ES2253619T3 - Separacion de mezclas de substancias por medio de procedimiento de menbrana con acondicionado termico de la mezcla de la alimentacion. - Google Patents
Separacion de mezclas de substancias por medio de procedimiento de menbrana con acondicionado termico de la mezcla de la alimentacion.Info
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Abstract
Procedimiento para la separación de mezclas de substancias por medio de permeación de gases bajo empleo de varias etapas de membrana, caracterizado porque la corriente de alimentación, antes de introducción en la primera etapa de membrana, a. se aumenta en su presión en fase líquida, y a continuación b. la corriente de alimentación se evapora parcial o completamente mediante alimentación de calor, en la primera etapa de membrana se separa la corriente de alimentación, se condensa la corriente de permeato obtenida de este modo, y esta nueva corriente de alimentación, antes de introducción en la segunda etapa de membrana, c. se aumenta en su presión en fase líquida, y a continuación d. ésta corriente de alimentación se evapora parcial o completamente mediante alimentación de calor.
Description
Separación de mezclas de substancias por medio de
procedimientos de membrana con acondicionado térmico de la mezcla
de la alimentación.
La presente invención se refiere a un
procedimiento mejorado para la separación de mezclas de substancias
por medio de una o varias membranas.
Los procedimientos de membrana para la separación
de mezclas presentes en forma de gas, también denominado
"permeación de gases", son conocidos en principio por el
especialista. Se encuentran descripciones, entre otros, en M.
Mulder: "Basic Principles of Membrane Technology", 1991, Luwer
Academic Publishers y en R. Rautenbach "Membranverfahren,
Grundlagen der Modul- y Anlagenauslegung", 1997, editorial
Springer.
En la permeación de gases tiene lugar una
separación de dos o más substancias presentando diferente magnitud
la permeabilidad de membrana para las substancias. Frecuentemente se
indica como medida de permeabilidad la denominada permanencia, que
se define como flujo específico por superficie de un determinado
componente, dividido por la diferencia transmembrana de presiones
parciales, o bien fugacidades de estos componentes.
En el caso de las membranas se puede tratar de
aquellas que funcionan según el denominado mecanismo de
disolución-difusión, es decir, los componentes se
disuelven en la membrana, por ejemplo una película polímera, se
difunden a través de la misma, y se desabsorben de nuevo en el otro
lado. No obstante, también se puede tratar de membranas
microporosas en las que, en lugar de la disolución, tiene lugar una
adsorción sobre el lado interno de los poros, seguida de una
difusión superficial en los poros, o de una membrana porosa, que
separa por medio de difusión de Knudsen.
Para que el proceso de difusión descrito conduzca
a un transporte de substancias orientado a través de la membrana, y
con ello a una separación de substancias, se debe presentar una
diferencia de presiones parciales transmembrana para las
substancias a separar. En la mayor parte de los casos, esta se
genera ajustándose una diferencia de presiones totales
transmembrana suficientemente grande. Esto se puede realizar, por
ejemplo, ajustándose una presión situada por encima de la presión
atmosférica sobre el lado en el que se añade la mezcla a separar, a
continuación denominado lado de alimentación, y/o generándose un
vacío sobre el lado en el que se extrae la mezcla que pasa a través
de la membrana, a continuación denominado lado de permeato. Para
muchos procesos es ventajoso obtener la diferencia de presión
necesaria en el lado de alimentación a través de una sobrepresión
apropiada, entre otras cosas porque de este modo se posibilitan
diferencias de presión parcial transmembrana más elevadas frente a
una generación de la diferencia de presiones parciales únicamente
mediante vacío en el lado de permeato, lo que conduce a flujos más
elevados, y por consiguiente a una demanda más reducida de
superficie de membrana para una labor de separación dada.
Es estado de la técnica generar dicha
sobrepresión mediante una compresión mecánica de la mezcla de
alimentación gaseosa, por ejemplo por medio de compresores de
émbolo, tornillo o turbocompresores. Sin embargo, el aumento de
presión necesario se presenta costoso desde el punto de vista
técnico de procedimiento y económico. En especial la compresión de
la corriente de alimentación en la fase gaseosa, debido a la
compresibilidad de gases, se presenta claramente más costosa de lo
que sería el caso en comparación en una fase líquida. Además, el
procedimiento se complica adicionalmente desde el punto de vista
técnico y económico debido al empleo exclusivo de las instalaciones
citadas anteriormente (compresores de émbolo, etc.) para el aumento
de presión.
En la US-A 4 925 459 se da a
conocer un procedimiento de membrana de una etapa para la permeación
de gases, aumentándose en presión por medio de una bomba y un
evaporador una corriente de alimentación, en primer lugar
líquida.
Según la US-A 4 911 845 se
evapora una mezcla de alimentación líquida, y el vapor compactado se
conduce a una etapa de membrana para la separación de gases. A
continuación se condensan permeato y retentato bajo aprovechamiento
del calor de escape para la evaporación de la mezcla de
alimentación.
Por consiguiente, se planteó la tarea de
encontrar un procedimiento que evitara las citados inconvenientes,
y que posibilitara un método sencillo desde el punto de vista
técnico de procedimiento y más económico para la separación de
substancias.
Por consiguiente se encontró un procedimiento
para la separación de mezclas de substancias por medio de permeación
de gases bajo empleo de varias etapas de membrana, en el que la
corriente de alimentación, antes de introducción en la primera
etapa de membrana,
- a.
- se aumenta en su presión en fase líquida, y a continuación
- b.
- la corriente de alimentación se evapora parcial o completamente mediante alimentación de calor,
en la primera etapa de membrana se
separa la corriente de alimentación, se condensa la corriente de
permeato obtenida de este modo, y esta nueva corriente de
alimentación, antes de introducción en la segunda etapa de
membrana,
- c.
- se aumenta en su presión en fase líquida, y a continuación
- d.
- ésta corriente de alimentación se evapora parcial o completamente mediante alimentación de calor.
Es objeto de la presente invención generar la
mezcla de alimentación gaseosa que se encuentra bajo presión
elevada mediante una combinación de aumento de presión en la mezcla
de alimentación, que se presenta en forma líquida en primer lugar,
por medio de una bomba apropiada conocida por el especialista, y a
continuación alimentación de calor bajo evaporación completa o
parcial de la mezcla de alimentación a separar, siendo la presión
tras la bomba igual a la presión de alimentación a ajustar en la
etapa de membrana mas la pérdida de presión que se produce entre la
bomba y la etapa de membrana. La mezcla de alimentación se pone en
contacto con la etapa de membrana en forma gaseosa.
Una ventaja esencial de este procedimiento se
basa en que la energía mecánica o eléctrica necesaria para el
aumento de presión de una mezcla de substancias dada de una presión
determinada p_{1} a una presión p_{2} es claramente más
reducida si la mezcla de substancias se presenta en fase líquida en
este caso, mediante lo cual se aumenta adicionalmente la
rentabilidad.
Según la invención, la energía necesaria para la
generación de la presión de alimentación se introduce en gran parte
como energía térmica. Esto es ventajoso si se dispone de energía
térmica de manera claramente más económica que energía eléctrica
(necesaria en la mayor parte de los casos para la generación de
energía mecánica). En muchos procesos en los que es necesaria una
separación de substancias, la energía térmica necesaria a tal
efecto se encuentra a disposición prácticamente sin costes, ya que
esta se puede utilizar de manera inmediata y efectiva, por ejemplo,
como calor de escape de procesos de producción químicos.
En este caso, la fracción de energía introducida
por vía térmica en energía alimentada en total se sitúa entre un
90% y un 99,99%, preferentemente entre un 98% y un 99,9%.
La generación de energía por medio de evaporación
es aplicable de modo especialmente ventajoso sobre la separación de
mezclas cuyos componentes presentan temperaturas críticas > 30ºC,
mejor
aun > 60ºC, ya que la presencia de una mezcla líquida de substancias a separar, que es ciertamente condición para dicho paso de evaporación, no presupone la presencia de una instalación refrigerante costosa. Por otra parte, es ventajoso que las substancias que participan presenten puntos de ebullición (a presión atmosférica) por debajo de 250ºC, preferentemente por debajo de 200ºC, ya que, en caso contrario, por una parte se requiere relativamente mucha energía térmica para el paso de evaporación, y por otra parte se abandona el intervalo de temperaturas en el que funcionan la mayor parte de membranas.
aun > 60ºC, ya que la presencia de una mezcla líquida de substancias a separar, que es ciertamente condición para dicho paso de evaporación, no presupone la presencia de una instalación refrigerante costosa. Por otra parte, es ventajoso que las substancias que participan presenten puntos de ebullición (a presión atmosférica) por debajo de 250ºC, preferentemente por debajo de 200ºC, ya que, en caso contrario, por una parte se requiere relativamente mucha energía térmica para el paso de evaporación, y por otra parte se abandona el intervalo de temperaturas en el que funcionan la mayor parte de membranas.
La presión a ajustar del modo descrito sobre el
lado de alimentación de la membrana asciende a 1,5 hasta 200,
preferentemente 3 a 100, de modo especialmente preferente 4 a 60 bar
abs. El valor óptimo se determina mediante la composición de la
mezcla a separar, la tarea de separación, las propiedades de la
membrana, y las condiciones límite técnicas de procedimiento y
económicas, se pueden determinar por el especialista mediante
ensayos rutinarios.
La presión en el lado de permeato se sitúa por
debajo de la del lado de alimentación. Con esta medida, esta se
puede seleccionar libremente en principio. El valor óptimo se
determina también en este caso mediante la composición de la mezcla
a separar, la tarea de separación, las propiedades de la membrana y
las condiciones límite técnicas de procedimiento y económicas. El
permeato puede circular, por ejemplo, bajo presión atmosférica o
bajo vacío. No obstante, también puede ser ventajoso ajustar la
presión de permeato a un valor situado por encima de la presión
atmosférica, si condensar el permeato ofrece ventajas técnicas de
procedimiento y/o económicas, y una presión de permeato situada por
encima de presión atmosférica permite la condensación con un medio
refrigerante económico.
La temperatura en la que se pone en contacto la
mezcla a separar con la membrana se sitúa entre aproximadamente -20
y 300ºC, preferentemente 30 a 250ºC, de modo especialmente
preferente 50 a 200ºC.
Las ventajas del procedimiento según la invención
llegan a ser eficaces especialmente en la realización de conexiones
de varias etapas de membrana conocidas en sí, en las que el permeato
se conduce completa o parcialmente como alimentación de una etapa a
la etapa siguiente en cada caso, y el retentato se mezcla completa o
parcialmente desde esta etapa con la alimentación en la etapa
citada en primer lugar (véase, por ejemplo, Sep. Sci. Technol. 31
(1996), 729 y siguientes), ya que en este caso se evita la
compresión mecánica de la mezcla de alimentación gaseosa en uno o
varios puntos. De manera ejemplar, en las figuras 1 y 2 se
representan esquemáticamente conexiones de varias etapas de
membrana de tal naturaleza, estando contenido en este caso también
el acondicionado de mezclas de alimentación respectivas según la
invención. En la figura 1, la corriente de alimentación se lleva a
la presión deseada a través del conducto (101) por medio de la bomba
(102) en fase líquida, y a continuación se evapora la corriente de
alimentación en el cambiador de calor (103) mediante alimentación de
calor. En la membrana (104) se efectúa la separación de la
corriente de alimentación, y la corriente de permeato se alimenta a
un refrigerante intermedio (106) a través del conducto (105) para la
condensación. A continuación, esta "nueva" corriente de
alimentación llega a la siguiente membrana (109), en la que continúa
la separación, a través de la bomba (107) y el evaporador (108). El
retentato que se produce en la membrana (109) se devuelve al
conducto (101) a través del conducto (110) poco antes de la entrada
en la membrana (104).
En la figura 2 se representa de manera ejemplar
la conexión de tres membranas. Ya que la estructura general se
asemeja a la de la figura 1, esta no se describe más detalladamente
en este caso. Con las cifras I, II y III se caracterizan las tres
etapas de membrana aquí presentes, dentro de las cuales no se lleva
a cabo un aumento de presión esencial según definición. Unicamente
es necesaria una cierta diferencia de presión para garantizar el
transporte.
En el caso de disposiciones según la invención, a
diferencia de las figuras, la mezcla a separar (en la figura 2,
esta es la corriente 201) la mezcla a separar se puede conducir
también ante una etapa de membrana diferente a la primera.
Lo mismo es válido para una conexión de cuatro o
más etapas de membrana en el sentido citado anteriormente.
En este caso, el concepto etapa de membrana
designa una unidad de membrana dentro de la cual no se lleva a cabo
un aumento de presión esencial. Esta puede presentar una o varias
instalaciones de membrana, circulando, en el último caso, las
instalaciones de membrana a incluir en la etapa de membrana
paralelamente a la mezcla de alimentación en cuestión, o
conduciéndose la mezcla de retentato que sale de una instalación de
membrana, o varias instalaciones de membrana conectadas en
paralelo, como alimentación a una instalación de membrana o varias
instalaciones de membrana conectadas en paralelo, lo que se puede
repetir en principio con la frecuencia deseada dentro de una etapa,
pero en la práctica como máximo aproximadamente 10 veces, debido a
la pérdida de presión que se presenta en este caso.
La generación de presión térmica según la
invención se puede combinar con una pluralidad de membranas y formas
modulares conocidas por el especialista.
Las membranas empleadas pueden estar
constituidas, por ejemplo, por polímeros o por material inorgánico,
que ocasiona una separación mediante difusión de Knudsen o posee
propiedades de tamiz molecular, como por ejemplo carbono
microporoso (obtenido mediante pirólisis de polímeros orgánicos,
como por ejemplo PP) o zeolitas. Las membranas pueden estar
realizadas como membranas asimétricas integrales o como membranas
compuestas, en la que la verdadera capa separadora que ocasiona la
separación molecular, que presenta un grosor de 0,1 a 100,
preferentemente 1 a 20 \mum, está aplicada sobre uno o varios
soportes meso- y/o macroporosos.
Las membranas se pueden emplear en forma de
elementos planos, acolchados, capilares, tubulares monocanal o
multicanal, que son conocidos por el especialista en sí, entre
otros, por otros procedimientos de separación de membrana, como la
ultrafiltración o la ósmosis inversa (véase, por ejemplo, R.
Rautenbach "Membranverfahren, Grundlagen der Modul - und
Anlagenauslegung", 1977, editorial Springer. En el caso de
elementos de membrana con geometría tubular, la capa separadora se
puede encontrar preferentemente en el lado interno o externo del
tubo.
Las membranas están rodeadas generalmente por una
o varias carcasas de material polímero, metálico o cerámico,
formándose la unión entre carcasa y membrana mediante un polímero
hermetizante (por ejemplo elastómero) o material inorgánico.
Para el ajuste de la presión de alimentación
según la invención, el especialista puede recurrir a bombas
conocidas en sí, como por ejemplo diversos tipos de bombas
centrífugas, pero también bombas de desplazamiento, como bombas de
émbolo, émbolo giratorio, membrana o de hélice excéntrica.
El paso de evaporación según la invención se
puede efectuar en depósitos calentados con alimentación de calor a
través de la pared, o un serpentín que se sitúa en el depósito, o en
uno o varios transmisores de calor conocidos igualmente por el
especialista, que pueden presentar, por ejemplo, geometría de tubo
doble, tubo en U, haz de tubos o placas, y que se puede accionar en
pasos sencillo, o como evaporador de circulación natural o forzada.
Es ventajoso prever una extracción para componentes de mezcla de
punto de ebullición elevado en cualquier punto para evitar su
acumulación.
El procedimiento según la invención se puede
aplicar de modo especialmente ventajoso a separaciones de
hidrocarburos con 2 a 10, preferentemente 2 a 6 átomos de carbono
por molécula, en especial a las separaciones de mezclas de los
componentes predominantes con el mismo índice de carbono, por
ejemplo la separación entre hidrocarburos saturados e insaturados
(véase, por ejemplo, J. Membr. Sci. 184 (2001) 39 y siguientes) o la
separación entre hidrocarburos lineales y ramificados (véase, por
ejemplo, Barri et al., EP 481659).
El procedimiento según la invención ofrece un
método sencillo desde el punto de vista técnico de procedimiento y
económico de separación de substancias. Este es apropiado
especialmente para sustancias de empleo cuyo punto de ebullición se
sitúa por debajo de aproximadamente 250ºC, y sus ventajas se imponen
especialmente en la conexión de varias membranas.
Claims (8)
1. Procedimiento para la separación de mezclas de
substancias por medio de permeación de gases bajo empleo de varias
etapas de membrana, caracterizado porque la corriente de
alimentación, antes de introducción en la primera etapa de
membrana,
- a.
- se aumenta en su presión en fase líquida, y a continuación
- b
- la corriente de alimentación se evapora parcial o completamente mediante alimentación de calor,
en la primera etapa de membrana se
separa la corriente de alimentación, se condensa la corriente de
permeato obtenida de este modo, y esta nueva corriente de
alimentación, antes de introducción en la segunda etapa de
membrana,
- c.
- se aumenta en su presión en fase líquida, y a continuación
- d.
- ésta corriente de alimentación se evapora parcial o completamente mediante alimentación de calor.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque la fracción de energía aportada, que se
introduce mediante alimentación de calor, se sitúa entre un 90% y un
99,9%, referido a la energía introducida en total.
3. Procedimiento según las reivindicaciones 1 a
2, caracterizado porque en el lado de alimentación de las
etapas de membrana se desarrolla una presión absoluta de 1,5 a 200
bar.
4. Procedimiento según las reivindicaciones 1 a
3, caracterizado porque la presión en el lado de permeato de
las etapas de membrana se sitúa por debajo de la presión en el lado
de alimentación.
5. Procedimiento según las reivindicaciones 1 a
4, caracterizado porque la mezcla a separar se pone en
contacto con las etapas de membrana a una temperatura de -20ºC a
300ºC.
6. Procedimiento según las reivindicaciones 1 a
5, caracterizado porque se emplean mezclas en corriente de
alimentación, cuyos puntos de ebullición a presión atmosférica se
sitúan por debajo de 250ºC.
7. Procedimiento según las reivindicaciones 1 a
5, caracterizado porque se alimentan mezclas en corriente de
alimentación que presentan una temperatura crítica de más de
30ºC.
8. Procedimiento según las reivindicaciones 1 a
7, caracterizado porque se separan mezclas que contienen
hidrocarburos con 2 a 10 átomos de carbono por molécula.
Applications Claiming Priority (2)
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| DE10240604 | 2002-09-03 | ||
| DE10240604A DE10240604A1 (de) | 2002-09-03 | 2002-09-03 | Trennung von Stoffgemischen mittels Membranverfahren mit thermischer Konditionierung des Feedgemischs |
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