ES2213037T3 - Aparato y metodo para extraccion de biomasa. - Google Patents

Abstract

Aparato para extracción de biomasa que comprende un circuito en bucle cerrado incluyendo, conectados funcionalmente en serie, un recipiente de extracción (11), para contención de biomasa, que permite que el disolvente o una mezcla de disolventes entre en contacto con la biomasa para efectuar la extracción; un evaporador (12) para separar disolvente y extracto de biomasa uno de otro; un condensador (13) para condensar disolvente evaporado en el evaporador; y un medio para desplazar el disolvente líquido desde el condensador hasta el recipiente de extracción y hasta el evaporador, sin comprimir una fase de vapor; donde el condensador (13) está a mayor altura que el recipiente de extracción (11) y que el evaporador (12), por lo cual el medio para desplazar el disolvente líquido entre el condensador (13) y el recipiente de extracción (11) incluye la altura hidrostática entre el condensador (13) y el recipiente de extracción (11); y la salida del condensador (13) incluye un tapajuntas líquido (31) conectado allí operativamente en serie.

Description

Aparato y método para extracción de biomasa.

Esta invención concierne a aparatos y a un método para "extracción" de biomasa. Esto es, la extracción de sabores, fragancias o ingredientes farmacéuticamente activos de materiales de origen natural (estos materiales serán referenciados aquí como "biomasa").

Los ejemplos de materiales de biomasa incluyen pero no se limitan a sustancias saborizantes o aromáticas como cilantro, clavos, anís estrellado, café, zumo de naranja, semillas de hinojo, comino, jengibre, y otras clases de cortezas, hojas, flores, frutos, raíces, rizomas y semillas. La biomasa también puede extraerse en forma de sustancias biológicamente activas como pesticidas y sustancias farmacéuticamente activas o precursores de las mismas, obtenibles por ejemplo de material de planta, de un cultivo celular o caldo de fermentación.

Existe interés creciente técnico y comercial en el uso de disolventes casi críticos en tales procesos de extracción. Los ejemplos de tales disolventes incluyen dióxido de carbono licuado o, de interés especial, una familia libre de disolventes libres de cloro basados en especies orgánicas hidrofluorocarbonadas.

Con el término "hidrofluorocarbonado" nos estamos refiriendo a materiales que contienen sólo átomos de carbón, hidrógeno y flúor y que por tanto están libres de cloro.

Los hidrofluorocarbonados preferidos son hidrofluoroalcanos y particularmente los hidrofluoroalcanos C_{1-4}. Ejemplos apropiados de hidrofluoroalcanos C_{1-4} que se pueden emplear como disolventes incluyen, entre otros, trifluorometano (R-23), fluorometano (R-41), difluorometano (R-32), pentafluoroetano (R-125), 1,1,1-trifluoroetano (R-143a), 1,1,2,2-tetrafluoroetano (R-134), 1,1,1,2-tetrafluoroetano (R-134a), 1,1-difluoroetano (R-152a), heptafluoropropanos y especialmente 1,1,1,2,3,3,3-heptafluoropropano (R-227ea), 1,1,1,2,3,3-hexaflouropropano (R-236ea), 1,1,1,2,2,3-hexafluoropropano (R-236cb), 1,1,1,3,3,3-hexafluoropropano (R-236fa), 1,1,1,3,3-pentafluoropropano (R-245fa),
1,1,2,2,3-pentafluoropropano (245-ca), 1,1,1,2,3-pentafluoropropano (R-245eb), 1,1,2,3,3-pentafluoropropano (R-
245ea) y 1,1,1,3,3-pentafluorobutano (R-365mfc). Si se desea se pueden usar mezclas de dos o más hidrofluorocarbonados.

Son preferidos R-134a, R-227ea, R-32, R-125, R-245ca y R-245fa.

Un hidrofluorocarbonado especialmente preferido para su uso en la presente invención es 1,1,1,2-tetrafluoroetano.

Es posible realizar extracción de biomasa empleando otros disolventes, tales como clorofluorocarbonados ("CFC'") o hidroclorofluorocarbonados ("HCFC's") y/o mezclas de disolventes. Los CFC's y los HCFC's no se autorizan para extracciones de biomasa cuyos productos están dirigidos por ejemplo a usos alimentarios o médicos.

Los procesos conocidos de extracción empleando estos disolventes normalmente se llevan a cabo en equipos de extracción en ciclo cerrado. En la Fig. 1 se muestra un ejemplo típico 10 de tal sistema.

En este sistema típico, se deja filtrar por gravedad en flujo de caída a través de una cama de biomasa mantenida en un recipiente 11. Desde allí fluye hasta un evaporador 11, donde se vaporiza el vapor de disolvente volátil mediante intercambio de calor con un fluido caliente. Luego se comprime el vapor del evaporador 12 mediante un compresor 13. Luego, el vapor comprimido se alimenta a un condensador 14 donde se licúa mediante intercambio de calor con un fluido frío. Luego el disolvente licuado se recoge opcionalmente en un recipiente intermedio de almacenamiento (receptor) 15 o se devuelve directamente al recipiente de extracción 1 para completar el circuito.

Una característica de este proceso es que la fuerza impulsora principal para la circulación del disolvente a través de la biomasa y del sistema es la diferencia de presión entre el condensador/recipiente de almacenamiento y el evaporador. Por tanto, para aumentar la velocidad de circulación de disolvente a través de la biomasa es necesario aumentar la diferencia de presión, necesitando un compresor mayor y más potente.

La gran diferencia en las densidades de disolvente líquido y vapor significa que un incremento moderado en la velocidad de circulación de líquido puede requerir un coste adicional significativo de capital y operativo a causa de este incremento en el tamaño del compresor. Esto significa que el diseñador del sistema tiene que hacer un compromiso entre la velocidad a la que se puede hacer fluir el líquido por la biomasa y la velocidad a la que se puede comprimir el vapor.

El proceso básico de compresión/extracción de vapor descrito arriba funciona bien si el disolvente que se está empleando tiene un buen equilibrio de propiedades termofísicas para su uso como fluido de trabajo en un ciclo de bombeo refrigeración/calentamiento. Sin embargo hay varias desventajas en el uso de tal ciclo, incluso si las propiedades del disolvente lo hacen un fluido operativo refrigerante atractivo.

El principal inconveniente en el empleo del proceso anterior es la necesidad de usar un compresor. Para muchos de los extractos comercialmente atractivos el uso final es como ingrediente de un alimento, un producto de cuidado personal o una medicina. La contaminación del extracto con aceite de lubricación del compresor es por tanto inaceptable. Aunque es posible obtener algunos materiales lubricantes de grado alimenticio, si se emplean en un compresor convencional estos contaminarán y diluirán el extracto en alguna medida. La solución segura (especialmente en el diseño de una planta de extracción por lotes multiuso) es emplear un compresor de diseño especial que o bien no emplee aceite lubricante o bien imponga una hermeticidad física rigurosa entre cualquier pieza lubricada y el fluido que se está comprimiendo.

Es posible obtener tales máquinas; sin embargo son caras. Los materiales de construcción de tales máquinas son típicamente acero inoxidable con sellos basados en PTFE, lo que quiere decir que estas unidades son significativamente más caras que los compresores de refrigeración producidos en masa convencionales. Por tanto, las implicaciones de coste de capital para un diseñador de proceso son significativas.

Si además el disolvente que se está empleando tiene una elevada presión de vapor (por ejemplo dióxido de carbono licuado) entonces hay implicaciones de coste de capital adicionales porque el compresor puede necesitar ser un dispositivo multietapa. El coste (operativo) variable de empleo del proceso se incrementará también según aumente la diferencia de presión sobre el compresor.

Finalmente, el uso del proceso de compresión/extracción de vapor esbozado antes, normalmente requerirá que el proceso se adapte con un dispositivo de alivio de presión, para protegerse contra sobrepresiones accidentales del sistema por mala operación del sistema con, por ejemplo, el compresor funcionando contra un sistema cerrado. Esto requiere que el dispositivo de alivio se descargue hacia un lugar seguro y existe siempre la pérdida de carga potencial a través del flujo de alivio, con una consiguiente pérdida de tiempo de producción y de coste de reemplazamiento de disolvente, limpieza del sistema, etc. así como los riegos ambientales asociados con las descargas de disolventes y de mezclas extracto/disolvente a partir del aparato.

Según un primer aspecto de la invención se proporciona un aparato como el definido en la reivindicación 1.

Una ventaja de estas disposiciones que la ausencia de un compresor permite el diseño de un circuito cuya presión de diseño se puede seleccionar para cubrir la máxima presión de vapor obtenible en el sistema, eliminando la necesidad de dispositivos externos de alivio de presión; o por lo menos minimizando la frecuencia y reduciendo la magnitud de los eventos de alivio.

En una realización del recipiente de extracción de la invención, el evaporador y el condensador son componentes discretos conectados operativamente mediante un circuito de tuberías.

En otras realizaciones de la invención, el evaporador y el condensador están contenidos dentro del mismo recipiente, conocido a veces como "destilería de vía corta". Las reivindicaciones 3 a 15 definen disposiciones preferidas del recipiente de tipo destilería de vía corta.

Una característica esencial de la invención es que el condensador está a una mayor altitud que el recipiente extractor y que el evaporador, por lo que el medio para mover el disolvente líquido entre el condensador y la extracción incluye a la altura hidrostática entre el condensador y el recipiente de extracción.

Esta realización de flujo por gravedad incluye un tapajuntas líquido conectado operativamente en serie con el condensador, en el lado de salida del mismo. El tapajuntas líquido proporciona de forma ventajosa un sello líquido en el lado de salida del condensador y se puede emplear para proporcionar un subenfriamiento del disolvente líquido.

El medio definido en la reivindicación 1 para movimiento del disolvente líquido desde el condensador hasta el recipiente de extracción incluye preferiblemente además una bomba de líquido conectada funcionalmente en serie en el circuito cerrado entre el condensador y el recipiente de extracción. Como el bombeo de un líquido requiere mucha menos energía que el bombeo de un vapor, el coste de funcionamiento de la bomba es mucho más bajo que el del compresor en un típico proceso de extracción en circuito cerrado. El coste de inversión de la bomba será normalmente inferior que el del compresor.

Según un segundo aspecto de la invención, se proporciona un método de acuerdo con la reivindicación 17. Este método puede ponerse en práctica convenientemente empleando un aparato como el aquí definido.

El método implica flujo por gravedad del disolvente líquido. Opcionalmente el método puede incluir de forma adicional el bombeo del disolvente líquido entre el condensador y el vaso de extracción.

Especialmente cuando el método incluye el bombeo de disolvente líquido antedicho, el método puede ser tal que los pasos de evaporar y condensar el disolvente tengan lugar dentro del mismo recipiente hueco. Por tanto esta parte del método puede tener lugar convenientemente en una destilería de vía corta como se ha descrito aquí.

El método típicamente incluye los pasos de recogida de biomasa en el recipiente de extracción, consiguiendo por tanto una elevada densidad de biomasa.

El método de la invención incluye también la retirada de extracto de biomasa del evaporador, según se desee.

Aquí continúa ahora una descripción de realizaciones preferidas de la invención, por la vía de ejemplos no limitativos, haciendo referencia a los dibujos que se acompañan en los que:

la Fig. 1 es una representación esquemática de un circuito de extracción de biomasa de la técnica anterior, descrito anteriormente;

la Fig. 2 es una representación esquemática de una primera realización del aparato que no constituye la invención pero que puede proporcionar una base para la implementación de la misma;

la Fig. 3 es una representación esquemática de una realización del aparato en circuito cerrado según la invención, en la que el flujo por gravedad obvia la necesidad de la bomba de la Fig. 2;

la Fig. 4 es una vista esquemática seccionada verticalmente de una primera realización de una destilería de vía corta según la invención, que puede sustituir opcionalmente a algunos componentes del aparato de la Fig. 2;

la Fig. 5 es una vista esquemática seccionada verticalmente de una segunda realización de una destilería de vía corta, que es una alternativa a la destilería de la Fig. 3;

la Fig. 6 es una gráfica de Mollier (diagrama presión - entalpía) que ilustra el comportamiento del disolvente en las refinerías de las Figs. 4 y 5;

la Fig. 7 muestra una forma alternativa de destilería de vía corta; y

la Fig. 8 muestra un circuito de extracción de biomasa incluyendo una destilería de vía corta y regeneración de calor.

En referencia a la Fig. 2 se muestra un circuito de extracción de biomasa en bucle cerrado. El circuito incluye, conectados en serie de forma operativa, un recipiente de extracción 11 para contener la biomasa, que permite a un disolvente o mezcla de disolventes entrar en contacto allí para efectuar la extracción de biomasa.

El recipiente 11 es un cilindro en pie hueco y alargado sustancialmente cerrado por sus extremos. Incluye una entrada de disolvente 11aeronave su extremo inferior y una salida de disolvente/extracto de biomasa 11b en su extremo superior.

La salida 11b está conectada a través de la línea 20 al evaporador 12. La línea 20 suministra un licor disolvente/extracto al interior del evaporador 20, que es un recipiente hueco sustancialmente cerrado, a través de un difusor 21 fijada en el extremo de la línea 20 dentro del evaporador 12.

Como se describe debajo, el evaporador 12 separa el disolvente del extracto de biomasa. El evaporador 12 tiene un desagüe de líquido 22 sustancialmente en su punto más bajo y una salida de vapor 23, primera disolvente en forma de vapor en o cerca de su punto más alto.

La salida 23 está conectada, a través de la línea 24, a un recipiente condensador /receptor 13 en el que el vapor de disolvente se condensa con el uso del aparato a una forma líquido. A diferencia de la disposición de la técnica anterior de la Fig. 1, el circuito de la Fig. 2 omite un compresor entre el evaporador y el condensador.

El condensador/receptor 13 incluye una salida 13b para el disolvente líquido. La salida 13b se conecta a la bomba 14 que en el funcionamiento del aparato bombea disolvente líquido a la entrada 11a del recipiente de extracción 11. La bomba 13 incluye opcionalmente un bucle de recirculación de disolvente 14a incluyendo un limitador de flujo en forma de placa perforada 14b.

El exterior del evaporador 12 está rodeado al menos parcialmente por una camisa calefactora 26. La camisa calefactora incluye uno o más conductos para un fluido cálido o caliente que es suministrado a la camisa 26 a través de una tubería de entrada 27 y que escapa a través de la tubería de salida 28. El fluido caliente circula alrededor de la camisa 26 en el funcionamiento del aparato para evaporar al disolvente en el evaporador 12.

El condensador/receptor 13 incluye otra bomba de calor en la que un refrigerante líquido, suministrado a través de la entrada 29, circula por uno o más tubos 13a en el recipiente 13 para producir allí la condensación de disolvente antes de salir de la proximidad del recipiente condensador/receptor 13 a través de la tubería de salida 30.

Antes del uso del aparato de la Fig. 2, el recipiente de extracción 11 se carga con una cama de biomasa; y se llena el circuito con un nivel necesario de disolvente como 1,1,1,2-tetrafluoroetano.

El funcionamiento de la disposición de la Fig. 2 es similar al proceso esbozado antes en relación con la Fig. 1, excepto porque el vapor de disolvente es conducido directamente hasta una unidad condensadora 13 que es alimentada con un fluido refrigerante frío. Luego el disolvente condensado es circulado mediante la bomba 14 hacia atrás al recipiente extractor y desde allí al evaporador. Durante este proceso el disolvente saca el extracto del recipiente 11 y lo entra en el evaporador 12.

Durante o tras el funcionamiento del aparato, el extracto de biomasa se desagua del evaporador 12, para procesado comercial adicional subsiguiente.

El vapor de disolvente, evaporado de la mezcla disolvente/extracto en el evaporador 12, es condensado en el condensador/receptor 13 y luego bombeado al recipiente de extracción 11 para entrar allí en contacto adicional con biomasa.

En la Fig. 3 se muestra una realización alternativa obviando la necesidad de bomba 14. Por tanto en esta realización se emplea una disposición de flujo por gravedad. La velocidad de circulación del disolvente viene determinada entonces por la altura hidrostática neta disponible entre el condensador y el evaporador. Este diseño puede ser preferido para equipo a gran escala donde el tamaño físico del equipo significa que en cualquier caso se empleará una estructura elevada.

En la Fig. 3, el recipiente de extracción 11, el evaporador 12 y el condensador 13 son sustancialmente los mismos que en la realización de la Fig. 2. Los componentes mostrados en ambas Figs. 2 y 3 funcionan esencialmente de la misma forma que las dos realizaciones y por tanto no describirán nuevamente en relación con la Fig. 3. Se omite la bomba 14 porque el condensador 13 está elevado en relación con el resto del circuito en bucle cerrado. La altura hidrostática neta resultante es suficiente en el funcionamiento del aparato de la Fig. 3 para suministrar disolvente líquido a y a través de la biomasa y al difusor 21 del evaporador 12.

La realización de la Fig. 3 incluye un tapajuntas fluido 31 formado en la tubería de salida que conecta el condensador 13 y el recipiente de extracción 11. El tapajuntas fluido 31 asegura un sello líquido en el lado de salida del condensador 13 y se puede emplear allí para subenfriamiento del disolvente.

En ambas realizaciones de la Fig. 2 y de la Fig. 3 la eficiencia energética del ciclo se puede mejorar grandemente empleando un dispositivo de bombeo calorífico externo. (Son adecuados dispositivos bien de compresión de vapor o de ciclo de absorción). Este se podría emplear con una disposición directa (con el fluido de trabajo de la bomba calorífica actuando como medio refrigerante condensador y medio de calentamiento evaporador) o se puede emplear con un circuito refrigerante secundario. Si por ejemplo el fluido de trabajo escogido para la bomba calorífica no fuera de pureza alimentaria/médica entonces se podría ofrecer una seguridad añadida contra pérdida en tubería en el circuito de extracción de disolvente mediante el empleo de un sistema refrigerante secundario de disolvente de grado alimentario.

La Fig. 4 muestra otra realización de la invención. Esta combina los pasos de evaporación y condensación dentro de un solo recipiente. El recipiente está por tanto actuando como una destilería de una sola etapa; esto es un ejemplo de la llamada destilación "de vía corta". La destilería de vía corta 40 de la Fig. 4 se puede conectar al menos en la Fig. 2 en lugar del evaporador 12, condensador 13 y las tuberías asociadas con estos componentes.

El recipiente 41 que define la destilería de vía corta es un cilindro sustancialmente cerrado, hueco y en pie que tiene unas zonas interiores inferior 42 y superior 43 separadas verticalmente una de otra por una zona de desconexión 44.

La zona inferior 42 incluye una etapa evaporadora y la zona superior 43 un condensador.

La zona inferior incluye una alimentación 46 allí dentro para mezcla de extracto líquido/disolvente; una fuente de calor (como una camisa calefactora externa 47, con tuberías internas de circulación de fluido); tuberías de entrada y salida de fluido templado/caliente 48, 49 y un desagüe para recogida de extracto de biomasa desde la etapa evaporadora.

El condensador incluye en la zona superior 43 un refrigerador en forma de una camisa de refrigeración externa 52 que tiene tuberías internas de fluido refrigerante y tuberías de entrada y salida de fluido refrigerante 53, 54.

En funcionamiento, el refrigerador enfría una superficie de la zona superior, siendo esta en la Fig. 4 la pared interior 55 de la zona superior 43. Un receptáculo en forma de bandeja anular 57 es para recoger el disolvente condensado de la pared 55 en el fondo de la zona superior 43. Un desagüe de disolvente saca disolvente líquido del receptáculo para suministro al recipiente de extracción 11 a través de la bomba 14.

Durante el funcionamiento de un circuito que incluye la destilería de vía corta 40 de la Fig. 4 la etapa de evaporación de disolvente tiene lugar en la zona inferior 42 del recipiente. El vapor de disolvente se eleva y fluye a través de la zona de desconexión 44 (donde la velocidad del vapor es lo suficientemente baja para evitar el acceso de gotas) y luego pasa a través de un hueco (o huecos) hasta la zona superior 43 del recipiente. El disolvente condensado se recoge en una bandeja 57. Luego el disolvente líquido se extrae de la bandeja según se requiera y se devuelve al sistema de extracción.

La zona de desconexión puede ser una sección de recipiente vacía u opcionalmente puede incluir un gas permeable, generalmente barrera impermeable líquida como una pantalla o malla de hilo 59 para disuadir de cualquier acceso de líquido. La toma de líquido de la bandeja de almacenamiento del condensador 57 es conducida a través de un tapajuntas para proporcionar un sello líquido al sistema.

En la Fig. 5 se muestra una destilería de vía corta alternativa, donde se emplea en lugar de una camisa refrigerante, un serpentín interno de enfriamiento 60, quedando inalterados los otros principios mostrados en la Fig. 4. Esta disposición puede permitir el empleo de diferentes refrigerantes según las necesidades y podría ofrecer asimismo una vía para el empleo de una gran área superficial para el condensador en un espacio breve.

La disposición de la Fig. 5 incluye un receptáculo de tipo cazoleta 57' debajo del serpentín de refrigeración suspendido centralmente 16. El receptáculo 67' va soportado sobre uno u más aros perforados de soporte 62 que interconectan el receptáculo 57' con la pared interior 55. Los aros de soporte permiten el flujo del disolvente gaseoso dentro de la zona superior 43.

En la Fig. 5, la superficie sobre la que se condensa el disolvente es por supuesto la superficie exterior del serpentín 60, de aquí la forma y ubicación modificadas del receptáculo 57'.

Otra forma de destilería de vía corta, de acuerdo con la invención, se muestra en la Fig. 7.

Esta realización emplea el serpentín refrigerante 60 de la Fig. 5, pero el cilindro destilador 41 es más alargado que el de las realizaciones de las Figs. 4 y 5.

En la Fig. 7, el receptáculo de las Figs. 4 y 5 se sustituye por un tubo alargado 65 que se extiende paralelo a y concéntrico con el cilindro 41.

En funcionamiento, la mezcla disolvente/extracto entregada por la tubería 48 y el difusor 21 se calienta en la zona inferior 42, como se pone de manifiesto esquemáticamente mediante las flechas H. El vapor de disolvente se eleva dentro del cilindro 41, como se ilustra en la Fig. 7 mediante las flechas V, hasta la zona superior 43. En la zona superior 43 el disolvente se condensa sobre el serpentín 60 y cae en un embudo abierto 66 fijado sobre el extremo superior abierto del tubo 65. El disolvente condensado pasa hacia abajo por el tubo 65 y se alimenta al resto del circuito de extracción a través de la tubería 58.

La realización de bomba directa de calor se ilustra en la Fig. 8. Esta muestra un recipiente de separación 70 que contiene un fondo 71 de disolvente en ebullición y de aceites extraídos. El recipiente 70 va equipado con dos intercambiadores de calor o serpentines, uno 72 situado próximo al fondo del recipiente formando un intercambiador de calor inferior y uno 73 próximo al techo del recipiente formando un intercambiador superior de calor.

El recipiente 70 contiene una cantidad de disolvente y extracto en solución formando un fondo 71 en la parte inferior en virtud de su densidad.

La finalidad del serpentín intercambiador de calor inferior 72 es proporcionar calor al fondo 71 con el fin de evaporar la mayoría del disolvente volátil y así llenar la cavidad del recipiente 70 con el vapor así producido. La finalidad del serpentín intercambiador de calor superior 73 es condensar este vapor en forma líquida. Se dispone un recipiente de recogida abierto por arriba 74 debajo del serpentín condensador con el fin de recoger el disolvente condensado en el serpentín.

Se suministra principalmente disolvente puro recogido de esta forma a través de la línea 76 a un circuito de extracción de disolvente como en el resto del circuito de la Fig.3 no constituido por el evaporador 12 y el condensador 13. A partir del circuito extractor de disolvente, se suministra una solución de disolvente y extracto en solución a través de la línea 77 desde el circuito de extracción de disolvente al fondo del recipiente separador 70. Los intercambiadores de calor están dispuestos en el recipiente de forma que el vapor de disolvente se produce por aplicación de calor al fondo 71 de disolvente y aceite de extracto disuelto. El vapor llena el recipiente 70 y se condensa en el intercambiador superior de calor principalmente como disolvente puro, para ser suministrado al circuito de extracción de disolvente a través de la línea 76. El disolvente y los extractos de aceite disueltos se devuelven desde el circuito de extracción de disolvente al fondo de líquido en la parte inferior del recipiente de extracción, de forma que el proceso es continuo.

El circuito de extracción de disolvente al que se ha hecho referencia antes puede ser un circuito externo formado a partir de tuberías y componentes o podría ser un circuito interno formado en el cuerpo mismo del recipiente de separación. En el último caso el recipiente contendría todos los componentes descritos previamente, pero contendría también una cantidad de biomasa en bruto, extrayendo así los aceites requeridos. Esta mezcla de disolvente y aceites pasaría luego al fondo en la parte inferior del recipiente. En el caso de un circuito interno de extracción de disolvente se necesitaría tomar la precaución de permitir que el disolvente en evaporación del fondo pase libremente hasta el serpentín intercambiador de calor superior, más allá del volumen de biomasa situado en la sección media del recipiente como se ha descrito.

El calor se suministra y se extrae del recipiente por medio de un circuito de compresión de vapor separado que opera usando los dos intercambiadores de calor 72, 73 previamente descritos, un dispositivo de expansión 78 como un limitador o válvula y un compresor de refrigeración estándar 79. Este circuito se puede llenar con un refrigerante HFC, CFC, HCFC o similar.

Se suministra mediante el compresor vapor a alta presión y elevada temperatura al serpentín intercambiador de calor inferior 72 en el fondo del recipiente separador. El serpentín de calentamiento forma el "condensador" en el circuito de refrigeración. Una vez que el refrigerante se condensa en forma líquida se hace pasar a través de un dispositivo de expansión 78 donde cambia de estado a una mezcla de dos fases líquido vapor a baja temperatura y presión. Este fluido es alimentado al serpentín intercambiador de calor superior 73 en el techo del recipiente de separación con el fin de condensar el disolvente 134a. Este serpentín forma el "evaporador " del circuito de compresión de vapor separado.

Luego el vapor pasa desde el evaporador a la entrada de baja presión del compresor 79 donde es comprimido a alta presión y temperatura para el paso hacia delante hasta el serpentín de alta temperatura como antes.

El calor total rechazado en el intercambiador de calor superior 73 es aproximadamente igual al calor suministrado al intercambiador de calor inferior más la energía introducida al compresor. De esta forma la energía suministrada al sistema como conjunto se minimiza de forma efectiva.

El recipiente 70 de la Fig. 8 es por tanto otro ejemplo de una destilería de vía corta, cuyo funcionamiento básico es similar al de la disposición de la Fig. 4 y una bomba de calor directa.

Aunque el empleo de una bomba de calor externa de compresión de vapor añadiría algún coste al proceso, los costes serían inferiores que usando un compresor en circuito del disolvente porque entonces es posible emplear un compresor de refrigeración producido en masa menos caro y componentes estándar, sin requisitos de materiales de construcción costosos ni de características sofisticadas de gestión de aceite.

Luego es posible además el empleo de un fluido óptimo refrigerante/de trabajo para el servicio de recuperación de calor, independiente del disolvente deseado para el proceso de extracción. Esto elimina el requisito de buena solvencia y buena eficiencia de ciclo de bombeo de calor en uno y en el mismo disolvente.

Empleando un proceso del tipo descrito más arriba, especialmente en el caso de emplear una destilería de vía corta, pero igualmente aplicable cuando se emplean recipientes separados de condensador y evaporador, es posible protegerse contra sobrepresiones del sistema mediante principios de diseño intrínsecamente seguros.

Si se consideran al evaporador y al condensador juntos como un sistema cerrado, y no existen válvulas en las tuberías entre los recipientes, se puede pensar que forman un solo volumen de contención en el que puede estar presente una máxima masa fija de disolvente. Esta masa se determina por la carga de disolvente puesta en el sistema. Si el evaporador y el condensador están aislados de cualquier otro recipiente entonces, si el calor proporcionado por el sistema de calentamiento no está equilibrado con el calor extraído a través del sistema de refrigeración y a través de las pérdidas naturales de calor, entonces la presión subirá en los dos recipientes. Esta elevación de presión tendrá lugar a densidad constante (ya que ninguna masa puede entrar o abandonar el volumen fijo) y esto tendrá lugar en la región saturada de dos fases del mapa de propiedades termodinámicas del disolvente. La presión seguirá una línea de densidad constante ("isócora") a lo largo de la región de dos fases como se muestra en la Fig. 6.

Si en funcionamiento normal, una fracción de volumen es vapor (y esto se puede seleccionar mediante un cuidadoso diseño) entonces al final habrá un punto en el que el inventario completo de líquido se habrá convertido en vapor. Según se aplique calor más allá de este punto la presión continuará elevándose a lo largo de la isócora. Sin embargo como el vapor ahora está sobrecalentado la velocidad de subida de la presión será reducida grandemente. La presión final obtenible será determinada por la máxima temperatura de la fuente de calor. Si esta es agua suministrada desde un tanque a presión atmosférica, por ejemplo, la temperatura de suministro de calor máxima factible es de 100ºC.

El beneficio potencial de esto se puede ver teniendo en cuenta al 1,1,1,2-tetrafluoroetano ("R-134a") como disolvente con agua caliente como fuente de calor. Si las condiciones iniciales son una fracción volumétrica de vapor del 75% y una temperatura de arranque de 20ºC, la densidad de sistema es de 36,76 kg/m^{3} y la presión normal de sistema sería de 5,72 bar. La presión de vapor del R-134a a 100ºC es de 40 bar. Sin embargo la presión correspondiente a una densidad de vapor saturado de 36,76 kg/m^{3} es 7,6 bar (temperatura de 29,3ºC). La máxima presión obtenida (cuando la temperatura de vapor es 100ºC y la densidad es de 36,76 kg/m^{3}) es solo de 10,1 bar.

Si el cálculo anterior se repite con una fracción volumétrica de vapor de arranque del 50%, entonces la densidad inicial es de 54,3 kg/m^{3} y la presión final obtenida es de 14,25 bar.

Este principio se puede extender para proporcionar una protección completa al sistema teniendo en cuenta el inventario de líquido completo del extractor y de las tuberías asociadas cuando se dimensionan los recipientes del condensador y del evaporador.

La ventaja de seguridad intrínseca ofrecida por el proceso de circulación natural (es decir el proceso del disolvente sin compresor o bomba de circulación de disolvente) es por tanto la capacidad de seleccionar una presión de diseño razonable que proporcione protección contra sobrepresiones en la entrada de calor sin la necesidad de costosos alivios de presión. Asimismo ofrece potencial para reducir la presión de diseño de los recipientes por debajo de la indicada por la presión de vapor del fluido de trabajo solo a la máxima temperatura, a pesar del máximo llenado potencial de líquido y de aquí la presión final obtenible en los recipientes que necesita permitirse para realizar este discernimiento.

Resumen de las Ventajas de la Invención

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Evita la necesidad de costosos compresores libres de aceite de construcción exótica

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Sistema sencillo ajustado a la integración de calor empleando una bomba de calor optimizada y barata en vez de hacer compromisos con la selección de disolvente para una extracción particular.

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Combinación de evaporación y condensación en un solo recipiente para ahorrar en coste de inversión de recipientes de presión.

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Método sencillo para proporcionar seguridad intrínseca a través de una cuidadosa selección de tamaños de recipientes de proceso.

Claims (21)

1. Aparato para extracción de biomasa que comprende un circuito en bucle cerrado incluyendo, conectados funcionalmente en serie, un recipiente de extracción (11), para contención de biomasa, que permite que el disolvente o una mezcla de disolventes entre en contacto con la biomasa para efectuar la extracción;

un evaporador (12) para separar disolvente y extracto de biomasa uno de otro;

un condensador (13) para condensar disolvente evaporado en el evaporador; y

un medio para desplazar el disolvente líquido desde el condensador hasta el recipiente de extracción y hasta el evaporador, sin comprimir una fase de vapor;

donde el condensador (13) está a mayor altura que el recipiente de extracción (11) y que el evaporador (12), por lo cual el medio para desplazar el disolvente líquido entre el condensador (13) y el recipiente de extracción (11) incluye la altura hidrostática entre el condensador (13) y el recipiente de extracción (11); y

la salida del condensador (13) incluye un tapajuntas líquido (31) conectado allí operativamente en serie.

2. Aparato de acuerdo con la reivindicación 1 donde el recipiente de extracción (11), el evaporador (12) y el condensador (13) son componentes discretos conectados funcionalmente mediante un circuito de tuberías (11a, 11b, 20, 24, 13b, 14, 14a).

3. Aparato de acuerdo con la reivindicación 1 donde el evaporador (12) y el condensador (13) se constituyen como partes del mismo recipiente evaporador/condensador (40) y el recipiente de extracción es un componente discreto conectado funcionalmente con el recipiente evaporador/condensador (40) mediante un circuito de tuberías.

4. Aparato de acuerdo con la reivindicación 3 donde el recipiente evaporador/condensador (40) es un recipiente hueco generalmente cerrado (41) que tiene unas zonas interiores inferior (42) y superior (43) separada una de la otra, incluyendo la zona inferior (42) el evaporador e incluyendo la zona superior (43) el condensador.

5. Aparato según la reivindicación 4 donde la zona inferior incluye allí dentro un suministro (46) para mezcla líquida disolvente/extracto; una fuente de calor (47) para calentamiento de la mezcla líquida disolvente/extracto para que se evapore el disolvente del extracto; y un desagüe (50) para sacar extracto líquido fuera del recipiente condensador/evaporador.

6. Aparato según la reivindicación 5 donde la fuente da calor es o incluye una camisa de calentamiento (47) o un elemento asegurado sobre o rodeando a una parte del exterior del recipiente condensador/evaporador (41) adyacente o correspondiente a la zona inferior (42).

7. Aparato según la reivindicación 4 cualquier reivindicación dependiente de allí, donde la zona superior incluye (43) un refrigerador (52) que en fría una o más superficies en la zona superior; un receptáculo (54) más bajo que la superficie y colocado para captar el disolvente líquido condensado sobre la superficie (55) que cae desde la superficie por gravedad; y un desagüe (50) para sacar disolvente líquido del receptáculo.

8. Aparato según la reivindicación 7, donde el refrigerador incluye una camisa (52) o un elemento asegurado sobre o rodeando a una porción del exterior del recipiente (41) adyacente o correspondiente a la zona superior (43), una pared interior (55) de la zona superior (43) enfriada por la camisa refrigeradora o elemento que es o incluye la dicha superficie e incluyendo el receptáculo una bandeja (57) que sobresale desde dicha pared dentro del recipiente.

9. Aparato según la reivindicación 8 donde la zona superior (43) es de sección transversal cilíndrica y la bandeja (57) es una corona que sobresale desde y se extiende alrededor de la pared interior de la zona superior (43).

10. Aparato según la reivindicación 7 donde el refrigerador incluye un elemento refrigerante (60) dentro de la zona superior; el elemento refrigerante incluye a dicha superficie; y el receptáculo (57') estando debajo del elemento refrigerante.

11. Aparato según las reivindicaciones 7 a 10 donde la camisa refrigeradora (52) o elemento (60) incluye uno o más conductos internos que permiten por allí el flujo del líquido refrigerante.

12. Aparato según las reivindicaciones 7 a 11 donde el desagüe (50) pasa a través de una pared del recipiente evaporador/condensador (41) y donde el circuito en bucle cerrado incluye la zona inferior (42), la zona superior (43) y el desagüe (50), conectados funcionalmente en serie.

13. Aparato según la reivindicación 4 o de cualquier reivindicación dependiente de aquella donde las zonas inferior (42) y superior (43) están separadas mediante una barrera (59) impermeable generalmente líquida, permeable a gas.

14. Aparato según la reivindicación 5 donde la fuente de calor es o incluye un elemento de calentamiento (72) dentro del recipiente condensador/evaporador (41).

15. Aparato según la reivindicación 3 o de cualquier reivindicación dependiente de aquella incluyendo una bomba directa de calor para evaporar y condensar el disolvente.

16. Aparato según cualquier reivindicación precedente donde el medio para desplazar el disolvente líquido desde el condensador hasta el recipiente de extracción incluye un abomba de líquido (14) conectada operativamente en serie en el circuito en bucle cerrado entre el condensador (13) y el recipiente de extracción (11).

17. Un método de extracción de biomasa que comprende los pasos de:

carga de una cama de biomasa en un recipiente de extracción (11) que tiene una entrada (11a) y una salida (11b) y que forma parte de un circuito en bucle cerrado que incluye, conectados funcionalmente en serie, el recipiente de extracción (11), un evaporador (12) y un condensador (13);

puesta en contacto con la biomasa de un disolvente que fluye alrededor del circuito cerrado, por lo cual la biomasa se introduce en el disolvente;

desplazamiento del disolvente alrededor del circuito cerrado hasta el evaporador (12) y evaporación del disolvente para separar el disolvente y el extracto uno de otro;

desplazamiento del disolvente vaporizado alrededor del circuito cerrado hasta el condensador (13) y condensación del mismo a forma líquida; y

desplazamiento del disolvente condensado alrededor del circuito cerrado a través de un tapajuntas líquido conectado funcionalmente con el condensador (13) hasta el recipiente de extracción (11) para puesta en contacto posterior allí con biomasa, donde el disolvente en forma de vapor está generalmente no comprimido; y donde el método incluye el paso de dejar al disolvente líquido condensado que se desplace por gravedad entre el condensador (13) y el recipiente de extracción (11).

18. Un método según la reivindicación 17 donde los pasos de evaporación y condensación del disolvente tienen lugar dentro del mismo recipiente hueco (41).

19. Un método según la reivindicación 18 que incluye el paso de hacer funcionar una bomba de calor directa para efectuar dicha evaporación y condensación.

20. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 17 a 19 que incluye el paso de empacar la biomasa en el recipiente de extracción (11).

21. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 17 a 20 que incluye el paso de sacar extracto de biomasa del evaporador (12).