de la composición de vapor-líquido 1 en el plato de suministro a la composición de vapor-líquido 13 en la parte superior de la columna 1b gradualmente entre la línea de operación y la curva de equilibrio vapor-líquido. En la sección de recuperación (platos inferiores al plato de suministro), por otro lado, la concentración de etanol disminuye hasta la composición de vapor-líquido 8' en la parte inferior de la columna 1a gradualmente entre la línea de operación y la curva de equilibrio.

La línea de operación mostrada en la figura 8 representa un caso en el que con respecto a 1 kg mol de etanol, se generan 6,7 kg mol de un vapor en el evaporador 2, y se someten a reflujo 5,5 kg mol de un vapor mediante el condensador 3, de manera que se recupera el 99% de etanol a partir de la alimentación, obteniendo de ese modo etanol en una concentración del 84% en moles de la parte superior de la columna 1b. En este momento, la energía necesaria para la concentración es de 6.000 kJ por 1 kg de etanol. Aunque el número de platos necesarios para la sección de concentración en la columna de destilación 1 es teóricamente 13 en el ejemplo mostrado en la figura 8, la columna de destilación se dota en realidad con tantos platos como aproximadamente 3 veces más, teniendo en cuenta la eficiencia del plato.

Aunque una disminución en la vaporización y el reflujo conduce a la reducción del consumo de energía en la columna de destilación 1, tal como se muestra en la figura 9, la reducción de la vaporización y el reflujo da como resultado la línea de operación con un gradiente pequeño en la sección de recuperación y un gradiente grande en la sección de concentración.

En el caso de la operación de concentración mostrada en la figura 8, la línea de operación se acerca a la línea de equilibrio vapor-líquido a medida que la composición de vapor-líquido se aproxima al punto azeotrópico del agua y etanol en la parte superior de la columna, necesitando muchos platos. Por consiguiente, cuando se intenta reducir el consumo de energía mientras se mantiene la composición de vapor-líquido en la parte superior de la columna, la línea de operación se acerca más a la línea de equilibrio vapor-líquido, dando como resultado un aumento en los platos hasta un número prácticamente imposible.

El artículo "Design of hybrid distillation and vapor permeation processes", T. Pettersen y K. M. Lien, J. of Membrane Science, Elsevier, Amsterdam, vol. 102, 15 de junio de 1995, pág. 21, XP004041364 ISSN: 0376-7388, y la publicación EP-A 0 308 002 dan a conocer columnas de destilación relacionadas con la de la presente invención.

Exposición de la invención

Para mejorar el funcionamiento en una sección por encima de la sección de concentración de la columna de destilación, la presente invención proporciona la estructura según la reivindicación 1 para reducir el consumo de energía en el proceso de destilación.

Las formas de realización preferidas se exponen en las reivindicaciones 2 a 4.

Puesto que la temperatura de funcionamiento de la columna de destilación en el aparato anterior para concentrar un material orgánico soluble en agua es habitualmente de 80ºC o mayor, por ejemplo, pueden utilizarse adsorbentes útiles a altas temperaturas en los medios diferentes de la columna de destilación. Sin embargo, es preferible utilizar una membrana de zeolita que presente alta resistencia al calor para separar el material orgánico soluble en agua del agua.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es una vista que muestra esquemáticamente la estructura de un aparato para concentrar un material orgánico soluble en agua según la presente invención;

la figura 2 es una vista que muestra el proceso de concentración de etanol en la columna de destilación mostrada en la figura 1;

la figura 3 es una vista que muestra esquemáticamente la estructura de un aparato para concentrar un material orgánico soluble en agua según la segunda forma de realización de la presente invención;

la figura 4 es una vista que muestra el proceso de concentración de etanol en la segunda columna de destilación mostrada en la figura 3;

la figura 5 es una vista que muestra el equilibrio valor-líquido de agua y 2-propanol;

la figura 6 es una vista que muestra esquemáticamente la estructura de un aparato para concentrar un material orgánico soluble en agua según una forma de realización de la presente invención;

la figura 7 es una vista que muestra esquemáticamente la estructura de un aparato para concentrar alcohol convencional;

la figura 8 es una vista que muestra el proceso de concentración de etanol en la columna de destilación mostrada en la figura 7; y

la figura 9 es una vista que muestra la relación entre el consumo de energía y el proceso de concentración de etanol en la columna de destilación.

Mejor...

1. Aparato para concentrar una disolución acuosa de un material orgánico soluble en agua que forma un azeótropo con el agua que comprende:

2. Aparato según la reivindicación 1, que comprende además:

una primera columna de destilación (11) para concentrar preliminarmente dicha disolución acuosa de un material orgánico soluble en agua aguas arriba de dicha columna de destilación (1) para alimentar dicha disolución acuosa concentrada a la misma; y

unos medios para utilizar el calor de condensación de dicho vapor descargado desde la parte superior de dicha primera o la segunda columna de destilación como fuente de calor para vaporizar el líquido en la parte inferior de la otra columna de destilación.

3. Aparato para concentrar un material orgánico soluble en agua según la reivindicación 1 ó 2, en el que dicha membrana de separación es una membrana de zeolita.

4. Aparato según la reivindicación 2, en el que la alimentación a la columna de destilación (1) se concentra preliminarmente en por lo menos una columna de destilación (12) adicional y el calor de condensación del vapor de cabeza de cualquiera de las otras columnas de destilación se recupera para suministrar energía térmica a la parte inferior de otra de las otras columnas de destilación.