SK30490A3 - Method for the separation by distillation of small quantities of middle boiling fractions from a liquid-mixture - Google Patents

Description

V chemickom a petrochemickom priemysle je dôležitou základnou operáciou destilačné delenie viaczložkových zmesí. Základné pravidlo destilačnej techniky hovorí, že delenie prítokovej zmesi pozostávajúcej z n zložiek na čisté jednotlivé frakcie vyžaduje n-1 destilačných kolón. Pri prítokových zmesiach, ktoré sa skladajú z mnohých jednotlivých frakcií, je toto podmienené vysokými technickými nákladmi.

Predovšetkým rušivé je, že samotné odstraňovanie nečistôt, ktoré sú v prítokovej zmesi prítomné iba v malých koncentráciách, napríklad v niekoľko málo ppm, ale z dôvodov kvality sa musí ich obsah v hodnotných frakciách znižovať, je veľmi nákladné, pretože i takéto oddeľovanie vyžaduje vlastnú kompletnú kolónovú jednotku. Prispôsobenie takejto destilačného zariadenia a tým i investičné náklady a spotreba energie sú rovnako vysoké ako pri kolónových jednotkách na odstraňovanie väčších množstiev produktu.

Na zníženie nákladov na prístroje sa používa zvyčajne pri odstraňovaní malých množstiev stredne vriacich nečistôt jedno2 duché postranné odoberanie a ušetrí sa tým kolónová jednotka. Nevýhodné pritom je, že vysoké koncentrácie stredne vriacej zložky pri jednoduchom postrannom odoberaní sa dajú dosiahnuť iba pri použití veľkých vyhrievacích výkonov a tak ovplyvňujú hospodárnosť. Spravidla sa preto upúšťa od vysokých koncentrácií stredne vriacej zložky a počíta sa so stratami produktu ľahko vriacich prípadne vysokovriacich zložiek.

Pri väčších prítokových koncentráciách stredne vriacich zložiek sa jednoduché postranné odoberanie z uvedených dôvodov nemôže použiť. Tu sa skúša čiastočne pracovať s postrannými kolónami, aby sa týmto opatrením mohol ušetriť aspoň výmenník tepla, vždy podľa typu kolóny odparovač alebo kondenzátor. Spotreba energie sa však sotva zníži.

Väčšiu úsporu energie a úsporu investičných nákladov, asi 30 % poskytujú len jedna deliaca kolóna alebo termodynamicky ekvivalentné usporiadanie hlavnej kolóny s pripojenou postrannou kolónou, pri ktorom je postranné kolóna priamo spojená ako na svojom hornom, tak na svojom spodnom konci s hlavnou kolónou. Tieto typy kolón umožňujú delenie prítokovej zmesi na tri čisté zložky, pričom je potrebný iba jeden odparovač ako i jeden kondenzátor.

Pri medzistenovej kolóne a pri termodynamicky ekvivalentnom usporiadaní hlavnej a postrannej kolóny sa pritom vo všeobecnosti uskutočňuje rozdelenie bríd na prítokovú a odoberaciu časť medzistenovej kolóny prípadne zodpovedajúco ako separátne prstence vytvorené kolónové diely, výhodne 1:1. 0 toto sa usiluje pri medzistenovej kolóne z konštrukčných dôvodov, pretože z toho vyplýva jednoduchšia geometria stavby kolón. Tiež teoretické výskumy sa zaoberajú výhradne tým, aby dokázali upotrebiteľnosť tohto rovnomerného delenia bríd na obidva dielčie rozsahy kolóny.

To isté platí pre konštrukčné alternatívne uskutočnenie vo forme dvoch separátnych kolón. Tiež tu sa uprednostňuje rovnomerné delenie bríd a poukazuje sa iba na to, že to všeobecne znamená len malé zvýšenie nákladov na energiu, ak sa odchýli od delenia 1 : 1 uvažovaného ako optimálne. Torelovatelnosť kolísania v delení bríd na prítokovú a odoberaciu časť v maximálnom rozpätí 1 : 3 až 3 : 1 sa opisuje ako výhoda tohto typu kolóny. Zásadne sa však vždy ako najpriaznivejšie riešenie uvažuje delenie 1:1.

Tým sa neúmyselne poskytuje dôležitá výhoda tohto usporiadania kolóny. Použitie tohto typu kolóny je tým práve tak zastaralé ako použitie jestvujúcich kolón, t.j. každý jednotlivý destilačný krok postupu sa musí najskôr preskúšať. Tiež oddeľovanie malých množstiev nečistôt sa musí vopred preskúšať experimentálnymi skúškami v pokusných zariadeniach a vopred objasniť a predovšetkým plánovať a uskutočniť príslušný destilačný deliaci krok konvenčné alebo s opísanými modernými typmi kolón.

Ako ukazuje prax, je to často iba ťažko možné. Pri nových postupoch je často veľmi ťažké experimentálne správne zachytiť malé nečistoty a správne zabezpečiť ich prístrojovo technické vybavenie pred stavbou výrobného zariadenia. Z toho vyplýva napríklad potreba veľkého počtu spätných cyklov pri pokusných zariadeniach, čo zvyšuje čas preskúšania, požiadavky na analytiku a tým výdavky. Navyše, pri tom sa rovnako nezachytia všetky účinky. Ešte počas výrobnej fázy môžu vznikať nové vedľajšie produkty, ak sa napríklad použije nový hospodárnejší typ katalyzátora, ak sa použijú vsádzkové látky rôzneho pôvodu alebo sa uskutočnia iné prevádzkovo-technické zmeny.

Často môžu preto byť takéto prevádzkovo technické zlepšenia neúnosné, pretože dodatočné odstraňovanie, i keď len v malom množstve prítomnej zložky, vyžaduje dodatočný, medzipripojený destilačný krok, a tým okrem vlastných dodatočných investičných nákladov vznikajú predovšetkým zvyčajne nerovnako vysoké prestojové náklady spojené s prestavbou.

Je preto stanovená úloha oddeľovať malé množstvá frakcie stredne vriacich zložiek zo zmesi kvapalín a pritom sa vyhnúť všetkým vyššie uvedeným nevýhodám.

Podstata vynálezu

Táto úloha sa podlá vynálezu rieši tým, že koncentrácia frakcie stredne vriacich zložiek v zmesi kvapalín je menšia ako 2 %, výhodne menšia ako 0,1 %, a množstvo bríd, ktoré sa privádza z hlavnej kolóny do postrannej kolóny na jej spodnom konci predstavuje na príslušnom mieste 1 až 20 %, výhodne 3 až 10 %, vztiahnuté na množstvo bríd v hlavnej kolóne.

Odoberacie miesto postrannej kolóny je usporiadané tak, aby teoretický počet deliacich stupňov kolónového úseku hlavnej kolóny medzi miestom prítoku a horným spojovacím miestom ku úseku medzi miestom prítoku a spodným spojovacím miestom sa rovnal pomeru teoretického počtu deliacich stupňov kolónového úseku postrannej kolóny pod miestom odoberania ku teoretickému počtu deliacich stupňov kolónového úseku postrannej kolóny nad miestom odoberania.

Teoretický počet deliacich stupňov postrannej kolóny v porovnaní so zodpovedajúcim úsekom hlavnej kolóny medzi prípojkami predstavuje 100 až 200 %, predovšetkým výhodne 120 až 140 %.

Výhodne sa na hornom konci postrannej kolóny pridáva kvapalina, ktorá sa odoberá z hlavnej kolóny, pričom toto množstvo kvapaliny zodpovedá 100 až 110 % množstva bríd v postrannej kolóne.

Ďalej sa frakcia stredne vriacich zložiek môže odoberať kvapalná a na mieste odberu postrannej frakcie v postrannej kolóne sa udržiava množstvo kvapaliny zodpovedajúce zadržiavacej dobe 0,1 až 2 hodiny v kolóne alebo v separátnej nádrži a postranný odber sa uskutočňuje iba po uskutočnení príslušnej analýzy.

V porovnaní s doterajším stavom techniky sa ukazuje, že v tomto prípade oddeľovanie malých množstiev sa môže veľmi odchyľovať od oddeľovania bríd 1:1, pokladaného vo všeobecnosti za ideálne, tým že sa do prídavnej postrannej kolóny, ktorá slúži na odoberanie stredne vriaceho vedľajšieho produktu, privádza len veľmi malé množstvo bríd, asi 3 až 10 %, vztiahnuté na množstvo bríd v hlavnej kolóne. To prináša tú výhodu, že táto postranná kolóna vyžaduje malé investičné a energetické náklady.

Delenie medzi ľahko vriacu a ťažko vriacu frakciu v hlavnej kolóne nie je týmto opatrením negatívne ovplyvnené. Pretože koncentrácia stredne vriacej zložky v hlavnej kolóne sa pripojením postrannej kolóny znižuje, poskytuje dokonca priaznivejšie deliace výkony.

Ako špecifickú výhodu je potrebné vidieť to, že pri odstraňovaní malých množstiev frakcie stredne vriacich zložiek podľa vynálezu sa v priemere, v pomere k hlavnej kolóne veľmi malou postrannou kolónou s frakciou stredne vriacich zložiek, stráca len malé množstvo frakcie ľahko a ťažko vriacich zložiek, ak sa ako porovnávací príklad postaví jednoduché postranné odoberanie.

Pokiaľ ide o počet deliacich stupňov postrannej kolóny, nie sú žiadne špeciálne požiadavky, t.j. môže mať rovnaký, vyšší alebo nižší teoretický počet deliacich stupňov v porovnaní s príslušným úsekom hlavnej kolóny. Tiež typ deliacich prvkov nie je závislý od hlavnej kolóny. Pretože postranná kolóna má iba malú prierezovú plochu a tým vykazuje malé náklady, môže sa trochu nákladnejšie vybaviť, pokiaľ ide o teoretický počet deliacich stupňov a tento, v porovnaní s hlavnou kolónou, zvýšiť o 20 až 50 %.

Presná poloha prípojok na hlavnú kolónu v obohacovacej a ochudobňovacej časti sa v jednotlivých prípadoch riadi podľa špecifikácií delenia a môže sa, ak sú známe vlastnosti pokiaľ ide o teplotu varu znečisťujúcej frakcie stredne vriacich zložiek, prípadne určiť matematickou simuláciou. Často však tieto látkové vlastnosti nie sú známe. V tomto prípade sa pri prísnejších nárokoch na čistotu poloha spojovacích miest medzi hlavnou a postrannou kolónou volí tak, aby ležala bližšie k miestu prítoku hlavnej kolóny. V mnohých prípadoch sa ukazuje ako účelné umiestňovať spojovacie miesta v strede obohacovacej a ochudobňovacej časti hlavnej kolóny.

Usporiadanie postranného odoberacieho miesta na postrannej kolóne by sa malo riadiť podlá polohy prítokového miesta v hlavnej kolóne vo vzťahu k miestam pripojenia. Pri strednom usporiadaní na hlavnej kolóne sa doporučuje umiestniť postranné odoberacie miesto v postrannej kolóne taktiež v strede. Ak však leží miesto prítoku bližšie k hornému spojovaciemu miestu, malo by odoberacie miesto ležať bližšie k spodnému spojovaciemu miestu a naopak.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Príklad (pozri obrázok)

Privádzaná zmes l pozostávajúca zo 16 263 kg/h cyklohexanónu, 20 676,5 kg/h cyklohexanolu, 6,4 kg/h metylcyklohexanónu a 1 741,6 kg/h vyššie vriacich vedlajších produktov, sa plní v kvapalnej forme s teplotou 110 °C na desiatej teoretickej etáži destilačnej kolóny celkove so 48 teoretickými stupňami. Prevádzkový tlak tejto kolóny je pri hlave 40.10² Pa a na spodku kolóny 64.10² Pa. Pri hlave 2 tejto kolóny sa pri teplote 62,3 ’C a pri pomere spätného toku 2,9 odoberá cyklohexanón v množstve 15 117 kg/h. Hlavový produkt obsahuje ešte 30 ppm metylcyklohexanónu. Na spodku kolóny 3 sa pri teplote

88,7 C odoberá 1 128,7 kg/h cyklohexanónu, 20 671 kg/h cyklohexanolu, 4,25 kg/h metylcyklohexanónu a 1 741,6 kg/h vyššie vriacich zložiek.

Medzi najspodnejšou etážou kolóny a 29. teoretickou etážou je pripojená odoberacia kolóna s celkom 35 teoretickými deliacimi stupňami. Na hornom konci sa pri teplote 66,8 ’C privádza asi 4 500 kg/h kvapaliny z hlavnej kolóny a na spodnom konci sa plní asi 4 300 kg/h bríd z hlavnej kolóny. Vo výške 10. teoretickej etáže tejto kolóny 4 sa pri teplote 74 ’C ako vo forme kvapaliny odoberá 25 kg/h frakcie stredne vriacich zložiek, ktorá obsahuje 72,2 % cyklohexanónu, 21 % cyklohexanolu a 6,8 % metylcyklohexanónu.

Claims (6)

1. Spôsob destilačného oddeľovania malých množstiev frakcie stredne vriacich zložiek zo zmesi kvapalín pomocou destilačnej kolóny (hlavnej kolóny), pozostávajúcej z obohacovacej časti a ochudobňovacej časti, pričom zmes kvapalín obsahuje väčšie množstvá ľahšie a ťažšie vriacich zložiek a pričom obohacovacia časť je spojená s horným koncom a ochudobňovacia časť je spojená so spodným koncom druhej destilačnej kolóny (postrannej kolóny) a pričom sa z jej stredného rozsahu odoberá frakcia stredne vriacich zložiek vo forme pár alebo kvapaliny, vyznačujúci sa tým, že koncentrácia frakcie stredne vriacich zložiek v zmesi kvapalín je menšia ako 2 %, výhodne menšia ako 0,1 % a množstvo bríd, ktoré sa privádza z hlavnej kolóny do postrannej kolóny na jej spodnom konci predstavuje na príslušnom mieste 1 až 20 %, výhodne 3 až 10 %, vztiahnuté na množstvo bríd v hlavnej kolóne.

2. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že odoberacie miesto postrannej kolóny je usporiadané tak, aby teoretický počet deliacich stupňov kolónového úseku hlavnej kolóny medzi miestom prítoku a horným spojovacím miestom ku úseku medzi miestom prítoku a spodným spojovacím miestom sa rovnal pomeru teoretického počtu deliacich stupňov kolónového úseku postrannej kolóny pod miestom odoberania ku teoretickému počtu deliacich stupňov kolónového úseku postrannej kolóny nad miestom odoberania.

3. Spôsob podľa nárokov 1 a 2, vyznačujúci sa tým, že teoretický počet deliacich stupňov postrannej kolóny v porovnaní so zodpovedajúcim úsekom hlavnej kolóny medzi prípojkami predstavuje 100 až 200 %, predovšetkým výhodne 120 až 140 %.

4. Spôsob podľa nárokov 1 až 3, vyznačujúci sa tým, že sa na hornom konci postrannej kolóny pridáva kvapalina, ktorá sa odoberá z hlavnej kolóny, pričom toto množstvo kvapaliny zodpovedá 100 až 110 % množstva bríd v postrannej kolóne.

5. Spôsob podľa nárokov 1 až 4, vyznačujúci sa tým, že frakcia stredne vriacich zložiek sa odoberá kvapalná a na mieste odberu postrannej frakcie v postrannej kolóne sa udržiava množstvo kvapaliny zodpovedajúce zadržiavacej dobe 0,1 až 2 hodiny v kolóne alebo v separátnej nádrži a postranný odber sa uskutočňuje iba po príslušnej analýze kvapaliny na mieste odberu.

6. Spôsob podľa nárokov 1 až 5, vyznačujúci sa tým, že prítoková zmes podielov ľahko vriacich zložiek obsahuje 40 až 65 % hmôt. cyklohexanónu, podielov stredne vriacich zložiek 0,001 až 0,5 % hmôt. metylcyklohexanónu, podielov vysokovriacich zložiek 30 až 60 % hmôt. cyklohexanolu a 1 až 10 % hmôt. vyššie vriacich vedľajších produktov, kolóna pracuje pri hlavovom tlaku 0,01 až 1.10⁵ Pa, výhodne 0,03 až 0,06.10⁵ Pa a pri pomere spätného toku 1,2 až 6,0, výhodne

1,8 až 3,0, teoretický počet deliacich stupňov hlavnej kolóny predstavuje 30 až 65, výhodne 40 až 50, postranná kolóna má teoretický počet deliacich stupňov 30 až 80, výhodne 30 až 40, na kolónovej hlave hlavnej kolóny sa odoberá frakcia cyklohexanónu s obsahom 0,0001 až 0,02 % hmôt. metylcyklohexanónu, na kolónovom spodku hlavnej kolóny sa odoberá frakcia cyklohexanolu s obsahom 0,002 až 0,4 % hmôt. metylcyklohexanónu a na mieste odberu postrannej kolóny sa odoberá frakcia stredne vriacich zložiek s 1 až 25 % hmôt. metylcyklohexanónu.