Un método para concentrar un material orgánico soluble en agua donde una mezcla del material orgánico soluble en agua con agua es destilado en una columna de destilación (11),

la fracción de la parte superior de dicha columna de destilación (11) se introduce en un separador de membrana (14), siendo la concentración de material orgánico soluble en agua en dicha fracción más alta que en dicha mezcla inicial, y el agua es separada de dicha mezcla por dicho separador de membrana (14), caracterizado por condensar dicha fracción en un condensado e introducir dicho condensado en un evaporador (13), instalado entre dicha columna de destilación (11) y dicho separador de membrana (14), por medio de una bomba (17), y calentar dicho condensado en el interior de dicho evaporador (13) para generar vapor con una presión más alta que la presión operativa de dicha columna de destilación (11), e introducir dicho vapor con la presión más alta en dicho separador de membrana (14)

Método para concentrar material orgánico soluble en agua.

Campo técnico

La presente invención se refiere a un método para concentrar materiales orgánicos solubles en agua, más específicamente, un método para concentrar materiales orgánicos solubles en agua con una volatilidad relativa aproximada de 1,0 en agua mediante la utilización de destilación y separación por membrana.

Antecedentes de la invención

Con respecto a un método para concentrar una solución de un material orgánico soluble en agua, se ha aplicado el método de concentración mediante la utilización de destilación y separación con membranas, es decir, el uso tanto de columna de destilación, como de membranas de pervaporación (a continuación llamadas membranas PV) o membranas de permeación a vapor (a continuación llamadas membranas VP). Tal método de concentración mediante la utilización de tales membranas se denomina método de pervaporación (a continuación llamado método PV), o método de permeación a vapor (a continuación llamado método VP). En el método PV, el agua permea a través de una membrana debido a la fuerza de accionamiento generada por la diferencia entre la presión de vapor del agua producida en la solución según la composición y la temperatura de la solución suministrada y la presión del vapor permeado a través de la membrana. En el método VP, el agua permea a través de la membrana debido a la fuerza de accionamiento generada por la diferencia entre la presión parcial del agua en el vapor suministrado, y la presión del vapor permeado a través de la membrana. En ambos métodos, generalmente, las presiones se reducen en el lado del vapor permeado a través de la membrana.

La figura 5 representa un aparato de concentración para materiales orgánicos solubles en agua mediante la utilización tanto de columna de destilación como de separador de membrana. El aparato de concentración se compone de la columna de destilación 21, el separador de membrana 24 para separar agua de la mezcla de agua con material orgánico soluble en agua que es destilada por la columna de destilación 21, un condensador 22 para enfriar el vapor permeado que ha permeado a través de la membrana del separador de membrana 24, y una bomba de vacío P para reducir la presión en el lado del vapor permeado a través de la membrana. La solución en la parte inferior de la columna de destilación 21 es calentada por la caldera 29. Por ejemplo, en caso de separar una solución de etanol en este aparato, el etanol de alto contenido de vapor es destilado de la parte superior de columna de destilación 21, cuando la solución de etanol es alimentada a la columna de destilación 21. Cuando el vapor destilado es distribuido al separador de membrana 24, el agua contenida en la mezcla permea selectivamente a través de la membrana, y el etanol concentrado sale por la salida. El vapor permeado a través de la membrana es condensado por el condensador 22 y vuelve a la columna de destilación 21.

En la Publicación Kokai de la Solicitud de Patente japonesa número S63-258602 se describe un método para separar la mezcla volátil en la porción permeada y la porción no permeada alimentando el evaporador con dicha mezcla volátil, administrar el vapor mezclado que sale de la parte superior de dicho evaporador a un lado de la membrana de permeación de gas, y mantener la presión más baja en el otro lado de dicha membrana de permeación de gas. En este método, el evaporador puede ser el que incluye bandejas, es decir, una columna de destilación, y la temperatura del vapor mezclado que sale de la parte superior del evaporador puede ser elevada por un calentador. La solución del material orgánico soluble en agua se puede concentrar por medio de dicho método alimentando la solución acuosa del material orgánico soluble en agua como la mezcla volátil. La figura 6 representa el aparato de concentración incluyendo una columna de destilación 21 y un calentador 28. Dado que el aparato de separación representado en la figura 6 es casi el mismo que el representado en la figura 5, a excepción de que incluye el calentador 28 y una válvula entre la columna de destilación 21 y el separador de membrana 24, a continuación solamente se describen las diferencias. El vapor destilado de la parte superior de la columna de destilación 21 es calentado a la temperatura deseable por el calentador 28 antes de ser distribuido al separador de membrana 24. El vapor permeado a través del separador de membrana 24 sale de la salida en el lado permeado.

Según este método, la presión del vapor distribuido al separador de membrana 24 nunca es más alta que la presión operativa para la columna de destilación 21, porque la presión del vapor distribuido al separador de membrana 24 no puede ser incrementada por el calentador 28 mientras que puede elevar la temperatura del vapor. Por lo tanto, la presión operativa se debe incrementar elevando la temperatura en la parte inferior de la columna de destilación 21 mediante el ajuste de la fuente de calor para la caldera 29 con el fin de tener una mayor fuerza de accionamiento del agua para penetrar a través de la membrana de separador de membrana 24 incrementando la presión del vapor distribuido al separador de membrana 24. El aumento de las presiones operativas de la columna de destilación origina los problemas siguientes: a) el costo de construcción aumentará porque la columna de destilación 21 requiere resistencia a presiones más altas, 2) el costo de la energía de destilación aumentará porque la fuente de calor de temperatura más alta es necesaria para evaporar el componente de alto punto de ebullición en la parte inferior de columna de destilación 21, c) la eficiencia de separación de destilación disminuirá porque la volatilidad relativa del material orgánico soluble en agua al agua es más próxima a 1,0.

La Publicación de la Solicitud de Patente japonesa número 07-227517 se refiere a un método de separación usando una columna de destilación y un separador de membrana. Entre dicha columna de destilación y el separador de membrana se ha dispuesto un compresor para presurizar y elevar la temperatura del vapor introducido en el separador de membrana.

Objeto de la invención

Por lo tanto, el objeto principal de la presente invención es proporcionar un método para concentrar un material orgánico soluble en agua mediante la utilización de destilación y separación por membrana, donde la fuerza de accionamiento del separador de membrana se incrementa para obtener una tasa de permeación más alta del vapor a través de la membrana sin incrementar la presión operativa para la columna de destilación, disminuyendo al mismo tiempo el consumo de energía.

Descripción de la invención

Como resultado del amplio estudio a la luz de dicha finalidad, los autores de la presente invención han descubierto que un método para concentrar un material orgánico soluble en agua mediante la utilización de una destilación y un separador de membrana, donde la condensación de la fracción de la sección superior o de concentración de la columna de destilación para formar un condensado, la evaporación en el evaporador a una temperatura del mismo grado que la temperatura de la solución en la parte inferior de la columna de destilación y la alimentación del vapor al separador de membrana dan lugar al aumento de la tasa de permeación del vapor a través de la membrana del separador de membrana porque la presión del vapor evaporado es más alta que la presión operativa de la columna de destilación debido a la composición más ligera del condensado alimentado al vaporizador, y este descubrimiento les ha llevado a la presente invención.

Más específicamente se propone un método para concentrar un material orgánico soluble en agua según la reivindicación 1.

La figura 1 es un diagrama de bloques que representa un ejemplo del método para concentrar el material orgánico soluble en agua según la presente invención.

La figura 2 es una vista en sección transversal que representa un ejemplo del separador de membrana.

La figura 3 es una vista ampliada en sección transversal que representa un elemento de membrana tubular y un tubo exterior del separador de membrana.

La figura 4 es un diagrama de bloques que representa otro ejemplo del método para concentrar el material orgánico soluble en agua según la presente invención.

La figura 5 es un diagrama de bloques que representa un ejemplo del método convencional para concentrar el material orgánico soluble en agua.

La figura 6 es un diagrama de bloques...

1. Un método para concentrar un material orgánico soluble en agua donde una mezcla del material orgánico soluble en agua con agua es destilado en una columna de destilación (11), la fracción de la parte superior de dicha columna de destilación (11) se introduce en un separador de membrana (14), siendo la concentración de material orgánico soluble en agua en dicha fracción más alta que en dicha mezcla inicial, y el agua es separada de dicha mezcla por dicho separador de membrana (14), caracterizado por condensar dicha fracción en un condensado e introducir dicho condensado en un evaporador (13), instalado entre dicha columna de destilación (11) y dicho separador de membrana (14), por medio de una bomba (17), y calentar dicho condensado en el interior de dicho evaporador (13) para generar vapor con una presión más alta que la presión operativa de dicha columna de destilación (11), e introducir dicho vapor con la presión más alta en dicho separador de membrana (14).

2. Un método para concentrar un material orgánico soluble en agua según la reivindicación 1, donde al menos el vapor permeado a través de la membrana de dicho separador de membrana (14) o el vapor que no penetra en la membrana se utiliza como una fuente de calor y/o vapor de lavado para dicha columna de destilación (11).

3. Un método para concentrar un material orgánico soluble en agua según la reivindicación 1 o 2, donde 10-90% del condensado que se obtiene condensando la fracción de la parte superior de dicha columna de destilación es devuelto a dicha columna de destilación, y el resto se introduce en dicho evaporador.

4. Un método para concentrar un material orgánico soluble en agua según una de las reivindicaciones 1-3, donde la caldera para dicha columna de destilación (11) es calentada mediante la utilización del calor de condensación de dicho vapor no permeado.

5. Un método para concentrar un material orgánico soluble en agua según una de las reivindicaciones 1-4, donde la presión operativa de dicha columna de destilación (11) es 50-150 kPa.

6. Un método para concentrar un material orgánico soluble en agua según una de las reivindicaciones 1-5, donde la membrana de dicho separador de membrana (14) se hace de material inorgánico.

7. Un método para concentrar un material orgánico soluble en agua según la reivindicación 6, donde dicho inorgánico es zeolita.

8. Un método para concentrar un material orgánico soluble en agua según una de las reivindicaciones 1-7, donde dicho material orgánico soluble en agua es alcohol.

9. Un método para concentrar un material orgánico soluble en agua según la reivindicación 8, donde dicho material orgánico soluble en agua es etanol o alcohol i-propílico.