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Die
vorliegende Erfindung schlägt
vor ein Verfahren und eine Vorrichtung für effiziente Destillationsschemata,
um Mehrkomponentenmischungen, enthaltend drei oder mehr Komponenten,
in Produktströme
zu trennen, die jeweils hinsichtlich einer der Komponenten angereichert
sind. Im Allgemeinen besteht das Ziel eines Verfahrensingenieurs,
der ein Destillationsschema entwickelt, darin, dieses durch Verringerung
der Wärmeerfordernisse
der Destillationskolonnen im Destillationsschema effizienter zu
machen. Die in der Literatur bekannten Destillationsschemata, die
geringere Wärmeanforderungen
haben, sind recht komplex und schwierig zu betreiben. Im Ergebnis
mangelt es vielen dieser Schemata an Betriebsflexibilität und sie
werden in der Industrie kaum genutzt. Daher besteht ein Bedarf an
Destillationsschemata, die nicht komplex sind, obwohl sie geringe
Wärmeanforderungen
haben. Die vorliegende Erfindung ist eine Antwort auf diesen lang
bestehenden Bedarf zum Verbessern der Betriebsflexibilität der Mehrkomponentendestillation,
und zwar beim Aufrechterhalt geringerer Wärmeanforderungen.
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Man
betrachte die Trennung eines ternären Gemisches mit den Komponenten
A, B und C (Mischung ABC) in drei Produktströme, die jeweils hinsichtlich
einer der Komponenten angereichert sind. A ist die flüchtigste
Komponente und C ist die am wenigsten flüchtige Komponente. Um eine
ternäre
Mischung ABC in nahezu reine Komponenten zu trennen, muss das Destillationsschemata
zwei Destillationskolonnen nutzen. Solche Destillationsschemata
sind im Stand der Technik wohl bekannt. Es gibt fünf solcher
wohlbekannter Schemata. Die direkte Sequenz, die indirekte Sequenz,
einen Seitenrektifikator, einen Seitenstripper und thermisch gekoppelte
Kolonnen. Jedes dieser Schemata soll nun detaillierter unter Bezugnahme
auf die 1 bis 5 beschrieben
werden, die schematische Diagramme darstellen, welche Prozesse des
Standes der Technik zur Trennung ternärer Mischungen in ihre sie
aufbauenden Komponenten beschreiben.
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1 zeigt
das Schema einer direkten Sequenz. Eine Einspeismischung, enthaltend
die Komponenten A, B und C (Strom 10), wird in eine erste
Destillationskolonne 100 mit einem Kondensator 110 und
einem Reboiler 120 eingespeist, in der sie zu einem hinsichtlich der
Komponente A angereicherten Produkt (Strom 70) an der Spitze
destilliert wird. Die Flüssigkeit
vom Boden der Kolonne (Strom 20) ist hauptsächlich eine
binäre
Mischung, bestehend aus den Komponenten B und C. Dieser flüssige BC-Strom
wird in zwei Ströme
aufgeteilt. Ein erster Teil (Strom 22) wird in eine zweite
Destillationskolonne 200 eingespeist. Der zweite Teil (Strom 24)
wird zum Sieden gebracht und als Strom 26 am Boden der
ersten Destillationskolonne 100 eingespeist. Ein bezüglich B
angereichertes Produkt (Strom 80) und ein bezüglich C
angereichertes Produkt (Strom 90) werden in der zweiten
Destillationskolonne 200 mit einem Kondensator 210 und
einem Reboiler 220 erzeugt. Ein Teil der hinsichtlich C
angereicherten Bodenflüssigkeit
wird zum Sieden gebracht (Strom 92) und zur Bereitstellung
des Aufkochens zur Kolonne zurückgeführt. Es
sei angemerkt, dass der einzige Massentransfer zwischen den zwei
Kolonnen der Transfer des Stroms 22 aus der ersten Destillationskolonne 100 zur zweiten
Destillationskolonne 200 ist. Es gibt keinen Rückführstrom
aus der zweiten Destillationskolonne 200 zur ersten Destillationskolonne 100.
Dies ist ein Beispiel für
ausschließlich
eine Ein-Weg-Kommunikation zwischen den zwei Säulen.
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2 zeigt
das Schema einer indirekten Sequenz. Die Destillation der Einspeismischung
(Strom 10) in der ersten Destillationskolonne 100 mit
einem Kondensator 111 und einem Reboiler (121)
erzeugt ein hinsichtlich C angereichertes Produkt (Strom 90)
am Boden und ein hauptsächlich
binäres
Dampfgemisch AB (Strom 30) an der Spitze. Ein Teil dieses
gesättigten
Dampfstroms wird in die zweite Destillationskolonne 200 (Strom 32)
eingespeist. Ein weiterer Teil (Strom 34) wird kondensiert
und als Reflux (Strom 36) zur ersten Destillationskolonne 100 geschickt.
Ein hinsichtlich A angereichertes Produkt und ein hinsichtlich B
angereichertes Produkt (Ströme 70 bzw. 80)
werden aus der zweiten Destillationskolonne 200 mit einem
Kondensator 211 und einem Reboiler 221 erzeugt.
Wiederum gibt es nur eine Ein-Weg-Kommunikation durch Strom 32 zwischen
der ersten und der zweiten Destillationskolonne.
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3 zeigt
das Schema einer Seitenrektifikation, worin die Einspeismischung
ABC (Strom 10) in einer ersten Destillationskolonne 100 mit
einem Kondensator 110 und einem Reboiler 121 zur
Erzeugung eines hinsichtlich A angereicherten Produkts (Strom 70)
an der Spitze und eines hinsichtlich C angereicherten Produkts (Strom 90)
am Boden destil liert wird. Ein Teil der hinsichtlich C angereicherten
Bodenflüssigkeit
wird zum Sieden gebracht (Strom 92) und zur Säule zum
Bereitstellen eines Aufkochens zurückgeführt. Die Komponente mittlerer
Flüchtigkeit,
B, wird an der Spitze der zweiten Destillationskolonne 200 (auch
als Seitenrektifikator bekannt) mit einem Kondensator 210 gesammelt
(Strom 80). Es ist wesentlich zu bemerken, dass die zweite
Destillationskolonne 200 keinen Reboiler am Boden aufweist
und stattdessen mit Dampf (Strom 50), der an einer Stelle
unterhalb des Einspeisens der ersten Destillationskolonne 100 entnommen
ist, beschickt wird. Dieser Dampfstrom ist hauptsächlich eine
binäre
Mischung, bestehend aus den Komponenten B und C. Die Flüssigkeit
(Strom 52) vom Boden der zweiten Destillationskolonne 200 wird
zur ersten Destillationskolonne 100 am selben Ort geschickt,
an dem der Dampf (Strom 50) aus der ersten Destillationskolonne 100 entnommen
wurde. Dies führt
zu einer Zwei-Wege-Kommunikation zwischen den beiden Destillationskolonnen.
In einem beidseitigen Kommunikationsmodus, wenn ein Dampfstrom von
einer Kolonne zu einer anderen Kolonne geschickt wird, wird anschießend ein
rückkehrender
Flüssigkeitsstrom
zwischen denselben Stellen der zwei Kolonnen eingerichtet. Im Vergleich
zu den Schemata in 1 und 2 ist die
Anzahl der Reboiler um einen verringert und ist die Gesamtzahl der
verwendeten Reboiler und Kondensatoren 3 im Vergleich zu 4.
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4 zeigt
das Schema eines Seitenstrippers, das 3 vergleichbar
ist (entsprechende Ströme
und Ausstattung haben dieselbe Bezifferung), ausgenommen, dass der
Einspeisstrom zur zweiten Destillationskolonne 200 (nun
bekannt als Seitenstripper) eine Flüssigkeit (Strom 60)
darstellt, Produkt B (Strom 80) am Boden der zweiten Destillationskolonne 200 anstelle
der Spitze gesammelt wird und die zweite Destillationskolonne 200 einen
Reboiler 221, aber keinen Kondensator aufweist. Der Flüssigkeitsstrom
wird aus der ersten Destillationskolonne 100 an einem Ort
entnommen, der sich oberhalb der Einspeisstelle der ersten Destillationskolonne 100 befindet,
und stellt im Wesentlichen eine binäre Mischung dar, bestehend
aus den Komponenten A und B, und wird an der Spitze der zweiten
Destillationskolonne 200 eingespeist. Der Dampf (62)
von der Spitze der zweiten Destillationskolonne 200 wird
zur ersten Destillationskolonne 100 zurückgeführt, was zu einer Zwei-Wege-Kommunikation
zwischen den zwei Kolonnen führt.
In diesem Modus der beidseitigen Kommunikation wird ein Flüssigkeitsstrom
von der ersten Destillationskolonne 100 zu einer anderen
Kolonne geschickt, anschließend
wird ein rückkehrender
Dampf strom zwischen denselben Stellen der beiden Kolonnen implementiert.
Es ist wesentlich zu bemerken, dass im Vergleich zum Schema in 2 in 4 ein
Kondensator weniger genutzt wird.
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5 zeigt
ein Schema, das zwei Zwei-Wege-Kommunikationen zwischen der ersten
und der zweiten Kolonne zeigt, wodurch nur ein Reboiler 222 und
ein Kondensator 212 in der zweiten Destillationskolonne 200 genutzt
werden. Die beidseitige Kommunikation (22, 27)
am Boden der ersten Destillationskolonne 100 ist dieselbe,
wie die in 3 gezeigte, und die beidseitige
Kommunikation (32, 37) an der Spitze ist dieselbe,
wie die in 4 gezeigte. Ein hinsichtlich
B angereichertes Produkt (Strom 80) wird an einem intermediären Ort
der zweiten Destillationskolonne 200 gesammelt. Es ist
wesentlich anzumerken, dass aufgrund der zwei beidseitigen Kommunikationen
die Gesamtzahl der Reboiler und Kondensatoren um zwei verringert
ist.
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Es
ist bekannt, dass die Schemata mit beidseitigen Kommunikationen
(gezeigt in den 3 bis 5) weniger
Wärmezufuhr
benötigen,
als diejenigen ohne beidseitige Kommunikation (1 und 2)
(„Minimum
Energy Requirements of Thermally Coupled Distillation Systems" (Minimale Energieanforderungen
thermische gekuppelter Destillationssysteme), Z. T. Fidkowski und
L. Królikowski,
AIChE Journal, Seiten 643–653, Band
33, 1987). Die Wärmeanforderung
in Reboiler 121 in 3 ist kleiner
als die Gesamtwärmeanforderung in
beiden Reboilern der 1. Gleichermaßen ist
die gesamte Wärmezufuhr
in den Reboilern für
die Seitenstripperkonfiguration in 4 kleiner
als die gesamte Wärmezufuhr
in den Reboilern der indirekten Sequenz in 2. Zahlreiche
Studien haben jedoch bewiesen, dass für die Trennung von ternären Einspeismischungen in
reine Produktströme
die Konfiguration mit zwei beidseitigen Kommunikationen in 5 die
geringste Wärmezufuhr
in ihrem Reboiler erfordert. Es ist festgestellt worden, dass im
Mittel die Konfiguration mit zwei Zwei-Wege-Kommunikationen 30 bis
50% weniger Wärme
erfordert als die entsprechenden herkömmlichen Anordnungen der 1 und 2;
sie erfordert im Allgemeinen auch sehr viel weniger Wärme als
die Konfiguration mit nur einer beidseitigen Kommunikation, gezeigt
in den 3 und 4. Es wird im Stand der Technik
gelehrt, dass zwei Zwei-Wege-Kommunikationen erforderlich sind,
um die geringsten Wärmeanforderungen
für eine
ternäre
Destillation zu erzielen.
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Obwohl
die Wärmeanforderungen
für das
Schema in 5 mit zwei beidseitigen Kommunikationen am
geringsten ist, ist es selten genutzt worden. Diese mangelhafte
Nutzung ist häufig
der Furcht vor Kontroll- oder Steuerungsproblemen zugeschrieben
worden („Thermal
Coupling for Energy Efficiency" (Thermische Kupplung
zur Energieeffizienz), H. Rudd, Supplement to the Chemical Engineer,
Seiten S14–S15,
27. August 1992; „The
Design and Optimization of Fully Thermally Coupled Distillation
Columns" (Das Design
und die Optimierung vollständig
thermisch gekuppelter Destillationskolonnen), C. Triantafyllou und
R. Smith, Trans. IChemE, Seiten 118–132, Band 70(A), 1992). Ein
häufig
genannter Gesichtspunkt ist die Flexibilität zur Steuerung der Ströme über einen
weiten Bereich sowohl an der Spitze als auch am Bodenende der ersten
Destillationskolonne 100. Damit der Dampf AB in Strom 32 von
der ersten Destillationskolonne 100 zur zweiten Destillationskolonne 200 strömt, muss
der Druck an der Spitze der ersten Kolonne größer als der Druck am Einspeispunkt
des Strom 32 an der zweiten Destillationskolonne 200 sein.
Gleichzeitig muss, damit der Dampf BC in Strom 27 von der
zweiten Destillationskolonne 200 zur ersten Destillationskolonne 100 strömt, der
Druck am Boden der ersten Destillationskolonne 100 geringer
als der Druck am Ursprungspunkt des Stroms 27 in der zweiten
Kolonne sein. Dieses erfordert eine sorgfältige Einstellung des Drucks
in beiden Kolonnen. Darüber hinaus
fließen
beide Flüssigkeitstransferströme 37 und 22 an
der Spitze und am Boden der ersten Destillationskolonne 100 in
einer dem Dampfstrom an jedem Ende entgegengesetzten Richtung. Dieses
erfordert, dass entweder eine Pumpe für jeden der Flüssigkeitsströme genutzt
wird oder dass die relative Höhe
der zwei Kolonnen so eingestellt wird, dass ein Transfer der Flüssigkeitsströme mittels
Schwerkraft möglich
wird. Alle diese Faktoren beschränken
die Betriebsflexibilität
des Schemas mit zwei beidseitigen Kommunikationen. Ersichtlich besteht
ein Bedarf an alternativen Lösungen
mit höherer
Betriebsflexibilität,
und zwar unter Beibehalt der geringeren Wärmeanforderung der Destillation.
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Dieselbe
Herausforderung liegt vor, wenn Mischungen mit mehr als drei Komponenten
destilliert werden sollen, um Produktströme zu erzeugen, die jeweils
hinsichtlich einer der Komponenten angereichert sind. Der Grund
besteht darin, dass die Destillationsschemata mit geringer Wärmeanforderung,
die zur Destillation von Mischungen von mehr als drei Komponenten
genutzt werden, aus dem ternären
Unterschema, gezeigt in 5, abgeleitet werden. Daher übertragen
sich Mängel
bzw. Nachteile des ternären
Unterschemas auch auf die Destillation von Mischungen, enthaltend
eine größere Anzahl
an Komponenten. Einige bekannte Beispiele für Schemata von Vier- oder Fünf-Komponenten-Destillationen
finden sich in einem Artikel von Agrawal („Synthesis of Distillation
Column Configurations for a Multicomponent Separation" (Synthese von Destillationskolonnenkonfigurationen
für eine
Multikomponententrennung), Ind. Eng. Chem. Res., Band 35, Seiten 1059–1071, 1996).
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
für die
Trennung eines Einspeisstroms, enthaltend drei oder mehr Bestandteile,
zu Produktströmen,
die bezüglich
einem der Bestandteile angereichert sind, und zwar mittels Destillation
in einem Destillationskolonnensystem, enthaltend mindestens zwei
Destillationskolonnen. Das Verfahren umfasst: (a) das Einspeisen
eines Einspeisstroms, enthaltend drei oder mehr Bestandteile, in
eine erste Destillationskolonne, (b) das Etablieren einer beidseitigen
oder Zwei-Wege-Strömungskommunikation
zwischen dem ersten Ende der ersten Destillationskolonne, worin
das erste Ende entweder das obere Ende bzw. die Spitze oder das
untere Ende bzw. der Boden der ersten Destillationskolonne ist,
und einer ersten Stelle einer zweiten Destillationskolonne durch
Einspeisen mindestens eines Teils des Dampf- oder Flüssigkeitsstroms,
der aus dem ersten Ende der ersten Destillationskolonne austritt,
an der ersten Stelle der zweiten Destillationskolonne, und hierfür Entnahme
bzw. Abziehen eines Stroms der gegenteiligen Phase aus der ersten
Stelle der zweiten Destillationskolonne und Einspeisen desselben
zum ersten Ende der ersten Destillationskolonne, worin Flüssigkeits- und Dampfphasen
als gegenteilige Phasen betrachtet werden, und (c) Etablieren einer
Ein-Weg-Kommunikation
zwischen dem ersten Ende der ersten Destillationskolonne, bei dem
es sich um das andere als das erste Ende, verwendet in Schritt (b),
handelt und einer zweiten Stelle der zweiten Destillationskolonne
durch Einspeisen mindestens eines Teils des Stroms, der aus dem
zweiten Ende der ersten Destillationskolonne austritt, zur zweiten
Stelle der zweiten Destillationskolonne, wobei es keinen Rückführungsstrom
von der zweiten Stelle der zweiten Destillationskolonne zum zweiten Ende
der ersten Destillationskolonne gibt.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist das erste Ende der ersten Destillationskolonne
in Schritt (b) das obere Ende bzw. die Spitze der ersten Destillationskolonne,
worin der Dampfstrom von der Spitze dieser Destillationskolonne
zur ersten Stelle der zweiten Destillationskolonne geschickt wird
und ein Flüssigkeitsstrom
aus der ersten Stelle der zweiten Destillationskolonne am oberen
Ende der ersten Destillationskolonne eingespeist wird. Weiterhin
handelt es sich in Schritt (c) bei dem zweiten Ende der ersten Destillationskolonne
um das untere Ende oder den Boden der ersten Destillationskolonne,
worin ein Teil der Flüssigkeit
aus dem unteren Ende dieser Kolonne an die zweite Stelle der zweiten
Destillationskolonne eingespeist wird. Noch weiterhin kann ein Teil
der Flüssigkeit
vom unteren Ende der ersten Destillationskolonne verdampft und als
Dampf zum Bodenende dieser Destillationskolonne zurückgeführt werden
und kann ein Teil des verdampften Stroms an einer geeigneten Stelle
der zweiten Destillationskolonne eingespeist werden. Wahlweise kann
in Schritt (c) ein Teil der Flüssigkeit
vom unteren Ende der ersten Destillationskolonne mindestens teilweise
verdampft und an der zweiten Stelle der zweiten Destillationskolonne
eingespeist werden. In Schritt (b) kann ein Teil des Dampfstroms
von der Spitze der ersten Destillationskolonne mindestens teilweise
kondensiert und anschließend
an einer geeigneten Stelle der zweiten Destillationskolonne eingespeist
werden.
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In
einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem ersten Ende der
ersten Destillationskolonne in Schritt (b) um das untere Ende bzw.
den Boden der ersten Destillationskolonne, worin der Flüssigkeitsstrom
vom Boden dieser Destillationskolonne zur ersten Stelle der zweiten
Destillationskolonne geschickt wird und ein Dampfstrom aus der ersten
Stelle der zweiten Destillationskolonne am Boden bzw. unteren Ende
der ersten Destillationskolonne eingespeist wird. Weiterhin handelt
es sich in Schritt (c) bei dem zweiten Ende der ersten Destillationskolonne
um das obere Ende bzw. die Spitze der ersten Destillationskolonne,
worin ein Teil des Dampfes von der Spitze dieser Kolonne an der
zweiten Stelle der zweiten Destillationskolonne eingespeist wird.
Noch weiterhin kann ein Teil des Dampfes von der Spitze der ersten
Destillationskolonne kondensiert und als Flüssigkeit zur Spitze dieser
Destillationskolonne rückgeführt werden und
kann wahlweise ein Teil des kondensierten Stroms an einer geeigneten
Stelle der zweiten Destillationskolonne eingespeist werden. Wahlweise
kann in Schritt (c) ein Teil des Damp fes von der Spitze der ersten
Destillationskolonne mindestens teilweise kondensiert und an der
zweiten Stelle der ersten Destillationskolonne eingespeist werden.
Ein Teil des Flüssigkeitsstroms
aus dem Boden der ersten Destillationskolonne kann mindestens teilweise
verdampft und an einer geeigneten Stelle der zweiten Destillationskolonne
eingespeist werden.
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Im
breitesten Sinne stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren
für die
Trennung eines Einspeisstroms, enthaltend drei oder mehr Bestandteile,
in Produktströme
bereit, die hinsichtlich einem der Bestandteile angereichert sind,
und zwar mittels Destillation in einem Destillationskolonnensystem,
enthaltend mindestens zwei Destillationszonen, umfassend:
- a) Einspeisen des Einspeisstroms, enthaltend
drei oder mehr Bestandteile, in eine Destillationszone;
- b) Etablieren einer Zwei-Wege-Strömungskommunikation zwischen
dem ersten Ende der ersten Destillationszone, wobei das erste Ende
entweder das obere Ende (die Spitze) oder das untere Ende (der Boden) der
ersten Destillationszone ist, und einer ersten Stelle einer zweiten
Destillationszone durch Einspeisen mindestens eines Teils des Dampf-
oder Flüssigkeitsstroms,
der aus dem ersten Ende der ersten Destillationszone austritt, an
der ersten Stelle der zweiten Destillationszone und hierfür Abziehen
bzw. Entnehmen eines Stroms der gegenteiligen Phase aus der ersten
Stelle der zweiten Destillationszone und Einspeisen desselben zum
ersten Ende der ersten Destillationszone, wobei Flüssigkeits-
und Dampfphasen als gegenteilige Phasen betrachtet werden, und
- c) Etablieren einer Ein-Weg-Kommunikation zwischen dem zweiten
Ende der ersten Destillationszone, bei dem es sich um das andere
Ende als das erste Ende, verwendet in Schritt (b), handelt, und
einer zweiten Stelle der zweiten Destillationszone durch Einspeisen
mindestens eines Teils des Stroms, der am zweiten Ende der ersten
Destillationszone austritt, zu der zweiten Stelle der zweiten Destillationszone,
worin es keinen Rückführungsstrom
von der zweiten Stelle der zweiten Destillationszone zum zweiten
Ende der ersten Destillationszone gibt.
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Das
Folgende ist eine Beschreibung nur mit Hilfe von Beispielen und
unter Bezugnahme auf die schematischen Diagramme der 6 bis 12,
die zahlreiche Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
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6 zeigt
die grundlegenden Merkmale der vorliegenden Erfindung. Eine ternäre Beschickung
ABC wird in die erste Destillationskolonne eingespeist. Unter diesen
drei Bestandteilen ist A die flüchtigste
und C die am wenigsten flüchtigste.
Dampfstrom 32 vom oberen und ersten Ende der ersten Destillationskolonne 100 wird
an einer ersten Stelle im oberen Teil der zweiten Kolonne 200 eingespeist.
Flüssigkeitsstrom 37 wird
von dieser ersten Stelle der zweiten Kolonne 200 abgezogen
und zur Spitze der ersten Kolonne 100 zurückgeführt. Es
ist wesentlich anzumerken, dass die Phase des Stroms 37 der
Phase des Stroms 32 entgegengesetzt ist. Am unteren Ende
der ersten Destillationskolonne 100 wird ein erster Teil
Flüssigkeit
in Leitung 22 zu einem zweiten Ort der zweiten Destillationskolonne 200 geschickt.
Dieser zweite Ort befindet sich unterhalb des ersten Ortes und im
unteren Teil der zweiten Destillationskolonne 200. Der
zweite Teil (Strom 24) wird in Reboiler 125 zum
Sieden gebracht und als Strom 26 zum Boden der ersten Destillationskolonne 100 eingespeist.
Die Komponente B wird (als Strom 80) aus der zweiten Destillationskolonne 200 an
einem Ort zwischen der ersten und der zweiten Stelle entnommen.
Die Komponente A wird (als Strom 70) von der Spitze der
zweiten Destillationskolonne 200 erzeugt und entnommen;
die Komponente C wird (als Strom 90) am Boden der zweiten Destillationskolonne 200 entnommen.
Ein Teil der Komponente A wird in Kondensator 215 kondensiert
und als Reflux zur zweiten Destillationskolonne 200 zurückgeführt. Ein
Teil der hinsichtlich C angereicherten Bodenflüssigkeit wird in Reboiler 225 zum
Sieden gebracht und (als Strom 92) zur zweiten Destillationskolonne 200 zur
Bereitstellung des Aufkochens zurückgeführt. In 6 besteht
eine Zwei-Wege-Kommunikation zwischen der Spitze der ersten Destillationskolonne 100 und
dem oberen Teil der zweiten Destillationskolonne 200. Die Ein-Weg-Kommunikation
besteht zwischen dem Boden der ersten Destillationskolonne 100 und
dem unteren Abschnitt der zweiten Destillationskolonne 200.
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7 zeigt
eine Variation der vorliegenden Erfindung, worin das untere Ende
der ersten Destillationskolonne 100 eine Zwei-Wege-Kommunikation
mit dem Bodenabschnitt der zweiten Destillationskolonne 200 aufweist
und worin das obere Ende der ersten Destillati onskolonne 100 nur
eine Ein-Weg-Kommunikation mit dem oberen Abschnitt der zweiten
Destillationskolonne 200 aufweist. Somit wird ein flüssiger Strom 22 vom unteren
Ende, das nun das erste Ende darstellt, der ersten Destillationskolonne 100 zum
unteren Abschnitt der zweiten Destillationskolonne 200 geschickt.
Der erste Ort bzw. die erste Stelle befindet sich nun im Bodenabschnitt
der zweiten Destillationskolonne 200. Da Strom 22 flüssig ist,
wird ein Dampfstrom 27 aus dem ersten Ort der zweiten Destillationskolonne 200 entnommen
und zum Boden der ersten Destillationskolonne 100 geschickt.
Ein Teil des Dampfstroms, der die erste Destillationskolonne 100 an
der Spitze verlässt,
wird als Strom 32 zur zweiten Destillationskolonne 200 geschickt.
Das obere Ende der ersten Destillationskolonne 100 ist
nun das zweite Ende der ersten Destillationskolonne 100.
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8 belegt
eine andere Variation des in 6 gezeigten
Verfahrens, worin eine Ein-Weg-Kommunikation
etabliert wird, indem man zwei (2) Ströme vom unteren Ende der ersten
Destillationskolonne 100 zum unteren Abschnitt der zweiten
Destillationskolonne 200 transferiert. Somit wird ein Teil
des flüssigen
Stroms in Leitung 20, der das untere Ende der ersten Destillationskolonne 100 verlässt, über Leitung 22 an
die zweite Destillationskolonne 200 geschickt. Anschließend wird
ein weiterer Teil dieser Flüssigkeit
in Leitung 24 zum Reboiler 125 geschickt. Ein
Teil des den Reboiler 125 verlassenden Dampfes wird zum
Boden der ersten Destillationskolonne 100 über Leitung 26 zurückgeführt, während der
andere Teil durch Leitung 28 an einen Ort der zweiten Kolonne
eingespeist wird, der sich vorzugsweise unterhalb desjenigen des
Flüssigkeitsstroms 22 befindet.
Die hauptsächlich
anzumerkende Tatsache besteht darin, dass kein Strom von den Einspeispunkten der
Ströme 22 und 28 der
zweiten Destillationskolonne 200 zum unteren Ende der ersten
Destillationskolonne 100 zurückgeführt wird. Das obere Ende der
ersten Destillationskolonne 100 weist dieselbe Zwei-Wege-Kommunikation
auf, wie in 6 gezeigt.
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Es
ist auch möglich,
eine Ausführungsform
mit Ein-Weg-Kommunikation aus 8 so abzuleiten, dass
in Leitung 22 kein Strom stattfindet. Der einzige Strom
würde durch
Leitung 28 fließen.
Diese Ausführungsform
belegt den Punkt, dass ein Teil des Flüssigkeitsstromes, der aus dem
Boden der ersten Destillationskolonne austritt, vor dem schließlichen
Einspeisen desselben in die zweite Destillationskolonne 200 weiter Wärme ausgetauscht
werden kann.
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9 zeigt
eine Verfahrensausführungsform,
die sich von dem in 7 gezeigten Verfahren ableitet, worin
die Ein-Weg-Kommunikation am oberen Ende der ersten Destillationskolonne 100 zwei
Ströme
zum oberen Bereich der zweiten Destillationskolonne 200 transferiert.
Der Dampfstrom 30 aus der Spitze der ersten Destillationskolonne 100 wird
in zwei Ströme 32 und 34 geteilt.
Der Dampfstrom 32 wird in die zweite Destillationskolonne 200 eingespeist.
Der Dampfstrom 34 wird zum Kondensator 115 geschickt,
und ein Teil der diesen Kondensator verlassenden Flüssigkeit
wird ebenfalls in die zweite Destillationskolonne 200 als
Flüssigkeitsstrom 38 eingespeist.
Vorzugsweise wird der Flüssigkeitsstrom 38 einige
Stufen über
dem Dampfstrom 32 eingespeist. Es ist wesentlich zu bemerken,
dass kein Strom von keiner der beiden Einspeisstellen der Ströme 32 bzw. 38 der
zweiten Destillationskolonne 200 zum oberen Ende der ersten
Destillationskolonne 100 zurückgeführt wird. Das untere Ende der
ersten Destillationskolonne hat dieselbe Zwei-Wege-Kommunikation mit der zweiten Destillationskolonne,
wie die Verfahrensausführungsform
in 7.
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Es
ist Wert anzumerken, dass in der Verfahrensform der 9 die
Strömungsgeschwindigkeit
des Stroms 32 Null sein könnte und dass der einzige Transfer
für die
Ein-Weg-Kommunikation
von der Spitze bzw. dem oberen Ende der ersten Destillationskolonne 100 zur
zweiten Destillationskolonne 200 über den Strom 38 wäre. Diese
Alternative belegt, dass für
eine Ein-Weg-Kommunikation ein Teil des Stroms, der die erste Destillationskolonne 100 am
zweiten Ende verlässt,
nicht unmittelbar zur zweiten Destillationskolonne 200 transferiert
wird, sondern erst nach einigem Wärmeaustausch transferiert wird.
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10 zeigt
eine andere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, worin nur ein Teil des die erste Destillationskolonne 100 am
ersten Ende verlassenden Stroms zur ersten Stelle der zweiten Destillationskolonne 200 geführt wird,
um eine Zwei-Wege-Kommunikation
zu etablieren. Der andere Teil des Stroms, der aus dem ersten Ende
austritt, wird wärmeausgetauscht
und anschließend
an einer geeigneten Stelle in die zweite Destillationskolonne 200 eingespeist.
In 10 wird ein Teil des Dampfstroms 30,
der die erste Destillationskolonne 100 an der Spitze verlässt, als
Strom 34 zum Kondensator 115 geschickt; nach mindestens
partieller Kondensation wird dieser als Strom 35 zur zweiten
Destillationskolonne geschickt. Vorzugsweise wird der Strom 35 einige
Stufen oberhalb des Einspeispunktes des Stroms 32 eingespeist.
Die Ein-Weg-Kommunikation am Boden der ersten Destillationskolonne 100 ist
dieselbe, wie für
die Ausführungsform
in 6. Würde man
eine ähnliche
Modifikation für
die Ausführungsform
in 7 vornehmen, dann würde ein Teil des Flüssigkeitsstroms 22 zu
einem Verdampfer geschickt und würde
nach mindestens einiger Verdampfung in die zweite Destillationskolonne 200 an
einer Stelle eingespeist, die sich vorzugsweise einige Stufen unterhalb
der Einspeisstelle des Flüssigkeitsstroms 22 befindet.
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Ein
anderer Aspekt der Ausführungsform
in 10, der sich von den Ausführungsformen der 6 bis 9 unterscheidet,
besteht darin, dass die Ausführungsform
der 10 insgesamt vier (4) anstelle von insgesamt drei
(3) Reboilern und Kondensatoren nutzt. Dies zeigt, dass bei Bedarf
zusätzliche
Reboiler und/oder Kondensatoren im Verfahren der vorliegenden Erfindung
genutzt werden können.
Beispielsweise könnten
ein Reboiler oder ein Kondensator an einer Stelle genutzt werden,
an der Produkt B (Strom 80 in den 6–10)
aus der zweiten Kolonne entnommen wird. Falls ein Kondensator an
dieser Stelle genutzt wird, wird mindestens ein Teil des Dampfstromes
aus dieser Stelle kondensiert und zur Destillationskolonne zurückgeführt. Falls
ein Reboiler an dieser Stelle verwendet wird, wird mindestens ein
Teil des Flüssigkeitsstroms
aus dieser Stelle verdampft und zur Destillationskolonne zurückgeführt.
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Wie
zuvor angegeben, besteht dieselbe Herausforderung, wenn Mischungen
mit mehr als drei Komponenten destilliert werden, um Produktströme zu erzeugen,
die jeweils hinsichtlich einer der Komponenten angereichert sind.
Jedes dieser Systeme besteht aus Untersystemen, die man sich als
ternäre
Trennungen vorstellen kann, und es ist daher relativ einfach, die
für die
ternäre
Destillation dargestellten Konzepte auf Mischungen anzuwenden, die
vier oder mehr Komponenten enthalten.
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Die
Anwendung der vorliegenden Erfindung auf eine Vierkomponentenmischung
ABCD ist in 11 veranschaulicht. In dieser
Mischung folgt die relative Flüchtigkeit
der alphabetischen Reihenfolge, d. h. A ist am flüchtigsten,
D ist am wenigsten flüchtig
und B ist flüchtiger
als C. Die Einspeismischung ABCD wird in die erste Destillationskolonne eingespeist.
Der Dampfstrom aus der Spitze der ersten Destillationskolonne hat eine
Zwei-Wege-Kommunikation
mit der zweiten Destillationskolonne und der Boden hat eine Ein-Weg-Kommunikation
mit der zweiten Destillationskolonne. Diese beiden Kommunikationen
sind analog zu denjenigen, die zwischen der ersten und zweiten Destillationskolonne
in 6 gezeigt sind. Der flüssige Bodenstrom aus der ersten
Destillationskolonne ist hinsichtlich der schwereren Komponenten
angereichert. Es gibt drei (3) weitere Kommunikationen zwischen
der zweiten Destillationskolonne und der dritten Destillationskolonne.
Die erste dieser Kommunikationen befindet sich an der Spitze der
zweiten Destillationskolonne zur dritten Destillationskolonne. Dieser
Transfer besteht hauptsächlich
aus den Komponenten A und B. Die zweite dieser Kommunikationen befindet
sich in der Mitte der zweiten Destillationskolonne zur dritten Destillationskolonne.
Dieser Transfer besteht hauptsächlich
aus den Komponenten B und C. Die dritte Kommunikation befindet sich
am Boden der zweiten Destillationskolonne zur dritten Destillationskolonne.
Diesmal werden hauptsächlich
die Komponenten C und D transferiert. Jede dieser drei Kommunikationen
kann eine Zwei-Weg-Kommunikation sein, und gleichermaßen kann
jede einzeln eine Ein-Weg-Kommunikation
sein. In 11 ist die Spitze der zweiten Destillationskolonne
gemäß Darstellung
mit der dritten Destillationskolonne über eine Ein-Weg-Kommunikation
verbunden, wogegen der Boden der zweiten Destillationskolonne eine
Zwei-Wege-Kommunikation
mit der dritten Destillationskolonne aufweist. Produktströme, die
jeweils hinsichtlich einer der Komponenten angereichert sind, werden
aus der dritten Destillationskolonne, wie in 11 gezeigt,
erzeugt.
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Es
sollte betont werden, dass, obwohl die Vierkomponententrennung als
Ausführungsform
der 11 das Verfahren der vorliegenden Erfindung zwischen
sowohl der ersten und der zweiten Destillationskolonne als auch
zwischen der zweiten und der dritten Destillationskolonne nutzt,
dies nicht essentiell ist, und dass dieses auch nur zwischen einer
der zwei aufeinanderfolgenden Destillationskolonnen genutzt werden
könnte.
Somit könnten,
während
die Kommunikation zwischen der ersten und zweiten Destillationskolonne
gemäß der vorliegenden
Erfindung wäre,
wie in 11 gezeigt, die Transfers zwischen
der zweiten Destillationskolonne und der dritten Destillationskolonne
nach einem beliebigen gewünschten
Verfahren verlaufen. Gleichermaßen könnte nach
einer alternativen Ausführungsform
der Transfer zwischen der ersten und der zweiten Destillationskolonne
nach einem beliebigen gewünschten
Verfahren stattfinden, wogegen die Transfers zwischen der zweiten
und der dritten Destillationskolonne das Verfahren der vorliegenden
Erfindung nutzen würden.
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Schließlich ist
erwähnenswert,
dass es möglich
ist, die Destillationskolonnenabschnitte der in den 6 bis 11 Verfahren
anders als in diesen Figuren gezeigt anzuordnen, diese jedoch noch
immer als Verfahren der vorliegenden Erfindung betrachtet würden. Dies
ist in 12 veranschaulicht, indem die
Destillationskolonnenabschnitte des Verfahrens in Figur umgeordnet
werden. Aus der Perspektive der Erfindung sind die grundlegenden
Merkmale der Prozesse in den 7 und 12 identisch.
Der obere Destillationsabschnitt 3 der zweiten Destillationskolonne 200 in 7 wird
physikalisch über
den Destillationsabschnitt 1 der ersten Destillationskolonne 100 in 12 verlegt.
Wie in 7 wird die gesamte Flüssigkeit, die aus dem Destillationsabschnitt 3 absteigt,
zum Destillationsabschnitt 4 als flüssiger Strom 60 in 12 geschickt.
Gleichermaßen
ist die einzige Flüssigkeit,
die an der Spitze des Destillationsabschnittes 1 eingeführt wird,
Strom 36, der aus dem Kondensator 115 kommt. In
beiden Figuren wird ein Teil des Dampfstromes 30, der an
der Spitze des Destillationsabschnitts 1 austritt, zum
Kondensator 115 als Dampfstrom 34 geschickt, während der andere
Dampfteil 32 mit dem Dampfstrom von der Spitze des Destillationsabschnitts 4 (Strom 62 in 12) gemischt
und zum Boden des Destillationsabschnittes 3 geschickt
wird. Der Bodendestillationsabschnitt 6 der zweiten Destillationskolonne 200 in 7 wird
ebenfalls physikalisch unter den Destillationsabschnitt 2 in 12 bewegt.
Noch immer wird jedoch die gesamte Flüssigkeit aus dem Boden des
Destillationsabschnitts 2 mit der gesamten Flüssigkeit
aus dem Boden des Destillationsabschnitts 5 vereinigt und
der vereinigte Strom an der Spitze des Destillationsabschnittes 6 eingeführt. Gleichermaßen wird
der Dampfstrom von der Spitze des Destillationsabschnittes 6 zwischen
den Destillationsabschnitten 2 und 5 aufgeteilt.
Die 12 veranschaulicht, dass die reine Umordnung der
Destillationsabschnitte eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung nicht
zu einem neuen Prozess führt
und noch immer von der hierin beschriebenen Erfindung gedeckt sein
wird.
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In
allen Fließschemata
der 1 bis 12 werden einige Ströme mit alphabetischen
Namen bezeichnet. Dieses zeigt die spezielle Komponente, hinsichtlich
derer dieser Strom angereichert ist und meint nicht notwendigerweise
das Fehlen anderer Komponenten. Somit zeigt ein Strom mit dem Buchstaben
A einen hinsichtlich der Komponente A angereicherten Strom an; es
kann sich hierbei um einen reinen Produktstrom oder einen mit signifikanten
Mengen anderer Komponenten verunreinigten Strom handeln. Gleichermaßen meint
ein Strom mit der Bezeichnung AB, dass dieser Strom hinsichtlich
der Komponenten A und B angereichert ist, und dieser kann entweder
nur die Komponenten A und B enthalten oder könnte andere schwerere Komponenten
wie C enthalten.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf die destillative Trennung jeder geeigneten
Einspeismischung, enthaltend drei oder mehr Komponenten, anwendbar.
Einige Beispiele für
Einspeisströme,
auf die die vorliegende Erfindung anwendbar ist, schließen ein
Stickstoff/Sauerstoff/Argon-Mischungen, Benzol/Toluol/Xylol-Mischungen,
Stickstoff/Kohlenmonoxid/Methan-Mischungen, jede Kombination von
drei oder mehr Komponenten aus C1- bis C5-Alkoholen, jede Kombination von drei oder
mehr Komponenten aus C1- bis C6-Kohlenwasserstoffen oder
C4-Isomeren.
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Für die Verfahren
des Standes der Technik zur ternären
Destillation, wie in den 1 bis 5 gezeigt,
ist wohl bekannt, dass das Verfahren in 5 den kleinsten
Gesamtdampfstrom zur Durchführung
der erforderlichen Destillation benötigt. Da die Dampfströme durch
die Reboiler erzeugt werden, ist der erforderliche Dampfstrom ein
direktes Maß der
für die
Destillation erforderlichen Wärmeleistung.
Ein geringerer Dampfstrom ist attraktiv, da er zu geringerer Wärmeleistung
und einem kleineren Durchmesser der Destillationskolonnen führt. Der
größte Vorteil
der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass, anders als der Prozess
des Standes der Technik aus 5, der zwei
Zwei-Wege-Kommunikationen zwischen der ersten und der zweiten Destillationskolonne
nutzt, nur eine Zwei-Wege-Kommunikation
genutzt wird und dennoch einen Gesamtdampfstrom für die Destillation
erfordert, der entweder nahezu gleich oder sehr ähnlich zu dem Dampfstrom ist,
der für
das Verfahren des Standes der Technik aus 5 erforderlich
ist. Ein potentieller Vorteil von nur einer Zwei-Wege-Kommunikation
zwischen zwei Destillationskolonnen ist die Verbesserung der Betreibbarkeit der
Kolonnen. Man bedenke beispielsweise das Verfahren aus 6.
Um den Dampfstrom 32 von der ersten Destillationskolonne 100 zur
zweiten Destillationskolonne 200 zu transferieren, wäre der Druck
an der Spitze der ersten Destil lationskolonne 100 höher als
der Druck an der Einspeisstelle dieses Dampfstroms in der zweiten
Destillationskolonne 200. Der Flüssigkeitsstrom 37 wird
anschließend
entweder und bevorzugt unter Schwerkraft oder unter Anwendung einer
Pumpe transferiert. Der Flüssigkeitsstrom 22 vom
Boden der ersten Destillationskolonne 100 kann nun leicht
zur zweiten Destillationskolonne 200 entweder über die
Druckdifferenz zwischen den beiden Kolonnen oder über Schwerkraft
oder Verwendung einer Pumpe transferiert werden. Der aus der zweiten
Destillationskolonne 200 zum Boden der ersten Destillationskolonne 100 zurückgeführte Dampfstrom 27 in 5 legt
die Beschränkung
auf, dass der Druck an der Entnahmestelle des Dampfstroms 27 in
der zweiten Destillationskolonne 200 größer als der Druck am Boden
der ersten Destillationskolonne 100 sein muss. Keine solche
Beschränkung
besteht im Verfahren der 7, und daher erhält man einen flexibleren
Prozess.
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Die
Tatsache, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung einen Gesamtdampfstrom
erfordert, der dem Dampfstrom des Verfahrens der 5 entweder
vergleichbar oder ähnlich
ist, soll nun über
die folgenden zwei Beispiele belegt werden:
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Beispiel 1
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Eine
Trennung einer Dreikomponentenmischung enthaltend 33% A, 33% B und
34% C in reine Komponenten wurde betrachtet. Die Einspeismischung
war eine gesättigte
Flüssigkeit,
und alle Produkte wurden als gesättigte
Flüssigkeiten
erzeugt. Die relative Flüchtigkeit
von A bezüglich
C wurde mit 3 angenommen und diejenige von B bezüglich C war gleich 2. Es wurde
angenommen, dass alle drei Komponenten dieselbe latente Wärme aufweisen.
Für jede
Ausführungsform
wurden Berechnungen durchgeführt,
um die Trennung mit minimal möglichem
Dampfstrom zu erzielen. In anderen Worten war das Gesamtsiedeerfordernis
minimal. Dieses wird erzielt, indem man an den Einspeisstellen mit
Quetschhähnen
versehene Säulen
verwendet. Diese gestattet eine fairen Vergleich der Wärmeerfordernisse
zwischen verschiedenen Ausführungsformen.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Basis der Berechnung
in dieser Tabelle ist ein Einspeisstrom von 1 Mol.
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Tabelle
1 Beispiel
1: Gesamtdampfstrom für
verschiedene Figuren Basis:
Einspeiszusammensetzung = 33% A, 33% B und 34% C Einspeisstrom
= 1 Mol
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Für einige
der Verfahren ist der Gesamtdampfstrom die Summe der in zwei Reboilern
erzeugten Dämpfe.
Die 1, 2, 4 und 6 sind
solche Verfahren. In den 3, 5 und 7 ist
der Gesamtdampf derselbe wie der in nur einem Reboiler erzeugte
Dampf. Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass unter den Verfahren des
Standes der Technik nach 1 bis 5 die Verfahren
der 1 und 2 relativ hohe Gesamtdampfströme erfordern
und das Verfahren aus 5 den kleinsten Gesamtdampfstrom
benötigt.
Es ist interessant anzumerken, dass das Verfahren der vorliegenden
Erfindung in 6 denselben Gesamtdampfstrom
wie der wohlbekannte Prozess aus 5 erfordert.
Ebenfalls ist der Gesamtdampfstrom des Verfahrens aus 7 sehr
viel näher
an demjenigen aus 5 und ist beträchtlich
geringer als derjenige der Verfahren der 3 und 4.
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Beispiel 2
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Zu
denjenigen aus Beispiel 1 ähnliche
Berechnungen wurden für
eine Einspeiszusammensetzung von 5% A, 90% B und 5% C durchgeführt. Die
relative Flüchtigkeit
von A be züglich
C war 6 und diejenige von B bezüglich
C war 3. Alle drei (3) Komponenten hatten dieselbe latente Wärme. Jede
Ausführungsform
wurde gelöst,
um eine Trennung mit minimal möglichem
Dampfstrom zu erzielen. Die Basis der Berechnung war ein Einspeisstrom
von 1 Mol, und die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefasst.
Wiederum findet sich, dass, obwohl die anderen Verfahren des Standes
der Technik in den 1 bis 4 einen
sehr viel höheren
Gesamtdampfstrom erfordern als das Verfahren der 5,
der Dampfstrom für
das Verfahren in 7 derselbe ist wie derjenige
aus 5. Ebenfalls ist der Gesamtdampfstrom für das Verfahren
aus 6 sehr dicht an demjenigen aus 5.
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Tabelle
2 Beispiel
2: Gesamtdampfstrom für
verschiedene Figuren Basis:
Einspeiszusammensetzung = 5% A, 90% B und 5% C Einspeisstrom
= 1 Mol
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Es
ist aus beiden Beispielen ersichtlich, dass die gemäß der vorliegenden
Erfindung gezogenen Verfahren sehr viel geringere Wärmeleistung
zur Durchführung
einer Destillation erfordern. Die Verfahren aus den 6 und 7 nutzen
dieselbe Anzahl an Gesamtreboilern und -kondensatoren wie die Verfahren
der 3 und 4 und dennoch ist ihre Gesamtdampfanforderung
sehr viel kleiner. Darüber
hinaus wird, da die Verfahren in den 6 bis 10 den
Reboiler 125 und/oder den Kondensator 115 nutzen,
die bei Temperaturen arbeiten, die zwischen der Temperatur des Kondensators 215 und
der Temperatur des Reboilers 225 liegen, die thermodynamische
Wirksamkeit oder Effizienz dieser Ausführungsformen im Allgemeinen
höher sein
als diejenige des Verfahrens des Standes der Technik aus 5.
Dieses ist insbesondere für
hohe Effizienzen von Destillationen von Bedeutung, die bei Temperaturen
unter Umgebungstemperatur durchgeführt werden.
