Supercritical Water-Cooled Reactor (SCWR)

El SCWR es un planta de energía nuclear que utiliza el ciclo de rankine supercrítico. Las plantas son de mayor eficiencia y potencia en relación a su volumen, por lo que podemos tener plantas más pequeñas. Se espera que este reactor alimente una planta de 1600 MW. A continuación vemos un diagrama del SCWR:

Algunas características relevantes del reactor son:

1. Funciona a una presión constante de 3625 psig (2,5*10^7 Pa), muy por encima de otros reactores.
2. También trabaja por sobre la T° crítica, por lo tanto no hay cambio de fase.
3. El cambio de temperatura dentro del reactor es de 220°C.

A continuación vemos un diagrama del ciclo Rankine que se lleva a cabo en el reactor:

La eficiencia térmica de este ciclo viene dada por:

La eficiencia de este ciclo es de un 44,8%, mucho más grande que las plantas que trabajan con un ciclo de Rankine normal, en donde la eficiencia alcanza un 33%.

Aplicación Agroindustrial: Extracción y Fraccionamiento de Lípidos

Se ha demostrado que en los procesos de extracción y fraccionamiento de lípidos, el CO2 SC disminuye el gasto energético, ayuda a mejorar la calidad del aceite obtenido en comparación con los aceites extraídos con solventes orgánicos tradicionales.

Método Soxhlet

Él método Soxhlet es conocido como el método tradicional para este tipo de mecanismos. Comparando con el funcionamiento del CO2 SC en el caso de la extracción de aceites de rosa silvestre, en el método soxhlet usando n-hexano se consumieron 180 minutos para extraer 48.5 g/kg, mientras que con CO2 SC a 35°C y 250 bar, se consumieron 35 minutos para extraer 57.2 g/kg. Se puede apreciar claramente el beneficio de utilizar CO2 SC, ya que el ahorro de tiempo y por lo tanto de dinero para la industria es significativo.

En la figura se puede apreciar de manera simplificada el funcionamiento del método soxhlet, en donde en un principio se caliente la mezcla que tenemos y luego en la sección intermedia se produce la condensación de los elementos que deseamos separar mediante el uso de distintos solventes. Sin embargo, la mezcla final que vuelve a la sección inferior de la estructura, presenta impurezas, ya que parte del solvente queda disuelto en la solución. 

CO2 Supercrítico

Algunas características del CO2 como fluido supercrítico:

1. El CO2 actúa mejor como solvente frente a sustancias polares.
2. Es el más utilizado dado que el resto de las sustancias tienen ciertas dificultades en obtener solventes puros del fluido. 
3. Es inerte, accesible, barato y fácil de manejar, se alcanza a presiones menores de 200 bar y temperaturas bajas, por lo tanto se puede separar compuestos termolábiles. 
4. No es tóxico, como disolvente es fácil de separar del soluto y casi no deja residuos en sus productos.

Algunas de las múltiples aplicaciones del CO2 SC son:

•Agroindustria

•Agricultura

•Acuicultura

•Pesticidas

•Procesos microbianos

•Petroquímica

•Farmacéutica

•Cosmética

  CO2 en estado supercrítico. 

Modelación Matemática FSC

A continuación mostraremos algunos parámetros y modelos que se utilizan para modelar los procesos de extracción de fluidos supercríticos. 

Parámetro Solubilidad

Se refiere a la capacidad de solvatación de un gas comprimido dada por la variación de densidad, por lo tanto tiene una vital importancia al momento de utilizar FSC en los procesos de extracción:

en donde Ev es la energía de vaporización y Hv el calor de vaporización. 

También podemos expresar este parámetro en función de las propiedades reducidas:

en donde E* es la energía interna del gas isotérmicamente expandido a presión 0 y E es la energía interna del gas a una temperatura T y presión P.

Relacionando este parámetro con la presión crítica se obtiene:

Esto sirve para predecir la solubilidad de una sustancia en un FSC a diferentes presiones.

Modelo de Sovova

Este modelo se basa en una serie de suposiciones:

1. El solvente fluye axialmente en un extractor cilíndrico. 
2. El solvente está libre de soluto al entrar al extractor. 
3. El soluto es parcialmente expuesto al solvente mediante una reducción de tamaño.

En el caso de estudio de los ácidos grasos utilizando CO2 SC se descubrió la siguiente ecuación que relaciona la solubilidad del soluto con la densidad del CO2.

Proceso Extracción Mediante FSC

A continuación explicaremos como ocurre el proceso de extracción mediante fluidos supercríticos. Para esto analizaremos el siguiente diagrama:

El solvente a utilizar se deposita en (1). Luego el fluido pasa por el intercambiador de calor (2), en el cual se enfría para que entre sin problemas a la bomba (3), en la cual se eleva la presión sobre la presión crítica. Posteriormente en el intercambiador (4) se logra el estado supercrítico al subir la temperatura sobre la crítica. Así se hace pasar el fluido supercrítico a través de la materia prima en el extractor (5), disolviendo y arrastrando los compuestos de interés, dada las propiedades del fluido. En (6) y (7) se baja la presión y temperatura respectivamente, por lo que el fluido ya no es supercrítico y los compuestos no son solubles, lo que permite que en (8) el gas se extraiga por la parte superior y el extracto por la parte inferior. El gas se condensa en (9), lo que permite que sea totalmente reutilizable.

Aplicaciones

Dentro de la aplicaciones podemos destacar:

• Alto atractivo en la industria.

• Utilización en la extracción, permite selectividad.

• Lavado en seco de prendas, piezas aeroespaciales o de alta tecnología.

• FSC como medio para reacciones químicas.

• Buenos refrigerantes para máquinas térmicas.

 

Y además a continuación en la tabla de abajo pueden ver las temperaturas a las cuales se producen los fluidos supercríticos. 

 

 En esta tabla pueden apreciar que obtener dióxido de carbono como fluidos supercrítico no es muy difícil pues se obtiene a una temperatura de 31ºC y a una presión de 73,86 bar.

 

Propiedades

A continuación se presenta un diagrama donde se muestran los cuatro estados de la materia:

A raíz de este diagrama podemos exponer las propiedades de los fluidos supercríticos:

• Apreciamos que no hay interfase líquido-gas.

• La compresibilidad térmica y el coeficiente de expansión térmico son infinitos y positivos.

• La densidad depende de la presión y temperatura, aunque se asemeja mucho más a la de un líquido.

• Tiene una viscosidad parecida a la de los gases y difusividad a los líquidos.

• Tienen una alta penetrabilidad a través de sólidos porosos.