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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Trenneinrichtung zur Destillation
von Stoffgemischen sowie ein Verfahren zur Destillation von Stoffgemischen
unter Verwendung der vorgenannten Trenneinrichtung.
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Die
Trennung von Stoffgemischen erfolgt üblicherweise durch ein Hintereinanderschalten
mehrerer Destillationskolonnen. Ein Dreistoffgemisch A, B, C (A:
Niedrigsieder, B: Mittelsieder; C: Hochsieder) kann zum Beispiel
dadurch getrennt werden, dass das niedrigsiedende Produkt (A) am
Kopf der ersten Kolonne abgetrennt wird und das verbleibende höher siedende
Zweistoffgemisch aus den Komponenten (B) und (C) in einer zweiten
Kolonne aufgetrennt wird.
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Energetisch
günstiger
wird die Destillation allerdings, wenn die einfachste Trennung zuerst
durchgeführt
wird. Diese einfachste Trennung betrifft die Komponenten mit dem
größten Siedeabstand
(A) und (C). Diese Trennung führt
jedoch dazu, dass der Mittelsieder (B) sowohl im Destillat (A, B)
als auch im Sumpfprodukt (B, C) enthalten ist. Solche Destillate und
Sumpfprodukte müssen
dann in zwei weiteren Kolonnen aufgetrennt werden.
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Eine
aus Sicht der Thermodynamik günstigere
Schaltung ist eine Kolonnenschaltung, bei der die Destillationskolonnen
thermisch miteinander gekoppelt sind. Bei einer solchen Kolonnenschaltung
wird in einer ersten Kolonne ein Kopfprodukt erhalten, welches die
niedrigsiedende Komponente (A) und zum Beispiel die mittelsiedende
Komponente (B) enthält.
Gleichzeitig wird im Sumpf die hochsiedende Komponente (C) und mittelsiedende
Komponente (B) abgetrennt. Das Kopfprodukt wird sodann in den Kopf
und/oder das Auftriebsteil einer zweiten Kolonne gegeben, während das
Sumpfprodukt der ersten Kolonne in den Abtriebs- bzw. Sumpf dieser
zweiten Kolonne eingebracht wird.
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Die
zweite Kolonne weist dann einen Seitenabzug, mit dem die mittelsiedende Komponente
(B) abgetrennt werden kann, auf. Das Kopfprodukt der zweiten Kolonne
ist die niedrigsiedende Komponente (A). Als Sumpfprodukt der zweiten
Kolonne fällt
der Hochsieder (C) an.
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Eine
weitere Trenneinrichtung zur Auftrennung von Mehrstoffgemischen
ist die so genannte Trennwandkolonne. So wird in der EP-A-0122367 eine
Destillationskolonne offenbart, bei der zwei Destillationszonen
vorhanden sind. Die beiden Destillationszonen werden durch eine
vertikale Trennwand voneinander getrennt. In dieser Kolonne wird
das aufzureinigende Stoffgemisch im Seitenstrom in die erste Destillationszone
eingebracht. Dort findet eine Destillation statt und im Kopfbereich
der Kolonne kann die niedrigsiedende Komponente abgezogen werden,
während
im Sumpf die hochsiedende Komponente aus der Trennwandkolonne entfernt
werden kann. In der durch die Trennwand gebildeten zweiten Destillationszone
wird dann die mittelsiedende Komponente abgezogen. Durch diese konstruktive
Maßnahme
wird erreicht, dass im Verstärkungsteil
des Entnahmeteils kein Hochsieder vorhanden ist und dass im Abtriebsteil
des Entnahmeteils kein Leichtsieder mehr vorhanden ist. Durch diese
konstruktive Maßnahme
ist es möglich,
im Seitenabzug eine Fraktion des Mittelsieders zu entnehmen.
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Nachteilig
bei den vorgenannten Trenneinrichtungen ist jedoch, dass die Regelung
der Trenneinrichtungen sehr komplex ist, da sehr viele Regelparameter
aufeinander abgestimmt werden müssen. Ein
Ziel einer solchen optimalen Regelung ist es, dass ein optimaler
und zuverlässiger
Betrieb der Kolonne gewährleistet
wird, wobei die geforderten Produktreinheiten der einzelnen Fraktionen
und optimale energetische Bedingungen erreicht werden.
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Die
technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Zurverfügungstellung
verbesserter Trenneinrichtungen, bei denen die Produktreinheit der
erhaltenen Produkte mit höherer
Genauigkeit sichergestellt werden kann.
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Die
technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch
eine Trenneinrichtung (1) zur Destillation von Stoffgemischen
mit einer ersten Destillationszone (2) und mindestens einer
zweiten Destillationszone (3), wobei der Kopfteil der ersten Destillationszone
(4) mit dem Kopfteil der mindestens zweiten Destillationszone
(5) verbunden ist und mindestens eine erste Rücklaufleitung
(6) des Kopfteils der mindestens zweiten Destillationszone
zu dem Kopfteil und/oder Auftriebsteil und/oder Abtriebsteil der
ersten Destillationszone angeordnet ist und die erste Rücklaufleitung
(6) mindestens eine Einrichtung zur Regelung der Durchflussmenge
(7) und mindestens eine Messeinrichtung zur Bestimmung
der Durchflussmenge (7) aufweist.
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Sowohl
die erste Destillationszone (4) als auch die mindestens
zweite Destillationszone (5) weist einen Kopfteil, Auftriebsteil,
Abtriebsteil und Sumpf auf.
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Vorzugsweise
sind sowohl in der ersten Destillationszone als auch in der mindestens
zweiten Destillationszone Mittel zur Erhöhung der Trennleistung angeordnet.
Diese Mittel können
vorzugsweise Füllkörper sein.
Es ist allerdings auch möglich,
dass Regensiebböden,
Glockenböden,
Ventilböden
oder Siebböden
in der ersten Destillationszone und/oder mindestens zweiten Destillationszone
angeordnet sind. Die oben erwähnten
Böden können infolge
großer
Abmessung mehrflutig sein, das heißt dass jeder Boden mit zwei
oder mehreren Ablaufschichten ausgerüstet sein kann, wobei die Längsunterteilung
beliebig angeordnet sein kann.
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Die
Auslegung der Trenneinrichtung bezüglich Heizleistung, Trennstufenzahl,
Anordnung von Zulauf und Seitenentnahmestellen sowie Länge der in
Längsrichtung
wirksamen Trennvorrichtungen (Unterteilung) kann, wie dem Fachmann
bekannt, rechnerisch oder experimentell erfolgen.
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Die
Verbindung des Kopfteils der ersten Destillationszone (4)
mit mindestens der zweiten Destillationszone (3) kann durch
eine Rohrleitung erfolgen. Es ist allerdings auch möglich, dass,
falls in der Trenneinrichtung eine vertikale Trennwand (8)
angeordnet ist, die Verbindung der beiden Kopfteile der ersten und
zweiten Destillationszone dadurch erfolgt, dass der Kopfbereich
einer solchen Destillationskolonne ausschließlich an dem Auftriebsteil
(9) und/oder Abtriebsteil (10) der ersten und
mindestens zweiten Destillationszone (2, 3) angeordnet
ist.
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Hierbei
wird die erste Destillationszone (2) und die mindestens
zweite Destillationszone (3) vorzugsweise durch mindestens
eine im Wesentlichen vertikale Trennwand (8) voneinander
getrennt.
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In
einer weiter bevorzugten Ausführungsform
sind die erste Destillationszone (2) und die mindestens
zweite Destillationszone (3) in einer Destillationskolonne
(8) angeordnet.
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Weiter
bevorzugt ist die mindestens eine Trennwand (8) an dem
Auftriebsteil (9) und/oder Abtriebsteil (10) der
ersten und mindestens zweiten Destillationszone (2, 3)
angeordnet. Es ist weiter bevorzugt, dass die mindestens eine Trennwand
(8) ausschließlich
an dem Auftriebsteil (9) und/oder Abtriebsteil (10)
der ersten und mindestens zweiten Destillationszone (2, 3)
angeordnet ist.
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Vorzugsweise
ist eine zweite Rücklaufleitung (11)
von dem Kopfteil der mindestens zweiten Destillationszone (3)
zu dem Auftriebsteil und/oder Abtriebsteil der zweiten Destillationszone
angeordnet und die zweite Rücklaufleitung
weist mindestens eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Durchflussmenge
(13) auf.
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Weiter
bevorzugt ist eine zweite Rücklaufleitung
(11) von dem Kopfteil der mindestens zweiten Destillationszone
(3) zu dem Auftriebsteil und/oder Abtriebsteil der zweiten
Destillationszone angeordnet und die zweite Rücklaufleitung weist mindestens
eine Einrichtung zur Regelung der Durchflussmenge (12) und
mindestens eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Durchflussmenge
(13) auf.
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Vorzugsweise
ist die Einrichtung zur Regelung der Durchflussmenge der ersten
Rücklaufleitung und
der wenigstens zweiten Rücklaufleitung
ein Rücklaufteiler
(14), wobei der Rücklaufteiler
wenigstens eine Zulaufleitung (15) angeordnet an dem Kopfteil
der ersten und/oder wenigstens zweiten Destillationszone aufweist
und der Rücklaufteiler
eine Rücklaufleitung
(16) angeordnet an dem Auftriebsteil und/oder Abtriebsteil
der ersten Destillationszone und wenigstens eine weitere Rücklaufleitung
(17) angeordnet an dem Auftriebsteil und/oder Abtriebsteil der
wenigstens zweiten Destillationszone aufweist, wobei an der Rücklaufleitung
und/oder weiteren Rücklaufleitung
eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Durchflussmenge (7, 13)
angeordnet ist.
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Die
Einrichtung zur Regelung der Durchflussmenge kann vorzugsweise ein
Ventil oder ein Schieber sein Alternativ kann die Regelung der Durchflussmenge
durch die Stellung eines Trichters in dem Rücklaufteiler erfolgen. Der
Durchfluss durch die entsprechenden Rücklaufleitungen kann diskontinuierlich
sein.
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In
einer weiter bevorzugten Ausführungsform
kann anstatt des Rücklaufteilers
ein Behälter angeordnet
sein, bei dem der Durchfluss in entsprechend angeordnete Rücklaufleitungen über entsprechende
Schieber oder Ventile geregelt werden kann.
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Es
ist weiter bevorzugt, dass die Messeinrichtung zur Bestimmung der
Durchflussmenge ein Messsystem mit Ultraschallmessaufnehmern ist.
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Für den Fall,
dass ein Rücklaufteiler
in der Trenneinrichtung angeordnet ist, ist es bevorzugt, dass der
Rücklaufteiler
wenigstens drei miteinander hydraulisch verbundene Kammern aufweist,
wobei eine Zulaufkammer mit der Zulaufleitung und eine Rücklaufkammer
mit der Rücklaufleitung
und wenigstens eine weitere Rücklaufkammer
mit der wenigstens einen weiteren Rücklaufleitung verbunden ist
und die Regelung des Durchflusses durch den Rückflussteiler durch einen verschiebbaren
Körper erfolgt,
der vorzugsweise ein Trichter ist.
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Durch
die Trenneinrichtung (1) der vorliegenden Erfindung ist
es möglich,
die Kolonne unter optimalen energetischen Bedingungen zu betreiben.
Außerdem
ist es möglich,
dass durch die Messeinrichtung zur Bestimmung der Durchflussmenge
sichergestellt werden kann, dass die Stoffströme innerhalb der Trenneinrichtung
optimal eingestellt werden. Für den
Fall, dass Ventile oder ähnliche
Regeleinrichtungen während
des Betriebes der Trenneinrichtung zerstört werden, ist es möglich, aufgrund
der Bestimmung des Durchflusses durch die erste Rücklaufleitung
(6) schnellstmöglich
einen solchen Fehler aufzufinden und zu beheben.
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Insbesondere
werden zum Beispiel unter Verwendung eines Rücklaufteilers die Stoffströme durch
einen Teilkörper
innerhalb der Rückflussteilers mittels
einer Magnetkupplung eingestellt, wobei hierdurch eine Druck- und
Vakuumdichte Ausführung
ermöglicht
wird. Der äußere Antrieb
des Drehkörpers erfolgt
durch einen Drehmotor.
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Die
Zugänglichkeit
solcher Rücklaufteiler
ist aber aufgrund seiner Lage im Apparategerüst, nämlich im oberen Bereich des
Kolonnenkopfes, begrenzt. Um Wärmeverluste
zu verringern ist der Rücklaufteiler
in der Regel gedämmt
und in einigen Fällen
auch beheizt, um ein Erstarren des Produktes zu verhindern. Seine
einwandfreie Funktion kann deshalb nur indirekt an der Funktion
der Trenneinrichtung erkannt werden. Insbesondere bei Produkten
mit hoher Schmelztemperatur bzw. bei verklebenden oder polymerisierenden
Stoffen besteht die Gefahr, dass die Funktionsweise des Rücklaufteilers eingeschränkt wird
und dieser vollständig
ausfällt. Aufgrund
der Durchflussmessung der Rücklaufströme der vorliegenden
Erfindung ist es somit möglich, die
Stoffströme
innerhalb der Trenneinrichtung zu bestimmen und anhand der Änderungen
solcher Stoffströme
auf die Funktion von Regelventilen, wie zum Beispiel Rücklaufteilern
zu schließen.
Folglich wird durch die Durchflussmessung ermöglicht, die Trenneinrichtung
unter optimalen energetischen Bedingungen sowie unter Einbeziehung
der Reinheit der erhaltenen Produkte zu steuern. Außerdem können die Rückläufe so eingestellt
werden, dass die hydraulische Belastung der Kolonne in einem für die Anzahl der
Trennstufen optimalen Bereich liegt.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zur Destillation von Stoffgemischen umfassend die Schritte:
- a) Einbringen eines Stoffgemisches in die erste Destillationszone
der oben beschriebenen Trenneinrichtung und
- b) Abziehen zumindest eines Produktes aus dem Auftriebsteil
und/oder Abtriebsteil der mindestens zweiten Destillationszone.
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Vorzugsweise
wird aus dem Kopf der zweiten Destillationszone ein zweites Produkt
abgetrennt. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform wird aus dem Sumpf
der zweiten Destillationszone ein drittes Produkt abgezogen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird die hydraulische Belastung der Trenneinrichtung (1) während der
Destillation durch den Stofffluss durch die erste Rücklaufleitung
(6) eingestellt, wobei der Stofffluss durch die erste Rücklaufleitung
(6) mit der Messeinrichtung zur Bestimmung der Durchflussmengen
bestimmt wird und der Stofffluss mittels der Einrichtung zur Regelung
der Durchflussmenge geregelt wird.
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Es
ist weiter bevorzugt, dass die hydraulische Belastung der Trenneinrichtung
(1) während
der Destillation durch den Stofffluss durch die wenigstens zweite
Rücklaufleitung
(11) eingestellt wird, wobei der Stofffluss durch die wenigstens
zweite Rücklaufleitung
(11) mit der Messeinrichtung zur Bestimmung der Durchflussmenge
bestimmt wird und der Stofffluss mittels der Einrichtung zur Regelung
der Durchflussmenge geregelt wird. In diesem Zusammenhang wird unter
hydraulischer Belastung die optimale Einstellung der Stoffflüsse innerhalb
der Trenneinrichtung zur Erzielung eines optimalen Trennergebnisses verstanden.
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Es
ist weiter bevorzugt, dass die Einrichtung zur Regelung der Durchflussmenge
der ersten Rücklaufleitung
(6) und der wenigstens zweiten Rücklaufleitung (11)
ein Rücklaufteiler
(14) ist.
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Weiter
bevorzugt weist der Rücklaufteiler wenigstens
eine Zulaufleitung (15) angeordnet an dem Kopfteil der
ersten und/oder wenigstens zweiten Destillationszone auf. An dem
Rücklaufteiler
ist vorzugsweise eine Rücklaufleitung
(6) an dem Auftriebsteil und/oder Abtriebsteil der ersten
Destillationszone angeordnet und wenigstens eine weitere Rücklaufleitung
(11) ist an dem Auftriebsteil und/oder Abtriebsteil der
wenigstens zweiten Destillationszone angeordnet, wobei an der Rücklaufleitung
und/oder weiteren Rücklaufleitung
eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Durchflussmenge (7, 13)
angeordnet ist.
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Durch
das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist es möglich, durch
eine Durchflussmessung der Rücklaufleitungen
die Trenneinrichtung in einem optimalen Bereich zu betreiben. Insbesondere
ist es möglich,
einen zuverlässigen
Betrieb der Kolonne zu gewährleisten,
bei dem die geforderten Produkteinheiten der einzelnen Fraktionen
unter optimalen energetischen Bedingungen erreicht werden.
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Die
vorliegende Erfindung wird an nachfolgenden Figuren erläutert.
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1 zeigt
eine thermisch gekoppelte Destillationskolonne.
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2 ist
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Trenneinrichtung,
welche als Trennwandkolonne ausgeführt ist.
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In 1 wird
der Eduktstrom, enthaltend die Komponenten A, B, C (A: Niedrigsieder,
B: Mittelsieder; C: Hochsieder) in die erste Kolonne aufgebracht. Nachfolgend
wird das Kopfprodukt der ersten Destillationskolonne in den Kopfteil
der zweiten Destillationskolonne überführt. Vom Kopfteil der zweiten
Destillationskolonne ist eine Rücklaufleitung
zum Kopf der ersten Destillationskolonne angeordnet, die eine Einrichtung
zur Regelung der Durchflussmenge und eine Messeinrichtung zur Bestimmung
der Durchflussmenge aufweist. Des Weiteren ist an dem Sumpf der
ersten Kolonne eine Zulaufleitung zum Sumpf der zweiten Destillationskolonne
angeordnet, wobei auch hier eine Rücklaufleitung des Sumpfbereichs
der zweiten Destillationskolonne zum Sumpfbereich der ersten Destillationskolonne
angeordnet ist.
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Aus
dem Kopfbereich der zweiten Destillationskolonne kann das niedrigsiedende
Produkt A in hoher Reinheit abgezogen werden, während aus dem Sumpfbereich
das hochsiedende Produkt C abgezogen werden kann. Aus dem Seitenabtrieb
der zweiten Kolonne kann in hoher Reinheit das mittelsiedende Produkt
B abgezogen werden.
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In 2 wird
eine Trennwandkolonne mit einem Rücklaufteiler gezeigt. Die in
der Kolonne angebrachte vertikale Trennwand teilt die Destillationskolonne
in eine erste Destillationszone im linken Bereich der Kolonne und
eine zweite Destillationskolonne im rechten Bereich. Der Eduktstrom,
enthaltend A, B, C (A: Niedrigsieder, B: Mittelsieder; C: Hochsieder) wird
in die erste Destillationszone eingebracht und destilliert. Aus
dem Kopfbereich der Trennwandkolonne, bei der die Kopfbereiche der
ersten und zweiten Destillationszone miteinander verbunden sind, wird
Produkt entnommen und über
einen Rücklaufteiler
in die erste und zweite Destillationszone zurückgeleitet. Entsprechend der
vorliegenden Erfindung wird der Volumenstrom durch die beiden Rücklaufleitungen
bestimmt und geregelt. Aus dem Sumpfbereich der Kolonne kann das
hochsiedende Produkt C in hoher Reinheit entnommen werden, während aus dem
Kopfbereich der Kolonne das niedrigsiedende Produkt A entnommen
wird. Aus dem Seitenantrieb der zweiten Destillationszone ist es
möglich,
dass Produkt B als mittelsiedende Komponente in hoher Reinheit zu
gewinnen. Aufgrund der Regelung des Rückflussteilers und der Bestimmung
der jeweiligen Rücklaufströme ist es
möglich,
die Kolonne in einem optimalen energetischen Bereich zu betreiben.
Außerdem
ist es möglich,
durch die Regelung der entsprechenden Durchflussmenge eine höhere Produktreinheit
der aufgetrennten Produkte A, B und C zu gewährleisten.
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- 1
- Trenneinrichtung
- 2
- erste
Destillationszone
- 3
- zweite
Destillationszone
- 4
- Kopfteil
der ersten Destillationszone
- 5
- Kopfteil
der zweiten Destillationszone
- 6
- erste
Rücklaufleitung
- 7
- Einrichtung
zur Regelung der Durchflussmenge
- 8
- vertikale
Trennwand
- 9
- Auftriebsteil
- 10
- Abtriebsteil
- 11
- zweite
Rücklaufleitung
- 12
- Einrichtung
zur Regelung der Durchflussmenge
- 13
- Messeinrichtung
zur Bestimmung der Durchflussmenge
- 14
- Rücklaufteiler
- 15
- Zulaufteilung