DE1114168B

DE1114168B - Destillationsvorrichtung mit Waermepumpe

Info

Publication number: DE1114168B
Application number: DEF31828A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Adolf Scholderer
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1960-08-03
Filing date: 1960-08-03
Publication date: 1961-09-28

Description

Destillationsvorrichtung mit Wärmepumpe Es ist bekannt, daß Wärmepumpen mit Vorteil bei Verdampfern zur Eindickung von Lösungen eingesetzt werden können, wobei der Brüden nach Verdichtung zur Beheizung des Apparates wieder nutzbar gemacht wird.
Die Wirtschaftlichkeit dieses Verfahrens hängt einmal von der Temperaturdifferenz des Produktdampfes und dem Siedepunkt der einzudickenden Lösung und zum anderen von der zum Wärmeaustausch zwischen beiden notwendigen Temperaturdifferenz ab.
Zur Beurteilung der Wirtschaftlichkeit ist eine Konvention über die Preis relation zwischen elektrischem Strom zum Betrieb der Wärmepumpe und dem sonst zur Beheizung zu verwendenden Dampf notwendig. Die Beweisführung für die Wirtschaftlichkeit soll hier aber nicht auf der Zufälligkeit eines billigen Stromes (z. B. Wasserkraft) beruhen, sondern auf der Preisrelation, wie sie sich in einem modernen Kraftwerk ergibt, das im Gegendruckbetrieb Strom erzeugt und den Abdampf zu Heizzwecken zur Verfügung stellt. Ermittlungen nach dem sogenannten thermodynamischen Prinzip des Preisverhältnisses zwischen Strom und Dampf haben ergeben, daß 1 t 6-ata-Dampf 150 kWh äquivalent ist. Das bedeutet, daß im obengeannten Beispiel des Eindampfers die Wärmepumpe unwirtschaftlich wird, wenn das Verdichtungsverhältnis so hoch wird, daß die Stromaufnahme der Antriebsmaschine wertmäßig dem andernfalls zu verwendenden Heizdampf gleichkommt. Das ist für Wasserdampf bei etwa vierfacher Verdichtung und einem Wirkungsgrad des Aggregates von 50°/o der Fall.
Es ist naheliegend, die Rektifikation von Zweistoffgemischen ebenfalls mit einer Wärmepumpe zu betreiben, wobei jedoch folgende Hindernisse im Wege stehen: Ist die Kondensationstemperatur des Leichtsiedenden sehr viel niedriger als die des Schwersiedenden, so ergibt sich aus dieser Tatsache allein schon ein sehr hohes Verdichtungsverhältnis. Ist die Temperaturdifferenz zwischen beiden jedoch gering, so erfordert die Rektifikation eine außerordentlich hohe Anzahl von Rektifikationsböden, was wiederum einen ziemlich hohen Druckunterschied zwischen Kopf und Sumpf der Kolonne zur Folge hat, der zusätzlich von der Wärmepumpe zu überwinden ist. Dies fällt besonders bei Vakuumkolonnen ins Gewicht.
Bosnjakovis schlägt in seinem Lehrbuch für Technische Thermodynamik vor, für einen Sonderfall von Gemischen mit azeotropem Punkt, z. B.
Äthanol-Wasser, das in der Nähe des azeotropen Punktes infolge erhöhten Rücklaufbedarfs einen be- sonders hohen Wärineverbrauch hat, eine Wärmepumpe nur über den Bereich des erhöhten Rücklaufbedarfs einzusetzen.
Nun haben sorgfältige Ermittlungen und Berechnungen ergeben, daß auch Stoffpaare ohne azeotropen Punkt, z. B. Methanol-Wasser, oder auch Gemische mit idealem Siedeverhalten, wie Paare von Kohlenwasserstoffen der aromatischen oder aliphatischen Reihe, bei praktisch allen möglichen Zusammensetzungen, vor allem bei niedrigem Gehalt von Schwersiedendem, mit großem wirtschaftlichem Nutzen unter Einsatz einer Wärmepumpe über einen geeigneten Teilabschnitt des Rektifikationsbereichs getrennt werden können.
Beispiel 1 Destillation eines Zweistoffgemisches, bei dem der Anteil an Leichtsiedendem überwiegt Enthält das aufzuarbeitende Produkt relativ wenig Schwersiedendes, so ist der erforderliche Wärmebedarf für den Abtriebsteil klein; der Verstärkungsteil benötigt jedoch sehr viel Wärme, die von der großen Produktmenge, mit der dieser Teil belastet ist, herrührt. Daher soll hier der Verstärkungsteil mit dem eigenen, durch die Wärmepumpe im Temperaturniveau angehobenen Produktdampf und der Abtriebsteil mit Frischdampf beheizt werden (Abb. 1).
Für ein Beispiel von 10 Molprozent Schwersiedendem (Siedepunkt 1100 C) und 90 Molprozent Leichtsiedendem (Siedepunkt 800 C) wurden durch den Einsatz der Wärmepumpe zur Beheizung des Verstärkungsteils, zu dem zusätzlich noch einige Abtriebsböden für eine Anreicherung von Schwersiedendem auf 25 Molprozent kommen, gegenüber dem Dampfverbrauch von 380 kg je Tonne Erzeugnis (Leichtsiedendes) nur noch 150 kg benötigt. An Stelle der restlichen Dampfmenge werden zum Betrieb der Wärmepumpe 10,5 kWh je Tonne Erzeugnis aufgewendet. Nach der obenerwähnten Preisrelation bedeutet das eine Energiekostenersparnis von 60 606/o.
In die Kolonne 1 (Abb. 1), die im Durchmesser größer ist als die Kolonne 2, wird das Rohgemisch 3 eingeführt. Ein Teil des Brüdens, ausreichend zum Beheizen des Verdampfers 4, wird mit dem Brüdenverdichter 5 so hoch komprimiert, daß der Übergang der Wärme im Verdampfer 4 gesichert ist. Der Überschuß an Brüden wird in konventioneller Weise kondensiert. Die Abtriebskolonne 2 wird mit dem Sumpfprodukt der Kolonne 1 an der Stelle 6 beschickt, während der Brüden der Kolonne 2 in den Sumpf der Kolonne 1 eingeleitet wird. Der geringe Wärmebedarf der Kolonne 2 wird mit Frischdampf über den Verdampfes 7 gedeckt. Aus dem reinen Kondensat des Verdampfers 4 wird der erforderliche Rücklauf, falls erforderlich, über die Pumpe 8 abgezweigt, während das reine Kopfprodukt die im Verdampfer 4 anfallende überschüssige Kondensatmenge 9 ist, und das Kondensat aus dem erwähnten (nicht gezeichneten) Zusatzkondensator.
Beispiel 2 Destillation eines Zweistoffgemisches, bei dem der Anteil an Schwersiedendem überwiegt Hier ist im Gegensatz zum Beispiel 1 die Abtriebssäule mit dem Hauptanteil der Produktmenge be lastet. Deshalb soll die Wärmepumpe zur Beheizung des Abtriebsteils eingesetzt werden (Abb.2). Für ein Gemisch von 10 Molprozent Leichtsiedendem (Siedepunkt 800 C) und 90Molprozent Schwersiedendem (Siedepunkt 1100 C) werden durch den Einsatz der Wärmepumpe zur Beheizung des Abtriebsteils und einiger zusätzlicher Verstärkungsböden zur Anreicherung auf 35 Molprozent Leichtsiedendes nur noch 105 kg Heizdampf gegenüber 280 kg je Tonne Erzeugnis (Schwersiedendes) benötigt. Die Restdampfmenge wird durch einen Stromaufwand von 6 kWh je Tonne Erzeugnis ersetzt. Diese Schaltung bringt eine Energiekostenersparnis von 48 .
Im Gegensatz zum Verfahren nach Abb. 1 wird gemäß Abb. 2 die Kolonne 10 mit dem Rohprodukt 11 beschickt und mit verdichtetem Brüden über den Brüdenkompressor 12 und den Verdampfer 13 beheizt. Das Brüdenkondensat wird dem Sumpf der Verstärkungskolonnei4 zugeführt und gelangt von dort als Rücklauf in die Kolonne 10. Der Wärme bedarf der Verstärkungskolonne 14 wird von dem dampfbeheizten Verdampfer 15 gedeckt, gegebenenfalls auch zusätzlich durch überschüssigen Brüden aus der Kolonne 10. Der Verdampfer 15 kann auch am Sumpf der Kolonne 10 angebaut werden. Der Brüden kompressor 12 kann dann für kleinere Leistung ausgelegt werden, jedoch muß der Heizdampf einen höheren Druck haben, weil die Siedetemperatur im Sumpf der Kolonne 10 natürlich höher ist als in dem der Kolonne 14. Der höhersiedende Anteil des Gemisches wird dem Sumpf der Kolonne 10 an der Stelle 16 entnommen; der leichtsiedende Anteil und der Rücklauf entstammen dem Kondensat des Konsators 17.
Beispiel 3 Destillation eines Gemisches aus gleichen Anteilen Leicht- und Schwersiedendem Selbst für ein Gemisch aus 50 Molprozent Leichtsiedendem (Siedepunkt 800 C) und 50 Molprozent Schwersiedendem (Siedepunkt 1100 C) werden durch den Einsatz der Wärmepumpe (Schaltung nach Abb. 1) für die Beheizung des Verstärkungsteils einschließlich einiger Abtriebsböden zur Anreicherung auf 65 Molprozent Schwersiedendes gegenüber 620 kg Heizdampf nur noch 120kg Heizdampf je Tonne Leichtsiedendes benötigt. Für der Betrieb der Wärmepumpe sind je Tonne Leichtsiedendes noch 50 kWh erforderlich. Das bedeutet eine Energiekostenersparnis von 25 e/o, womit bewiesen wäre, daß sich der Einsatz der Wärmepumpe auch für wesentlich größere Verunreinigungen des Produktes lohnt als für die in 1 und 2 angegebenen Beispiele.
Beispiel 4 Destillation eines Gemisches aus gleichen Anteilen Leicht- und Schwersiedendem nach variiertem Verfahren Etwas günstiger gestaltet sich die Destillation des Gemisches 50 Molprozent Leichtsiedendes, 50 Molprozent Schwersiedendes bei der Schaltung nach Abb. 3. Reichert man am Kopf des von der Wärmepumpe beheizten Teils nur auf 85 Molprozent Leichtsiedendes an, so benötigt man infolge der geringeren zu überwindenden Temperaturdifferenz nur noch 14,8 kW. Für den Betrieb werden nun jedoch 338 kg Frischdampf benötigt, was nach der angegebenen wertmäßigen Rechnung gegenüber 620 kg eine Ersparnis von 30°/o bedeutet.
In Abb. 3 wird die Kolonne in drei Teile - 18, 19 und 20 - unterteilt. Der Verdampfer des unteren Teils 20 wird mit Frischdampf beheizt, der mittlere Teil 19, in den unten das Rohgemisch eingespeist wird, wird zusätzlich mit Hilfe eines Teils des oben austretenden Dampfes beheizt, dessen Temperatur durch die Wärmepumpe 21 so weit angehoben wird, daß ein Wärmeübergang im Verdampfer 22 unter gleichzeitiger Kondensation dieses Dampfanteils möglich wird. Das Kondensat wird an der Entnahmestelle als Rücklauf wieder aufgegeben. Die Restdampfmenge tritt in den Teil 18 ein, wo sie bis zum Kopf bis auf 100 Molprozent Leichtsiedendes angereichert wird. Hier wird der Brüden in dem mit Kühlwasser betriebenen Kondensator 23 niedergeschlagen und als Rücklauf wieder aufgegeben bzw. als Erzeugnis abgenommen.
Beispiel 5 Destillation eines Dreistoffgemisches, bei dem der Anteil an Mittelsiedendem überwiegt Bei der technischen Durchführung von chemischen Prozessen fällt meist das gewünschte Produkt, verunreinigt durch kleinere Anteile von höhersiedenden Komponenten, an, die destillativ zu trennen sind.
Üblicherweise wird zur Abtrennung des Vorlaufs eine Vorkolonne eingesetzt, deren Wärmeverbrauch entsprechend der geringen Vorlaufmenge relativ klein ist. Ist der Vorlauf abgenommen, so hat man ein Zweistoffgemisch vor sich, dessen Anteil an Leichtsiedendem überwiegt. Dieses kann nach der Schaltung gemäß Abb. 1 wirtschaftlich sehr vorteilhaft destilliert werden. Sobald man diese Maßnahme ins Auge faßt, stellt man fest, daß die Siedetemperatur im Sumpf der Vorkolonne sowie am Kopf des Verstärkungsteils außerordentlich nahe liegt bzw. praktisch gleich ist. Damit kann aber die Kondensationswärme des Produktdampfes auch zum Betrieb del Vorkolonne herangezogen werden, wenn der Druck in den beiden Teilen der Hauptkolonne so weit erhöht wird, daß der Wärmeübergang vom kondensierenden Kopfprodukt der Hauptkolonne zum siedenden Dampfprodukt der Vorkolonne mit wirtschaftlichen Mitteln möglich wird.
Für das Beispiel 4,2 Gewichtsprozent Ather, 90,6 Gewichtsprozent Methanol, 5,2 Gewichtsprozent Wasser wird bei Abzweigung eines Teiles des Produktdampfes vor der Wärmepumpe zur Beheizung der Vorkolonne der Frischdampfbedarf von 1,5 t je Tonne Methanol auf 0,25 t reduziert. Dafür müssen je Tonne Erzeugnis für den Betrieb der Wärmepumpe 33 kWh aufgewendet werden. Nach der thermodynamischen Preisrelation bedeutet das eine Energiekostenersparnis von 680/0.
Die Anlage gemäß Abb. 4 besteht aus einer Entätherungskolonne 24 und der geteilten Entwässerungskolonne 25 und 26, bei der der Teil 25 zusätzlich über die Wärmepumpe 27 beheizt wird. Die Einspeisung des Gemisches erfolgt bei 28 in die Entätherungskolonne 24. Der Äther entweicht bei 29 gasförmig aus dem Kondensator 30, dessen Kondensat teils als Rücklauf der Kolonne wieder zugeführt wird, teils als Vorlauf in geringer Menge abgenommen wird. Beheizt wird die Kolonne 24 mit Brüden (reiner Methanoldampf aus der Entwässemngskolonne, die zur Erzeugung der erforderlichen Kondensationstemperatur mit Uberdruck - etwa 2 ata -gefahren wird) über den Kondensatorverdampfer 31. Auf diese Art erfolgt die Entätherung ohne jeden zusätzlichen Wärmeaufwand mit Abwärme aus der Entwässerung. Der entätherte Sumpf wird der Kolonne 25 zugepumpt, deren Wärmebedarf zum Teil von dem Brüden der Kolonne 26, zum Teil durch verdichteten Brüden der Wärmepumpe 27 über den Kondensatorverdampfer 31 gedeckt wird.
Lediglich die Kolonne 26 wird mit Frischdampf über den Umlaufverdampfer 32 oder, bei einer Entwässerung, möglichst mittels direkter Frischdampfeinspeisung beheizt.
An Stelle der mechanisch angetriebenen Wärmepumpe kann zur Hebung der Temperatur des Produktdampfes eine sogenannte Absorptionswärmepumpe verwendet werden, die mit Zweistoffgemischen ähnlich einer Absorptionskältemaschine arbeitet.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Destillationsvorrichtung, bestehend aus mindestens einer Trennkolonne mit einer Wärmepumpe zur Trennung von Mehrstoffgemischen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmepumpe an demjenigen Teil der in mehrere Teile unterteilten Kolonne, in dem die größte Stoffmenge umzusetzen ist, angeschlossen ist.
2. Destillationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmepumpe als Absorptionswärmepumpe ausgebildet ist, die mit Zweistoffgemischen arbeitet.