WO2002045811A1 - Verfahren und vorrichtung zur auftrennung eines stoffgemisches in seine bestandteile durch extraktivdestillation ine einer trennwandkolonne - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur auftrennung eines stoffgemisches in seine bestandteile durch extraktivdestillation ine einer trennwandkolonne Download PDF

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WO2002045811A1
WO2002045811A1 PCT/EP2001/012059 EP0112059W WO0245811A1 WO 2002045811 A1 WO2002045811 A1 WO 2002045811A1 EP 0112059 W EP0112059 W EP 0112059W WO 0245811 A1 WO0245811 A1 WO 0245811A1
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WO
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dividing wall
wall column
solvent
column
components
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PCT/EP2001/012059
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Hans Becker
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Linde Aktiengesellschaft
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D3/00—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/14—Fractional distillation or use of a fractionation or rectification column
    • B01D3/141—Fractional distillation or use of a fractionation or rectification column where at least one distillation column contains at least one dividing wall
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D3/00—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/34—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping with one or more auxiliary substances
    • B01D3/40—Extractive distillation

Definitions

  • the invention relates to a method for separating a mixture of substances into three components by extractive distillation and a device for carrying out the method.
  • Extractive distillation is particularly suitable for narrow-boiling mixtures whose individual components differ sufficiently in their polarity.
  • the presence of a polar solvent shifts the relative volatilities.
  • Non-polar components and those with a low polarity become relatively more volatile compared to those with a medium polarity, and very polar components become relatively heavier compared to those with only a medium polarity. If you want to win more than just two fractions from such a narrow-boiling mixture, you need a corresponding number of individual extractive distillation steps, similar to the way normal distillation requires n-1 distillation steps to obtain n fractions.
  • the present invention is therefore based on the object of designing a method of the type mentioned at the outset and an apparatus for carrying out the method in such a way that the energy requirement and the capital expenditure are reduced.
  • this object is achieved in terms of the process in that the extractive distillation is carried out in the presence of a solvent in a distillation column designed as a dividing wall column, which is divided in a central section by a vertical dividing wall into a feed side and a removal side, with each above and below the Partition wall is a further distillation zone and thus there is a connection between the feed side and the feed side, that the mixture of substances is added to the feed side of the dividing wall column, and the extractive distillation is carried out in such a way that the separated constituents in the top and bottom region of the dividing wall column and be obtained in the area of a funds deduction provided on the removal side, and the constituents thus obtained are withdrawn from the dividing wall column.
  • the invention is based on the idea of separating narrow-boiling substance mixtures into three components in only one step. While two stages connected in series are necessary for this in the prior art, the invention enables the extractive distillation to be carried out in a single distillation column. This significantly reduces energy expenditure and investment requirements. Even if the dividing wall column has to be dimensioned larger than each of the two individual columns of the prior art, their total investment costs are significantly lower than those of the two-column system. Due to the thermal coupling, which is implemented in a dividing wall column, they work thermodynamically cheaper than the traditional two-column arrangement. In particular, the invention is suitable for separating substance streams into three sub-streams, which differ in the different polarities of their constituents.
  • the substance mixture stream is fed into a distillation column designed as a dividing wall column, which is divided in a central section by a vertical dividing wall into a feed side and a removal side, with a further distillation zone being located above and below the dividing wall column and thus a connection between the feed side and the withdrawal side exists.
  • the dividing wall column is operated in the presence of a polar solvent in the dividing wall column in such a way that the non-polar constituents and / or those with low polarity are driven into the top region of the dividing wall column on the feed side, while the constituents with high polarity are washed back into the bottom region of the dividing wall column.
  • the components with medium polarity reach both the lower end of the partition and the upper end of the removal side.
  • the non-polar components and those with low polarity are driven off from a returning liquid in a zone above a center draw, and the components with higher polarity are washed back from the rising gas in a zone below the center draw, so that the purity of the components with medium polarity is maintained can be.
  • the constituents with medium polarity can be obtained in the region of the center draw, while the non-polar constituents and / or those with low polarity can be obtained at the top of the dividing wall column and the constituents with high polarity at the bottom of the dividing wall column.
  • a product stream, which has the constituents of medium polarity is finally discharged via the middle draw-off, while one provided in the upper region of the dividing wall column
  • Top draw a product stream that has the non-polar components and / or components with low polarity is discharged.
  • the solvent which contains the constituents with high polarity, is drawn off via a bottom draw-off provided in the lower region of the dividing wall column.
  • a high-boiling, polar solvent is expediently used. This can either be a pure solvent or a mixture with water or other solvents. All solvents used for normal extractive distillation can be used. The same selection criteria apply as for normal extractive distillation.
  • the solvent drawn off from the bottom region of the dividing wall column and containing the constituents with high polarity is preferably fed to a regeneration zone. There the components with high polarity are separated from the solvent and obtained as a further product. The solvent regenerated in this way is returned to the top of the dividing wall column.
  • the solvent washed back from the product stream of the center take-off is preferably returned to the dividing wall column in the area of the center take-off. If the solvent contains water, the actual solvent can optionally be backwashed with an aqueous fraction obtained together with the respective product stream.
  • the regeneration zone is integrated in the lower region of the dividing wall column.
  • the constituents with high polarity are removed from the dividing wall column via a side draw, which is arranged above the regeneration zone, and are returned to the backwashing of the solvent.
  • the invention further relates to a device for separating a mixture of substances into three components by extractive distillation.
  • the object is achieved in that the device has a distillation column designed as a dividing wall column, which is divided in a central section by a vertical dividing wall into a feed side and a removal side, with a further distillation zone being located above and below the dividing wall thus there is a connection between the feed side and the feed side, a feed for the mixture of substances is arranged on the feed side and a central deduction for a component obtained by extractive distillation is arranged on the feed side, while a top draw in the top region of the dividing wall column and in the bottom region of the dividing wall column Floor deduction for the other two through Extractive distillation obtained components are arranged, and the dividing wall column has a solvent feed.
  • a distillation column designed as a dividing wall column, which is divided in a central section by a vertical dividing wall into a feed side and a removal side, with a further distillation zone being located above and below the dividing wall thus there is a connection between the feed side and the feed side, a feed for the mixture of substances
  • the bottom draw is preferably connected to a regeneration device in which the constituents obtained by extractive distillation in the bottom region of the dividing wall column are separated from the solvent.
  • a product discharge is connected to this regeneration device, via which the constituents separated from the solvent are discharged as products.
  • a return line is connected to the regeneration device and is connected to the top area of the dividing wall column. The regenerated solvent is returned to the dividing wall column via this return line.
  • top draw, center draw and bottom draw are each connected to a backwashing device in which the solvent is washed back from the respective product streams by the returned product.
  • the backwashing device connected to the middle draw preferably has a return line for backwashed solvent, which is connected to the dividing wall column in the area of the middle draw so that the backwashed solvent can be fed back into the dividing wall column in this area.
  • the regeneration device is integrated in the lower region of the dividing wall column.
  • a side draw is arranged above the regeneration device and is connected to a backwashing device for washing back the solvent.
  • the individual partial columns are connected to one another via lines in such a way that the mode of operation corresponds to that of an undivided distillation column.
  • the present invention also relates to such divided dividing wall columns.
  • a number of advantages are associated with the invention. For the first time, it has been possible to use even extractive boiling mixtures in a single distillation step Separate distillation into three components. By cutting away both a light and a heavy end of the mixture in a single apparatus, an entire distillation column and its accessories (reboiler, condenser, reflux tank, solvent supply, solvent discharge and pump) can be saved.
  • the invention offers a substantial reduction in the total investment costs even if the dividing wall column has to be dimensioned larger than each of the two individual columns. Thanks to the thermal coupling that is implemented in the dividing wall column, it works more thermodynamically than the traditional two-column arrangement. Another advantage is that when thermally sensitive substances are processed, they are boiled less often. All in all, a technically elegant solution was created for how even narrow-boiling substance mixtures can be separated by extractive distillation with little equipment.
  • the invention can be used wherever more than just two fractions are to be obtained by extractive distillation from a narrow-boiling mixture of substances.
  • the invention can be used to advantage in the production of aromatics (e.g. benzene), olefins (e.g. alpha-olefins), dienes (e.g. butadiene) and oxygen-containing compounds (e.g. alcohols, ketones, esters etc.).
  • aromatics e.g. benzene
  • olefins e.g. alpha-olefins
  • dienes e.g. butadiene
  • oxygen-containing compounds e.g. alcohols, ketones, esters etc.
  • Figure 1 is a schematic diagram of a two-stage extractive distillation of the simplest kind according to the prior art
  • Figure 2 is a schematic diagram of a two-stage extractive distillation with common solvent regeneration according to the prior art
  • Figure 3 is a schematic diagram of a two-stage extractive distillation in a
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a fully integrated two-stage extractive distillation according to the invention
  • FIG. 1 The basic principle of an arrangement for separating narrow-boiling substance mixtures into their three components by extractive distillation according to the prior art is shown in FIG. As in the other Figures .2, .3 and 4, all steps for heat integration and heat recovery are omitted in this very simplified scheme.
  • FIGS. 1-4 the distillation zones present in the distillation columns are identified by X sections.
  • a first extractive distillation ED1 all non-polar constituents and also those with only low polarity are separated from the narrow-boiling mixture E and are obtained overhead as the first product P1.
  • the return quantity RL11, the amount of solvent L1 and the sump heater Q11 are set so that above the feed of the mixture insert E all components with a greater than a certain limit polarity (and thus with a lower relative volatility) are washed back from the rising steam. Below the feed point, the non-polar components and those with a lower polarity than said limit polarity are stripped from the flowing liquid. The solvent drawn off through the sump is therefore only loaded with the components whose polarity exceeds this limit. These are expelled from the solvent in the regeneration column REG1 and the regenerated solvent drawn off at the bottom is used again in the first extractive distillation ED1.
  • the top product of the regeneration column REG1 which contains all components with a greater than said limit polarity, is now fed to a second extractive distillation ED2, the operating conditions of which are set so that the components with medium polarity form the top product P2, while all very polar components remain in the solvent and be withdrawn with it over swamp.
  • the solvent is regenerated in the regeneration column REG2, the very polar components are obtained as top product P3.
  • the regenerated solvent L2 itself is returned to the second extractive distillation ED2.
  • FIG. 2 shows a further, albeit somewhat more elegant, schematic diagram of a conventional arrangement for cutting out components with medium polarity from a narrow-boiling mixture of substances.
  • the second Extractive distillation and partial regeneration of the solvent from the first regeneration stage of FIG. 1 are combined in one column.
  • all steps for heat integration and heat recovery are omitted.
  • the corresponding parts of the plant and corresponding process steps are designated by the same reference numerals as in FIG. 1.
  • the first extractive distillation ED1 the. narrow-boiling substance mixture insert E again separated all non-polar components and also those with only low polarity and obtained overhead as the first product P1.
  • the solvent drawn off through the sump is again only loaded with the components whose polarity exceeds this limit.
  • the loading solvent is fed into a second extractive distillation ED2.
  • Their head product P2 contains all components with a medium polarity.
  • the lower part of this column can also be understood as a partial regeneration of the solvent L1 of the first extractive distillation ED1, because here all components with a medium polarity are driven out of the solvent.
  • the solvent drawn off from the second extractive distillation ED2 via the sump is only loaded with the constituents with the greatest polarity. These are expelled from the solvent in the third column, the regeneration REG, and obtained overhead as the third product P3.
  • the now completely regenerated solvent is withdrawn from the bottom of the regeneration column REG and distributed to the two extractive distillation columns ED1 and ED2.
  • FIG. 3 shows a two-stage extractive distillation in a dividing wall column with separate solvent recovery according to the invention.
  • a mixture stream E of narrow-boiling constituents with different polarities is fed to the dividing wall column K1.
  • the dividing wall column K1 is divided by a vertical dividing wall T into a feed side, which is shown in the figure on the left, and a removal side, which is shown in the figure on the right.
  • the dividing wall column K1 is operated such that the non-polar constituents of the low-boiling feed mixture E and / or those constituents with low polarity are driven into the top region of the dividing wall column on the feed side, while the constituents be washed back with high polarity in the bottom area of the dividing wall column.
  • the constituents with medium polarity reach both the lower end of the dividing wall T and the upper end thereof on the removal side of the dividing wall column K1.
  • There the non-polar constituents and / or those with low polarity are driven off from the returning liquid in a zone above the center draw-off M.
  • the components with high polarity are washed back in a zone below the center draw-off M. In this way the purity of the middle fraction can be maintained.
  • the feed mixture E is thus in the
  • Partition wall column K1 separated into three different products of the desired purity, which can each be drawn off as partial streams from the top and bottom region and via the middle deduction M from the partition wall column K1.
  • the partial stream S1 drawn off from the top region of the dividing wall column K1 contains the non-polar constituents and / or those with only low polarity.
  • the solvent vapors are washed back in the uppermost section of the dividing wall column (between the feed of solvent L and the feed of return RL1), so that this product stream contains no solvent. It can be obtained directly as product P1.
  • the gaseous partial stream S2, which contains the constituents with medium polarity, is drawn off via the center draw-off M. Since the partial flow S2 also carries solvent vapors, this must be recovered in a column K2.
  • a partial stream S4 is discharged from the bottom region of the dividing wall column K1 and contains solvent which is loaded with the constituents having a high polarity.
  • the partial stream S4 is fed to a regeneration stage REG which is designed as a distillation column. In the regeneration stage REG, the constituents are driven out of the solvent with a high polarity and can be obtained as product P3, the solvent vapors being washed back in the upper section of the regeneration column REG.
  • FIG. 4 shows a variant of the extractive distillation shown in FIG. 3 in a dividing wall column.
  • This variant of the invention differs from the arrangement shown in Figure 3 in that the lower part of the regeneration stage REG was integrated into the dividing wall column K1 and the upper (backwashing) part was replaced by a smaller side column K3, the solvent recovered in this column K3 being returned directly to the dividing wall column K1.
  • a fully integrated two-stage extractive distillation is created, which consists of a single dividing wall column K1 and two small side columns K2 and K3.
  • a particularly high level of economy is achieved by the greatest possible reduction in energy consumption and investment.

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Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Auftrennung eines Stoffgemisches in seine drei Bestandteile durch extraktive Destillation beschrieben. Zur Verringerung des Energiebedarfs und des Investitionsaufwands wird die extraktive Destillation in einer als Trennwandklolonne (K1) ausgebildeten Destillationskolonne durchgeführt. Dadurch gelingt es, auch bei engsiedenden Stoffgemischen in einem einzigen Destillationsschritt drei Produkte (P1, P2, P3) mit hoher Reinheit zu gewinnen.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Auftrennung eines Stoffgemisches in seine Bestandteile durch Extraktivdestillation in einer Trennwandkolonne
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auftrennung eines Stoffgemisches in drei Bestandteile durch extraktive Destillation sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Bei vielen Prozessen der Erdöl- und Erdgasverarbeitung sowie der chemischen und petrochemischen Industrie stellt sich das Problem, Stoffgemische in seine Bestandteile aufzutrennen. Eine übliche Methode besteht in der Destillation des Stoffgemisches, wobei man sich die unterschiedlichen Siedepunkte der einzelnen Bestandteile des Stoffgemisches zu nutze macht. Sehr eng siedende Gemische lassen sich jedoch mit einer normalen Destillation nicht mehr mit wirtschaftlichem Aufwand auftrennen. Bei solchen Gemischen wird häufig die sog. "extraktive Destillation" angewandt. Dabei wird ein Lösemittel eingesetzt, das die relativen Flüchtigkeiten der zu trennenden
Bestandteile beeinflusst. Durch den Zusatz des Lösemittels werden die Unterschiede in den relativen Flüchtigkeiten der einzelnen Bestandteile wesentlich vergrößert, so dass eine Auftrennung durch Destillation ermöglicht wird.
Die extraktive Destillation bietet sich insbesondere bei eng siedenden Gemischen an, deren einzelne Bestandteile sich in ihrer Polarität ausreichend unterscheiden. Durch die Anwesenheit eines polaren Lösemittels verschieben sich die relativen Flüchtigkeiten. Unpolare Bestandteile und solche mit einer geringen Polarität werden im Vergleich zu solchen mit mittlerer Polarität relativ flüchtiger und sehr polare Bestandteile werden im Vergleich zu solchen mit nur mittlerer Polarität relativ schwerer. Will man mehr als nur zwei Fraktionen aus solch einem engsiedenden Gemisch gewinnen, dann braucht man entsprechend viele einzelne Extraktivdestillationsschritte, ähnlich, wie es bei der normalen Destillation zur Gewinnung von n-Fraktionen n-1 Destillationsschritte bedarf. Um einen Bestandteil mittlerer Polarität einerseits von relativ unpolaren Bestandteilen und andererseits von noch polareren Bestandteilen abzutrennen, muss man daher zwei Extraktivdestillationen hintereinander schalten. Die bisherigen Methoden der extraktiven Destillation sind allerdings sehr energieintensiv und erfordern zudem einen hohen Investitionsaufwand, vor allem dann, wenn mehrere Stufen notwendig sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens so auszugestalten, dass der Energiebedarf und der Investitionsaufwand verringert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß verfahrensseitig dadurch gelöst, dass die extraktive Destillation bei Anwesenheit eines Lösemittels in einer als Trennwandkolonne ausgebildeten Destillationskolonne durchgeführt wird, die in einem mittleren Abschnitt durch eine vertikale Trennwand in eine Zuspeiseseite und eine Entnahmeseite aufgeteilt ist, wobei sich jeweils oberhalb und unterhalb der Trennwand eine weitere Destillationszone befindet und somit dort eine Verbindung zwischen der Zuspeiseseite und der Einspeiseseite besteht, dass das Stoffgemisch auf der Zuspeiseseite der Trennwandkolonne zugegeben wird, und die extraktive Destillation derart durchgeführt wird, dass die getrennten Bestandteile jeweils im Kopf- und Bodenbereich der Trennwandkolonne sowie im Bereich eines auf der Entnahmeseite vorgesehenen Mittelabzugs gewonnen werden, und die so gewonnenen Bestandteile von der Trennwandkolonne abgezogen werden.
Die Erfindung basiert auf der Überlegung, eine Auftrennung auch von engsiedenden Stoffgemischen in drei Bestandteile in nur einer Stufe zu bewerkstelligen. Während nach dem Stand der Technik hierzu zwei hintereinander geschaltete Stufen notwendig sind, gelingt es mit der Erfindung, die extraktive Destillation in einer einzigen Destillationskolonne durchzuführen. Dadurch werden Energieaufwand und Investitionsbedarf wesentlich verringert. Selbst wenn die Trennwandkolonne größer dimensioniert werden muss als jede der beiden einzelnen der Kolonnen nach dem Stand der Technik, sind deren Gesamtinvestitionskosten deutlich niedriger als jene des Zweikolonnensystems. Durch die thermische Kopplung, die in einer Trennwand kolonne realisiert wird, arbeiten sie thermodynamisch günstiger als die traditionelle Zweikolonnenanordnung. Insbesondere eignet sich die Erfindung zur Auftrennung von Stoffgemischströmen in drei Teilströme, die sich durch unterschiedliche Polaritäten ihrer Bestandteile unterscheiden. Dabei wird der Stoffgemischstrom in eine als Trennwandkolonne ausgebildete Destillationskolonne eingespeist, die in einem mittleren Abschnitt durch eine vertikale Trennwand in eine Zuspeiseseite und eine Entnahmeseite aufgeteilt ist, wobei sich jeweils oberhalb und unterhalb der Trennwandkolonne eine weitere Destillationszone befindet und somit dort eine Verbindung zwischen der Zuspeiseseite und der Entnahmeseite besteht. Die Trennwandkolonne wird bei Anwesenheit eines polaren Lösemittels in der Trennwandkolonne derart betrieben, dass auf der Zuspeiseseite die unpolaren Bestandteile und/oder solche mit geringer Polarität in den Kopfbereich der Trennwandkolonne getrieben werden, während die Bestandteile mit hoher Polarität in den Bodenbereich der Trennwandkolonne zurückgewaschen werden. Die Bestandteile mit mittlerer Polarität gelangen sowohl über das untere Ende der Trennwand als auch über deren oberes Ende auf die Entnahmeseite. Auf der Entnahmeseite werden die unpolaren Bestandteile und solche mit geringer Polarität in einer Zone oberhalb eines Mittelabzugs aus rücklaufender Flüssigkeit abgetrieben und die Bestandteile mit höherer Polarität in einer Zone unterhalb des Mittelabzugs aus dem aufsteigenden Gas zurückgewaschen, so dass die Reinheit der Bestandteile mit mittlerer Polarität eingehalten werden kann. Dadurch können im Bereich des Mittelabzugs die Bestandteile mit mittlerer Polarität gewonnen werden, während die unpolaren Bestandteile und/oder solche mit geringer Polarität am Kopf der Trennwandkolonne und die Bestandteile mit hoher Polarität am Boden der Trennwandkolonne gewonnen werden können. Über den Mittelabzug wird schließlich ein Produktstrom, der die Bestandteile mit mittlerer Polarität aufweist, abgeführt, während über einen im oberen Bereich der Trennwandkolonne vorgesehenen
Kopfabzug ein Produktstrom, der die unpolaren Bestandteile und/oder Bestandteile mit geringer Polarität aufweist, abgeführt wird. Über einen im unteren Bereich der Trennwandkolonne vorgesehenen Bodenabzug wird das Lösemittel, das die Bestandteile mit hoher Polarität enthält, abgezogen.
Zweckmäßigerweise wird ein schwer siedendes, polares Lösemittel eingesetzt. Dies kann entweder ein reines Lösemittel oder eine Mischung mit Wasser oder auch anderen Lösemitteln sein. Sämtliche für die normale Extraktivdestillation verwendeten Lösemittel können verwendet werden. Es gelten die gleichen Auswahlkriterien wie bei der normalen Extraktivdestillation. Bevorzugt wird das vom Bodenbereich der Trennwandkolonne abgezogene Lösemittel, das die Bestandteile mit hoher Polarität enthält, einer Regenerationszone zugeführt. Dort werden die Bestandteile mit hoher Polarität vom Lösemittel abgetrennt und als weiteres Produkt gewonnen. Das so regenerierte Lösemittel wird in den Kopfbereich der Trennwandkolonne zurückgeführt.
Es ist ferner vorteilhaft, das Lösemittel aus den jeweiligen Produktströmen durch zurückgeführtes Produkt zurückzuwaschen. Dabei wird das aus dem Produktstrom des Mittelabzugs zurückgewaschene Lösemittel vorzugsweise wieder im Bereich des Mittelabzugs in die Trennwandkolonne zurückgeführt. Falls das Lösemittel Wasser enthält, kann die Rückwaschung des eigentlichen Lösemittels gegebenenfalls auch mit einer zusammen mit dem jeweiligen Produktstrom anfallenden wässrigen Fraktion erfolgen.
Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist die Regenerationszone in den unteren Bereich der Trennwandkolonne integriert. Die Bestandteile mit hoher Polarität werden bei dieser Ausführungsform über einen Seitenabzug, der über der Regenerationszone angeordnet ist, aus der Trennwandkolonne entfernt und der Rückwaschung des Lösemittels zugeführt.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Auftrennung eines Stoffgemisches in drei Bestandteile durch extraktive Destillation.
Erfindungsgemäß wird vorrichtungsseitig die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass die Vorrichtung eine als Trennwandkolonne ausgebildete Destillationskolonne aufweist, die in einem mittleren Abschnitt durch eine vertikale Trennwand in eine Zuspeiseseite und eine Entnahmeseite aufgeteilt ist, wobei sich jeweils oberhalb und unterhalb der Trennwand eine weitere Destillationszone befindet und somit eine Verbindung zwischen der Zuspeiseseite und der Einspeiseseite besteht, auf der Zuspeiseseite eine Zuführung für das Stoffgemisch angeordnet ist und auf der Entnahmeseite ein Mittelabzug für einen durch extraktive Destillation gewonnen Bestandteil angeordnet ist, während im Kopfbereich der Trennwandkolonne ein Kopfabzug und im Bodenbereich der Trennwandkolonne ein Bodenabzug für die beiden anderen durch extraktive Destillation gewonnen Bestandteile angeordnet sind, und die Trennwandkolonne eine Lösemittelzuführung aufweist.
Vorzugsweise steht der Bodenabzug mit einer Regeneriereinrichtung in Verbindung, in der die durch extraktive Destillation im Bodenbereich der Trennwandkolonne gewonnen Bestandteile vom Lösemittel abgetrennt werden. An diese Regeneriereinrichtung ist ein Produktabzug angeschlossen, über den die vom Lösemittel abgetrennten Bestandteile als Produkte abgeführt werden. Ferner ist an die Regeneriereinrichtung eine Rückführleitung angeschlossen, die mit dem Kopfbereich der Trennwandkolonne in Verbindung steht. Über diese Rückführleitung wird das regenerierte Lösemittel der Trennwandkolonne wieder zugeführt.
Außerdem ist es vorteilhaft, dass Kopfabzug, Mittelabzug und Bodenabzug jeweils mit einer Rückwascheinrichtung in Verbindung stehen, in der das Lösemittel aus den jeweiligen Produktströmen durch zurückgeführtes Produkt zurückgewaschen wird. Dabei weist die mit dem Mittelabzug in Verbindung stehende Rückwascheinrichtung vorzugsweise eine Rückführleitung für zurückgewaschenes Lösemittel auf, die im Bereich des Mittelabzugs an die Trennwandkolonne angeschlossen ist, so dass das zurückgewaschene Lösemittel in diesem Bereich in die Trennwandkolonne wieder eingespeist werden kann.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Regeneriereinrichtung in den unteren Bereich der Trennwandkolonne integriert. Dabei ist über der Regenereinrichtung ein Seitenabzug angeordnet, der mit einer Rückwascheinrichtung zum Zurückwaschen des Lösemittels in Verbindung steht.
Unter Umständen kann es aus konstruktiven Gründen erforderlich sein, die Destillationskolonne in zwei oder mehrere Abschnitte aufzuteilen. Die einzelnen Teilkolonnen sind in diesem Fall über Leitungen derart miteinander verbunden, dass die Funktionsweise der einer ungeteilten Destillationskolonne entspricht. Die vorliegende Erfindung betrifft auch derartige geteilte Trennwandkolonnen.
Mit der Erfindung ist eine Reihe von Vorteilen verbunden. So ist es erstmals gelungen, auch engsiedende Stoffgemische in einem einzigen Destillationsschritt durch extraktive Destillation in drei Bestandteile aufzutrennen. Durch das Wegschneiden sowohl eines leichten als auch eines schweren Endes des Stoffgemisches in einem einzigen Apparat kann eine ganze Destillationskolonne und deren Zubehör (Aufkocher, Kondensator, Rücklaufbehälter, Lösemittelzuführungen, Lösemittelabführungen und Pumpen) eingespart werden. Die Erfindung bietet eine wesentliche Verringerung der Gesamtinvestitionskosten, selbst dann, wenn die Trennwandkolonne größer dimensioniert werden muss als jede der beiden einzelnen Kolonnen. Durch die thermische Kopplung, die in der Trennwandkolonne realisiert wird, arbeitet sie thermodynamisch günstiger als die traditionelle Zweikolonnenanordnung. Ein weiterer Vorteil ist, dass bei der Verarbeitung von thermisch empfindlichen Stoffen diese weniger oft aufgekocht werden. Insgesamt wurde eine technisch elegante Lösung geschaffen, wie mit geringem apparativen Aufwand auch engsiedende Stoffgemische durch extraktive Destillation aufgetrennt werden können.
Die Erfindung kann überall angewandt werden, wo aus einem engsiedenden Stoffgemisch mehr als nur zwei Fraktionen durch Extraktivdestillation gewonnen werden sollen. Insbesondere kann die Erfindung mit Vorteil bei der Gewinnung von Aromaten (z.B. Benzol), Olefinen (z.B. Alpha-Olefinen), Dienen (z.B. Butadien) und sauerstoffhaltigen Verbindungen (z.B. Alkohole, Ketone, Ester etc.) eingesetzt werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei zum Vergleich die bisherigen Lösungen des Standes der Technik ebenfalls in Figuren dargestellt sind.
Es zeigen
Figur 1 ein Prinzipschema einer zweistufigen Extraktivdestillation einfachster Art nach dem Stand der Technik
Figur 2 ein Prinzipschema einer zweistufigen Extraktivdestillation mit gemeinsamer Lösemittelregenerierung nach dem Stand der Technik
Figur 3 ein Prinzipschema einer zweistufigen Extraktivdestillation in einer
Trennwandkolonne mit separater Lösemittelregenerierung nach der Erfindung. Figur 4 ein Prinzipschema einer vollintegrierten zweistufigen Extraktivdestillation nach der Erfindung
Das grundlegende Prinzip einer Anordnung zur Auftrennung von engsiedenden Stoffgemischen in ihre drei Bestandteile durch extraktive Destillation nach dem Stand der Technik ist in Figur 1 dargestellt. Wie auch in den übrigen Figuren .2,.3 und 4 sind in diesem sehr vereinfachten Schema alle Schritte zur Wärmeintegration und Wärmerückgewinnung weggelassen. In den Figuren 1 - 4 sind die in den Destillationskolonnen jeweils vorhandenen Destillationszonen durch X-Abschnitte gekennzeichnet. In einer ersten Extraktivdestillation ED1 werden aus dem engsiedenden Stoffgemischeinsatz E alle unpolaren Bestandteile und auch solche mit nur geringer Polarität abgetrennt und über Kopf als erstes Produkt P1 gewonnen. Dazu werden die Rücklaufmenge RL11, die Lösemittelmenge L1 und die Sumpfheizung Q11 so eingestellt, dass oberhalb der Einspeisung des Stoffgemischeinsatzes E alle Bestandteile mit einer größeren als einer gewissen Grenzpolarität (und damit mit einer geringeren relativen Flüchtigkeit) aus dem aufsteigenden Dampf zurückgewaschen werden. Unterhalb des Einspeisepunktes werden die unpolaren Bestandteile und solche mit einer geringeren Polarität als besagter Grenzpolarität aus der herunterlaufenden Flüssigkeit abgestrippt. Das über Sumpf abgezogene Lösemittel ist daher nur noch mit den Bestandteilen beladen, deren Polarität jenen Grenzwert überschreitet. Diese werden in der Regenerierkolonne REG1 aus dem Lösemittel ausgetrieben und das über Sumpf abgezogene regenerierte Lösemittel wird erneut in der ersten Extraktivdestillation ED1 eingesetzt. Das Kopfprodukt der Regenerierkolonne REG1 , das alle Bestandteile mit einer größeren als besagter Grenzpolarität enthält, wird nun einer zweiten Extraktivdestillation ED2 zugeführt, deren Betriebsbedingungen so eingestellt werden, dass die Bestandteile mit mittlerer Polarität das Kopfprodukt P2 bilden, während alle sehr polaren Bestandteile im Lösemittel verbleiben und mit diesem über Sumpf abgezogen werden. Bei der Regenerierung des Lösemittels in der Regenerierkolonne REG2 fallen die sehr polaren Komponenten als Kopfprodukt P3 an. Das regenerierte Lösemittel L2 selbst wird wieder in die zweite Extraktivdestillation ED2 zurückgeführt.
Figur 2 zeigt ein weiteres, allerdings etwas eleganteres Prinzipschema einer konventionellen Anordnung zum Herausschneiden von Bestandteilen mit mittlerer Polarität aus einem engsiedenden Stoffgemisch. Dabei sind die zweite Extraktivdestillation und eine partielle Regenerierung des Lösemittels der ersten Regenerierstufe der Figur 1 in einer Kolonne zusammengefasst. Auch in diesem sehr vereinfachten Schema sind alle Schritte zur Wärmeintegration und -rückgewinnung weggelassen. Die entsprechenden Anlagenteile und entsprechenden Verfahrensschritte sind mit den selben Bezugsziffern bezeichnet wie in Figur 1. In der ersten Extraktivdestillation ED1 werden aus dem. engsiedenden Stoffgemischeinsatz E wieder alle unpolaren Bestandteile und auch solche mit nur geringer Polarität abgetrennt und über Kopf als erstes Produkt P1 gewonnen. Das über Sumpf abgezogene Lösemittel ist wieder nur noch mit den Bestandteilen beladen, deren Polarität jenen Grenzwert überschreitet. Das beladende Lösemittel wird in eine zweite Extraktivdestillation ED2 eingespeist. Deren Kopfprodukt P2 enthält alle Komponenten mit einer mittleren Polarität. Den unteren Teil dieser Kolonne kann man auch als partielle Regenerierung des Lösemittels L1 der ersten Extraktivdestillation ED1 auffassen, denn hier werden alle Bestandteile mit einer mittleren Polarität aus dem Lösemittel ausgetrieben. Das aus der zweiten Extraktivdestillation ED2 über Sumpf abgezogene Lösemittel ist nur noch mit den Bestandteilen mit der größten Polarität beladen. Diese werden in der dritten Kolonne, der Regenerierung REG, aus dem Lösemittel ausgetrieben und als drittes Produkt P3 über Kopf gewonnen. Das nunmehr vollständig regenerierte Lösemittel wird aus dem Sumpf der Regenerierkolonne REG abgezogen und auf die beiden Extraktivdestillationskolonnen ED1 und ED2 verteilt.
In Figur 3 ist eine zweistufige Extraktivdestillation in einer Trennwandkolonne mit separater Lösemittelrückgewinnung nach der Erfindung dargestellt. Ein Stoffgemischstrom E aus engsiedenden Bestandteilen mit unterschiedlichen Polaritäten wird der Trennwandkolonne K1 zugeführt. Die Trennwandkolonne K1 ist durch eine vertikale Trennwand T in eine Zuspeiseseite, die in der Figur links dargestellt ist, und eine Entnahmeseite, die in der Figur rechts dargestellt ist, unterteilt. Durch Regelung der Rücklaufmenge RL1 , der Lösemittelmenge L sowie der Sumpfheizung Q1 wird die Trennwandkolonne K1 so betrieben, dass auf der Zuspeiseseite die unpolaren Bestandteile des engsiedenden Einsatzstoffgemisches E und/oder solche Bestandteile mit geringer Polarität in den Kopfbereich der Trennwandkolonne getrieben werden, während die Bestandteile mit hoher Polarität in den Bodenbereich der Trennwandkolonne zurückgewaschen werden. Die Bestandteile mit mittlerer Polarität gelangen dagegen sowohl über das untere Ende der Trennwand T als auch über deren oberes Ende auf die Entnahmeseite der Trennwandkolonne K1. Dort werden die unpolaren Bestandteile und/oder solche mit geringer Polarität in einer Zone oberhalb des Mittelabzugs M aus rücklaufender Flüssigkeit abgetrieben. Andererseits werden die Bestandteile mit hoher Polarität in einer Zone unterhalb des Mittelabzugs M zurückgewaschen. Auf diese Weise kann die Reinheit der mittleren Fraktion eingehalten werden. Das Einsatzstoffgemisch E wird somit in der
Trennwandkolonne K1 in drei verschiedene Produkte von gewünschter Reinheit aufgetrennt, die jeweils als Teilströme vom Kopf- und Bodenbereich sowie über den Mittelabzug M von der Trennwandkolonne K1 abgezogen werden können. Der vom Kopfbereich der Trennwandkolonne K1 abgezogene Teilstrom S1 enthält die unpolaren Bestandteile und/oder solche mit nur geringer Polarität. In dem obersten Abschnitt der Trennwandkolonne (zwischen der Aufgabe des Lösemittels L und der Aufgabe des Rücklaufs RL1) werden die Lösemittedämpfe zurückgewaschen, so dass dieser Produktstrom kein Lösemittel enthält. Er kann unmittelbar als Produkt P1 gewonnen werden. Über den Mittelabzug M wird der gasförmige Teilstrom S2 abgezogen, der die Bestandteile mit mittlerer Polarität enthält. Da der Teilstrom S2 auch Lösemitteldämpfe mitführt, muss dieses in einer Kolonne K2 rückgewonnen werden. In der Kolonne K2 werden die Bestandteile mit mittlerer Polarität von den restlichen Lösemitteldämpfen gereinigt. Das Lösemittel wird schließlich über den Strom S3 im Bereich des Mittelabzugs M in die Trennwandkolonne K1 zurückgeführt. Die in der Kolonne K2 von Lösemittelresten befreiten Bestandteile mit mittlerer Polarität werden schließlich als Produkt P2 gewonnen. Vom Bodenbereich der Trennwandkolonne K1 wird ein Teilstrom S4 abgeführt, der Lösemittel enthält, welches mit den Bestandteilen mit hoher Polarität beladen ist. Der Teilstrom S4 wird einer Regenerierstufe REG zugeführt, die als Destillationskolonne ausgebildet ist. In der Regenerierstufe REG werden die Bestandteile mit hoher Polarität aus dem Lösemittel ausgetrieben und können als Produkt P3 gewonnen werden, wobei die Lösemitteldämpfe im oberen Abschnitt der Regenerierkolonne REG zurückgewaschen werden. Das Lösemittel wird schließlich über den Strom L in den oberen Bereich der Trennwandkolonne K1 zurückgeführt. Auf diese Weise können mit einer einzigen Trennwandkolonne K1 aus einem engsiedenden Stoffgemischstrom E drei Produkte P1 , P2 und P3 mit hoher Reinheit gewonnen werden.
In Figur 4 ist eine Variante der in Figur 3 dargestellten Extraktivdestillation in einer Trennwandkolonne gezeigt. Diese Variante der Erfindung unterscheidet sich von der in Abbildung 3 gezeigten Anordnung dadurch, dass der untere Teil der Regenerier stufe REG in die Trennwandkolonne K1 integriert wurde und der obere (Rückwasch-)Teil durch eine kleinere Seitenkolonne K3 ersetzt wurde, wobei das in dieser Kolonne K3 zurückgewonnene Lösemittel unmittelbar in die Trennwandkolonne K1 zurückgeführt wird. Auf diese Weise entsteht eine vollintegrierte zweistufige Extraktivdestillation, die aus einer einzigen Trennwandkolonne K1 und zwei kleinen Seitenkolonnen K2 und K3 besteht.. Bei dieser Anordnung wird eine besonders hohe Wirtschaftlichkeit durch größtmögliche Verringerung des Energiebedarfs und des Investitionsaufwands erreicht.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Auftrennung eines Stoffgemisches in drei Bestandteile durch extraktive Destillation, dadurch gekennzeichnet, dass die extraktive Destillation bei Anwesenheit eines Lösemittels in einer als Trennwandkolonne ausgebildeteten Destillationskolonne durchgeführt wird, die in einem mittleren Abschnitt durch eine vertikale Trennwand in eine Zuspeiseseite und eine Entnahmeseite aufgeteilt ist, wobei sich jeweils oberhalb und unterhalb der Trennwand eine weitere Destillationszone befindet und somit dort eine Verbindung zwischen der Zuspeiseseite und der Einspeiseseite besteht, dass das Stoffgemisch auf der Zuspeiseseite der Trennwandkolonne zugegeben wird, und die extraktive
Destillation derart durchgeführt wird, dass die getrennten Bestandteile jeweils im Kopf- und Bodenbereich der Trennwandkolonne sowie im Bereich eines auf der Entnahmeseite vorgesehenen Mittelabzugs gewonnen werden, und die so gewonnenen Bestandteile von der Trennwandkolonne abgezogen werden.
2. Verfahren zur Auftrennung eines Stoffgemischstromes in drei Teilströme, die sich durch unterschiedliche Polaritäten ihrer Bestandteile unterscheiden, dadurch gekennzeichnet, dass
a) der Stoffgemischstrom in eine als Trennwandkolonne ausgebildete
Destillationskolonne eingespeist wird, die in einem mittleren Abschnitt durch eine vertikale Trennwand in eine Zuspeiseseite und eine Entnahmeseite aufgeteilt ist, wobei sich jeweils oberhalb und unterhalb der Trennwand eine weitere Destillationszone befindet und somit dort eine Verbindung zwischen der Zuspeiseseite und der Einspeiseseite besteht,
b) die Trennwandkolonne bei Anwesenheit eines polaren Lösemittels in der Trennwandkolonne derart betrieben wird, dass
c) auf der Zuspeiseseite die unpolaren Bestandteile und/oder solche mit geringer
Polarität in den Kopfbereich der Trennwandkolonne getrieben werden, während die Bestandteile mit hoher Polarität in den Bodenbereich der Trennwandkolonne zurückgewaschen werden, und die Bestandteile mit mittlerer Polarität sowohl über das untere Ende der Trennwand als auch über deren oberes Ende auf die Entnahmeseite gelangen,
d) auf der Entnahmeseite die unpolaren Bestandteile und/oder solche mit geringer Polarität in einer Zone oberhalb eines Mittelabzugs aus rücklaufender
Flüssigkeit abgetrieben werden und die Bestandteile mit hoher Polarität in einer Zone unterhalb des Mittelabzugs aus dem aufsteigendem Gas zurückgewaschen werden, so dass im Bereich des Mittelabzugs die Bestandteile mit mittlerer Polarität gewonnen werden, während die unpolaren Bestandteile und/oder solche mit geringer Polarität am Kopf der
Trennwandkolonne und die Bestandteile mit hoher Polarität am Boden der Trennwandkolonne gewonnen werden, und
e) über den Mittelabzug ein Produktstrom, der die Bestandteile mit mittlerer Polarität aufweist, abgeführt wird, während über einen im oberen Bereich der
Trennwandkolonne vorgesehenen Kopfabzug ein Produktstrom, der die unpolaren Bestandteile und/oder Bestandteile mit geringer Polarität aufweist, abgezogen wird und über einen im unteren Bereich der Trennwandkolonne vorgesehenen Bodenabzug das Lösemittel, das die Bestandteile mit hoher Polarität enthält, abgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Bodenbereich der Trennwandkolonne abgezogene Lösemittel, das die Bestandteile- mit hoher Polarität enthält, einer Regenerationszone zugeführt wird, in der die Bestandteile mit hoher Polarität vom Lösemittel abgetrennt und als weiteres Produkt gewonnen werden, während das so regenerierte Lösemittel in den Kopfbereich der Trennwandkolonne zurückgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösemittel aus den jeweiligen Produktströmen durch zurückgeführtes Produkt zurückgewaschen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Produktstrom des Mittelab∑ugs zurückgewaschene Lösemittel wieder im Bereich des Mittelabzugs in die Trennwandkolonne zurückgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Regenerationszone in den unteren Bereich der Trennwandkolonne integriert ist und dass die Bestandteile mit hoher Polarität über einen Seitenabzug, der über der Regenerationszone angeordnet ist, aus der Trennwandkolonne entfernt und der
Rückwaschung des Lösemittels zugeführt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelbzw, der Seitenabzug aus dem unteren Bereich als Gas aus der Trennwandkolonne abgezogen und der jeweiligen Rückwaschung des Lösemittels zugeführt werden.
8J (Vorrichtung zur Auftrennung eines Stoffgemisches in drei Bestandteile durch extraktive Destillation, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine als Trennwandkolonne ausgebildete Destillationskolonne aufweist, die in einem mittleren Abschnitt durch eine Trennwand in eine Zuspeiseseite und eine Entnahmeseite aufgeteilt ist, wobei sich jeweils oberhalb und unterhalb der Trennwand eine weitere Destillationszone befindet und somit eine Verbindung zwischen der Zuspeiseseite und der Einspeiseseite besteht, auf der Zuspeiseseite eine Zuführung für das Stoffgemisch angeordnet ist und auf der Entnahmeseite ein
Mittelabzug für einen durch extraktive Destillation gewonnen Bestandteil angeordnet ist, während im Kopfbereich der Trennwandkolonne ein Kopfabzug und im Bodenbereich der Trennwandkolonne ein Bodenabzug für die beiden anderen durch extraktive Destillation gewonnen Bestandteile angeordnet sind, und die Trennwandkolonne eine Lösemittelzuführung aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Bodenabzug mit einer Regeneriereinrichtung in Verbindung steht, in der die durch extraktive Destillation im Bodenbereich der Trennwandkolonne gewonnenen Bestandteile vom Lösemittel abgetrennt werden, wobei an die Regeneriereinrichtung ein
Produktabzug für die vom Lösemittel abgetrennten Bestandteile und eine Rückführleitung für das regenerierte Lösemittel angeschlossen sind, und die Rückführleitung mit dem Kopfbereich der Trennwandkolonne in Verbindung steht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Kopfabzug, Mittelabzug und Bodenabzug jeweils mit einer Rückwascheinrichtung in Verbindung stehen, in der das Lösemittel aus den jeweiligen Produktströmen durch zurückgeführtes Produkt zurückgewaschen wird.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Mittelabzug in Verbindung stehende Rückwascheinrichtung eine Rückführleitung für zurückgewaschenes Lösemittel aufweist, die im Bereich des Mittelabzugs an die Trennwaήdkolonne angeschlossen ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneriereinrichtung in den unteren Bereich der Trennwandkolonne integriert ist, wobei über der Regeneriereinrichtung. ein- Seitenabzug angeordnet ist,- der mit einer Rückwascheinrichtung zum Zurückwaschen des Lösemittels in Verbindung steht.
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