DE102015115916A1 - Verfahren und Anlage zur Behandlung von bei der Acrolein- und/oder (Meth-)Acrylsäure-Herstellung anfallenden Nebenkomponenten - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von bei der Acrolein- und/oder (Meth-)Acrylsäure-Herstellung anfallenden Nebenkomponenten, umfassend die Schritte: a) Inkontaktbringen zumindest eines Abwasserstroms (201), welcher zumindest einen Teil des abgetrennten Reaktionswassers enthält, in einer ersten Stufe einer Sättigungskolonne (101) mit zumindest einem Prozessabgasstrom (203), b) Einkoppeln von Energie mittels eines in einem ersten Sättigungskreislauf (301) vorgesehenen ersten Wärmeübertragers (103) in die erste Stufe der Sättigungskolonne (101), c) teilweises Verdunsten des Abwasserstroms (201) in den Prozessabgasstrom (203) und Überleiten des kombinierten Gasstroms (205) in eine zweite Stufe der Sättigungskolonne (101), d) Abziehen eines aufkonzentrierten Abwasserstroms (207) aus dem Sumpf (1011) der ersten Stufe der Sättigungskolonne (101) und Zuführen desselben zum Kopf (1023) der zweiten Stufe der Sättigungskolonne (101), e) Einkoppeln von Energie mittels eines in einem zweiten Kreislauf (303) vorgesehenen zweiten Wärmeübertragers (105) in die zweite Stufe der Sättigungskolonne (101), f) teilweises Verdunsten des aufkonzentrierten Abwasserstroms (207) in den kombinierten Gasstrom (205) unter Erhalt eines Abgasstroms (209), g) Überhitzen des Abgasstroms (209) nach seiner Sättigung in einem dritten Wärmeübertrager (113) unter Erhalt eines überhitzten Abgasstroms (211) und h) Überführen des Abgasstroms (209) oder des überhitzten Abgasstroms (211) von der Sättigungskolonne (101) zu einer thermischen Nachbehandlung. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf eine Anlage (1) zur Behandlung von bei der Acrolein- und/oder (Meth-)Acrylsäure-Herstellung anfallenden Nebenkomponenten.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anlage zur Behandlung von bei der Acrolein- und/oder (Meth-)Acrylsäure-Herstellung anfallenden Nebenkomponenten.
  • Acrolein, Acrylsäure und Methacrylsäure sind bedeutende Grundchemikalien. Aufgrund ihrer sehr reaktionsfähigen Doppelbindung sowie der Säurefunktion eignet sich die Acrylsäure, insbesondere als Monomeres, zur Herstellung von Polymerisaten. Von der hergestellten Menge an Acrylsäuremonomeren wird der größere Teil vor der Polymerisation verestert (z.B. zu Klebstoffen, Dispersionen oder Lacken). Nur der kleinere Teil der hergestellten Acrylsäuremonomeren wird direkt polymerisiert (z.B. zu "Superabsorbern"). Während im Allgemeinen bei der direkten Polymerisation der Acrylsäure Monomere hoher Reinheit benötigt werden, sind die Anforderungen an die Reinheit der Acrylsäure nicht so hoch, wenn diese vor der Polymerisation verestert wird.
  • Es ist allgemein bekannt, dass Acrylsäure oder Methacrylsäure durch heterogen katalysierte Gasphasenoxidation von Propen oder Isobuten mit molekularem Sauerstoff an im festen Aggregatzustand befindlichen Katalysatoren bei Temperaturen zwischen 200 °C und 400 °C zweistufig über Acrolein oder Methacrolein hergestellt werden können. Hierbei werden oxidische Mehrkomponenten-Katalysatoren z.B. auf der Basis von Oxiden der Elemente Molybdän, Chrom, Vanadium oder Tellur eingesetzt. Anschließend wird das bei der Oxidation entstehende Reaktionsprodukt in ein leichtsiedendes Lösungsmittel, vorzugsweise Wasser, oder ein hochsiedendes Lösungsmittel absorbiert und die Acrylsäure oder Methacrylsäure nachfolgend durch Destillation und/oder Extraktion abgetrennt. Nach dieser Trennung kann die (Meth-)Acrylsäure ggf. durch Kristallisation noch weiter aufgereinigt werden.
  • Daneben besteht auch die Möglichkeit, das bei der Oxidation entstehende gasförmige Reaktionsprodukt, das Wasser enthält, zu kondensieren, wobei eine wässrige Acrolein- oder (Meth-)Acrylsäure-Lösung erhalten wird, von der das Acrolein- oder die (Meth-)Acrylsäure wiederum durch Destillation und/oder Extraktion abgetrennt wird.
  • Aus DE 21 36 396 C ist beispielsweise bekannt, die Acrylsäure aus den bei der katalytischen Oxidation von Propen bzw. Acrolein erhaltenen Reaktionsgasen durch Gegenstromabsorption mit einem Gemisch aus 75 Gew.-% Diphenylether und 25 Gew.-% Diphenyl abzutrennen. Weiterhin ist aus DE 24 49 780 C3 das Abkühlen des Reaktionsgases durch Teilverdampfen des Lösungsmittels in einem Direktkondensator vor der Gegenstromabsorption bekannt. Problematisch ist hierbei sowie bei weiteren Verfahrensschritten der Anfall von Feststoffen in den Apparaten, der die Anlagenverfügbarkeit reduziert. Gemäß DE 43 08 087 A1 kann dieser Feststoffanfall dadurch reduziert werden, indem man dem relativ unpolaren Lösungsmittelgemisch aus Diphenylether und Diphenyl (sog. "Diphyl") ein polares Lösungsmittel wie Dimethylphthalat in einer Menge von 0,1 Gew.-% bis 25 Gew.-% zufügt.
  • Neben der oben beschriebenen Absorption des die Acrylsäure enthaltenden Reaktionsprodukts in ein hochsiedendes Lösungsmittel (bzw. Lösungsmittelgemisch) existieren noch andere Verfahrensprinzipien. Das oben beschriebene Verfahren unterscheidet sich von den anderen Verfahren dadurch, dass hier die Acrylsäure möglichst wasserfrei in ein hochsiedendes Lösungsmittel (bzw. Lösungsmittelgemisch) absorbiert wird. Das Wasser wird in einem separaten Verfahrensabschnitt aus dem Verfahren abgezogen. Andere Verfahren sehen eine Totalkondensation von Acrylsäure und des weiterhin bei der katalytischen Oxidation entstehenden Reaktionswassers vor. Dabei entsteht eine wässrige Acrylsäurelösung, die über Destillation mit einem Mittel, das mit Acrylsäure ein Azeotrop bildet, oder über ein Extraktionsverfahren weiter aufgearbeitet werden kann. In EP 0 551 111 A1 wird beispielsweise das mittels katalytischer Gasphasenoxidation hergestellte Gemisch von Acrylsäure und Nebenprodukten mit Wasser in einem Absorptionsturm in Berührung gebracht und die erhaltene wässrige Lösung in Anwesenheit eines Lösungsmittels, das mit polaren Leichtsiedern wie Wasser oder Essigsäure ein Azeotrop bildet, destilliert. DE 23 23 328 C beschreibt die Abtrennung von Acrylsäure aus einer wässrigen Acrylsäure-Veresterungsablauge oder einer wässrigen Acrylsäure-Lösung, wie sie bei der Acrylsäure-Herstellung durch Oxidation von Propen oder Acrolein entsteht, durch Extraktion mit einem speziellen Gemisch organischer Lösungsmittel.
  • Allen industriell genutzten Verfahren zur Herstellung von Acrolein- und/oder (Meth-)Acrylsäure ist gemeinsam, dass Tiefsieder, Mittelsieder und Hochsieder als unerwünschte Nebenkomponenten und damit als zu entsorgende Stoffströme anfallen. Diese mindestens drei Stoffströme stellen eine erhebliche Kostenbelastung für das Verfahren dar, da sie nach dem Stand der Technik unter Einsatz von Energieträgern (i.d.R. Erdgas) in einer thermischen Nachbehandlungsanlage verbrannt werden, was zu einem hohen Energiebedarf führt.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Behandlung von bei der Acrolein- und/oder (Meth-)Acrylsäure-Herstellung anfallenden Nebenkomponenten anzugeben und eine entsprechende Anlage bereitzustellen, welche den Bedarf an Energieträgern senken und damit eine ökonomisch effiziente und ökologisch optimale Lösung für die Behandlung der Nebenkomponenten darstellen.
  • In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Behandlung von bei der Acrolein- und/oder (Meth-)Acrylsäure-Herstellung anfallenden Nebenkomponenten, umfassend die Schritte:
    • a) Inkontaktbringen zumindest eines Abwasserstroms (201), welcher zumindest einen Teil des abgetrennten Reaktionswassers enthält, in einer ersten Stufe einer Sättigungskolonne (101) mit zumindest einem Prozessabgasstrom (203),
    • b) Einkoppeln von Energie mittels eines in einem ersten Sättigungskreislauf (301) vorgesehenen ersten Wärmeübertragers (103) in die erste Stufe der Sättigungskolonne (101),
    • c) teilweises Verdunsten des Abwasserstroms (201) in den Prozessabgasstrom (203) und Überleiten des kombinierten Gasstroms (205) in eine zweite Stufe der Sättigungskolonne (101),
    • d) Abziehen eines aufkonzentrierten Abwasserstroms (207) aus dem Sumpf (1011) der ersten Stufe der Sättigungskolonne (101) und Zuführen desselben zum Kopf (1023) der zweiten Stufe der Sättigungskolonne (101),
    • e) Einkoppeln von Energie mittels eines in einem zweiten Sättigungskreislauf (303) vorgesehenen zweiten Wärmeübertragers (105) in die zweite Stufe der Sättigungskolonne (101),
    • f) teilweises Verdunsten des aufkonzentrierten Abwasserstroms (207) in den kombinierten Gasstrom (205) unter Erhalt eines Abgasstroms (209),
    • g) Überhitzen des Abgasstroms (209) nach seiner Sättigung in einem dritten Wärmeübertrager (113) unter Erhalt eines überhitzten Abgasstroms (211) und
    • h) Überführen des Abgasstroms (209) oder des überhitzten Abgasstroms (211) von der Sättigungskolonne (101) zu einer thermischen Nachbehandlung.
  • In einem zweiten Aspekt der Erfindung betrifft die Erfindung eine Anlage (1) zur Behandlung von bei der Acrolein- und/oder (Meth-)Acrylsäure-Herstellung anfallenden Nebenkomponenten, umfassend
    • – eine zumindest zweistufige Sättigungskolonne (101),
    • – eine erste Zufuhr (1003) für einen Abwasserstrom (201)
    • – eine zweite Zufuhr (1005) für einen Prozessabgasstrom (203),
    • – einen ersten Sättigungskreislauf (301) mit einer ersten Pumpe (107) und einem ersten Wärmeübertrager (103),
    • – eine Leitung (1007) für einen aufkonzentrierten Abwasserstrom (207) vom Sumpf (1011) der ersten Stufe der Sättigungskolonne (101) zum Kopf (1023) der zweiten Stufe der Sättigungskolonne (101),
    • – einen zweiten Sättigungskreislauf (303) mit einer zweiten Pumpe (111) und einem zweiten Wärmeübertrager (105) und
    • – eine über dem Kopf (1023) der Sättigungskolonne (101) vorgesehene Abfuhr (1009) für einen Abgasstrom (209).
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren und mit der erfindungsgemäßen Anlage (1) können bei der Acrolein- und/oder (Meth-)Acrylsäure-Herstellung die anfallenden Nebenkomponenten, wie beispielsweise Sauerwasser, so behandelt werden, dass sie effizient entsorgt werden können. Insbesondere wird dabei der bei der Acrolein- und/oder (Meth-)Acrylsäure-Herstellung anfallende Sauerwasserstrom weitgehend in die Gasphase überführt, bevor dieser einer thermischen Nachbehandlungseinheit zugeführt wird.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachstehend im Detail beschrieben.
  • Überraschenderweise wurde gefunden, dass sich die vorstehend genannte Aufgabe in einem ersten Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren zur Behandlung von bei der Acrolein- und/oder (Meth-)Acrylsäure-Herstellung anfallenden Nebenkomponenten lösen lässt. Dieses Verfahren umfasst in einem ersten Schritt a) das Inkontaktbringen zumindest eines Abwasserstroms (201), welcher zumindest einen Teil des abgetrennten Reaktionswassers enthält, in einer ersten Stufe einer Sättigungskolonne (101) mit zumindest einem Prozessabgasstrom (203) und in einem zweiten Schritt b) das Einkoppeln von Energie mittels eines in einem ersten Sättigungskreislauf (301) vorgesehenen ersten Wärmeübertragers (103) in die erste Stufe der Sättigungskolonne (101).
  • Anschließend wird in einem Schritt c) der Sauerwasserstrom (201) teilweise in den Prozessabgasstrom (203) verdunstet und der kombinierte Gasstrom (205) in eine zweite Stufe der Sättigungskolonne (101) übergeleitet. Aus dem Sumpf (1011) der ersten Stufe der Sättigungskolonne (101) wird in einem Schritt d) ein aufkonzentrierter Abwasserstrom (207) abgezogen und derselbe zum Kopf (1023) der zweiten Stufe der Sättigungskolonne (101) zugeführt.
  • In einem Schritt e) erfolgt das Einkoppeln von Energie mittels eines in einem zweiten Sättigungskreislauf (303) vorgesehenen zweiten Wärmeübertragers (105) in die zweite Stufe der Sättigungskolonne (101), worauf in einem Schritt f) das Verdunsten des aufkonzentrierten Abwasserstroms (207) in den kombinierten Gasstrom (205) unter Erhalt eines Abgasstroms (209) ausgeführt wird.
  • In einem Schritt g) wird der Abgasstrom (209) nach dem Austritt aus dem Sättigungsbereich der Sättigungskolonne (101) in einem Wärmeübertrager (113) unter Erhalt eines überhitzten Abgasstroms (211) überhitzt. In einem abschließenden Schritt h) wird der Abgasstrom (209) oder der überhitzte Abgasstrom (211) von der Sättigungskolonne (101) zu einer thermischen Nachbehandlung überführt.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein effizientes Verfahren zur Behandlung von bei der Acrolein- und/oder (Meth-)Acrylsäure-Herstellung anfallenden Nebenkomponenten zur Verfügung, insbesondere zur Entsorgung von Sauerwasser, bei gleichzeitiger Einsparung von Energie.
  • Durch das Inkontaktbringen des Sauerwasserstroms (201) mit dem Prozessabgasstrom (203) wird durch eine Erniedrigung des Partialdrucks, d.h. durch die Verdünnung des Sauerwasserstroms (201) mit dem Anteil an Inertgasen im Prozessabgasstrom (203), das Verdunsten des Sauerwasserstroms (201) unterstützt. Zusätzlich wird in Schritt b) Energie von außen in das System eingekoppelt, genauer über einen ersten Sättigungskreislauf (301), um den gewünschten Verdampfungsgrad zu erreichen.
  • In der vorliegenden Beschreibung bezeichnen die Begriffe "Hochsieder" oder "Schwersieder", "Mittelsieder" und "Tiefsieder" oder "Leichtsieder" sowie entsprechend adjektivisch gebrauchte Begriffe Verbindungen, die einen höheren Siedepunkt als die Acrylsäure bzw. Methacrylsäure besitzen ("Hochsieder") bzw. solche, die in etwa den gleichen Siedepunkt wie Acrylsäure bzw. Methacrylsäure besitzen ("Mittelsieder") bzw. solche, die einen niedrigeren Siedepunkt besitzen ("Leichtsieder").
  • Unter "Sauerwasser" wird in der vorliegenden Beschreibung das Kondensat verstanden, das entsteht, wenn das bei der Absorption der Acrylsäure und/oder Methacrylsäure nicht absorbierte Reaktionsgas nach der Absorption abgekühlt wird, um den kondensierbaren Teil der leichtsiedenden Nebenkomponenten davon, insbesondere Wasser, Formaldehyd und Essigsäure, durch Kondensation abzutrennen. Das Sauerwasser umfasst somit die zu entsorgenden, in Wasser gelösten Nebenkomponenten, insbesondere das bei der Acrolein- und/oder (Meth-)Acrylsäure-Herstellung gebildete Wasser sowie wasserlösliche Leichtsieder- und Mittelsieder-Komponenten.
  • Der Sauerwasserstrom (201) umfasst zu entsorgende, in Wasser gelöste leicht- oder mittelsiedende Nebenkomponente, die vorzugsweise 0,1 Gew.-% bis 10 Gew.-% Essigsäure, 0,01 Gew.-% bis 5 Gew.-% Maleinsäure, 0,01 Gew.-% bis 8 Gew.-% Fumarsäure, 0,2 Gew.-% bis 4 Gew.-% Formaldehyd und/oder 0,1 Gew.-% bis 10 Gew.-%, vorzugsweise 5 Gew.-%, sonstiges organisches Material wie Ameisensäure, Propionsäure, Benzaldehyd, Diacrylsäure, Hydroxypropionsäure, Benzoesäure und/oder Diphenylether (Reste davon, wenn als Lösungsmittel eingesetzt) enthalten, jeweils bezogen auf 100 Gew.-% der Nebenkomponenten. Überwiegend enthalten diese Nebenkomponenten Essigsäure, Maleinsäure und Formaldehyd.
  • Die schwersiedenden Nebenkomponenten enthalten neben 0,1 Gew.-% bis 10 Gew.-% (Meth-)Acrylsäure überwiegend Acrylsäure- und/oder Methacrylsäure-Polymerisate, nicht verbrauchte Produktionsstabilisatoren, z.B. Phenothiazin, Hydrochinon, Hydrochinonmonomethylether oder p-Nitrosophenol, und/oder deren thermische Abbauprodukte. Der Sauerwasserstrom (201) fällt bei der Acrolein-Aufreinigung als Schwersiederstrom im Sumpf (1011) der Absorptionskolonne (101) und bei der (Meth-)Acrylsäure-Aufreinigung als Leichtsiederstrom am Kopf (1023) der Absorptionskolonne (101) an.
  • Der Prozessabgasstrom (203) umfasst gasförmige, leichtsiedende Nebenkomponenten, die neben bei der Acrolein- und/oder (Meth-)Acrylsäure-Herstellung anfallenden gasförmigen Nebenkomponenten auch tiefsiedende (bei Raumtemperatur) flüssige Komponenten aufweisen, die im Wesentlichen neben inerten Gasen wie Stickstoff auch Wasser, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid die Leichtsiederfraktion der zu entsorgenden Stoffe, vorzugsweise (Meth-)Acrolein, Acetaldehyd, Propan, Propen, i-Buten, Formaldehyd, Ameisensäure und/oder bei der Acrolein- und/oder (Meth-)Acrylsäure-Herstellung nicht umgesetzte Edukte enthalten.
  • In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Einkoppeln von Energie in Schritt b) durch Koppeln des ersten Wärmeübertragers (103) gegen einen im Prozess zur Acrolein- und/oder (Meth-)Acrylsäure-Herstellung vorhandenen Strom. Hierdurch kann niederwertige Energie in das Verfahren eingekoppelt werden und höherwertige Energie, welche i.d.R. die Verbrennung von Energieträgern erfordert, eingespart werden.
  • Insbesondere ist der im Prozess zur Acrolein- und/oder (Meth-)Acrylsäure-Herstellung vorhandene Strom ein Sauerwasser-Kreislauf (305) aus einer Absorptionskolonne (107).
  • Alternativ dazu kann der im Prozess zur Acrolein- und/oder (Meth-)Acrylsäure-Herstellung vorhandene Strom ein Kreislaufstrom aus dem Kondensationskreis einer Destillationskolonne sein.
  • Die Wärme dieses Sauerwasser-Kreislaufs (305) oder dieses Kreislaufstroms war bislang ungenutzte Abfallwärme, die über entsprechende Kühler abgeführt werden musste. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann diese Abfallwärme in die Behandlung der anfallenden Nebenkomponenten eingekoppelt werden.
  • Neben der effizienten Ausnutzung der im Prozess vorhandenen Energie kann an einer anderen Stelle im Gesamtprozess weitere Energie eingespart werden, da notwendige Kühler für den Sauerwasserkreislauf (305) entlastet werden und gegebenenfalls kleiner ausgelegt werden können.
  • Es ist bevorzugt, wenn in dem ersten Sättigungskreislauf (301) im Wesentlichen Wasser im Kreis über den ersten Wärmeübertrager (103) und die erste Stufe der Sättigungskolonne (101) geführt wird. Bei diesem Wasser handelt es sich insbesondere um Sauerwasser, das zu ca. 91 % aus Wasser besteht und ferner nennenswerte Anteile an Essigsäure und Acrylsäure sowie geringe Reste an Formaldehyd, Acrolein, Ameisensäureallylester, Ameisensäure und Diphenylether enthält. Da es sich bei dem Sauerwasser um eine stark verdünnte Lösung von organischen Säuren und leichtsiedenden Aldehyden handelt, lässt sich der Strom des Kreislaufs (301) ohne große Gefahr der Bildung von Ausfällungen und/oder Foulingprodukten aufkonzentrieren.
  • In einer Weiterbildung ist es ferner bevorzugt, wenn das Einkoppeln von Energie in Schritt e) durch Koppeln des zweiten Wärmeübertragers (105) gegen einen Heizmedium-Strom erfolgt. Dieser Heizmedium-Strom kann insbesondere niedrig gespannter Heizdampf sein. Hierdurch wird eine möglichst weitgehende Verdunstung des Sauerwasserstroms (201) erreicht.
  • Besonders vorteilhaft ist, wenn im Prozess mindestens ein weiterer Stoffstrom vorhanden ist, der von einer höheren Temperatur als der Heizstrom des ersten Sättigungskreislaufs auf ein niedrigere Temperatur abgekühlt werden muss. Hierzu kann der im Beispiel der DE 43 08 087 A1 ablaufende Strom aus der Destillationskolonne verwendet werden, der im Wesentlichen aus Diphenylether besteht und vor Aufgabe auf die Absorptionskolonne von einer Temperatur von 190 °C auf ca. 50 °C abgekühlt werden muss. Diese aus dem Strom abzuführende Energiemenge kann über den zweiten Sättigungskreislauf (303) über den Wärmetauscher (105) durch weitere Verdampfung von Sauerwasser in das System eingekoppelt werden.
  • Für die Effizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn in Schritt c) mindestens 20 % des Sauerwasserstroms (201) verdunstet werden, bevorzugt mindestens 30 %, besonders bevorzugt mindestens 40 % und insbesondere mindestens 50 %. Je höher der Verdunstungsgrad des Sauerwasserstroms (201) ist, umso mehr höherwertige Energie kann eingespart und durch niederwertige Energie ersetzt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform können über die Wärmeintegration von im Prozess vorhandener, niederwertiger Abfallwärme mindestens 50 % des Sauerwasserstroms (201) verdunstet werden. Deutlich höhere Verdunstungsgrade sind mit dieser Ausführungsform nur schwierig zu realisieren, da durch die ansteigende Siedetemperatur der Restflüssigkeit des Sauerwasserstroms (201) (zum Beispiel durch die Anreicherung von Hochsiedern) ein geringeres treibendes Temperaturgefälle gegen die Abfallwärme aus dem Sauerwasserkreislauf (305) gegeben ist. In einer konkreten Ausführungsform hat der Sauerwasserkreislauf (305) eine Temperatur von 61,2 °C. Um die vorstehend genannte höhere Eindampfgrade zu erreichen, müsste eine wesentlich größere Wärmetauscherfläche bereitgestellt werden, was nicht wirtschaftlich erscheint.
  • Erfindungsgemäß wird daher ein zweistufiges Konzept umgesetzt, in dem in der ersten Stufe zunächst mindestens 50 % des Sauerwasserstroms (201) über die beschriebene Wärmeintegration von Abfallenergie verdunstet werden. In einer zweiten Stufe wird die Restflüssigkeit des Sauerwasserstroms (201) über das Einkoppeln von herkömmlicher Wärme aus einem Heizmedium, beispielsweise Heizdampf, verdunstet.
  • Bei Verdunstungsgraden höher als 70 % über beide Verdunstungskreise besteht die Gefahr, dass die Löslichkeitsgrenze von gelösten organischen Substanzen wie Maleinsäure oder Phthalsäure erreicht wird und die ausfallenden Substanzen Beläge im Verdunstungskreis aufbauen bzw. polymerisationsfähige Substanzen wie Acrolein, Acrylsäure bzw. (Meth-)Acrylsäure sich im Sauerwasser soweit anreichern, dass sie höhere Oligomere bzw. Polymere bilden, die die Wärmetauscherflächen belegen.
  • Die vorstehend genannte Aufgabe wird ferner in einem zweiten Aspekt der Erfindung durch eine Anlage (1) zur Behandlung von bei der Acrolein- und/oder (Meth-)Acrylsäure-Herstellung anfallenden Nebenkomponenten gelöst. Diese Anlage (1) umfasst als zentralen Bestandteil eine zumindest zweistufige Sättigungskolonne (101), die mit einer ersten Zufuhr (1003) für einen Sauerwasserstrom (201) und einer zweiten Zufuhr (1005) für einen Prozessabgasstrom (203) versehen ist.
  • Die Anlage (1) umfasst ferner einen ersten Sättigungskreislauf (301) mit einer ersten Pumpe (109) und einem ersten Wärmeübertrager (103), eine Leitung (1007) für einen aufkonzentrierten Sauerwasserstrom (207) vom Sumpf (1011) der ersten Stufe der Sättigungskolonne (101) zum Kopf (1023) der zweiten Stufe der Sättigungskolonne (101), einen zweiten Sättigungskreislauf (303) mit einer zweiten Pumpe (111) und einem zweiten Wärmeübertrager (105) und eine über dem Kopf (1023) der Sättigungskolonne (101) vorgesehene Abfuhr (1009) für einen Abgasstrom (209). Dieser Abgasstrom (209) wird einer thermischen Nachbehandlungsanlage zugeführt.
  • Die erfindungsgemäße Anlage weist im Wesentlichen die gleichen Vorteile wie das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren auf. Insbesondere wird eine Anlage (1) zur effizienten Behandlung von bei der Acrolein- und/oder (Meth-)Acrylsäure-Herstellung anfallenden Nebenkomponenten bereitgestellt, insbesondere zur weitgehenden Überführung des bei der Acrolein- und/oder (Meth-)Acrylsäure-Herstellung anfallenden Sauerwasserstroms in die Gasphase.
  • Unter "Sättigungskolonne" wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Kolonne verstanden, in der im Gegenstrom ein Gasstrom mit einer Flüssigkeit nahezu ins thermodynamische Gleichgewicht gas/flüssig gebracht wird.
  • Die Sättigungskolonne (101) kann auf verschiedene Weise ausgeführt sein, beispielsweise als Gegenstromapparat mit Füllkörperschüttung, als Gegenstromapparat mit Sprühdüsen, als Gleichstromapparat mit Sprühdüsen und einem Abscheidebehälter oder als Gleichstromapparat mit Zyklonabscheider. Erfindungsgemäß ist eine Kombination aus zwei Bauweisen besonders bevorzugt, da in der ersten Stufe der Verdunstung des Sauerwasserstroms (201) weder mit Verschmutzung noch mit Zweiphasigkeit zu rechnen ist, während in der zweiten Stufe beides auftreten kann. Konkret wird für die erste Stufe eine Füllkörperschüttung (1013) vorgesehen, während für die zweite Stufe ein Gegenstromsprühturm (1017) Anwendung findet. Über der zweiten Stufe wird ein Tropfenabscheider (1021) vorgesehen, der zumindest eine Grobabtrennung vornimmt. Um den apparativen Aufwand gering zu halten, können beide Stufen in einer einzigen Sättigungskolonne (101) kombiniert werden, wobei die beiden Stufen durch einen Fangboden getrennt werden. Dieser Fangboden kann zusätzlich die Funktion der Pumpenvorlage übernehmen.
  • In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anlage (1) ist der erste Wärmeübertrager (103) des ersten Sättigungskreislaufs (301) gegen einen im Prozess zur Acrolein- und/oder (Meth-)Acrylsäure-Herstellung vorhandenen Strom, insbesondere einen Sauerwasser-Kreislauf (305) aus einer Absorptionskolonne (107), gekoppelt.
  • In einer dazu alternativen Weiterbildung kann der erste Wärmeübertrager (103) des ersten Sättigungskreislaufs (301) gegen einen im Prozess zur Acrolein- und/oder (Meth-)Acrylsäure-Herstellung vorhandenen Strom, insbesondere einen Kondensationskreislauf aus einer Destillationskolonne, gekoppelt sein.
  • Durch diese Kopplung gemäß der alternativen Ausführungsformen ist es möglich, niederwertige Energie in Form von Abfallwärme in die Anlage (1) einzukoppeln und damit höherwertige Energie einzusparen.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Anlage (1) ferner einen dritten Wärmeübertrager (113) umfasst, der über dem Kopf (1023) der Sättigungskolonne (101) in der Abfuhr (1009) angeordnet ist. Dieser dritte Wärmeübertrager (113) dient dazu, den aus der Sättigungskolonne (101) entnommenen Gasstrom (209) zu überhitzten und so eine Kondensation von kondensierbaren Gasbestandteilen im Gasstrom (209) von der Sättigungskolonne (101) zur nachfolgenden thermischen Nachbehandlungseinrichtung zu vermeiden.
  • Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anlage 1 in einer Ausführungsform der Erfindung und
  • 2 eine schematische Darstellung einer Sättigungskolonne 101 nach einer bevorzugten Ausführungsform.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anlage 1, deren zentrales Element die Sättigungskolonne 101 ist. Der Sättigungskolonne 101 wird über die erste Zufuhr 1003 ein Sauerwasserstrom 201 und über die zweite Zufuhr 1005 ein Prozessabgasstrom 203 zugeführt. Ein Teil des Sauerwasserstroms 201 wird in einem ersten Sättigungskreislauf 301 über eine erste Pumpe 109 und einen ersten Wärmeübertrager 103 geführt. Dieser Teil des Sauerwasserstroms 201 wird aus dem Sumpf 1011 der Sättigungskolonne 101 entnommen.
  • Die Sättigungskolonne 101 ist zweistufig aufgebaut, eine konkrete Ausführungsform wird nachstehend in Bezug auf 2 näher beschrieben.
  • Ein weiterer Teil des Sauerwasserstroms 201 wird aus der Pumpe 109 als aufkonzentrierter Sauerwasserstrom 207 über eine Leitung 1007 dem Kopf 1023 der Sättigungskolonne 101 zugeführt.
  • Der erste Wärmeübertrager 103 ist gegen einen Sauerwasserkreislauf 305 gekoppelt, der aus einer Absorptionskolonne 107 (hier nur schematisch angedeutet) herangeführt wird. Die Wärme dieses Sauerwasserkreislaufs 305 stellt Abfallwärme aus der Absorptionskolonne 107 dar und wird durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anlage 1 effizient in den Gesamtprozess eingekoppelt.
  • Mit der zweiten Stufe der Sättigungskolonne 101 steht ein zweiter Sättigungskreislauf 303 in Verbindung, der über die zweite Pumpe 111 und den zweiten Wärmeübertrager 105 geführt wird. Der zweite Wärmeübertrager 105 ist gegen einen Heizmedium-Strom gekoppelt, um Wärmeenergie in den zweiten Sättigungskreislauf 303 einzuführen.
  • In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist nach der Abfuhr 1009 in dem Abgasstrom 209 ein dritter Wärmeübertrager 113 vorgesehen, um den Abgasstrom 209 zu überhitzen, so dass ein überhitzter Abgasstrom 211 einer in der 1 nicht dargestellten thermischen Nachbehandlungsanlage (ggf. mit Wärmerückführung, sog. "Heat Recovery Unit") zugeführt werden kann. Der dritte Wärmeübertrager 113 wird mit Dampf beheizt.
  • Aufgrund von im Sauerwasserstrom 201 gelösten Lösungsmittelbestandteilen aus der Aufarbeitung, wie z.B. Toluol, Diphenyl, Diphenlyether, Dimethylphthalat, kann die Restflüssigkeit beim Verdunsten das Zweiphasengebiet durchlaufen. Je nach Verdunstungsgrad kann die in den beiden Sättigungskreisen 301, 303 geförderte Mischung aus Wasser und organischem Lösungsmittel auch dauerhaft zweiphasig sein.
  • Weder im ersten Wärmeübertrager 103 noch im zweiten Wärmeübertrager 105 ist im erfindungsgemäßen Verfahren das Entstehen einer Gasphase vorgesehen. In den beiden Wärmeübertragern 103, 105 wird die umlaufende flüssige Phase lediglich erwärmt, ohne zum Sieden gebracht zu werden, da der den Partialdruck erniedrigende Effekt durch die Verdünnung mit einem Inertgas wegfällt. Somit wird ausreichend Vorkehrung gegen das Entstehen einer Gasphase getroffen.
  • Für die zweite Stufe der Sättigungskolonne 101 arbeitet der zweite Wärmeübertrager 105 bevorzugt als Zwangsumlaufentspannungsverdampfer, um die Bildung einer Gasphase im Wärmeübertragungsapparat und dadurch Foulingbeläge zu vermeiden.
  • 2 stellt eine schematische Ansicht der Sättigungskolonne 101 nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dar. In einer ersten (unteren) Stufe ist eine Füllkörperschüttung 1013 vorgesehen, auf welche von oben über eine Zuführung mit Flüssigkeitsverteiler Sauerwasser aus dem ersten Sättigungskreislauf 301 aufgegeben wird. Ferner wird der Füllkörperschüttung 1013 der Sauerwasserstrom 201 aufgegeben. Im Gegenstrom dazu wird aus einer hier nicht dargestellten Herstellungsvorrichtung der Prozessabgasstrom 203 von der Zufuhr 1005 durch die Füllkörperschüttung 1013 geleitet.
  • Über die Pumpe 109 wird ein Teil des Sauerwassers als angereicherter Sauerwasserstrom 207 dem Fangboden der zweiten Stufe in Form eines Gegenstromsprühturms 1017 aufgegeben. Am Kopf 1023 der zweiten Stufe der Sättigungskolonne 101 wird eine flüssige Phase aus im Wesentlichen Diphenylether über die Zufuhr 1019 aufgegeben. Am unteren Ende der Sättigungskolonne 101 wird aus dem Sumpf 1011 aufkonzentriertes Sauerwasser entnommen.
  • Im Kopf 1023 der Sättigungskolonne 101 ist in dieser Ausführungsform über der zweiten Stufe ein Tropfenabscheider 1021 vorgesehen, der mittels einer Spülung ggf. von entstehenden Verschmutzungen gereinigt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Durchmesser der Sättigungskolonne 101 ca. 4 m, die Kolonnenhöhe beträgt ca. 23,5 m.
  • Die nachstehend aufgeführte Tabelle 1 gibt detaillierte Werte für ein konkretes Ausführungsbeispiel wider. Darin sind die einzelnen Stoffströme mit ihren jeweiligen Bestandteilen und den Gehalten ausführlich dargestellt.
    Figure DE102015115916A1_0002
  • Die Wärmebilanz dieses konkreten Ausführungsbeispiels zeigt, dass dem ersten Wärmeübertrager 103 eine Leistung von 3157,5 kW zugeführt wird, die vollständig aus der Abfallwärme der Absorptionskolonne 107 stammt. Dem zweiten Wärmeübertrager 105 wird eine Leistung ähnlicher Größenordnung von 3460,9 kW zugeführt, die insbesondere aus einer Heizdampfleitung stammt. Dem dritten Wärmeübertrager 113 wird eine vergleichsweise geringe Leistung von 172,5 kW zugeführt, die durch heißes Kondensat zur Verfügung gestellt wird.
  • Dieses konkrete Ausführungsbeispiel zeigt, dass ca. 50 % der benötigten Leistung aus der Abfallwärme der Absorptionskolonne 107 aufgebracht werden können und nicht aus dem Heizdampf entnommen werden müssen.
  • In einem Vergleichsversuch wurde die erfindungsgemäße Anlage 1 in der Weise abgewandelt, dass der erste Sättigungskreislauf 301 nicht vorhanden war und die gesamte Heizleistung über den zweiten Wärmeübertrager 105 aus Heizdampf eingebracht werden musste. Hierzu wurden an dem zweiten Wärmeübertrager 6640,8 kW Leistung bereitgestellt, während am dritten Wärmeübertrager 113 die gleiche Leistung von 172,6 kW zur Verfügung stand.
  • Im Vergleich zeigt sich, dass durch die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Heizleistung von 3179,9 kW gegenüber einer Anlage ohne ersten Kreislauf eingespart werden konnte.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (10)

  1. Verfahren zur Behandlung von bei der Acrolein- und/oder (Meth-)Acrylsäure-Herstellung anfallenden Nebenkomponenten, umfassend die Schritte: a) Inkontaktbringen zumindest eines Abwasserstroms (201), welcher zumindest einen Teil des abgetrennten Reaktionswassers enthält, in einer ersten Stufe einer Sättigungskolonne (101) mit zumindest einem Prozessabgasstrom (203), b) Einkoppeln von Energie mittels eines in einem ersten Sättigungskreislauf (301) vorgesehenen ersten Wärmeübertragers (103) in die erste Stufe der Sättigungskolonne (101), c) teilweises Verdunsten des Abwasserstroms (201) in den Prozessabgasstrom (203) und Überleiten des kombinierten Gasstroms (205) in eine zweite Stufe der Sättigungskolonne (101), d) Abziehen eines aufkonzentrierten Abwasserstroms (207) aus dem Sumpf (1011) der ersten Stufe der Sättigungskolonne (101) und Zuführen desselben zum Kopf (1023) der zweiten Stufe der Sättigungskolonne (101), e) Einkoppeln von Energie mittels eines in einem zweiten Kreislauf (303) vorgesehenen zweiten Wärmeübertragers (105) in die zweite Stufe der Sättigungskolonne (101), f) teilweises Verdunsten des aufkonzentrierten Abwasserstroms (207) in den kombinierten Gasstrom (205) unter Erhalt eines Abgasstroms (209), g) Überhitzen des Abgasstroms (209) nach seiner Sättigung in einem dritten Wärmeübertrager (113) unter Erhalt eines überhitzten Abgasstroms (211) und h) Überführen des Abgasstroms (209) oder des überhitzten Abgasstroms (211) von der Sättigungskolonne (101) zu einer thermischen Nachbehandlung.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einkoppeln von Energie in Schritt b) durch Koppeln des ersten Wärmeübertragers (103) gegen einen im Prozess zur Acrolein- und/oder (Meth-)Acrylsäure-Herstellung vorhandenen Strom erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der im Prozess zur Acrolein- und/oder (Meth-)Acrylsäure-Herstellung vorhandene Strom ein Sauerwasser-Kreislauf (305) aus einer Absorptionskolonne (107) ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der im Prozess zur Acrolein- und/oder (Meth-)Acrylsäure-Herstellung vorhandene Strom ein Kreislaufstrom aus dem Kondensationskreis einer Destillationskolonne ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Einkoppeln von Energie in Schritt e) durch Koppeln des zweiten Wärmeübertragers (105) gegen einen Heizmedium-Strom erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in Schritt c) mindestens 20 % des Abwasserstroms (201) verdunstet werden, bevorzugt mindestens 30 %, besonders bevorzugt mindestens 40 % und insbesondere mindestens 50 %.
  7. Anlage (1) zur Behandlung von bei der Acrolein- und/oder (Meth-)Acrylsäure-Herstellung anfallenden Nebenkomponenten, umfassend – eine zumindest zweistufige Sättigungskolonne (101), – eine erste Zufuhr (1003) für einen Abwasserstrom (201) – eine zweite Zufuhr (1005) für einen Prozessabgasstrom (203), – einen ersten Sättigungskreislauf (301) mit einer ersten Pumpe (107) und einem ersten Wärmeübertrager (103), – eine Leitung (1007) für einen aufkonzentrierten Abwasserstrom (207) vom Sumpf (1011) der ersten Stufe der Sättigungskolonne (101) zum Kopf (1023) der zweiten Stufe der Sättigungskolonne (101), – einen zweiten Sättigungskreislauf (303) mit einer zweiten Pumpe (111) und einem zweiten Wärmeübertrager (105) und – eine über dem Kopf (1023) der Sättigungskolonne (101) vorgesehene Abfuhr (1009) für einen Abgasstrom (209).
  8. Anlage (1) nach Anspruch 7, wobei der erste Wärmeübertrager (103) des ersten Sättigungskreislaufs (301) gegen einen im Prozess zur Acrolein- und/oder (Meth-)Acrylsäure-Herstellung vorhandenen Strom, insbesondere einen Sauerwasser-Kreislauf (305) aus einer Absorptionskolonne (107), gekoppelt ist.
  9. Anlage (1) nach Anspruch 7, wobei der erste Wärmeübertrager (103) des ersten Sättigungskreislaufs (301) gegen einen im Prozess zur Acrolein- und/oder (Meth-)Acrylsäure-Herstellung vorhandenen Strom, insbesondere einen Kondensationskreislauf aus einer Destillationskolonne, gekoppelt ist.
  10. Anlage (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, ferner umfassend einen dritten Wärmeübertrager (113), der über dem Kopf (1023) der Sättigungskolonne (101) in der Abfuhr (1009) angeordnet ist.
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