DE2260387C2

DE2260387C2 - Verfahren zum Trennen von im gleichen Temperaturbereich siedenden Stoffen durch Extraktivdestillation

Info

Publication number: DE2260387C2
Application number: DE19722260387
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dr. 6079 Buchschlag Eisenlohr; Kamar Perey 6380 Bad Homburg John
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1972-12-09
Filing date: 1972-12-09
Publication date: 1982-07-15
Also published as: FR2209592B1; DE2260387A1; GB1451224A; FR2209592A1; IT1002211B; BE808385A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen von im gleichen Temperaturbereich siedenden Stoffen verschiedener chemischer Struktur durch Extraktivdestillation, bei dem das zu trennende Einsatzgemisch in der Mitte einer Destillationskolonne aufgegeben, über deren Sumpf verdampft und den in der Kolonne aufsteigenden Dämpfen ein für die zu gewinnenden Stoffe selektives Lösungsmittel in mehreren Teilströmen entgegengeführt wird, von denen einer auf einem oberen Boden der Destillationskolonne aufgegeben wird, und bei dem die über Kopf geführten Dämpfe kondensiert und das Kondensat teilweise in die Destillationskolonne zurückgeführt wird, während das Sumpfprodukt in eine Stripperkolonne überführt und darin aufgearbeitet wird, unter Regelung der Produktqualität in Abhängigkeit von der Konzentration des extrahierten Stoffes im Destillat oder im Kolonnenrückfluß.

Bei derartigen Verfahren ist eine sorgfältige Arbeitsweise, verbunden mit einer guten Regelung, erforder lieh, einerseits um ein einwandfreies kontinuierliches Arbeiten zu gewährleisten, andererseits um eine genügend hohe Reinheit der abzutrennenden Stoffe zu gewährleisten.

■-, Es ist bekannt, zur Erfüllung dieser Erfordernisse reine Aromaten aus Gemischen von Aromaten und Nichtaromaten mit Hilfe der Extraktivdestillation zu gewinnen, indem das AusgangsgemiGch in der Mitte der Kolonne eingeführt und mit dem selektiven Lösungs-

ID mitte! in Berührung gebracht wird, wobei dieses in zwei oder mehr Teilströme aufgeteilt wird und etwa 60 bis 90% des Extraktionsmittels mit einer solchen Temperatur eingeführt werden, daß die Gesamtmenge der aus dem Sumpf der Kolonne aufsteigenden Dämpfe im wesentlichen kondensiert und der Rest in einen oder mehrere weitere Teilstrome aufgeteilt und in Höhe des 3. bis 9. Bodens mit einer um 15 bis 30° C niedrigeren Temperatur als der auf dem betreffenden Zulaufboden der Kolonne herrschenden Temperatur eingeführt wird (DE-OS 15 43 104).

Bei diesen und ähnlichen bekannten Verfahren ist jedoch ein relativ hoher Lösubgsmittelumlauf notwendig, was einen hohen Energiebedarf erfordert, um die gewünschte Reinheit und hohe Ausbeute zu erzielen.

:3 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und ein Verfahren zur Trennung von im gleichen Temperaturbereich siedenden Stoffen verschiedener chemischer Struktur mittels Extraktivdestillation vorzuschlagen, das

JIi eine optimale Arbeitsweise gewährleistet. Insbesondere soll durch das vorgeschlagene Verfahren eine höhere Ausbeute an zu gewinnendem Extrakt und eine höhere Reinheit bei gleichzeitiger Senkung der Investitionskosten und der Betriebsmittel ermöglicht werden.

j; Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Einsatzgemisch und das selektive Lösungsmittel in konstanten Mengen und mit konstanten Temperaturen aufgegeben werden, daß der eine auf einen oberen Boden der Destillationskolonne aufgegebene Teilstrom des selektiven Lösungsmittels auf eine Temperatur unterhalb der Temperaturen der anderen Teilströme gekühlt wird, daß der oder die anderen Teilströme des selektiven Lösungsmittels auf tiefere, jedoch oberhalb der Aufgabestelle des Einsatzgemisches liegende Böden

4> der Destillationskolonne mit der dort herrschenden Gleichgewichtstemperatur aufgegeben werden und daß die Produktqualität über das Mengenverhältnis der aufgegebenen kälteren und wärmeren Teilströme des selektiven Lösungsmittels geregelt wird.

■>n Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß dor kältere Teilstrom des selektiven Lösungsmittels auf den obersten Boden der Destillationskolonne und das rückgeführte Kondensat auf einen Boden zwischen den Aufgabeböden der Teilströme des j selektiven Lösungsmittels aufgegeben werden.

Die Erfindung ist schematisch und beispielsweise in den Zeichnungen dargestellt und in den Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Kolonne zur Extraktivdestillation mit

no Zuführung zweier verschieden temperierter Lösungsmittelströme unterhalb des Kolonnenkopfes,

Fig. 2 die gleiche Kolonne mit Zugabe des kalten Lösungsmitteiteilstromes auf den Kolonnenkopf und der Destillatrückführung auf einen darunterliegenden

h", Boden,

Fig.3 das Fließschema einer mittels der erfindungsgemäß unterteilten Lösungsmittelaufgabe automatisch geregelten Extraktivdestillationskolonne.

Es bedeuten: 1 die Extraktivdestillationskolonne, 2 eine Heizeinrichtung im Kolonnensumpf, 3 Stoffaustauschelemente vorzugsweise Austauschboden, wobei diese Stoffaustauschelemente als Gruppen von etwa 5 bis 10 Austauschboden angeordnet sind, 4, 5, 6 und 7 Aufgabeböden, 8 und 9 Leitungen zur Zuführung der Teilströme des Lösungsmittels, 16 einen Kühler, 10 eine Leitung zur Aufgabe des rückgeführten Destillates, welches vom Kolonnenkopf über 12 geführt, in 13 kondensiert und über Leitung 14 in einen Sammelbehälter 15 geleitet wird.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird gemäß Fig.3 mittels Leitung 17 das zu trennende Einsatzgemisch mit konstanter Temperatur und zeitlich konstanter Menge auf den Aufgabeboden 4 der Austauschbodengruppe 3 der Extraktivdestillationskolonne 1 zugeführt.

Durch die Leitungen 8 und 9 werden die beiden verschieden temperierten Teilströme des selektiven Lösungsmittels aufgegeben. Dabei wird der obere kältere Teilstrom 9 aus der Leitung 9 abgezweigt, durch den Kühler 16 geführt und auf den obersten Kolonnenboden 7 aufgegeben. Der untere Teilstrom 8 wird auf den Aufgabeboden 5 mit der dort herrschenden Gleichgewichtstemperatur zugeführt. Die als Kopffraktion aus der Kolonne 1 anfallenden Dämpfe werden in der Leitung 12 zum Kondensator 13 geleitet, in diesem niedergeschlagen und als Kondensat in der Leitung 14 zu einem Sammelbehälter 15 geführt, aus dem durch die Leitungen 21 und 10 ein Teilstrom als Destillatrücklauf auf den Aufgabeboden 6 geführt wird, während ein weiterer Teilstrom durch die Leitungen 21 und 22 zu einem nicht dargestellten Speicherbehälter abgeleitet werden.

Der Destillationsrückstand, der den zu gewinnenden Stoff im selektiven Lösungsmittel enthält, wird aus dem Kolonnensumpf durch die Leitung 23 mit dein Regelventil 24 abgezogen.

Die Anlage wird mit Hilfe eines Regelsysterns kontinuerlich und automatisch wie folgt betrieben:

Das Einsatzgemisch wird durch die Leitung 17 mittels eines Mengenreglers 31 und des zugehörigen Regelventils 20 in zeitlich konstanter Menge aufgegeben. Die Temperatur des Einsatzproduktes ist konstant.

Das selektive Lösungsmittel wird durch die Leitung 8 in einer mittels des Mengenreglers 32 und des Regelventils 33 zeitlich konstant gehaltenen Menge von gleichbleibender Tsmperatür zugeführt.

Der in der Leitung 9 abgezweigte Teilstrom wird vom Kühler 16 auf eine vorgegebene konstante Temperatur gekühlt. Zu diesem Zweck wird die durch den Kühler geführte Kühlwassermcige mittels des Mengenreglers 33' und des Regelventils 34' eingestellt.

Der Kolonnensumpf is· mit einem Niveauregler 35 ausgestattet, der auf das Regelventil 24 des Sumpfablaufs 23 wirkt. Die Temperatur im Kolonnensumpf wird durch Anpassung der Heizdampfmenge, die durch denHeizkörper 2 geführt wird eingestellt, wobei ein Temperaturregler nach Maßgabe der Temperatur im Sumpfablauf 23 auf einen in Kaskade nachgeschalteten Mengenregler 37 einwirkt und dieser mittels des Regelventils 38 die Heizdampfzufuhr zum Heizkörper 2 verändert. Ein weiterer Niveauregler 39 mit dem Regelventil 40 in der Ableitung 22 ist am Destillat-Sammelbehälter 15 vorgesehen, um in diesem einen gleichbleibenden Destillatvorrat zu halten.

Mittels dieser Regelvorrichtungen werden die Grundbedingungen des Anlagenbetriebes. Stoffmengen unci Temperaturen, konstant gehalten. Die Regelung des Destillationsverlaufs im Sinne einer Optimierung d. h. maximaler Reinheit des Extraktes bei minimaler Konzentration des zu gewinnenJ-jn Stoffes im Destillat, besonder¹= bei nicht gleichbleibender Zusammensetzung des Einsatzgemisches erfolgt durch Veränderung des Teilstromverhälinisses in den Lösungsmittelzuführungen 8 und 9 nach Maßgabe der Konzentration an dem zu gewinnenden Stoff im Destillat.

In den Leitungen 8 und 9 der Lösungsmittelteilströme sind zwei Regelventile 41 und 42 angeordnet, die von einem Mengenverhältnisregler 43 gegenläufig betätigt werden. Dabei schließt das eine Ventil in dem Maße wie das andere öffnet, so daß die Summe beider Teilströme konstant bleibt, wie mit dem Mengenregler 32 eingestellt.

Der Mengenverhältnisregler 43 erhält seine Impulse von einem Konzentrationsmesser 44 oder 44a, der den Gehalt an zu gewinnendem Stoff im Kolonnenrückfluß als Differenz zwischen den Aufgabeböden für Destillatrücklauf und warmen Lösungsmittelteilstrom oder aber im Destil'ut bestimmt.

Als solche Konzentrationsmesse. <J4 oder 44a eignen sich beispiels weise Gas-Chromatographjn, U V^Spektrometer, Dichtemessfcr (Ringwagen), Dampfdruckmesser, Durchflußrefraktometer oder Geräte, die auf der kontinuierlichen Messung der spezifischen Wärme oder der Dielektrizitätskonstanten beruhen.

Nimmt die Konzentration der abzutrennenden Stoffe in dem Dämpfegemisc:h zwischen den Aufgabeböden 5 und 6 zu, dann ist bei gegebener Einstellung der Betriebsgrundwerte ein Durchbruch dieser Stoffe in das Sumpfprodukt zu befürchten. Der Konzentrationsmesser verzeichnet dann z. B. eine Veränderung der Dichtedifferenz zv ischen den Aufgabeböden 5 und 6 und erteilt dadurch dem Mengenverhältnisregler 43 einen impuls, durch den der kalte Lösungsmittelteilstrom (Regelventil 41) vermindert, der warme Lösungsmittelteilstrom (Regelventil 42) vermehrt wird. Der Kolonne wird dadurch mehr Wärme zugeführt und die Absorptionswirkung im Kolonnenkopf wii d verhindert, wodurch mehr abzutrennende Stoffe in die Kopffraktion gedrängt werden.

Nehmen die im Sumpfprodukt zu gewinnenden Stoffe in dem Kolonnenabschnitt zwischen den Aufgabeböden 5 und 6 zu, dann schlägt der Konzentrationsnesser 44 in der entgegengesetzten Richtung aus und erteilt dem Mengenverhältnisregler 43 den Auftrag, den warmen Teilstrom des Lösungsmittels zu vermindern und den kalten Teilstrom zu erhöhen. Dann wird der Kolonne weniger Wärme zugeführt und die Absorption im Kolonnenkopf erhöht.

Der Konzentraik>nsmesser, der die Impulse für den Mengenverhältnisregler 43 erteilt, kann auch an die nit 44a bezeichnete Steüe geschaltet werden und die "oi.zc/itration an der zu gewinnenden Komponenten in dem im Behälter 15 gesammelten Destillat messen

Vom Mengenverhältnisregler aus kam, auch das Regelventil 45 in der Destillatrückleitung 10 mitbetätigt werden. Das geschieht gleichsinnig mit dem Regelventil 42 in der den warmen Lösungsmittelteilstrom führenden Leitung 8, so daß mit einer Drosselung dieses Teilstromes immer auch eine Verminderung der rückgeführten Destillatmenge verbunden ist.

Eine Extraktivdestillation wird im allgemeinen so geführt, daß im Kopfprodukt 2 bis 3% der als Sumpfprodukt zu f ewinnenden Stoffe zugelassen wird. um eine IOO°/nige Reinheit des Sumpfproduktes ■/»

V. > : 1. ■

ι I₁:TIM CMh.' ! < ¹Ic' . ΙΠ/ X ' W ■ .* ι' . L' ι ¹V! W . ' ■ M · tv ¹I ι Il!' ^ ! ι Veränderung im Hinsatzgemisch oder durch sonstige Schwankungen Veränderungen im Kopfprodukt ergeben, dann ist die Reinheit des Sumpfproduktes auch dann noch gegeben, wenn die Konzentration an /u gewinnenden Stoffen im Kopfprodukt auf l°.li absinkt, bezogen auf Einsatz = 100"/". Wenn sie den Wert 0 erreicht, ist das Sumpfprodukt meist nicht mehr rein.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Extraktivdestillation einer sehr feinfühligen Regelung zugänglich, durch welche die Sicherheitskonzentration an den zu gewinnenden Stoffen im Kopfprodukt auf weniger als 1% beschränkt werden kann, bei einer Toleranz von weniger als 0.2%.

Ausführungsbeispiele

für Reispid I wird ein hydriertes Kokereibenzol und für Beispiel 2 ein vollhydriertes Pyrolysebenzin gewählt. Die Zusammensetzung solcher Fiinsatzprodiikte ist in nachfolgender Tabelle angegeben:

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ΓΚ-γ in der Vordestillation gewonnene Benzolschnitt ",:■ K-lL'ende Zu'-amrr.en^etz'inii:

/ . ■ ■ · ■ · ■ . .·-■■■ ι' ■>..■■-■.".'.·

MCP	Der Benzo!	sehn:	!7 :	- -	:l .\| Il ι	ur son
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-C	i^e- Mengenr	egler	W	j ~i ■ ι ι ' ^ird mit ein	2^Γ\| Ζ	Menge
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genijgt der Mengenregler 31. Wird der Benzolschn:tt direkt aus dem Rückflußbehälter der Vorkolonne entnommen, dann muß der Niveauregler dieses Behälters auf den Mengenregler 31 in Kaskade so .luigeschaltet werden, daß die Menge an Benzolschnitt unter allen Umständen konstant ist.

Die Kolonne 1 ist mit 50 Böden ausgerüstet. Aufgabeboden 7 ist Boden-Nummer I. Aufgabeboden 6 ist Boden-Nummer 6. Aufgabeboden 5 ist Boden-Nummer 12. Aufgabeboden 4 ist Boden-Nummer 25. Als Böden verwendet man Tunnel-. Glocken-. Ventil- oder auch Siebboden.

Über Leitung 8 und 9 wird N-Methylpyrrolidon (NMP) aufgegeben, und zwar:

a) bei Kokereibenzol 15.600 Kp/h. von denen über Leitung 8 5.000 Kp/h mit einer Temperatur von 120C.

über Leitung 9 10.600 Kp/h mit einer Temperatur

von 60= C

aufgegeben wird.

Das NMP enthält 150 Kp'h Restbeladung an

Benzol.

b) Bei Pyrolysebenzin 6.000 Kp/h. von denen über Leitung 8 2.500 Kp/h mit einer Temperatur von 120 "C.

über Leitung 9 3 500 Kp/h mit einer Temperatur von 60'C aufgegeben wird.
dann Das NMP enthält 60 Kp/h Restbeladung an Benzol.

Über Leitung 23 wird als Sumpfprodukt das N-Methylpyrrolidon und das gewinnbare Benzol abgezogen.

/liiiiiiinicnsct/ung	Kt	ikereiheii/Vil	Kp/h	l'\ InIv ιιΊΚΊΙ/ΊΙ
N-M ethyl pyrrolidon	15	450	Kp/h	5 ^l)4(l Kp/h
Ben/ol-Kestbelaihiny		150	Kp/h	60 Kp/h
Benzol	7	720	Kp/h	I 540 Kp/h
	23	32(Γ	emlu-n/iil	7 540 Kp/h
AMiiim^nn^"" "		kok
I K Ur//<.·κ hin ι			lit- I kp/h ι
		M.,,
I n-C.		■;
2 MP		4 S
C„		4
CH		3"
i-C-			6
n-C		I.	7
MCP		6.	"7
MCH		r.
B		so

Der Kolonnendruck im Sumpf beträgt 1,2 ata und die Temperatur im Sumpfabzug

bei Kokereibenzol
bei Pyrolysebenzin

t = 118⁰C
I = 135" C.

Der Kolonnendruck im Kopf der Kolonne ist atmosphärisch. Das Destillat wird über Leitung 22 abgezogen und hat folgende Zusammensetzung bei einer Temperatur r* in Leitung 12 gemessen und einer Temperatur ipin Leitung 14 gemessen.

/,,IM

f'yr.	ilv	2	.0
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!Jas .Sumpfprodukt wird über Leitung 23 und Regelventil 24 niveaugeregelt über Regler 35 in eine nicht dargestellte Stripperkolonne gefahren und dort in Benzol als Kopfprodukt und NMP mit Benzolrestbeladung als Sumpfprodukt zerlegt. Dieser Stripper arbeitet unter Vakuum, seine Sumpftemperatur beträgt etwa 165 bis 170° C.

Das Sumpfprodiikt, das Lösungsmittel also. v,ird im Wärmeausiausch auf !20"C heruntergekühlt. In einem hier nicht dargestellten Wärmeaustauscher wird dem Sumpf der Kolonne 1 Destillationswärme zugeführt. Die außerdem noch erforderliche Destillationswärme wird mit dem dampfbeheizten Aufkocher 2 aufgebracht.

An Reinbenzol werden im Stripper als Destillat gewonnen:

a) bei Kokereibenzol 7.720 kg/h

b) bei Pyrolysebenzin 1.540 kg/h.

In den Beispielen sind wegen der Übersichtlichkeit Spuren von Verunreinigungen in den Bilanzen nicht erfaßt Bei Kokereibenzol hat das gewonnene »Reinbenzol« folgende Zusammensetzung:

2MP	= 0,0001%
CH	= 0,0002%
MCH	= 0,0500%
B	= 993497%

Bei Pyrolysehenzin ist das Reinbenzol wie folgt zusammengesetzt: MCH = 0,0014%. B = 99.9892%, T = 0.0024%, i-C- + i-Q = 0,0070%.

Bei Kokerc-ibenzol ist im Sumpf der Kolonne 1 eine Wärmemenge Q = 1 568 000 Kcal/h zuzuführen, wovon durch Wärmeaustausch das heiße Lösungsmittel 360 000 Kcal liefert, indem es von I65^CC auf 120° C abgekühlt wird. Mit Dampf ist daher noch ei'.ie Wärmemenge von C? = I 528 000 - 360 000 = 1 208 000 Kcal/h zuzuführen, was einer Dampfmenge von 2 650 kg/h 16 ata Heizdampf entspricht. Pro 1 to gewonnenes Reinbenzol werden in Kolonne 1 0.34 to Dampf benötigt. Die über Leitung 10 aufgegebene Menge beträgt 8 700 kp/h.

Bei Pyrolysebenzin ist im Sumpf der Kolonne 1 eine Wärmemenge Q = 462 000 Kcal/h zuzuführen. Bei einer austauschbaren Wärme des Lösungsmittels von 135 000 Kcal/h, wobei das Lösungsmittel von 165⁰C auf '20⁰C abgekühlt wird, sind mit Heizdampf noch C? = 327 000 Kcal/h zuzuführen, was einer Heizdampfmenge von 710 kg/h entspricht. Der spezifische Dampfverbrauch errechnet sich dann zu:

0,47 to Dampf/to gewonnenes Benzol.

Die über Leitung 10 aufgegebene Menge beträgt 1 848 Kp/h.

Hierzu 3 Biatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Trennen von im gleichen Temperaturbereich siedenden Stoffen verschiedener chemischer Struktur durch Extraktivdestillation, bei dem das zu trennende Einsaizgemisch in der Mitte einer Destillationskolonne aufgegeben, über deren Sumpf verdampft und den in der Kolonne aufsteigenden Dämpfen ein für die zu gewinnenden Stoffe selektives Lösungsmittel in mehreren Teilströmen entgegengeführt wird, von denen einer auf einem oberen Boden der Destillationskolonne aufgegeben wird, und bei dem die über Kopf geführten Dämpfe kondensiert und das Kondensat teilweise in die Destillationskolonne zurückgeführt wird, während das Sumpfprodukt in eine Stripperkolonne überführt und darin aufgearbeitet wird, unter Regelung der Produktqualität in Abhängigkeit von der Konzentration des extrahierten Stoffes im Destillat oder im Kolonnenrückfluß, dadurch gekenn;: cichnet, daß das Einsatzgemisch und das selektive Lösungsmittel in konstanten Mengen und mit konstanten Temperaturen aufgegeben werden, daß der eine auf einen oberen Boden der Destillationskolonne aufgegebene Teilstrom des selektiven Lösungsmittels auf eine Temperatur unterhalb der Temperaturen der anderen Teilströme gekühlt wird, daß der oder die anderen Teilströme des selektiven Lösungsmittels auf tiefere, jedoch oberhalb der Aufgabestelle des Einsatzgemisches liegende Böden der Destillationskolonne mit der dort herrschenden Gleichgewichtstemperatur aufgegeben werden und daß die Produktqualität über das Mengenverhältnis der aufgegebenen kälteren und wärmeren Teilströine des selektiven Lösungsmittels geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kältere Teilstrom des selektiven Lösungsmittels auf den obersten Boden der Destillationskolonne und das rückgeführie Kondensat auf einen Boden zwischen den Aufgabeböden der Teilströme des selektiven Lösungsmittels aufgegeben werden.