Columnas de fraccionamiento

El fraccionamiento supercrítico de alimentaciones líquidas se realiza normalmente en

columnas continuas de múltiples etapas, en donde las fases se ponen en contacto a la vez

que fluyen en contra-corriente, como en los procesos tradicionales de destilación o extracción. Este tipo de columnas permite reducir la cantidad de solvente necesario, incrementa los rendimientos y permite obtener productos de elevada pureza. Por otra parte, su uso es prácticamente imprescindible cuando se desea separar compuestos cuyas volatilidades son parecidas o que presentan una gran afinidad química [11][12].

La Figura 3.2 muestra el esquema general de un equipo de fraccionamiento supercrítico en contracorriente. Dicho equipo consiste básicamente en:

a) una columna a través de la cual las corrientes fluyen y se ponen en contacto;

b) un separador superior en donde se obtienen el producto de tope (extracto) y una corriente de solvente supercrítico prácticamente puro;

c) un separador inferior para recuperar los productos de fondo (refinado);

d) dispositivos para alimentar la columna, recircular el solvente y realimentar parte del extracto a la columna (reflujo).

Solvente supercrítico Reflujo Seccón de enriquecimiento Seccón de stripping Alimentación Producto de tope Producto de fondo Bomba o compresor de reciclo Gas (a baja P)

Figura 3.2. Esquema de un equipo de fraccionamiento supercrítico continuo en contracorriente. Adaptado de [11].

Si la alimentación se introduce por el tope, se trata de una columna a contracorriente simple, constituyendo una única cascada de separación. Si en cambio se introduce en alguna etapa intermedia, la columna consistirá en dos secciones o cascadas, separadas por el punto de alimentación de la mezcla a fraccionar: una sección superior de

enriquecimiento y una sección inferior de despojo o “stripping”. En la sección de enriquecimiento, los productos de fondo (menos volátiles) son separados de los productos de tope (más volátiles) por la corriente líquida descendente generada por el reflujo y enviados hacia la sección inferior. En la sección de “stripping” los productos de tope son separados de los productos de fondo por la corriente gaseosa ascendente y enviados hacia la sección superior. La columna se opera generalmente de manera isotérmica, aunque es posible utilizar un gradiente térmico longitudinal, generándose de este modo un efecto de reflujo interno de los solutos menos volátiles por reducción de la solubilidad a medida que aumenta la temperatura.

Tanto en el tope como en el fondo, los productos se separan del solvente supercrítico en recipientes separadores, generalmente operados en condiciones de presión y temperatura

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diferentes a las de la columna. En el separador de tope, una parte variable del extracto puede realimentarse a la columna. Este reflujo externo introduce una variable adicional de operación que permite mejorar el desempeño de la separación. Por su parte, una vez separado del extracto, el solvente supercrítico es recirculado al fondo de la columna mediante un sistema de reacondicionamiento (intercambiadores de calor y compresores o bombas), requiriéndose generalmente una cierta cantidad extra de solvente nuevo (make- up) para reponer pérdidas.

También es posible operar columnas de fraccionamiento de manera semi-continua (o fraccionamiento “batch”). Un esquema de este sistema se muestra en la Figura 3.3. En el caso más común, se carga en la parte inferior del equipo (sección de extracción) una cantidad dada de alimentación líquida y una corriente continua de solvente supercrítico fluye a través de ella, saturándose y ascendiendo por una columna de etapas múltiples en donde se pone en contacto con una corriente líquida descendente de reflujo (generado externa o internamente). La composición del líquido varía a lo largo del tiempo, enriqueciéndose en los componentes menos volátiles a medida que la corriente de solvente va removiendo los más volátiles. Por el tope se extrae en forma continua el extracto, cuya composición también varía en el tiempo, hasta alcanzar el nivel deseado de agotamiento de la alimentación. Columna de fraccionamiento Sección de extracción (saturador) Reflujo Producto de tope Separador Solvente supercrítico Bomba o compresor de reciclo

Tanto los equipos como su operación y tratamiento matemático son semejantes a los de la destilación batch [13]. La operación en modo semicontinuo generalmente es menos ventajosa que la continua, pero su uso puede ser preferible en algunos casos, por ejemplo:

i) cuando la capacidad es demasiado pequeña para permitir una operación continua a una velocidad práctica; ii) si se requiere procesar con una única columna distintos productos o alimentaciones con composición variable; iii) si las operaciones del proceso aguas arriba también son batch; iv) si la alimentación contiene materiales viscosos o sólidos (como alquitranes o resinas), que pueden obstruir una columna continua [14].

Por tratarse de un proceso que opera a alta presión, se requieren etapas adicionales para reducir la presión de los productos al valor atmosférico, separar los solutos extraídos y recuperar el fluido supercrítico para su reutilización. Esta operación se lleva a cabo en uno o más recipientes separadores y puede lograrse de distintas maneras:

(a) mediante reducción de la presión (b) mediante incremento de la temperatura

(c) mediante modificación simultánea de la presión y la temperatura (d) por adsorción sobre un lecho particulado o poroso

(e) por absorción en un solvente líquido (f) por adición de un anti-solvente (g) mediante el uso de membranas

En los tres primeros casos, se busca una reducción drástica de la solubilidad de los productos extraídos en la fase supercrítica, que se separa en dos nuevas fases: una fase líquida (o a veces sólida) constituida básicamente por los solutos condensados, y una fase gaseosa constituida casi totalmente por el fluido supercrítico. El caso (a) implica la despresurización total o parcial de la fase. Se obtiene el producto prácticamente libre de solvente supercrítico, pero éste debe recomprimirse nuevamente al valor de operación con los costos que ello implica. En el caso (b) el fluido no pierde presión, pero debe ser enfriado nuevamente antes de ser recirculado al proceso. El producto debe ser despresurizado al final del proceso. Debe tenerse en cuenta que a veces el incremento de temperatura puede ocasionar un aumento de solubilidad, como se mencionó al describir el fenómeno de crossover. El caso (c) combina una reducción parcial de presión con una variación de temperatura suficiente para lograr la separación del fluido. Desde el punto de vista energético, la recuperación de los solutos sin pérdida de presión es lo más

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conveniente [12]. En la Figura 3.4 puede verse un esquema de los casos (a) y (b) para la recuperación de solvente y extracto en el tope de una columna de fraccionamiento supercrítico. reducción de T aumento de T (reflujo) extracto separador (P2, T2) (reciclo de solvente) columna de fraccionamiento (P1, T1) recompresión reducción de P (reflujo) extracto separador (P2, T2) (reciclo de solvente) columna de fraccionamiento (P1, T1) (a) (b)

Figura 3.4. Distintas estategias para la separación de los productos y el fluido supercrítico en un proceso de fraccionamiento. (a) Reducción de presión. (b) Aumento de temperatura.

En cuanto a la separación por adsorción sobre un lecho poroso, la principal limitación es que luego se requiere una etapa adicional de desorción, generalmente utilizando otro solvente que luego debe ser evaporado, además de la pérdida progresiva de capacidad del lecho por saturación, aspecto poco práctico para procesos continuos. La absorción en un solvente líquido presenta limitaciones similares.

El uso de membranas semipermeables ha sido propuesto e investigado por varios autores como una alternativa a la separación por modificación de la densidad del fluido supercrítico, demostrando que el requerimiento de energía para la regeneración de CO2 se reduce notablemente (a menos del 50%) con respecto al ciclo de compresión [15].