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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.
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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.
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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.
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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.
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Bosnjakovis schlägt in seinem Lehrbuch für Technische Thermodynamik
vor, für einen Sonderfall von Gemischen mit azeotropem Punkt, z. B.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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 .
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Lediglich die Kolonne 26 wird mit Frischdampf über den Umlaufverdampfer
32 oder, bei einer Entwässerung, möglichst mittels direkter Frischdampfeinspeisung
beheizt.
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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.