DD206879A3 - Verfahren zur destillativen trennung von kohlenwasserstoffgemischen - Google Patents

Abstract

DIE ERFINDUNG BETRIFFT EIN VERFAHREN ZUR DESSTILIATIVEN TRENNUNG VON KOHLENWASSERSTOFFGEMISCHEN ZUR GEWINNUNG AUFKONZENTRIERTER GEMISCHE BZW. HOCHREINER STOFFE. ERFINDUNGSGEMAESS WERDEN IN EINER DESTILATIONSEINHEIT, DIE FUER DIE STOFFUEBERTRAGUNG ERFORDERLICHEN INNEREN RUECKLAUF-UND DAMPF-FLUESSIGKEITSBELASTUNGSVERHAELTNISSE MIT SEKTIONSWEISE, DEM JEWEILIGEN PROFIL DER KONZENSTRATIONSGRADIENTEN UND TEMPERATUREN ANGEPASSTEN BEHEIZUNGEN EINSTELLT.

Description

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Titel der Erfindung

Verfahren zur destillativen Trennung von Kohlenwasserst off gemisch en

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur destillativen Trennung von Kohlenwasser st off gemischen zur Gewinnung aufkonzentrierter Gemische bzw. hochreiner Stoffe.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Verfahren und Anlagen zur Gewinnung aufkonzentriert er Kohlenwasserstoffgemische bestehen herkömmlicherweise aus Vor- und Hauptkolonnen zur Grobauftrennung von Rohöl- bzw. Kohlenwasserstoffmischungen mit großen Siedebreiten und aus nachgeschalteten Fraktionierkolonnen zur Abtrennung enger geschnittener Fraktionen. Diese Trennprozesse sind charakterisiert durch hohe Durchsat zmengen, mittlere bis kleine Rücklaufverhältnisse und mittlere Bodenzahlen bis zu ca. 50 praktische Trennstufen. Nach dieser Klassifikation können die Anlagen der primären Erdölverarbeitung zur Erzeugung der Erdölhauptfraktionen (Benzine, Petroleum, Dieselkraftstoff, Gasöl, schwere Rückstände, usw.), die Teilanlagen der Gaszerlegung zur Vordestillation, die Anlagen der Rohbenzinaufarbeitung zur Erzeugung von Vergaserkraftstoffen, die Anlagen der Paraffingewinnung sowie Aromatenvordestillation und die Anlagenkomplexe der vertieften Erdölverarbeitung mit thermisch-katalytischer Spaltung schwerer Rückstände dieser Gruppe zugeordnet werden.

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Die bei all diesen Prozessen bisher genutzten Destillationseinheiten erhalten ihre erforderliche Heizwärme nur an einer Stelle der Kolonne, vorzugsweise am Kolonnensumpf zugeführt, so daß die inneren Rücklaufverhältnisse und Dampf-Flüssigkeitsbelastungsverhältnisse über der Kolonnenhöhe nicht entsprechend den Anforderungen eines rationellen Energieeinsatzes sektionsweise beeinflußt werden können. Lediglich bei den Hauptkolonnen der primären Erdöldestillation werden über zirkulierende Rückläufe, jeweils unterhalb der entsprechenden Hauptfraktionen abgezogen, gekühlt und zur Kolonne rückgeführt, die Dampfbelastungen und zwangsweise die inneren Rückflußverhältnisse über Wärmeabfuhr aus der Sektion derart verändert, daß die Kolonnenabmessungen entsprechend den somit sehr hohen Dämpfelasten in vertretbaren Grenzen gehalten werden können. Kolonnen mit teil-__ weiser Wärmezufuhr sind technisch bisher nicht bekannt.

Die Verfahren und Anlagen zur Isolierung hochreiner Stoffe werden am Beispiel der Erzeugung von BTX-Aromaten erläutert, da hier, zum einen die kompliziertesten und vielfältigsten Teilprozesse einbezogen und zum anderen die größten Reinheiten gefordert sind. Generell sind die Trennprozesse zur Gewinnung hochreiner Stoffe durch kleine Durchsätze, hohe bis sehr hohe RücklaufVerhältnisse und hohe bia sehr hohe Bodenzahlen bis zu ca. 350 praktische Trennstufen gekennzeichnet. Üblicherweise wurden die Aromaten als Kopfprodukt der Fraktionierkolonnen entnommen. Bei höheren Ansprüchen an die Qualität der Reinaromaten, z_o B. bei Benzen, wurde auf eine Zweikolonnenfahrweise mit Entnahme des Finalproduktes als mittlere Fraktion übergegangen (Mofex-, Distexverfahren).

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Als bedeutend zweckmäßiger in Verbindung mit erhöhten Anforderungen an die Qualität der Reinaromaten hat sich jedoch gegenwärtig die Entnahme von Reinaromaten als Seitenstrom erwiesen. Dabei wird die Tatsache eines mehr oder mindergroßen Nichtaromatenkonzentrationsgradienten zwischen Kolonnenkopf und Seitenstrom ausgenutzt (Arosolvan-, AREX-Verfahren). Die allgemeine Energieverknappung zwingt jedoch Projektanten und Betreiber zur Senkung der derzeit aufgewendeten Rücklaufverhältnisse unter Beibehaltung der Qualitäten. So wurde z. B. in einer japanischen Aromatenextraktionsanlage die Umrüstung von BTX-Kolonnen von Ventilböden auf Perform-Kontakt-Böden bekannt. Bei gleichen äußeren Kolonnenabmessungen konnte die Bodenzahl um ca. 35 % gesteigert werden, was eine Reduzierung des RücklaufVerhältnisses und damit eine Energieeinsparung beinhaltet. Mit dem Ziel der Substitution von hochgespannten Dampf durch minderwertigen Dampf wurde der Einsatz von Zwischenverdampfern bei konventionellen Kolonnen als eine" Möglichkeit der energetischen Verbesserung von Destillationsprozessen empfohlen (Chem. Techn. 33 (1981) 6, 283 287). Je nach Lage des Zwischenverdampfers in bezug auf Einlauf- bzw. Sumpfboden kann der für diesen Verdampfer benötigte Dampf eine mehr oder weniger mindere Qualität entsprechend dem Temperaturniveau in diesem Kolonnenteil aufweisen.

Eine absolute Einsparung an Heizwärme kann jedoch dabei nicht nachgewiesen werden.'

Zur Einsparung von Heizdampf wird in der DE-OS 1593^52 eine solche Schaltung bei der Auftrennung von Aromatengemischen vorgeschlagen, daß die bei der destillativen Cg-Isomerentrennung gewählten Prozeßparameter die Erzeugung von Heizdampf .für die vorgeschaltete Benzenkolonne durch kondensierende Kopfproduktdämpfe gestatten.

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In der DD-PS 73762 wird eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Durchführung chemischer oder physikalischchemischer Reaktionen beschrieben, die aus einem Doppelmantel zur abschnittspeisen" Zwangsführung von Heiz- und Kühlmedium und einem entsprechend unterteilten Reaktionsraum besteht.. Zur Einstellung optimaler Reaktionsbedingungen kann über zusätzliche Strahlungsquellen eine entsprechende Temperaturverteilung realisiert werden, wobei jedoch im Vergleich zur Destillation keine Produktströme aus den Reaktionsraumzwischensektionen herausgeführt werden und keine diskrete, sektionsweise Einstellung der inneren Wärmeströme, Dampf-Flüssigkeitsbelastungen und Rücklaufverhältnisse über die prozeßeigenen rückgeführten Dampfströme erfolgen kann. Zum anderen lassen die grundlegenden Unterschiede zwischen destillation und reaktionstechnischen Prozessen bzgl. ?iärmezu- und abfuhr, Phasenführung, Prinzip der Stoffübertragung/ 'StoffWandlung und Einstellung der optimalen Prozeßbedingungen keine/Übertragung der in der PS 73762 offenbarten Vorrichtung auf Destillationsprozesse zu. Analoge Schlußfolgerungen resultieren aus der DD-PS 71097, in der ein Dünnschichtreaktor mit Gasverteil- und Rührvorrichtung beschrieben wird, Der Schwerpunkt liegt hierbei in dem Einleiten und in der Verteilung des Reaktionsgases durch Rohrflügel und verschließbare Bohrungen in der Rohrwelle, wodurch eine entsprechende Verteilung des Reaktionsregimes erfolgen soll. Analog PS 73762 ist der Reaktorraum mit Heiz- und Kühlmäntel umgeben, wobei zusätzlich eine Gaszufuhr von außen möglich ist.

Als Nachteil all dieser Lösungen zur Trennung von Kohlenwasserstoff gemischen ist aber festzustellen, daß unabhängig von einem sektionsweise unterschiedlich erforderlichen

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inneren Rücklaufverhältnis und Dampf-Flüssigkeitsbelastungsverhsltnis konstante, durchgängige und sektionsweise nicht weiter beeinflußbare Bedingungen eingestellt v/erden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, den für die destillative Trennung von Kohlenwasserstoffgemischen erforderlichen Energieaufwand durch sektionsweise Einstellung des jeweils minimal erforderlichen inneren Rücklaufund Dampf-Flüssigkeitsbelastungsverhältnisses bei wahlweiser Hutzung zusätzlicher Austauschboden weiter zu verringern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Ss bestand somit die Aufgabe, ein Verfahren zur destillativen Trennung von Kohlenwasserstoffgemischen unter Verminderung des erforderlichen Energieaufwandes bei vorzugsweise weitgehender Nutzung vorhandener Ausrüstungen einer großtechnischen Anlage und auch bei Neuauslegungen zu finden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei oder mehrere Kolonnensysteme zu einer Punktionseinheit zusammengeschaltet werden unter nutzung mehrerer Beheizungen, d. h·, daß jedes Kolonnenstück mit einer bzw, mehreren Beheizungen, z. B. mit Sumpfkochern, teilbeheizt betrieben wird. Es wurde gefunden, daß sich der Konzentrations- und Temperaturgradient über das gesamte Kolonnensystem sektionsweise ungleichmäßig verteilt.

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Auf Basis umfangreicher Vermessungen des Konzentrations- und Teinperaturprofils des gesamten Systems läßt sich, durch eine entsprechende Sektionierung des Profils erreichen, daß sich diese Profile für die jeweiligen Sektionen deutlich voneinander unterscheiden.

Daraus resultieren für die einzelnen Sektionen unterschiedlicher Ansprüche an- die Trennleistung und hydrodynamischer Wirksamkeit.

Analog verhalten sich die zugehörigen Partialheizwärmen der KolonnenSektionen. Bei Uutzung dieser Tatsache kann z. B. die Untersäule ¹OZ^-VV. die untere Sektion aufgrund des geringeren MinimalrücklaufVerhältnisses und Dampf-Flüssigkeitsbelastungsverhältnisses schwächer dimensioniert sein bzi?. werden als die obere Sektion.

Damit ist die Ausnutzung der gesamten installierten Bodenzahl mit einem an die jeweils erforderliche Trennleistung der Kolonnensektion angepaßten, d.h. effektiven inneren Rücklaufverhältnis und Dampf-Flüssigkeitsbelastungsverhältnis mit einer deutlichen Energie- und Materialeinsparung gegenüber einer vergleichbaren Kolonne in. herkömmlicher Gestaltung und Betriebsweise verbunden.

Durch die Teilbeheizung ist eine gezielte Beeinflussung der Dampf- und Flüssigkeitsbelastungen in den Teilabschnitten möglich.

Bei Zusammenschaltung von Kolonnen unterschiedlichen Durchmessers und unterschiedlichen Bodentypen können somit sektionsweise effektive Belastungs- und Stoffübertragungsverhältnisse stabilisiert werden.

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Ausführungsbeispiel

!Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Zweikolonnensystems näher erläutert. Die Zugabe des Einsatzproduktes erfolgt auf dem dieser Zusammensetzung entsprechenden Einlauf boden, v/elcher sich im unteren Teil der Obersäule, im extremen Falle bis zum Sumpfboden bzw. Sumpfkocher befindet. Im letzteren Fall erfolgt eine der Trennaufgabe angepaßte Aufteilung des Einsatzproduktes zum Sumpfkocher der Obersaule und als Flüssigkeit sbelastung zur Untersäule. Bei Vorhandensein einer nicht genutzten Destillationskolonne ist der relativ geringe erforderliche Aufwand, der mit maximal 25 % des gesamten Anlagenwertes geschätzt wird, zur- Komplettierung der beiden Systeme hervorzuheben. Die bereits angeführte verbesserte energetische nutzung der zugeführten Heizmedien als spezifischer Aufwand pro t Finalprodukt wird noch durch eine höhere Flexibilität der Kolonne hinsichtlich Mengen- und Qualitätseinstellung ergänzt.

Beispiel 1: Gewinnung eines aufkonzentrierten Kohlenwasser st offgemische s

Für eine Kolonne zur Auftrennung eines Mittelbensin-Schnittes mit nachstehender Komponentenverteilung wird ein minimal erforderliches Rücklaufverhältnis von 9jO bei einer Bodenzahl von 40 Glockenboden benötigt. Der Kolonnendurchmesser dieser zweiflutig ausgeführten Kolonne' beträgt 2,8 m, der Durchsatz 7,5 t/h bzw. 69,5 Kmol/h.

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Einsataprodukt	Kopiprodukt	Sumpfprodukt	Kompo	Krnol
			nente	Kmol
0,009477	0,012459	_	ECH
0,184879	0,236260	0,021614	EB
0,172817	0,210764	0,052239	PX
0,396827	0,459680	0,197110	MX
0,204911	0,080837	0,599161	OX
0,031089	-	0,129876	09+

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lach der erfindungsgemäßen Lösung wird diese Kolonne mit einer zweiten Kolonne/40·einflutige Glockenboden mit einem Durchmesser von 2,2 in zusammengeschaltet und profirbeheizt. Die Partialheizwarmen für die obere Sektion (1. Kolonne) und untere Sektion (2. Ko-

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lonne) werden im Verhältnis /5 : /5 aufgeteilt.

Zur Realisierung der in der Tabelle aufgeführten Qualitäten ist nur noch ein Rücklaufverhältnis von 4,5 erforderlich. Der absolute Gesamtwärmebedarf liegt dabei um 20 - 25 % niedriger als bei der herkömmlichen Technologie. Die. daraus resultierenden Kapazitätsreserven ermöglichen eine Verarbeitung von ca. 15 t/h bzw. 139 Kmol/h.

Beispiel 2; Gewinnung eines hochreinen Stoffes,

Für eine Kolonne zur Benzen-Toluen-Trennung auf Basis nachstehenden Einsatzproduktes wird ein minimal erforderliches Rücklaufverhältnis von 2,0 bei einer Bodenzahl von 59 Ventilboden benötigt. Der Kolonnendurchmesser dieser einflutigen Kolonne beträgt 2,0 m, der Durchsatz 20 t/h.

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Einsatzprodukt: Benzen 72,5 Ma.-%

Toluen 25,5 "

C₈-Aromaten 1 ,97 " Έichtaromaten 0,03 "

Benzenqualität: ^ 200 ppm lichtaromaten

< 100 ppm Toluen

Nach der erfindungsgemäßen Lösung wird diese Kolonne mit einer zweiten Kolonne/50 Glockenboden mit einem Durchmesser von 1,8 m zusammengeschaltet und profilbeheizt. Die Partialheizv/ärmen für die obere Sektion

(1. Kolonne) und untere Sektion (2. Kolonne) -werden

2 1 im Verhältnis /3 zu /3 aufgeteilt. Zur Einstellung der geforderten Qualitäten ist nur noch ein Rücklaufverhältnis von 1,4 erforderlich. Der absolute Gesamtwärmebedarf liegt dabei um 15 - 20 % niedriger als bei der konventionellen Technologie. Zugleich sinken die inneren Kolonnenbelastungen in der oberen Sektion um ca. 28 %, in der unteren Sektion um ca. 20 %, Die daraus resultierenden Kapazität so:eserνen liegen in der gleichen Größenordnung.

AIa Vorteile der vorgeschlagenen Schaltung ergeben sich damit

- Senkung bzw. Differenzierung des inneren Rücklaufverhältnisses und des Dampf-Flüssigkeitsbelastungsverhältnisses in den Kolonnensektionen

- Reduzierung des energetischen Aufwandes im Vergleich zu Kolonnen mit gleicher Bodenzahl und konstantem inneren Rücklaufverhältnis

- Reduzierung der Abmessungen der Kolonnensektionen

- Betreiben der Kolonnenabschnitte selbst bei unterschiedlichen Kolonnendurchmessern und Bodentypen im jeweils effektiven Arbeitsbereich

- Anwendung von Heizdampf geringerer Druckstufe in Reboilern der oberen Sektionen

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Die für die destillative Trennung von Kohlenwasserstoffgeinischen vorgeschlagene Schaltung von Kolonnen-Sektionen läßt sich vorteilhaft für solche Trennprozesse anwenden, die in den Profilen der Konaentrationsgradienten und Temperaturen deutliche Unterschiede in den einzelnen Sektionen aufweisen und eine hohe Trennstufenzahl bzw. hohe innere Rücklaufverhältnisse erfordern. Eine analoge Nutzung der vorgeschlagenen Lösung ist bei ahnlich gelagerten Trennungen auch für nichtkohlenwasserstoffhaltige Gemische zu erwarten.

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Claims (1)

1. ^ Γ Λ Ί Ö 1

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   Erfindungsanspruch

   Verfahren zur destilLativen Trennung von Kohlenwasserstoff gemischen zur Gewinnung aufkonzentrierter Gemische bzw. hochreiner Stoffe in einer aus zwei odsr mehreren Sektionen bestehenden Destillationseinheit, gekennzeichnet dadurch, daß die Einstellung der für die Stoffübertragung minimal erforderlichen inneren Rücklauf- und Dampf-Flüssigkeitsbelasttuagsverhältnisse mit sektionsweise, dem jeweiligen Profil der Konzentrationsgradienten und Temperaturen angepaßten Beheizungen erfolgt, wobei die Partialheiswärmen in jeweils zwei benachbarten Kolonnensektionen im Verhältnis von Ο,β bis 0,7 zu 0,4 bis 0,3, bezogen auf die Gesamtheizwärme für beide Sektionen, eingestellt und RücklaufVerhältnisse von 1,4 bis 4,5 realisiert werden.