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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung von Stoffströmen in einer
Rektifikationskolonne, die durch zumindest einen Kolonnenboden in einzelne
Kolonnenbereiche unterteilt ist, wobei in dem zumindest einen Kolonnenboden
mehrere Durchtrittsöffnungen
und zumindest eine Rücklauföffnung vorgesehen
sind. Rektifikationskolonnen werden auch als Kolonnen, Trennsäulen oder
Austauschsäulen
bezeichnet. Die Kolonnenböden
bzw. die Austauschböden
sind waagrechte, plattenförmige Einbauten,
die in bestimmten Abständen
in die rohrförmige
Kolonne eingebaut sind.
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Rektifikationskolonnen
dienen dazu, homogene Flüssigkeitsgemische,
die aus mehreren ineinander vollständig löslichen Einzelflüssigkeiten
bestehen, mittels thermischer Trennverfahren in die Einzelflüssigkeiten
aufzutrennen. Bei dem homogenen Flüssigkeitsgemisch handelt es
sich beispielsweise um Erdöl
bzw. um eine Erdölfraktion,
um Steinkohlenteer oder um eine Maische, wie sie bei der alkoholischen
Gärung
entsteht. Thermische Trennverfahren spielen in der chemischen Industrie
eine große
Rolle und werden dort mit den Fachbegriffen "Destillieren" und "Rektifizieren" belegt.
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Destillieren
ist die einfachste Form eines chemischen Trennverfahrens. Beim Destillieren
wird das Flüssigkeitsgemisch
zum Sieden gebracht; der dabei entstehende Dampf wird abgeleitet
und kondensiert. Die kondensierte Flüssigkeit wird als Destillat
bezeichnet. Dieses Destillat enthält mehr Leichtersiedendes als
das ursprüngliche
homogene Flüssigkeitsgemisch.
Folglich enthält
das verbleibende Flüssigkeitsgemisch,
der sog. Rückstand,
mehr Schwerersiedendes als zu Beginn des Destillierprozesses. Das
Destillieren führt
daher üblicherweise
zu keiner vollständigen
Auftrennung in die jeweiligen Einzelflüssigkeiten, es sei denn, die
Siedetemperaturen der Einzelflüssigkeiten
liegen weit genug, also mehr als 100 Grad, auseinander.
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Um
eine weitergehende Trennung der Einzelflüssigkeiten auch bei näher zusammen
liegenden Siedetemperaturen zu erreichen, ist es beim Destillationsverfahren
erforderlich, dass das sich jeweils bildende Destillat wiederum
destilliert wird. Eine solche mehrstufige Destillation wäre apparativ
natürlich
sehr aufwendig und energieintensiv. Industriell wird daher in diesen
Fällen
ein chemisches Trennverfahren angewendet, das unter dem Fachbegriff "Rektifikation" bekannt ist. Die
Rektifikation wird auch als Gegenstromdestillation bezeichnet. Beim
Rektifizieren erfolgt die Anreichung bzw. Trennung des Flüssigkeitsgemischs
durch Stoff- und Wärmeaustausch
zwischen im Gegenstrom strömendem
Gemischdampf und siedender Gemischflüssigkeit in der Kolonne: Schwerersiedendes
kondensiert aus dem aufwärts strömenden Gemischdampf
und reichert die herabfließende
Flüssigkeit
mit Schwerersiedendem an. Die dabei freiwerdende Kondensationswärme wiederum verdampft
Leichtersiedendes aus der Flüssigkeit
und reichert den aufwärts
strömenden
Dampf mit dem Leichtersiedenden an. Die Folge des Prozesses ist, dass
die in Richtung Kolonnenboden zurückfließende Flüssigkeit vor allem Schwerersiedendes
enthält, während der
in den Kolonnenkopf aufwärts
strömende
Dampf vor allem aus Leichtersiedendem besteht. Durch das Rektifizieren
lassen sich beliebige Flüssigkeitsgemische
nahezu vollständig
in die Einzelflüssigkeiten
getrennt werden.
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Insbesondere
befindet sich auf jedem Kolonnenboden eine Flüssigkeitsschicht, die durch
die Durchtrittsöffnung
im Kolonnenboden von der verdampften Flüssigkeit durchströmt wird.
Auf dem Kolonnenboden bildet sich dadurch eine intensiv bewegte
Sprudelschicht aus Flüssigkeit
und Dampfblasen. Hier findet der Stoff- und Wärmeaustausch statt. Ursache
des Stoffaustauschs zwischen der Gemischflüssigkeit und dem Gemischdampf
ist das stärkere
Bestreben des Leichtersiedenden in die Dampfphase überzugehen
und das Bestreben des Schwerersiedenden, in den Flüssigkeitszustand
zu kondensieren. Die Flüssigkeit
bzw. das Kondensat fließt
auf einer Seite des Austausch- bzw. Kolonnenbodens, strömt dann
quer über
den Kolonnenboden und fließt über ein
Wehr durch ein Rücklaufrohr
auf den nächst tiefer
gelegenen Kolonnenboden zurück.
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Mehrere
unterschiedliche Rektifikationsanlagen und Rektifikationsverfahren
sind in der 7. Auflage des Buchs "Chemietechnik", das im Verlag: Europa-Lehrmittel-Nourney,
Vollmer GmbH & Co.
erschienen ist, ausführlich
beschrieben.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung vorzuschlagen,
die eine Erfassung und/oder Überwachung
der Strömungsverhältnisse von
flüssigen
und/oder dampfförmigen
Phasen in einer Rektifikationskolonne ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass im Bereich einer Durchtrittsöffnung und/oder im Bereich des
zumindest einen Rücklaufrohrs
jeweils eine Einheit zur Messung und/oder Überwachung des Durchflusses
eines Stoffstromes angeordnet ist, die Messwerte über den
Volumen- und/oder Massestrom des Stoffes im Bereich der Durchtrittsöffnung bzw.
des Rücklaufrohrs
bereitstellt, und dass eine Regel-/Auswerteeinheit vorgesehen ist,
die anhand der Messwerte orts- und/oder zeitaufgelöste Information über die
Strömungsverhältnisse
in der Rektifikationskolonne liefert. Insbesondere wird vorgeschlagen,
dass der Durchfluss über
eine Differenzdruckmessung bestimmt wird. Alternativ ist vorgesehen,
dass die Einheit zur Messung und/oder Überwachung des Durchflusses
des Stoffstroms auf dem Vortex-Prinzip
basiert. Diese Verfahren sind in der Prozessautomatisierung bestens
bekannt. Differenzdruck-Messgeräte und
Vortex-Durchflussmessgeräte
werden von der Endress+Hauser-Gruppe hergestellt und vertrieben. Weiterhin
ist es möglich,
alternativ oder in Kombination mit z.B. einem auf einer Differenzdruckmessung beruhenden
Durchflussmessgerät
ein thermisches Durchflussmessgerät oder einen Fluidistor-Oszillator einzusetzen.
Thermische Durchflussmessgeräte werden
von der Anmelderin unter der Bezeichnung "t-mass" angeboten und vertrieben.
Fluidistor-Oszillatoren werden beispielsweise von der Firma Kobold Meßring GmbH,
Hofheim angeboten und vertrieben.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist im Bereich
der Durchtrittsöffnung
und/oder des Rücklaufrohrs
eine Blende vorgesehen. Eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
schlägt
im Bereich der Durchtrittsöffnung
und/oder der Rücklauföffnung einen
Staukörper
oder ein Venturirohr vor.
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Bevorzugt
handelt es sich bei dem Kolonnenboden bzw. bei dem Austauschboden
um einen Glockenboden, einen Siebboden, einen Ventilboden, einen Gitterboden
oder einen Koch-Kaskadenboden. Kolonnenböden sind – wie bereits an vorhergehender
Stelle erwähnt – üblicherweise
waagrechte, plattenförmige
Einbauten, die in bestimmten Abständen in die rohrförmige Kolonne
eingebaut sind. Auf jedem Kolonnenboden befindet sich eine kondensierte
Flüssigkeitsschicht,
die durch die Durchtrittsöffnungen
im Kolonnenboden von Dampf durchströmt wird. Es gibt eine Reihe
von Kolonnenböden,
die sich vor allem in der Konstanz ihrer Trennwirkung bei unterschiedlichen
Durchsatzmengen sowie im Strömungswiderstand
und im Preis unterscheiden. Prinzipiell ist die erfindungsgemäße Lösung im
Zusammenhang mit unterschiedlichen Destillations- und Rektifikationsanlagen,
ebenso wie mit den unterschiedlichsten Kolonnenböden einsetzbar.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es
zeigt:
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Rektifikationskolonne und die
Vorgänge
in einer Rektifikationskolonne,
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2: verschiedene Arten von Kolonnenböden
- a) einen Glockenboden
- b) einen Siebboden
- c) einen S-Boden
- d) einen Koch-Kaskadenboden,
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3:
einen Längsschnitt
durch einen Glockenboden, bei dem im Bereich eines Rücklaufrohres
eine Durchflussmessung durchgeführt
wird,
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3a:
einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung
A-A in 3,
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4:
einen Längsschnitt
durch einen Glockenboden, bei dem im Bereich einer Glocke eine Durchflussmessung
durchgeführt
wird, und
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4a:
einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung
A-A in 4.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Rektifikationskolonne 1 mit
mehreren Kolonnenböden 2,
hier Glockenböden,
die über
die Höhe der
Rektifikationskolonne 1 verteilt angeordnet sind. Im Bodenbereich 3 der
Rektifikationskolonne 1 wird das Flüssigkeitsgemisch 4 zum
Sieden gebracht. Der aufsteigende Dampf 5 strömt durch
die beispielhaft dargestellte Durchtrittsöffnung 6 – hier die
Glocke 8a mit Glockenhals 7a – und wird in die auf dem ersten Kolonnenboden 2a stehende
Flüssigkeit 4a geleitet, wodurch
er kondensiert. Die beim Kondensieren freiwerdende Kondensationswärme verdampft
aus der Flüssigkeit 4a auf
dem ersten Boden 2a. Der Dampf 5a strömt durch
die Glocke 7b des zweiten Kolonnenbodens 2b in
die dort stehende Flüssigkeit 4b und kondensiert
darin. Dieser Vorgang wiederholt sich auf jedem der Glockenböden 2a, 2b, 2c,
wobei sich der aufsteigende Dampf 5, 5a, 5b, 5c mit
Leichersiedendem anreicht, während
die von den einzelnen Kolonnenböden 2a, 2b, 2c zurückfließenden Flüssigkeiten 4a, 4b, 4c mit
Schwerersiedendem anreichern. Der im Kopfbereich 9 der
Rektifikationskolonne 1 abströmende Dampf 5d besteht überwiegend
aus Leichtersiedendem. Über Überlaufrohre 10a, 10b, 10c läuft die überschüssige Flüssigkeit 4a, 4b, 4c jeweils
auf den darunter liegenden Kolonnenboden 2a, 2b bzw.
in den Bodenbereich 3 zurück.
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In
der 2 sind unterschiedliche Typen
von Kolonnenböden 2 darstellt:
ein Glockenboden (2a), ein Siebboden (2b),
ein S-Boden (2c) und ein Koch-Kaskadenboden
(2d).
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3 zeigt
einen Längsschnitt
durch einen Glockenboden 17, wobei im Bereich eines Rücklaufrohres 10 eine
Durchflussmessung durchgeführt wird. 3a zeigt
einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung
A-A in 3. Die Durchflussmessung erfolgt entweder über die
Bestimmung des Differenzdrucks oder – im Falle der Anwendung des Vortex-Prinzips – über die
Ablösefrequenz
von Wirbeln nach Passieren eines Hindernisses. Im Falle der Differenzdruckmessung
wird der Druckabfall durch den Staukörper 16, der in dem
Rücklaufrohr 10 plaziert
ist, erzeugt. Alternativ kann auch eine Blende 15 oder
ein Venturirohr 22 in dem Rücklaufrohr 10 angeordnet
sein. Möglich
ist es weiterhin, ein thermisches Durchflussmessgerät 21 oder
einen Fluidistor-Oszillator 23 zur
Durchflussmessung in der Durchtrittsöffnung 6, 6a, 6b, 6c oder
in dem Rücklaufrohr 10, 10a, 10b, 10c einzusetzen.
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Zwecks
Bestimmung des Durchflusses nach dem Vortex-Prinzip ist in dem Rücklaufrohr 10 der Staukörper 16 angeordnet,
welcher eine sog. Karman'sche
Wirbelstraße
in der Flüssigkeitsströmung erzeugt.
Es ist auch möglich,
den Durchfluss redundant und überprüfbar mittels
der beiden zuvor beschriebenen Verfahren zu bestimmen.
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Die
Messwerte des in 3 dargestellten Differenzdruck-Messgeräts 14 werden
ebenso wie die Messwerte von weiteren in der 3 nicht
gesondert dargestellten Messgeräten 13, 14 an
die Regel-/Auswerteeinheit 11 weitergeleitet. Die Regel-/Auswerteeinheit 11 liefert
anhand der Messwerte eine orts- und/oder zeitaufgelöste Information über die
Strömungsverhältnisse
der unterschiedlichen Ströme
von Flüssigkeiten 4, 4a, 4b, 4c und
Dämpfen 5, 5a, 5b, 5c in
der Rektifikationskolonne 1. Mittels dieser Information
lassen sich die in der Rektifikationskolonne 1 ablaufenden
Trennprozesse optimal überwachen
bzw. steuern.
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4 zeigt
ebenfalls einen Längsschnitt durch
einen Glockenboden 17, der in einer Rektifikationskolonne 1 angeordnet
ist, wobei die Durchflussmessung hier im Bereich des Glockenhalses 7 der Glocke 8 durchgeführt wird. 4a zeigt
einen Querschnitt gemäß der Kennzeichnung
A-A in 4. In die Durchtrittsöffnung 6 des Glockenbodens 17 ist eine
Vorrichtung 14 integriert, die anhand des Differenzdrucks
den Volumen- und/oder Massestroms des in Richtung Kolonnenkopf 9 strömenden Dampfes 5, 5a, 5b, 5c im
Bereich der Glocke 8 ermittelt. Aufgrund der Druckänderung
bei Durchströmen
der Glocke 8 genügt
es für
die Druckmessung, den Druckabfall bzw. die Druckdifferenz Δp im Bereich der
Glocke 8 und außerhalb
der Glocke 8 zu messen. Handelt es sich um eine andere
Art von Durchtrittsöffnung 6,
so kann ein zusätzlich
Staukörper 16 oder
alternativ eine Blende 15 zum Einsatz kommen. Dargestellt
ist in 4 weiterhin eine Ausgestaltung, die es ermöglicht,
das Vortex-Verfahren zur Bestimmung des Durchflusses in der Durchtrittsöffnung 6 zu
verwenden. Der Staukörper 16 erzeugt
in dem vorbeiströmenden
Dampf 5, 5a, 5b, 5c eine Karman'sche Wirbelstraße; die
Ablösefrequenz
der erzeugten Wirbel ist ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit
vD des Mediums 4, 5.
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In
den Figuren 3 und 4 sind darüber hinaus
die Meßpositionen
und Messgrößen eingezeichnet,
die die Regel-/Auswerteeinheit 11 benötigt, um den Volumen- bzw.
den Massedurchfluss durch die Glocke 8 bzw. durch das Rücklaufrohr 10 orts- und/oder
zeitabhängig
zu ermitteln.
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Im
Falle der Differenzdruckmessung werden in den gezeigten Fällen die
Drücke
p01, p02 an zwei verschiedenen
Stellen im Bereich des Rücklaufrohrs 10 (3)
bzw. im Bereich der Glocke 8 (4) ermittelt.
Die Wurzel aus der gemessenen Druckdifferenz Δ p ≅ p01 – p02 ist näherungsweise
proportional zur Strömungsgeschwindigkeit
vD der strömenden Flüssigkeit (3)
bzw. des strömenden
Dampfes (4). Bei bekanntem Querschnitt
und -falls gewünscht – bei bekannter
Dichte des strömenden
Mediums 4, 5 lässt
sich anhand des Differenzdrucks Δ p der
Volumendurchfluss bzw. der Massedurchfluss bestimmen.
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Bei
der Vortexmessung ist die Ablösefrequenz
bzw. die Frequenz fres des Drucksignals
p1 oder alternativ der Druckdifferenz p11 – p12 ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit vD des Mediums 4, 5 im Bereich
der Glocke 8 bzw. im Bereich des Rücklaufrohres 10.
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Bei
Verwendung des thermischen Meßprinzips
wird beispielsweise die Temperaturdifferenz ΔT = T2 – T1 konstant gehalten. In diesem Fall ist der Heizstrom
I, mit dem einer der beiden Temperatursensoren beheizt wird, ein
Maß für die Strömungsgeschwindigkeit
vD des Mediums 4, 5 im
Bereich der Glocke 8 bzw. im Bereich des Rücklaufrohres 10. Selbstverständlich ist
es auch möglich,
zur Bestimmung der orts- und/oder zeitabhängigen Messung der Strömungsverhältnisse
in der Rektifikationskolonne 1 zwei Messverfahren bzw.
zwei Typen von Messgeräten
in einer Durchtrittsöffnung 6, 6a, 6b, 6c für eine redundante
Messung oder in mehreren Durchtrittsöffnungen 6, 6a, 6b, 6c oder
in einem oder mehreren Rücklaufrohren 10, 10a, 10b, 10c miteinander
zu kombinieren.
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- 1
- Rektifikationskolonne
- 2
- Kolonnenboden
- 2a
- erster
Kolonnenboden
- 2b
- zweiter
Kolonnenboden
- 2c
- dritter
Kolonnenboden
- 3
- Bodenbereich
- 4
- Flüssigkeitsgemisch
- 4a
- Flüssigkeit
auf dem ersten Kolonnenboden 2a
- 4b
- Flüssigkeit
auf den zweiten Kolonnenboden 2b
- 4c
- Flüssigkeit
auf dem dritten Kolonnenboden 2c
- 5
- Dampf
- 5a
- Dampf
- 5b
- Dampf
- 5c
- Dampf
- 5d
- Dampf
- 6
- Durchtrittsöffnung
- 6a
- Durchtrittsöffnung
- 6b
- Durchtrittsöffnung
- 6c
- Durchtrittsöffnung
- 7
- Glockenhals
- 7a
- Glockenhals
- 7b
- Glockenhals
- 7c
- Glockenhals
- 8
- Glocke
- 8a
- Glocke
- 8b
- Glocke
- 8c
- Glocke
- 9
- Kopfbereich
- 10
- Rücklaufrohr
- 10a
- Rücklaufrohr
- 10b
- Rücklaufrohr
- 10c
- Rücklaufrohr
- 11
- Regel-/Auswerteeinheit
- 12
- Einheit
zur Messung und/oder Überwachung des
Durchflusses
- 13
- Differenzdruck-Messgerät
- 14
- Vortex-Durchflussmessgerät
- 15
- Blende
- 16
- Staukörper
- 17
- Glockenboden
- 18
- Siebboden
- 19
- S-Boden
- 20
- Koch-Kaskadenboden
- 21
- Thermisches
Durchflussmessgerät
- 22
- Venturirohr
- 23
- Fluidistor-Oszillator
bzw. Oszillations-Durchflussmessgerät