DE4118468A1

DE4118468A1 - Trennkolonne und verfahren zur zerlegung eines stoffgemisches durch rektifikation

Info

Publication number: DE4118468A1
Application number: DE4118468A
Authority: DE
Inventors: Hubertus Dr Winkler; Thomas Dr Mueller-Menzel; Detlev Dipl Ing Dr Ringer; Wolf-Dieter Westermayer
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1991-06-05
Filing date: 1991-06-05
Publication date: 1992-12-10

Description

Die Erfindung betrifft eine Trennkolonne zur Zerlegung eines Stoffgemisches durch Rektifikation, wobei in die Trennkolonne ein Wärmetauscher eingebaut ist, eine erste Gruppe von Passagen an ihrem Eintritt und an ihrem Austritt mit dem Innenraum der Trennkolonne kommuniziert und eine zweite Gruppe von Passagen des Wärmetauschers mit mindestens je einer Zuführ- und Abführlei tung für einen Wärmeträger verbunden ist. Gegenstand der Erfindung sind ferner ein Verfahren zur Trennung eines Stoffgemisches durch Stoffaustausch zwischen einer Gas- und einer Flüssigphase in einer derartigen Trennkolonne sowie ein Verfahren zur Abtrennung von schwerersiedenden Komponenten aus einem Gasgemisch, das auch leichtersiedende Komponenten enthält.

Für die Zerlegung eines mehrkomponentigen Gemisches durch Rektifikation sind zwei Apparatetypen bekannt. Zum einen Rektifizierkolonnen, bei denen Stoff- und Wärmeaustausch zwischen Dampf und Flüssigkeit auf Rektifizier böden oder auf der Oberfläche von Füllungen wie geordneten Packungen oder ungeordneten Füllkörpern stattfindet. Kolonnen werden in der Regel nur an ihren Enden durch indirekten Wärmeaustausch mit Wärme beziehungsweise Kälte von außen versorgt. Zum anderen werden für weniger anspruchsvolle Trennauf gaben Dephlegmatoren eingesetzt, bei denen es sich um Wärmetauscher handelt, in deren einer Passagengruppe ein von unten eingeführtes Gas in indirektem Wärmetausch mit einem Wärmeträger kondensiert und die kondensierte Flüssig keit nach unten abfließt und dabei in Stoffaustausch mit dem gasförmig verbliebenen Anteil tritt.

Dephlegmatoren benötigen auf der Kondensationsseite bei gegebenem Durchsatz eine hohe Anströmfläche, um zu vermeiden, daß das Kondensat vom nach oben strömenden Gas mitgerissen wird. Dies bedingt insgesamt hohen apparativen Aufwand, insbesondere eine erhöhte Baugröße. Eine ausreichende Trennwirkung kann nur mit Hilfe einer großen Länge oder einer großen spezifischen Oberfläche und damit einer hohen Breite des Apparats erzielt werden.

Rektifiziersäulen weisen einen erheblich besseren Stoffaustausch auf. Wärme wird allerdings im allgemeinen nur durch Kopfkühlung und/oder Sumpfheizung abgezogen oder eingeführt. Zwischen den Enden der Kolonne stellt sich dann ein Temperaturverlauf ein, der thermodynamisch nicht optimal ist und in den von außen nicht eingegriffen werden kann. Aus diesem Grunde wurden bereits Zwischenkühlungen oder -heizungen durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Wärmeträger vorgeschlagen. Dabei wird entweder eine Fraktion aus der Kolonne herausgeleitet und nach einem indirekten Wärmeaustausch wieder zurückge führt, oder ein Wärmetauscher ist im Innern der Kolonne eingebaut. Dadurch kann der Temperaturverlauf längs der Kolonnenachse zumindest stellenweise an das thermodynamische Optimum angepaßt werden. Beispiel hierfür sind Verfah ren und Vorrichtung der DE-C-26 38 488. Hier sind jedoch ebenfalls ein erheblicher apparativer Aufwand und eine hohe Baugröße erforderlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bekannte Trennkolonne und das bekannte Verfahren dahingehend weiterzuentwickeln, daß der appara tive Aufwand geringgehalten und die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erhöht werden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der in die Trennkolonne eingebaute Wärmetauscher so ausgebildet ist, daß Flüssigkeit innerhalb der ersten Gruppe von Passagen im Gleichstrom mit Gas nach oben strömt, daß die obere Stirnfläche des Wärmetauschers als Rektifizierboden ausgebildet ist, und daß ein Ablaufschacht eingebaut ist, dessen Oberseite mit der als Rektifizier boden ausgebildeten oberen Stirnseite des Wärmetauschers und dessen Unter seite unterhalb des Wärmetauschers mit dem Innenraum der Trennkolonne verbunden sind.

Die Geometrie der ersten Gruppe von Passagen des Wärmetauschers ist so an die Eigenschaften des zu zerlegenden Stoffgemisches angepaßt, daß die innerhalb der Passagengruppe durch Kondensation entstandene Flüssigkeit nicht nach unten abfließt, sondern vom Gasstrom mitgenommen wird und im Gleichstrom mit dem Gas an der oberen Stirnseite aus dem Wärmetauscher austritt. Diese Stirnseite ist als Rektifizierboden ausgebildet, das heißt sie ist mit Vorrichtungen, beispielsweise Ablaufwehren, ausgestattet, die einen definierten Flüssigkeitsstand erlauben, so daß aus dem Wärmetauscher austretendes Gas in intensiven Stoffaustausch mit auf der oberen Stirnseite anstehender Flüssigkeit gebracht wird. Die über die Ablaufwehre überlaufende Flüssigkeit wird von einem oder mehreren Ablaufschächten weitergeleitet.

Bei dem Verfahren zur Trennung eines Stoffgemisches durch Stoffaustausch zwischen einer Gas- und einer Flüssigphase in einer Trennkolonne, die einen Wärmetauschabschnitt aufweist, in dem die Gasphase in indirekten Wärmeaus tausch mit einem Wärmeträger gebracht wird, wobei die Gasphase an der Unterseite des Wärmetauschabschnitts in eine erste Gruppe von Passagen ein- und an der Oberseite des Wärmetauschabschnitts aus der ersten Gruppe von Passagen herausgeführt wird und der Wärmeträger durch eine zweite Gruppe von Passagen geführt wird, wird die Aufgabe durch gelöst, daß die Gasphase bei dem indirekten Wärmeaustausch teilweise kondensiert wird und in der ersten Gruppe von Passagen entstandenes Kondensat im Gleichstrom mit dem gasförmig verbliebenen Anteil nach oben aus dem Wärmetauschabschnitt heraus geführt wird, daß die von oberhalb des Wärmetauschabschnitts herabfließende Flüssigphase auf die obere Stirnfläche des Wärmetauschabschnitts geleitet, dort in Stoffaustausch mit der Gasphase und dem Kondensat, die aus der ersten Gruppe von Passagen ausströmen, gebracht und anschließend über einen Ablaufschacht nach unten an dem Wärmetauschabschnitt vorbeigeführt wird.

Trennkolonne und Verfahren zeichnen sich durch einen definierten Stoffaus tausch aus, der an der als Rektifizierboden wirkenden oberen Stirnfläche des Wärmetauschabschnittes beziehungsweise Wärmetauschers bei konstanten Gleich gewichtsbedingungen stattfindet. Dieser Stoffaustausch wird also im Gegen satz zu konventionellen Dephlegmatoren nicht primär innerhalb des Wärmetau schers durchgeführt. Im Gegenteil, die Flüssigphase wird an dem Wärmetau scherabschnitt vorbeigeführt, das heißt sie wird nach unten geführt, ohne selbst an dem indirekten Wärmeaustausch teilzunehmen.

Die Rücklaufflüssigkeit wird nicht durch den Wärmetauscher hindurchgeführt, sondern an ihm vorbeigeleitet. In der ersten Gruppe von Passagen des Wärme tauschers entstehendes Kondensat wird im Gleichstrom mit dem gasförmigen Anteil nach oben aus der Passagengruppe von Passagen herausgeführt. Dadurch sind sehr hohe Gasgeschwindigkeiten möglich, die Anströmfläche der ersten Gruppe von Passagen und die Baugröße des gesamten Wärmetauschers können sehr klein ausfallen. Im Vergleich mit den vorbekannten in Kolonnen eingebauten Wärmetauschern ergibt sich eine wesentlich kompaktere Bauweise.

Damit ist es gelungen, indirekten Wärmeaustausch und Stoffaustausch in einem Apparat zu integrieren und damit die Vorteile von Dephlegmatoren und konven tionellen Rektifierkolonnen zu vereinen.

Vorzugsweise sind bei der Trennkolonne mehrere Wärmetauscher und Ablauf schächte entlang der Kolonnenachse angeordnet. Für das erfindungsgemäße Verfahren bedeutet dies, daß der indirekte Wärmetausch zwischen in der Kolonne aufsteigendem Gas und einem Wärmeträger mehrfach und bei unter schiedlichen Temperaturen stattfindet.

Dadurch kann das Temperaturprofil innerhalb der Kolonne nicht nur an einer, sondern an zwei oder mehr Stellen an den thermodynamisch optimalen Verlauf angepaßt werden. Damit wird die Trennwirkung der Kolonne weiter verbessert.

Für die Schaltung bei zwei oder mehreren Wärmetauschabschnitten gibt es verschiedene Alternativen, die nach den jeweiligen Erfordernissen der speziellen Trennaufgabe variiert werden können. So können beispielweise sämtliche Böden erfindungsgemäß durch Wärmetauscher beziehungsweise Wärme tauschabschnitte realisiert sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit nur einen oder mehrere Teilbereiche der Kolonne mit Wärmetauschern auszurüsten und zwischen zwei derartigen Teilbereichen konventionelle Böden, Füllkörper oder geordnete Packungen einzubauen. Die Auswahl trifft der Fachmann in jedem Einzelfall in Abwägung von apparativen Kosten und verfahrenstechni schem Nutzen der Maßnahmen.

In bestimmten Anwendungsfällen kann es notwendig sein, eine besonders hohe Fläche für den Stoffaustausch zwischen Flüssigkeit und Dampf zur Verfügung zustellen, die allein durch die Stirnfläche des Wärmetauschers nicht er reicht wird. Hier ist es günstig, wenn zusätzlich zwischen zwei übereinan derliegenden Wärmetauschern beziehungsweise zwischen Kolonnenkopf und oberstem Wärmetauscher ein konventioneller Rektifizierboden angeordnet ist, der über eine Ablaufleitung mit dem zu dem unteren der beiden Wärmetauscher gehörigen Ablaufschacht verbunden ist.

Dies ist auch dann sinnvoll, wenn die gesamte Kolonne mit Wärmetauschern ausgestattet ist und kein Kolonnenabschnitt konventionell ausgeführt ist. Der Rektifizierboden kann beispielsweise als Siebboden oder als Glockenboden ausgeführt sein, oder auch als mit einer geordneten Packung oder Füllkörpern ausgestatteten Kolonnenabschnitt, dessen Höhe etwa einem konventionellen Boden entspricht.

Die Rücklaufflüssigkeit wird hier in der Regel auf den oberhalb des unteren Wärmetauschers angeordneten konventionellen Rektifizierboden und von dort aus an der oberen Stirnfläche des Wärmetauschers vorbei geleitet. Auf der als Rektifizierboden ausgebildeten oberen Stirnfläche des Wärmetauschers tritt dann lediglich das in dem Wärmetauscher gebildete Kondensat mit auf steigendem Dampf in Stoff- und Wärmeaustausch. Die Höhe der auf der oberen Stirnfläche anstehenden Flüssigkeit kann daher geringer sein als bei der Variante ohne zusätzlichen konventionellen Boden oder Säulenabschnitt, bei der im allgemeinen die ganze Rücklaufflüssigkeit über die obere Stirnfläche des Wärmetauschers geführt wird. Beispielsweise kann ein Wehr, welches diesen Flüssigkeitsstand einstellt, niedriger ausgebildet sein oder es kann sogar ganz auf eine derartige seitliche Begrenzung verzichtet werden.

Bei zwei oder mehreren derartig angeordneten und betriebenen Wärmetauschern ist es außerdem günstig, wenn gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung die zweiten Gruppen von Passagen jeweils zweier Wärmetauscher durch eine Wärme trägerleitung verbunden sind, welche vom Ausgang der zweiten Gruppe von Passagen des ersten der beiden Wärmetauscher zum Eingang der zweiten Gruppe von Passagen des zweiten der beiden Wärmetauscher führt. Verfahrensmäßig ausgedrückt bedeutet dies, daß jeweils zwei Wärmetauschabschnitte auch wärmeträgerseitig sequentiell verbunden sind, indem aus dem ersten der beiden Wärmetauschabschnitte austretender Wärmeträger direkt dem zweiten der beiden Wärmetauschabschnitte zugeführt wird.

Vorzugsweise werden nicht nur Paare von Wärmetauschabschnitten, sondern die gesamte Kolonne beziehungsweise ganze Teilbereiche der Kolonne, die erfin dungsgemäß mit Wärmetauschern ausgestattet sind, auf diese Weise betrieben. Die Schaltung kann beispielsweise so realisiert werden, daß jeweils benach barte Wärmetauscher wärmeträgerseitig sequentiell verbunden sind, oder auch indem zum Beispiel jeweils Paare von übernächsten Wärmetauscher auf diese Weise verbunden werden. Die konkrete Realisierung richtet sich nach den Bedürfnissen und Randbedingungen der speziellen Trennaufgabe.

Durch die Sequenzschaltung werden mehrere Vorteile erzielt:

Das Temperaturprofil paßt sich bei geeignter Dimensionierung des Apparates selbsttätig dem thermodynamisch optimalen Verlauf an. Es braucht nicht jeder einzelne der Wärmetauscher gesteuert zu werden, sondern nur ein einziger Wärmeträgerstrom. Damit ist der Steuer- und Regelaufwand denkbar gering und das Verfahren arbeitet ohne Eingriffe von außen äußerst stabil und zuverläs sig.

Daneben kann darauf verzichtet werden, Zu- und Ablaufleitungen für jeden einzelnen Wärmetauscher vorzusehen und entsprechend aus Druckmantel und thermischer Isolierung (Cold-Box im Falle von Tieftemperaturanlagen) heraus zuführen. Der gesamte mit Wärmetauschern ausgestattete und wärmeträgerseitig sequentiell geschaltete Kolonnenabschnitt kann als ein Block vorgefertigt werden, so daß am Aufstellort eine schnelle und wenig aufwendige Montage möglich ist.

Die Herstellung und Vormontage eines solchen Blockes kann besonders kosten günstig durchgeführt werden, da sowohl für den Wärmetauscher als auch für die übrigen Kolonnenteile und -einbauten ein einziger Werkstoff, beispiels weise Aluminium, verwendet werden kann.

In vorteilhafter Weise wird dies realisiert, indem der zweite der beiden benachbarten Wärmetauscher unterhalb des ersten angeordnet ist.

Außerdem ist es günstig, wenn der beziehungsweise die Wärmetauscher als Plattenwärmetauscher ausgebildet ist/sind. Bei Versuchen mit verschiedenen Stoffgemischen hat sich herausgestellt, daß Blöcke von Plattenwärmetauschern für die Trennkolonne und das Verfahren gemäß der Erfindung am besten geeig net sind. Durch geeignete Wahl der zwischen zwei Platten eingebauten Fins können die Strömungseigenschaften, insbesondere in der ersten Gruppe von Passagen, sehr genau eingestellt und das Mitreißen von Kondensat durch den Gasstrom bewirkt werden. Da Plattenwärmetauscher beispielsweise aus Alumi nium hergestellt werden, ergeben sich die oben bereits erwähnten Vorteile eines einheitlichen Werkstoffes.

Dabei kann der Wärmetauscher selbstverständlich mehr als zwei Gruppen von Passagen enthalten. Oftmals ist es günstig mehrere Wärmeträger in einem Wärmetauschabschnitt einzusetzen. Ein Wärmetauscher für die erfindungsgemäße Kolonne kann auch zwei- oder mehrflutig ausgelegt sein.

Ein besonders vorteilhafter Anwendungsbereich von Trennkolonne und bisher beschriebenem Verfahren gemäß der Erfindung liegt in der Abtrennung von schwerer flüchtigen Kohlenwasserstoffen aus einem Stoffgemisch, das außerdem leichter flüchtige Kohlenwasserstoffe und möglicherweise noch leichte siedende Gase, z. B. Wasserstoff enthält. Eine solche Trennaufgabe stellt sich beispielsweise bei der Ethylenerzeugung oder der Aufarbeitung von Erdgas oder Raffinerieabgasen.

Die Erfindung betrifft daher des weiteren ein Verfahren zur Abtrennung von schwerersiedenden Komponenten aus einem Gasgemisch, das auch leichtersieden de Komponenten enthält, bei dem zu zerlegendes Gasgemisch in einer Kondensa tionsstufe abgekühlt, partiell kondensiert und in eine flüssige und eine gasförmige Fraktion getrennt wird und in einer Stoff- und Wärmeaustauschein heit aus zu zerlegendem Gasgemisch Kondensat erzeugt wird, wobei die in der Kondensationsstufe gewonnene flüssige Fraktion und/oder das in der Stoff- und Wärmeaustauscheinheit gewonnene Kondensat einer Rektifizierkolon ne zugeführt und dort in einen im wesentlichen schwerersiedende Komponenten enthaltenden Produktstrom und in einen überwiegend leichter siedende Kompo nenten enthaltenden Restgasstrom zerlegt werden.

Aus der EP-A-1 37 744 (Fig. 2) ist ein derartiges Verfahren bekannt, in welchem das Einsatzgemisch zunächst in einer Kondensationsstufe behandelt wird, und die dabei entstandene gasförmige Fraktion in eine Stoff- und Wärmeaustauscheinheit eingeführt, die durch einen konventionellen Dephlegma tor gebildet ist. Die in der Kondensationsstufe gewonnene flüssige Fraktion und das im Dephlegmator gewonnene Kondensat werden in einer Rektifizierko lonne weiterverarbeitet. Dieses Verfahren arbeitet relativ wirtschaftlich, da die gasförmig verbliebene Fraktion nicht in die Rektifizierkolonne eingeführt wird und der apparative und energetische Aufwand bei der Rektifi zierkolonne relativ gering gehalten wird. Erkauft wird dies allerdings mit Ausbeuteverlusten an schwerer siedenden Anteilen, die mit der gasförmigen Fraktion entweichen.

Diesem Teil der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Wirtschaft lichkeit des Verfahrens weiter zu verbessern. Insbesondere soll bei vorgege bener Größe der Kolonne - beispielsweise bei Erweiterungen bestehender Anla gen - eine möglichst hohe Kapazität erreicht werden. Verluste an Ausbeute sind dabei weitestgehend zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß daß die Stoff- und Wärmeaustauschein heit als Trennkolonne gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist und mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9 betrieben wird.

Besonders vorteilhaft ist die Anwendung eines derartigen Trennverfahrens zur Abtrennung von C₂₊-, C₃₊- oder von C₄₊-Kohlenwasserstoffen aus einem leichte Kohlenwasserstoffe und gegebenenfalls leichter als Methan siedende Komponenten enthaltenden Gasgemisch.

Auf diese Weise wird die sehr gute Trennwirkung und die hohe Zuverlässigkeit von erfindungsgemäßer Trennkolonne und Verfahren ausgenutzt, um in Verbin dung mit der Kondensationsstufe praktisch alle C₂₊-, C₃₊- beziehungswei se C₄₊-Anteile aus dem zu zerlegenden Gasgemisch abzutrennen und voranzu reichern, ohne daß leicht flüchtige Anteile gasförmig in die Rektifizierko lonne eingeleitet werden müssen. Durch die relativ geringe Einspeisung sinkt der Kältebedarf am Kopf der Rektifizierkolonne und ihr Durchmesser kann außerordentlich gering ausfallen. Umgekehrt kann eine vorhandene Rektifi zierkolonne mit sehr hoher Kapazität an schwerer siedendem Produkt gefahren werden. Die Verluste an Ausbeute sind bei gleichem apparativen Aufwand wesentlich geringer als beim Einsatz konventioneller Dephlegmatoren.

In günstiger Weiterbildung der erfindungsgemäßen Verfahrens werden das zu zerlegende Gasgemisch zunächst in die Stoff- und Wärmeaustauscheinheit eingeleitet, das gasförmig verbliebene Gemisch aus der Stoff- und Wärmeaus tauscheinheit in die Kondensationsstufe geführt und die flüssige Fraktion aus der Kondensationsstufe in die Rektifizierkolonne eingespeist.

Eine Alternative dazu besteht darin, das Gasgemisch zunächst in die Konden sationsstufe einzuleiten, die gasförmige Fraktion aus der Kondensationsstufe in die Stoff- und Wärmeaustauscheinheit zu führen und die flüssige Fraktion aus der Kondensationsstufe mindestens teilweise in die Rektifizierkolonne einzuspeisen.

Besonders günstig ist die Kombination beider Varianten, das heißt die Verwendung von zwei Kondensationsstufen, von denen die erste vor die Stoff- und Wärmeaustauscheinheit geschaltet, die andere der Stoff- und Wärmeaustauscheinheit nachgeschaltet ist. Auf diese Weise kann ein besonders großer Anteil der schwerersiedenenden Komponenten bereits vor der Rektifi ziersäule auskondensiert werden.

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werdne im folgenden anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispie len näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 einen Abschnitt einer erfindungsgemäß ausgestalteten Trenn kolonne in einem Schnitt längs der Kolonnenachse,

Fig. 2 einen Schnitt senkrecht zur Kolonnenachse entlang der Schnitt linie A-A in Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines Wärmetauscherabschnit tes,

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie B-B von Fig. 3,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel für die wärmeträgerseitige Schaltung von Wärmetauscherabschnitten und

Fig. 6 ein Beispiel für ein Verfahren zur Abtrennung von schwerersie denden Komponenten aus einem Gasgemisch gemäß der Erfindung.

Soweit sinnvoll werden in den Zeichnungen dieselben Bezugszeichen für einander entsprechende Bauteile beziehungsweise Verfahrensschritte verwen det. Die Ströme verschiedenen Aggragatzustandes innerhalb der Trennkolonne sind durch einfache Pfeile (Flüssigkeit) und Doppelpfeile (Gas) angedeutet. Die Pfeile mit gestrichelten Linien zeigen die Strömung des Wärmeträgers. Strömungen in die Zeichenebene hinein beziehungsweise aus der Zeichenebene heraus sind durch von Kreisen umschlossene Kreuze beziehungsweise Punkte angedeutet.

Fig. 1 zeigt einen Abschnitt einer Trennkolonne 1. Der Mantel 2 ist längs der Kolonnenachse geschnitten. Der dargestellte Kolonnenabschnitt enthält drei Wärmetauscher 3a, 3b, 3c. (Im folgenden wird der Kürze halber der Begriff Wärmetauscher verwendet, der dem Begriff Wärmetauscherabschnitt in der Formulierung des Verfahrens entspricht.) Der Querschnitt von Fig. 2 zeigt einen Blick ins Innere des Wärmetauschers 3a, aus dem dessen prinzi pieller Aufbau ersichtlich ist. Die übrigen Wärmetauscher 3b, 3c sind analog aufgebaut.

Der Wärmetauscher 3a weist eine erste Gruppe von Passagen (4 in Fig. 2) auf, die an ihrer Unterseite (Eintritt) und an ihrer Oberseite (Austritt) mit dem vom gasförmigen Teil des zu trennenden Stoffgemisches durchströmten Innenraum der Trennkolonne 1 kommunizieren. Das in den Passagen 4 der ersten Gruppe aufsteigende Gas tritt in indirekten Wärmeaustausch mit einem Wärme träger, der durch eine zweite Gruppe von Passagen (5 in Fig. 2) strömt, und wird dabei vorzugsweise abgekühlt und partiell kondensiert. Wärmeträger und kondensierendes Gas fließen im Kreuzstrom.

Die zweite Passagengruppe 5 ist mit mindestens einer Zuführleitung 6a und mindestens einer Abführleitung 7a für einen Wärmeträger verbunden. Die Zuführleitung 6a kann beispielsweise mit einem von außen in die Kolonne 1 führenden Eintrittsstutzen 12 verbunden sein oder aber mit der Abführleitung eines darüberliegenden Wärmetauschers (zum Beispiel 6b mit 7a oder 6c mit 7b), so daß sich eine wärmeträgerseitige Serienschaltung ergibt. Im Beispiel der Fig. 1 mündet die Abführleitung 7c des untersten dargestellten Wärme tauschers 3c in einen Austrittsstutzen 13, durch den der Wärmeträger die Trennkolonne 1 verläßt. Es können jedoch nicht nur solche durchgehend mit Wärmetauschers 3a, 3b, 3c ausgestatteten Kolonnenabschnitte wärmeträgersei tig seriell verbunden sein, sondern beispielsweise auch zwei Warmetauscher, zwischen denen sich ein durch Böden oder Packungen gebildeter konventionel ler Abschnitt befindet.

In dem vergrößerten Ausschnitt von Fig. 2 sind die in Strömungsrichtung in die Passagen der ersten Gruppe eingebauten Fins 17 zu sehen. Die um 90° gedrehten Fins in den Passagen 5 der zweiten Gruppe sind nicht sichtbar.

Die oberen Stirnflächen 8a, 8b, 8c sämtlicher in Fig. 1 dargestellten Wärmetauscher sind als Rektifizierböden ausgebildet. Es kann sich auf ihnen ein vorbestimmter Flüssigkeitsstand einstellen, indem ein kontrolliertes Abfließen der anstehenden Flüssigkeit in einen Ablaufschacht 10a, 10b, 10c, der an dem Wärmetauscher 3a, 3b, 3c vorbeiführt, gewährleistet wird. Dazu dienen beispielsweise die seitlichee Wehre 9a, 9b. Zum anderen sind die Passagen 4 der ersten Passagengruppe nach oben hin offen, so daß austreten des Gas blasenförmig durch die anstehende Flüssigkeit strömt und dabei in intensiven Stoff- und Wärmeaustausch mit der Flüssigkeit tritt. Diese Vor gänge sind in Fig. 4 besonders deutlich zu erkennen.

An einer Seite sind die als Rektifizierböden ausgebildeten oberen Stirnflä chen 8a, 8b, 8c durch Verlängerungsböden 11a, 11b, 11c bis zum Mantel 2 hin ausgedehnt. In Fig. 1 sind die Ablaufschächte 10a, 10b, 10c und die Abfuhr leitungen 7a, 7b, 7c an derselben Seite der Wärmetauscher 3a, 3b, 3c einge zeichnet, um all Ströme in einem Bild darstellen zu können. In Wirklichkeit sind sie jeweils um 90° versetzt, wie in den folgenden Figuren, insbesondere in Fig. 3, deutlich zu erkennen ist.

Gemäß einem wichtigen Merkmal der Erfindung sind die Passagen 4 der ersten Gruppe sind in ihrem Querschnitt und durch Auswahl geeigneter Fins so ausgestaltet und an das zu zerlegende Stoffgemisch angepaßt, daß Kondensat, welches sich bei dem indirekten Wärmeaustausch mit dem Wärmeträger in den Passagen 4 bildet, von dem nach oben strömenden Gas mitgerissen wird und an der oberen Stirnseite 8a, 8b, 8c ebenfalls in Stoff- und Wärmeaustausch mit der anstehenden Flüssigkeit gebracht wird.

Zwischen den Wärmetauschern 3b und 3c von Fig. 1 ist zur Erhöhung der Stoffaustauschfläche ein konventioneller Rektifizierboden 14 als Zusatzboden eingebaut. Eine Ablaufleitung 15 kommuniziert mit dem Ablaufschacht 10c und führt Flüssigkeit von dem Zusatzboden 14 direkt auf den darunterliegenden Rektifizierboden 16. Dieser ist in Fig. 1 als konventioneller Boden ge zeichnet, es könnte sich jedoch genausogut um die obere Stirnfläche eines Wärmetauschers oder um einen oberhalb eines mit Packungen ausgestatteten Abschnittes angeordneten Flüssigkeitsverteiler handeln. Die Flüssigkeit wird von oben über den Ablaufschacht 10b nicht auf die obere Stirnfläche des Wärmetauschers 3b, sondern auf den Zusatzboden 14 geleitet. Die obere Stirn fläche 8c wirkt nur noch als Rektifizierboden für bei dem Wärmeaustausch gebildetes Kondensat und aufsteigendes Gas. Der Flüssigkeitsstand auf der oberen Stirnfläche 8c kann daher niedriger als bei den Wärmetauschern 3a und 3b gehalten werden, indem das entsprechende Wehr eine geringere Höhe auf weist. In dem in der Zeichnung dargestellten Beispiel wurde sogar ganz auf ein Wehr verzichtet.

Das Schaltschema der Fig. 5 dient zur Verdeutlichung der Vielzahl von Mög lichkeiten des Einsatzes von Wärmeträgern bei einer erfindungsgemäßen Trenn kolonne. Es kommen hier acht Wärmetauscher 31 bis 38 und drei verschiedene Wärmeträger B, C und D zum Einsatz. (In der Kolonne aufsteigendes Gas ist mit A, die Rücklaufflüssigkeit mit R bezeichnet.) Die zweiten Passagengrup pen der Wärmetauscher 32, 34, 36 und 38 müssen in zwei nicht miteinander kommunizierende Untergruppen für die Aufnahme der verschiedenen Wärmeträger aufgeteilt sein.

Die Wärmetauscher sind hier abwechselnd in Reihe geschaltet, das heißt die Abführleitung eines Wärmetauschers (z. B. 31) ist mit der Zuführleitung des übernächsten Wärmetauschers (z. B. 33) verbunden. Auf diese Weise sind die mit dem Wärmeträger B versorgten Wärmetauscher 31, 33, 35 und 37 sowie damit verschränkt die mit den Wärmeträgern C und D beaufschlagten Wärmetauscher 32, 34, 36 und 38 jeweils in Reihe geschaltet. Dies kann durch eine horizon tale Teilung der Passagen oder auch durch abwechselndes Beschicken der Pas sagen der zweiten Gruppe mit den beiden verschiedenen Wärmeträgern reali siert werden.

Es sind damit viele Schaltungsvarianten mit beliebig vielen Wärmeträgern denkbar, so daß das Temperaturprofil innerhalb einer erfindungsgemäßen Trennkolonne an die Bedürfnisse jeder Trennaufgabe optimal angepaßt werden kann.

Als Beispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Abtrennung von schwe rersiedenden Komponenten aus einem Stoffgemisch zeigt Fig. 6 in schemati scher Darstellung ein Verfahrens zur C₂-Abtrennung aus einem Stoffgemisch, das auch leichtersiedende Komponenten enthält.

Bei dem zu zerlegenden Gasgemisch kann es sich beispielsweise um Erdgas oder um Raffinerieabgas handeln. Es ist vorzugsweise in einer Anlage zur C₃-Ab trennung vorbehandelt worden und wird über Leitung 101 beispielsweise in einer Zusammensetzung von 18 mol% H₂, 37 mol% CH₄, 37 mol% C₂H₄ und 8 mol% C₂H₆ und unter einem Druck von 28 bis 32 bar, vorzugsweise 30 bis 31 bar, herangeführt. Das Gasgemisch wird in einer ersten Kondensationsstufe durch zweifachen indirekten Wärmeaustausch 102, 105 mit einem externen Kältemittel (beispielsweise C₂H₄) abgekühlt und partiell kondensiert. Die flüssigen Fraktionen werden jeweils in einem Abscheider 103, 106 abgetrennt und in eine Rektifiziersäule 108 eingedrosselt (Leitungen 104, 107).

Der gasförmige verbliebene Anteil 109 wird in eine mit Wärmetauschern ausgestattete Trennkolonne 110 eingespeist und dort einem Stoff- und Wärmeaustausch unterzogen. Als Wärmeträger dienen C₂-Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff und Methan (Leitungen 115, 116, 117), die vorzugsweise minde stens zum Teil als Produkte in dem Verfahren anfallen. Die Wärmetauscher in der Trennkolonne 110 können beispielsweise wie in Fig. 5 gezeigt geschaltet sein.

Das bereits stark an schwerersiedenden Komponenten angereicherte Kondensat, das im Sumpf der Trennkolonne anfällt, wird über Leitung 121 oberhalb der flüssigen Fraktionen 104, 106 aus der ersten Kondensationsstufe in die Rektifiziersäule 108 eingespeist. Das von C₂-Anteilen weitgehend befreite Gas, das am Kopf der Trennkolonne abgezogen wird (Leitung 111) wird in einem als zweite Kondensationsstufe betriebenen Wärmetauscher 112 weiter abge kühlt. Dabei anfallendes Kondensat, im wesentlichen Methan, wird über Leitung 117 durch den Wärmetauscher 112 und die Trennkolonne 117 geleitet und dabei in indirektem Wärmeaustausch mit zu zerlegendem Gas angewärmt und zu einem Teil über Leitung 114 auf den Kopf der Rektifiziersäule 108 aufge geben. Verbleibendes Gas, im wesentlichen Wasserstoff, wird über Leitung 116 ebenfalls durch Wärmetauscher 112 und Trennkolonne 110 geführt.

Die Rektifiziersäule 108 besitzt eine Sumpfheizung 118. Als Produkte werden ein C₂-reicher Strom 119 (Zusammensetzung beispielsweise 81 mol% C₂H₄, 19 mol% C₂H₆) und ein im wesentlichen aus Methan bestehendes Kopfgas 120 abgezogen.

Claims

1. Trennkolonne (1) zur Zerlegung eines Stoffgemisches durch Rektifikation, wobei

- in die Trennkolonne (1) ein Wärmetauscher (3a, 3b, 3c; 31-38) einge baut ist,
- eine erste Gruppe von Passagen (4) an ihrem Eintritt und an ihrem Austritt mit dem Innenraum der Trennkolonne (1) kommuniziert und
- eine zweite Gruppe von Passagen (5) des Wärmetauschers (3a, 3b, 3c; 31-38) mit mindestens je einer Zuführ- (6a, 6b, 6c) und Abführleitung (7a, 7b, 7c) für einen Wärmeträger verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

- der Wärmetauscher (3a, 3b, 3c; 31-38) so ausgebildet ist, daß Flüssig keit innerhalb der ersten Gruppe von Passagen (4) im Gleichstrom mit Gas nach oben strömt, daß
- die obere Stirnfläche (8a, 8b, 8c) des Wärmetauschers (3a, 3b, 3c; 31-38) als Rektifizierboden ausgebildet ist, und daß
- ein Ablaufschacht (10a, 10b, 10c) eingebaut ist, dessen Oberseite mit der als Rektifizierboden ausgebildeten oberen Stirnfläche (8a, 8b, 8c) des Wärmetauschers (3a, 3b, 3c; 31-38) und dessen Unterseite unterhalb des Wärmetauschers (3a, 3b, 3c; 31-38) mit dem Innenraum der Trenn kolonne (1) verbunden sind.

2. Trennkolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wärmetauscher (3a, 3b, 3c; 31-38) und Ablaufschächte (10a, 10b, 10c) entlang der Kolonnenachse angeordnet sind.

3. Trennkolonne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei benachbarten Wärmetauschern (3b, 3c) genau ein konventioneller Rektifizierboden (14) angeordnet ist, der über eine Ablaufleitung (15) mit dem zu dem unteren (3c) der beiden Wärmetauscher gehörigen Ablauf schacht (10c) verbunden ist.

4. Trennkolonne nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Gruppen von Passagen (5) jeweils zweier Wärmetauscher (3a, 3b; 3b, 3c; 31, 33; 32, 34) durch eine Wärmeträgerleitung (7a, 6b; 7b, 6c) verbunden sind, welche vom Ausgang der zweiten Gruppe von Passagen (5) des ersten (3a; 3b; 31; 32) der beiden Wärmetauscher zum Eingang der zweiten Gruppe von Passagen des zweiten (3b; 3c; 33; 34) der beiden Wärmetauscher führt.

5. Trennkolonne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite (3b; 3c; 33; 34) der beiden benachbarten Wärmetauscher unterhalb des ersten (3a; 3b; 31; 32) angeordnet ist.

6. Trennkolonne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der beziehungsweise die Wärmetauscher (3a, 3b, 3c; 31-38) als Plattenwärmetauscher ausgebildet ist/sind.

7. Verfahren zur Trennung eines Stoffgemisches durch Stoffaustausch zwi schen einer Gas- und einer Flüssigphase in einer Trennkolonne (1), die

- einen Wärmetauschabschnitt (3a, 3b, 3c; 31-38) aufweist, in dem die Gasphase in indirekten Wärmeaustausch mit einem Wärmeträger gebracht wird, wobei
- die Gasphase an der Unterseite des Wärmetauschabschnitts (3a, 3b, 3c; 31-38) in eine erste Gruppe von Passagen (4) ein- und an der Oberseite des Wärmetauschabschnitts (3a, 3b, 3c; 31-38) aus der ersten Gruppe von Passagen (4) herausgeführt wird und
- der Wärmeträger durch eine zweite Gruppe von Passagen (5) geführt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Gasphase
- - bei dem indirekten Wärmeaustausch teilweise kondensiert wird und
- - in der ersten Gruppe von Passagen (4) entstandenes Kondensat im Gleichstrom mit dem gasförmig verbliebenen Anteil nach oben aus dem Wärmetauschabschnitt herausgeführt wird, daß
- die von oberhalb des Wärmetauschabschnitts (3a, 3b, 3c; 31-38) herab fließende Flüssigphase
- - auf die obere Stirnfläche (8a, 8b, 8c) des Wärmetauschabschnitts (3a, 3b, 3c; 31-38) geleitet,
- - dort in Stoffaustausch mit der Gasphase und dem Kondensat, die aus der ersten Gruppe von Passagen (4) ausströmen, gebracht und
- - anschließend über einen Ablaufschacht (10a, 10b, 10c) nach unten an dem Wärmetauschabschnitt (3a, 3b, 3c; 31-38) vorbeigeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wärme tauschabschnitte (3a, 3b, 3c; 31-38) vorgesehen sind, in denen der indirekte Wärmeaustausch der Gasphase mit einem Wärmeträger auf unter schiedlichen Temperaturniveaus durchgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Wärmetauschabschnitte (3a, 3b; 3b, 3c; 31, 33; 32, 34) auch wärmeträger seitig sequentiell verbunden sind, indem aus dem ersten (3a; 3b; 31; 32) der beiden Wärmetauschabschnitte austretender Wärmeträger direkt dem zweiten (3b; 3c; 33; 34) der beiden Wärmetauschabschnitte zugeführt (7a, 6b; 7b, 6c) wird.

10. Verfahren zur Abtrennung von schwerersiedenden Komponenten aus einem Gasgemisch (101), das auch leichtersiedende Komponenten enthält, bei dem zu zerlegendes Gasgemisch (101) in einer Kondensationsstufe abgekühlt (102, 105), partiell kondensiert und in eine flüssige (104, 107) und eine gasförmige (109) Fraktion getrennt wird und in einer Stoff- und Wärmeaustauscheinheit (110) aus zu zerlegendem Gasgemisch (109) Konden sat (121) erzeugt wird, wobei die in der Kondensationsstufe gewonnene flüssige Fraktion (102, 105) und/oder das in der Stoff- und Wärmeaus tauscheinheit (110) gewonnene Kondensat (109) einer Rektifizierkolonne (108) zugeführt und dort in einen im wesentlichen schwerersiedende Komponenten enthaltenden Produktstrom (119) und in einen überwiegend leichter siedende Komponenten enthaltenden Restgasstrom (120) zerlegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoff- und Wärmeaustauschein heit (110) als Trennkolonne gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebil det ist und mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9 betrieben wird.

11. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 10 zur Abtrennung von C₂₊-, C₃₊- oder von C₄₊-Kohlenwasserstoffen (119) aus einem leichte Kohlenwasserstoffe und gegebenenfalls leichter als Methan siedende Komponenten enthaltenden Gasgemisch (101).

12. Verfahren nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch (109) zunächst in die Stoff- und Wärmeaustauscheinheit (110) eingeleitet, das gasförmig verbliebene Gemisch (111) aus der Stoff- und Wärmeaustauscheinheit (110) in die Kondensationsstufe (112) geführt und die flüssige Fraktion (114) aus der Kondensationsstufe mindestens teilweise in die Rektifizierkolonne (108) eingespeist wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch (101) zunächst in die Kondensationsstufe (102, 105) eingeleitet, die gasförmige Fraktion (109) aus der Kondensationsstufe (102, 105) in die Stoff- und Wärmeaustauscheinheit (110) geführt und die flüssige Fraktion (104, 107) aus der Kondensationsstufe mindestens teilweise in die Rektifizierkolonne (108) eingespeist wird.