DE824786C

DE824786C - Verfahren und Vorrichtung zur selektiven Absorption und Abscheidung von Daempfen undGasen

Info

Publication number: DE824786C
Application number: DEP933D
Authority: DE
Inventors: William Tyermann; Frank Wrigley
Original assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Current assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Priority date: 1948-06-19
Filing date: 1948-12-22
Publication date: 1951-12-13
Also published as: CH292793A; FR956852A; GB630884A

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 13. DEZEMBER 1951

P 933 IVaII2a ^ß

von Dämpfen und Gasen

Die Erfindung bezieht sich auf die Behandlung von Dämpfen und Gasen durch Destillations- und Absorptionsverfahren, insbesondere selektive Absorptionsverfahren und extraktive Destillation.

Unter selektiver Absorption wird im vorliegenden Fall ein Verfahren zur Abscheidung eines oder mehrerer Stoffe aus einer Mischung verstanden, die zwei oder mehr Stoffe enthält, wobei diese Mischung, die in flüssiger oder Dampfform vorliegen kann, im Gegenstrom mit einer Extraktionsflüssigkeit geführt wird, um hierdurch mindestens einen der Stoffe als Dampf zu erhalten und einen oder mehrere der Stoffe in der Flüssigkeit selektiv zu absorbieren. Einer oder mehrere der Stoffe werden als Dampf an einem Punkt in dem System abgezogen, der oberhalb bzw. jenseits des Einführungspunktes der Mischung liegt. Das Verfahren kann beispielsweise so geführt werden, daß die Mischung am Boden einer Säule eingeführt, die Flüssigkeit oberhalb dieses Einführungspunktes zugegeben und Dampf an der Oberseite der Säule abgezogen wird. Unter dem Ausdruck extraktive Destillation wird ein Verfahren der selektiven Absorption verstanden, das in einer Säule durchgeführt wird und das dadurch gekennzeichnet ist, daß die zu behandelnde Mischung in einem mittleren Punkt der Säule zugeführt wird und die Extraktionsflüssigkeit oberhalb dieses Punktes, vorzugsweise an der Oberseite der Säule, an der auch der Dampf abgezogen wird. Außerdem wird mindestens eine der

löslicheren Substanzen, welche in der Flüssigkeit in Lösung vorliegen, desorbiert und wieder mit der Flüssigkeit in Berührung gebracht, und zwar am oder in der Nähe des Bodens der Säule. Der in die Säule zurückgeführte Dampf kann in einem Kocher erzeugt werden, der mit der Säule in Verbindung steht, oder er kann dadurch hergestellt werden, daß Extraktionsflüssigkeit aus der Säule abgezogen wird, der löslichere oder die löslicheren Stoffe ίο in einer Destillationsanlage abgeschieden werden und ein Teil des abgeschiedenen Stoffes als Rückfluß dem Boden der Säule wieder zugeführt wird. Es kann eine beliebige Art einer Destillationssäule verwendet werden, beispielsweise eine solche, die mit Siebplatten, Glocken, einer gepackten Säule o. dgl. versehen ist.

Beim Verfahren gemäß der Erfindung, besonders bei einem solchen der extraktiven Destillation und insbesondere dann, wenn die Lösungswärme des Dampfes oder der Dämpfe in der Flüssigkeit hoch ist, wird der von der Oberseite der Säule abgezogene Dampf in innige Berührung mit der Flüssigkeit gebracht, bevor diese in die Säule eintritt, und die Lösungswärme oder Mischwärme wird durch

»5 indirekten Wärmeaustausch entfernt, insbesondere während die Flüssigkeit sich in indirektem Wärmeaustausch mit einem temperaturregelnden Medium befindet. Vorzugsweise strömt der Dampf im allgemeinen im Gegenstrom zu der Flüssigkeit, und das Verfahren wird vorzugsweise kontinuierlich durchgeführt.

Das den Gegenstand der Erfindung bildende Verfahren kann in einem Gefäß durchgeführt werden, das eine Verlängerung der Destillationssäule darstellt oder von dieser getrennt ist, das aber auch innerhalb der Säule angeordnet sein kann. Im allgemeinen ist es zweckmäßig, mit einem getrennten Gefäß zu arbeiten, das im folgenden als Vorsättiger bezeichnet wird, auch für den Fall, daß es nicht getrennt angeordnet ist.

Bei einer einfachen Ausführungsform der Erfindung werden die die Säule verlassenden Dämpfe durch eine Schicht der Extraktionsflüssigkeit gesprudelt, die in einem geeigneten Gefäß enthalten ist und in die eine Schlange eingetaucht ist, durch welche ein die Temperatur regelndes Medium umläuft. Die Extraktionsflüssigkeit fließt aus diesem Gefäß über und wird in die Säule zurückgeleitet. Unter gewissen Bedingungen werden wesentlich bessere Ergebnisse erzielt, wenn die Dämpfe im Gegenstrom durch eine oder mehrere verhältnismäßig dünne Schichten der Extraktionsflüssigkeit geleitet werden, welche sich in Berührung befinden mit einem oder mehreren einen indirekten Wärmeaustausch herbeiführenden Elementen, welche in die Flüssigkeit eingetaucht sind und durch welche ein Temperatur regelndes Medium umläuft. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann das Verfahren beispielsweise in einem Gefäß durchgeführt werden, das zweckmäßig rechteckigen oder quadratischen Querschnitt besitzt und im wesenlichen eine kurze Säule darstellt, welche mit einer Anzahl von durchlochten Platten versehen ist. Über jeder dieser Platten ist eine Mehrzahl von im wesentlichen waagerechten Metallrohren von geringem Durchmesser angeordnet, durch die ein die Temperatur regelndes Medium umlaufen kann, jede dieser Platten ist mit einem Wehr versehen, mit dessen Hilfe die Flüssigkeit über die Platte verfeilt wird, und mit einem Rohr zur Zuführung der Flüssigkeit von der einen Platte zu der nächst niederen. Die Extraktionsflüssigkeit wird der obersten Platte zugeführt und die aus der Extraktionssäule stammenden Dämpfe der unteren Platte. Hierbei erfolgt eine innige Berührung zwischen den Dämpfen und der Extraktionsflüssigkeit auf jeder Platte, und es findet eine wirksame Waschung statt, wobei durch das umlaufende, die Temperatur regelnde Medium jegliche sich entwickelnde Lösungswärme abgeführt wird. Hierdurch findet eine überaus wirkungsvolle Trennung durch die gute Waschwirkung statt, und es wird ein reineres Produkt erhalten. Es ist auch eine bessere Regelung der Temperatur der Flüssigkeit, welche in die Säule eintritt, innerhalb ganz bestimmter scharfer Grenzen möglich, so daß die Säule mit konstanteren Temperaturen am oberen und unteren Ende arbeiten kann und demzufolge wirksamer ist, als es sonst möglich wäre. Ein weiterer Vorteil, der sich hieraus ergibt, besteht darin, daß eine bessere Abscheidung stattfindet und demzufolge ein reineres Produkt erzielt wird. Ein weiterer Vorteil des den Gegenstand der Erfindung bildenden Verfahrens besteht darin, daß die Extraktionsflüssigkeit der Säule im wesentlichen gesättigt mit Bezug auf die Dämpfe zugeführt wird und daß demgemäß die Säule _ im wesentlichen vollkommen in ihrer primären Funktion der Abscheidung Anwendung findet. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß häufig Ungleichmäßigkeiten der Arbeitsweise der Säule infolge der Änderung der Zusammensetzung der ihr zugeführten Dämpfe durch Verwendung eines Vorsättigers verringert werden können. In Verbindung mit diesem letztgenannten Vorteil ist es zweckmäßig, den Vorsättiger aus verschiedenen Einheiten aufzubauen, die miteinander verschraubt oder in anderer Weise verbunden werden können. Es ist dann einfach, die Kapazität der Anlage durch Vergrößerung oder Verringerung der Anzahl der Abteilungen zu ändern. Unter Umständen kann der no Vorsättiger auch derart ausgebildet sein, daß Zwischenabteilungen umgangen werden können.

Das den Gegenstand der Erfindung bildende Verfahren ist besonders dann zweckmäßig, wenn . niedrige Temperaturen eine selektive Absorption begünstigen und wenn außerdem die Lösungswärme eines oder mehrerer der Komponenten des Dampfes hoch ist.

In einem derartigen Fall ist es häufig zweckmäßig, innerhalb der Säule in der Xähe des Einführungspunktes einen Vorsättiger vorzusehen, und dies stellt ein weiteres Merkmal der Erfindung dar. Bei einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung bestehen die Elemente zur Durchführung des indirekten Wärmeaustausches oberhalb jeder Platte aus einer großen Anzahl von im wesent-

lichen parallelen waagerecht angeordneten Metallrohren von geringem Durchmesser, die an jedem ihrer Enden an einem Kopfteil sitzen, der gewünschtenfalls in Abteilungen unterteilt ist, in welchem Falle die Kopfteile an einer Seite durch Rohre miteinander verbunden sind. Das die Temperatur regelnde Medium wird an dem untersten Kopfteil eingegeben und von dem obersten Kopfteil abgezogen, und die Fxtraktionsflüssigkeit fließt über jede 1 Matte quer zu den rohrförmigen Elementen von einem Verteilungswehr aus, welches sich fast über die ganze Breite des Gefäßes erstreckt. Die Flüssigkeit wird dann über ein zweites Wehr geleitet, welches durch ein Rohr mit dem Verteilungswehr der nächsten unmittelbar darunterliegenden 1 Matte verbunden ist. Dieses Rohr kann entweder innerhalb oder außerhalb der Wandung des Yorsättigers angeordnet sein.

Selbstverständlich kann die Anordnung und Ausbildung der Elemente der Apparatur, welche zur Durchführung des den Gegenstand der Erfindung bildenden Verfahrens dient, in weiten Grenzen abgeändert werden. So kann beispielsweise die Form und Lage des Vorsättigers, die Anzahl und die Durchmesser der Rohre und die Form der !Matten abgeändert werden. Obwohl es zweckmäßig ist. eine feste Platte zu verwenden, die mit einer Anzahl in Abständen voneinander angebrachter Löcher versehen ist, kann diese aus verschiedenartig geformten Werkstoffen bestehen, beispielsweise aus mit Lochungen versehenem Metall, Streckmetall oder starker Metallgaze. Vorzugsweise sind die Löcher gleichmäßig auf der Fläche der Platte verteilt, und ihre Anzahl und Größe ist derart angeordnet, daß bei einer bestimmten Dampfgeschwindigkeit ein Flüssigkeits Verschluß erzielt wird, so daß keine Flüssigkeit durch die Löcher hindurchdringen kann. Lochungen mit einem Durchmesser von 5 mm, wobei die Löcher von Mittelpunkt zu Mittelpunkt 12 mm voneinander entfernt sind, haben sich als besonders geeignet erwiesen.

ICs können die verschiedenartigsten Temperaturreglungsmittel verwendet werden, auch Gefriermittel, was von der Temperatur abhängt, bei der das Verfahren durchgeführt werden soll. Vorzugsweise wird als Kühlmittel Wasser verwendet, da dieses überall zur Verfügung steht, billig ist, nicht korrodiert und eine hohe spezifische Wärme besitzt. Unter Umständen kann die Kühlung auch dadurch erfolgen, da 1.1 eine geeignete Flüssigkeit, wie beispielsweise Ammoniak, in den Wärmeaustauschelementen zur Verdampfung gebracht wird. Die Tiefe der Flüssigkeit auf den Platten ist nicht kritisch, jedoch wird sie im allgemeinen so gewählt werden, daß die Kühlrohre gerade von ihr bedeckt werden.

ICs ist zweckmäßig, daß die Temperatur des umlaufenden Mediums sorgfältig geregelt wird, und /.ti diesem Zweck sind vorzugsweise an verschiedenen Punkten der Anlage selbsttätig wirkende Regelvorrichtungen für die Einhaltung der Flüssigkeitstemperatur vorgesehen. Gewünschtenfalls kann für die Wärmeaustauschelemente jeder Platte ein besonderer Umlauf eines Temperatursteuermediums vorgesehen sein. Der Strom der Kühlflüssigkeit kann im Gleichstrom oder im Gegenstrom zu demjenigen der lixtraktionsflüssigkeit fließen.

Das den Gegenstand der Erfindung bildende Verfahren kann auch bei solchen Arbeitsweisen angewandt werden, die bei unter- oder überatmosphärischem Druck arbeiten.

Abgesehen von den oben beschriebenen Verfahren kann die den Gegenstand der Erfindung bildende Arbeitsweise auch durch Wirbelmischung der Dämpfe und der Extraktionsflüssigkeit in der Nähe einer Anzahl von Wärmeaustauschelementen durchgeführt werden, wobei durch diese Wärmeaustauschelemente ein die Temperatur regelndes Medium umläuft. Die Anordnung jedoch, bei der eine Anzahl von durchlöcherten Platten vorgesehen ist, von denen jede mit indirekt wirkenden Wärmeaustauschelementen versehen ist, ist besonders zweckmäßig, da hierdurch eine größere Vielseitigkeit des Betriebes erreicht wird und dieser besonders wirksam durchgeführt werden kann.

Wie bereits erwähnt, ist diese Anordnung besonders brauchbar in den Fällen, wo durch niedrige Temperaturen die selektive Absorption begünstigt wird und wo gleichzeitig die Lösungswärme einer oder mehrerer der Komponenten hoch ist.

In den Zeichnungen sind Ausführungsformen von Apparaturen dargestellt, in denen das den Gegenstand der Erfindung bildende Verfahren durchgeführt werden kann.

Fig. ι zeigt einen senkrechten Schnitt durch eine derartige Apparatur.

Die Apparatur besteht aus einem Gefäß 1 von rechteckigem Querschnitt, das mit einem Deckelteil 2 und einem Bodenteil 3 versehen ist und in eine Anzahl von Abteilungen 4 unterteilt ist. Jede dieser Abteilungen besitzt eine durchlochte Platte 5, oberhalb deren ein Bündel waagerecht und parallel angeordneter Rohre 6 liegt. Jedes dieser Rohre besteht aus einem wärmeleitfähigen Material und ist an seinen Enden an in der Zeichnung nicht dargestellte Kopfteile angeschlossen, von denen eines durch eine senkrechte Zwischenwand, die ebenfalls nicht dargestellt ist, in zwei Abteilungen geteilt ist. Die Kopfteile an einer Seite der Apparatur sind untereinander durch Fallrohre verbunden, durch die das die Temperatur regelnde Medium umläuft. Jede dieser Platten ist mit einem Zuführungswehr 7 versehen und einem Abzugswehr 8 für die Extraktionsflüssigkeit, welche quer über das Rohrbündel 6 strömt. Die über das Abzugswehr 8 fließende Flüssigkeit wird durch ein Rohr 10 dem Zuführungswehr 7 der darunterliegenden Platte zugeführt, wobei, wenn die Apparatur in Betrieb ist, das Rohr 10 an der L^Tnterseite durch die Flüssigkeit verschlossen wird. Die Extraktionsflüssigkeit tritt in die Apparatur durch das Rohr 9 ein und wird durch das Rohr 11 abgezogen. Die Dämpfe gelangen durch ein Rohr 12 in die Apparatur, welches in der Nähe des Bodens derselben angeordnet ist, und die gewaschenen Dämpfe werden

Claims

durch ein Rohr 13 an der Oberseite der Apparatur abgezogen. Das Kühlmedium tritt in den Kopfteil der untersten Abteilung ein und wird aus dem Kopfteil der obersten Abteilung abgezogen.
Bei der in Betrieb befindlichen Apparatur durchdringen die Dämpfe die einzelnen durchlöcherten Platten und sprudeln durch die Schicht der auf jeder Platte verteilten Flüssigkeit hindurch. Die Flüssigkeit und der Dampf werden auf jeder Platte im Gegenstrom in innige Berührung miteinander gebracht, wodurch die löslichere Komponente oder die Komponenten der Mischung selektiv absorbiert werden, während jede dabei entstehende Wärme durch das Rohrbündel abgezogen wird, in der das Temperatur regelnde Medium umläuft bzw. verdampft. Der nach unten fließende Strom der Flüssigkeit fließt nacheinander über die Platten, indem sie durch das Verteilungswehr mehr oder weniger gleichmäßig über die Rohrbündel verteilt

ao wird, und dann über das Abzugswehr in das Rohr, das sie dem Verteilungswehr der nächstfolgenden darunterliegenden Platte zuführt.

Der Erfindungsgegenstand wird nunmehr erläutert in seiner Anwendung auf die kontinuierliche

J5 Abtrennung von Dimethylamin aus einer Reaktionsmischung, welche die drei Methylamine und Ammoniak enthält. Die allgemeine Anordnung einer hierfür geeigneten Apparatur ist schematisch in Fig. 2 dargestellt, wobei ein Vorsättiger P angewandt wird, der etwa in der in Fig. 1 dargestellten Weise ausgebildet ist. Das Verfahren selbst wird wie folgt durchgeführt.

Eine gasförmige Mischung von Ammoniak und den drei Methylaminen und ein Anilinstrom aus dem Vorsättiger P, welcher im wesentlichen mit Aminen gesättigt ist, wird durch eine Rohrleitung α bzw. durch eine Rohrleitung p unter Zwischenschaltung i eines Verteilers D, einer Fraktionferungssäule A zugeführt, die unter atmosphärischem Druck arbeitet. Diese Säule enthält eine Rektifizierungsabteilung B und eine kürzere Abtrennungsabteilung C, welche beide mit einer Packung aus Ringen aus weichem Flußstahl versehen sind. Das die Oberseite der Säule verlassende Gas, welches in der Hauptsache Trimethylamin, Ammoniak und Monomethylamin enthält, wird in dem Vorsättiger durch Anilin gesprudelt. Der Strom des zweckmäßig aus Wasser bestehenden Kühlmittels durch den Vorsättiger P wird derart eingestellt, daß die nahezu gesättigte Lösung der Amine in Anilin den Vorsättiger mit einer Temperatur von etwa 20⁰ verläßt. Vom Boden der Säule wird eine gesättigte Lösung von Dimethylamin in Anilin abgezogen, die hierbei eine Temperatur von etwa 35⁰ besitzt, und durch eine Rohrleitung / der Trennungssäule E zugeführt. Ein Teil des im wesentlichen reinen Dimethylamindampfes, der von der Oberseite dieser Säule E abgezogen wird, wird als Rückfluß dem Boden der Abteilung B durch eine Rohrleitung b zugeführt, und der Rest wird über eine Rohrleitung c auf Lager abgezogen. Das von dem Kocher abgezogene flüssige Anilin wird der Kühlvorrichtung P zugeführt und dann durch eine Pumpe G dem Vorsättiger P wieder zugeleitet. Die Restdämpfe, welche hauptsächlich Ammoniak und Mono- und Trimethylamine enthalten, werden von der Oberseite des Vorsättigers durch ein Rohr r abgezogen und der Anlage zugeführt, in der die Methylaminsynthese erfolgt.

Zweckmäßig beträgt die Höhe der Schicht oder des Stromes der Extraktionsflüssigkeit in jeder Stufe, d. h. auf jeder Platte nicht mehr als 5 cm. Bei einer derartigen Schichthöhe von 5 cm soll die Wärmeableitfähigkeit der von der Flüssigkeit bedeckten Schlangen mindestens äquivalent sein derjenigen von zwei Reihen von 19 mm Außendurchmesser besitzenden Rohren aus weichem Flußstahl von 2,3 mm Wandstärke, welche gleichmäßig verteilt sind derart, daß in jeder Reihe auf je 30 cm zehn solche Rohre kommen, wobei mit einer mindestens entsprechenden Kapazität für andere Flüssigkeitstiefen gearbeitet wird.

Paten τ α ν s ρ r ί; cue:

ι. Verfahren zur selektiven Absorption und Abscheidung von Dämpfen und Gasen unter Anwendung einer Säule, insbesondere in solchen Fällen, wo die Lösungswärme des, Dampfes oder der Dämpfe in der Extraktionsflüssigkeit hoch ist, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Säule abgezogene Dampf in innige Berührung mit der Flüssigkeit gebracht wird, bevor diese in die Säule eintritt und die Lösungsoder Mischungswärme durch indirekten Wärme- austausch abgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösungs- oder Mischungswärme abgezogen .wird, während die Flüssigkeit sich in indirektem Wärmeaustausch mit ¹^⁰ einem die Temperatur regelnden Medium befindet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit und der Dampf im Gegenstrom fließen. ■
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfe aus der Säule kontinuierlich durch eine oder mehrere verhältnismäßig seichte, in Bewegung befindliche Schichten der Extraktionsflüssigkeit, Vorzugsweise von nicht mehr als 5 cm Tiefe, hindurchgesprudelt werden, wobei diese Extraktionsflüssigkeit mit einem oder mehreren indirekt wirkenden Wärmeaustauschelementen in Berührung ist, die von der Flüssigkeit bedeckt ^1X5 sind und durch die ein die Temperatur regelndes Medium umläuft, wobei die Flüssigkeit kontinuierlich dieser Säule zugeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfe der Säule im Gegenstrom zu einem herabfließenden Strom der Extraktionsflüssigkeit in einer Reihe von Stufen gesprudelt werden, in deren jeder eine seichte Schicht der Flüssigkeit, vorzugsweise von nicht mehr als 5 cm Tiefe, über und zwischen einer Anzahl von indirekt wirkenden

Wärmeaustauschelementen, vorzugsweise im wesentlichen waagerecht, fließt, durch die ein die Temperatur regelndes Medium umläuft.
6. Verfahren nach Anspruch ι bis 5, bei dem die Wärmeaustauschmittel von der Flüssigkeit bedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die Flüssigkeitsschicht eine Tiefe von nicht mehr als 5 cm besitzt, jedes Wärmeaustauschmittel eine Wärmeableitfähigkeit besitzt, die mindestens äquivalent ist derjenigen von zwei Reihen von 19 mm starken Rohren aus weichem Flußstahl von 2,3 mm Wanddicke, welche gleichmäßig verteilt sind derart, daß in jeder Reihe auf je 30 cm zehn solche Rohre kommen, wobei mit einer mindestens entsprechenden Wärmeableitfähigkeit für andere Flüssigkeitstiefen gearbeitet wird.
7. Vorsättiger, bestehend aus einer kurzen Säule, welche mit Flüssigkeits- und Dampfauslässen versehen ist und die für Gegenstromarbeit eingerichtet ist und mit einer Anzahl in geeigneten Abständen voneinander befindlicher durchlöcherter Platten versehen ist, wobei sich oberhalb jeder eine Anzahl von waagerecht angeordneten Metallrohren befindet und wobei jede Platte mit seinem Verteilungswehr und ein Rohr zur Überleitung der Flüssigkeit von einer Platte zu der nächst niederen versehen ist.
8. Vorsättiger für die Verwendung in selektiven Absorptions- und extraktiven Destillationsverfahren, bestehend aus einem Deckelteil, welcher mit einem Flüssigkeitseinlaß und einem Dampfauslaß versehen ist, einem Bodenteil, der einen Flüssigkeitsauslaß und einen Dampfeinlaß besitzt, und eine Anzahl dazwischen angeordneter Abteilungen, die jede eine durchlöcherte Platte aufweist, über der ein Bündel waagerechter Rohre angeordnet ist, welche mit ihren Enden in Kopfteilen sitzen, wobei diese Abteilungen ferner je ein Zuführungs- und ein Abführungswehr aufweisen und zwischen je zwei aufeinanderfolgenden Platten Mittel zur Überführung der Flüssigkeit von dem Abzugswehr der einen Abteilung in das Zuführwehr der darunterliegenden Abteilung vorgesehen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

2512 12.