WO2011110257A2 - Verfahren und vorrichtung zur destillation von zur polymerisation neigenden verbindungen - Google Patents

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WO2011110257A2 PCT/EP2011/000384 EP2011000384W WO2011110257A2 WO 2011110257 A2 WO2011110257 A2 WO 2011110257A2 EP 2011000384 W EP2011000384 W EP 2011000384W WO 2011110257 A2 WO2011110257 A2 WO 2011110257A2
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distillation
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distillation apparatus
boiling point
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Klaus Kirsten
Jochen Bauer
Christoph Steden
Dominic Walter
Markus Kreich
Rudolph Zeyen
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Lurgi Gmbh
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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
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    • 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
    • B01D3/32—Other features of fractionating columns ; Constructional details of fractionating columns not provided for in groups B01D3/16 - B01D3/30
    • B01D3/322—Reboiler specifications
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    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C51/00—Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides
    • C07C51/42—Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives
    • C07C51/43—Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives by change of the physical state, e.g. crystallisation
    • C07C51/44—Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives by change of the physical state, e.g. crystallisation by distillation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C51/00—Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides
    • C07C51/42—Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives
    • C07C51/50—Use of additives, e.g. for stabilisation

Definitions

  • the invention relates to a process for the distillative treatment of mixtures containing polymerization-prone compounds.
  • the invention relates to the distillative purification of acrylic acid or methacrylic acid.
  • the invention further relates to a device for carrying out the method according to the invention.
  • Acrylic acid and its esters are increasingly used worldwide and are mainly used in the production of polymers.
  • Acrylic Acid and Esters the majority of commercial acrylic acid is currently produced by selective oxidation of propene, which is also the starting material for acrolein represents.
  • the selective oxidation of propene is carried out as a heterogeneously catalyzed gas phase reaction using air as the oxidant.
  • the acrylic acid is generally first separated by absorption by means of an absorbent, in most processes water or an aqueous solution.
  • organic solvents are also used for this purpose. Subsequently, the acrylic acid is often extracted by extraction with another
  • CONFIRMATION COPY Solvent converted into this and finally obtained by distillation in the required purity.
  • the azeotropic distillation is used instead of the extraction step first.
  • various solvents can be used.
  • the first group of solvents includes those having lower boiling points than acrylic acid, examples being ethyl acetate, butyl acetate, ethyl acrylate and 2-butanone, and mixtures thereof.
  • the second group includes solvents having higher boiling points than acrylic acid, exemplified by tert-butyl phosphate, isophorone and aromatic hydrocarbons. Mixtures of these low-boiling and high-boiling solvents form a third group.
  • the evaporation of the acrylic acid-containing liquid phase in the distillation is usually carried out in Destillationsaten with external recirculating evaporator with natural circulation, the liquid is usually heated in indirect heat exchange against a heating medium in a tube bundle heat exchanger. Since acrylic acid polymerizes easily, the distillation columns are operated with the addition of polymerization inhibitors, such as hydroquinone or hydroquinone monomethyl ether. Further, the column pressure is lowered in the distillation to lower the boiling point and thus the thermal load of the distillation feed.
  • polymerization inhibitors such as hydroquinone or hydroquinone monomethyl ether.
  • the upper portion of the heat exchanger of the circulation evaporator is not constantly lapped by liquid containing the inhibitor, since the vapor phase occupies the major part of the free volume in the evaporator. This can lead to local overheating on the product-side surface of the heat exchanger, and thus to increased thermal loading of the medium to be heated and also to thermal damage to the remaining inhibitor, which leads to inhibitor losses and promotes soiling of the heat exchanger. Over a longer period of operation, so unwanted deposits form on the heat exchanger, which are not completely removed during operation, but continue to accumulate and deteriorate the product quality and reduce the thermal efficiency of the heat exchanger. Furthermore, the risk of formation of deposits in the evaporator compared to the distillation column is to be assessed higher, since due to the smaller line cross-sections and the higher temperatures, the risk of clogging is considerably higher here.
  • European Patent EP 1029572 B1 teaches a process for the distillation of a polymerizable compound or a liquid containing such a compound in a distillation column equipped with a vertically arranged tube bundle heat exchanger as an evaporator, which is operated in natural circulation. It is proposed to arrange the recycle line from the reboiler to the distillation column so that the return of the vapor into the vapor space of the column takes place, the exact position of the introduction of the return line in the column in mathematical relationship to the top of the heat exchanger tube bundle, and wherein the inner diameter of the return line is mathematically related to the inner diameter of the evaporator housing. The aim of this measure is to accelerate the
  • European Patent EP 1043050 B1 proposes designing a method for distilling a polymerizable compound-containing liquid in a distillation column in such a way that certain linear velocities of the steam are to be maintained in the feed lines between the evaporator and the distillation column or between the distillation column and the condenser, and condensing compound condenses as quickly as possible and withdrawn from the column.
  • 10.03.2010 Lurgi file number: 09P30 DE has been found, which is characterized by reliability and high system availability, and avoids the formation of deposits in the evaporator in principle, if possible. This also applies to the work-up and purification of other polymerization-prone compounds, such as methacrylic acid.
  • the object of the present invention is therefore to provide a process for the distillation of mixtures of substances which tend to polymerise and a corresponding device which avoids the described disadvantages.
  • the formation of disturbing deposits in the free volume of the evaporator, the outlet hood and the outlet line should be prevented as fundamentally as possible.
  • the advantageous operation of the evaporator in the forced circulation is made possible by the fact that the pressure on the withdrawn from the distillation device, liquid bottom product, which is returned to the distillation apparatus, by overheating and conveying against a flow restricting means, preferably a diaphragm, a valve, a throttle, a perforated disc , a nozzle, a capillary, or combinations thereof. This results in overheating of the liquid above its boiling point with respect to the pressure inside the distillation apparatus.
  • a flow restricting means preferably a diaphragm, a valve, a throttle, a perforated disc , a nozzle, a capillary, or combinations thereof.
  • the distillation apparatus is preferably operated in a manner known per se with metered addition of polymerization inhibitors at suitable points, for example in the vicinity of the reentry point of the superheated liquid into the distillation column. In this way it is avoided that vapors of the easily polymerizable compound occur in containers and pipelines that are not wetted with inhibitor solutions.
  • the invention in the continuous distillation in a distillation column, but also in the batchwise distillation, z. B. in a distillation bubble, can be used.
  • the bottom product is not necessarily to be understood as meaning a liquid product taken at the lowest and / or hottest point of the distillation apparatus, but generally a liquid product taken from the bottom of the distillation apparatus.
  • overhead product is understood not to be limiting to a product taken at the highest and / or coldest point of the distillation apparatus, but generally to a gaseous or liquid product taken in the upper part of the distillation apparatus.
  • the driving force for the promotion of the liquid in the evaporator operation with natural circulation is the thermosyphon effect, ie density changes of the liquid by their heating and evaporation.
  • the low power available therefrom for pumping the liquid makes it necessary to design the piping and evaporator in such large dimensions that the equipment involves an undesirably large amount of product and undesirably high residence time of the product under thermal stress ,
  • the flow rate of the liquid through the heating device is dependent on the pressure loss of the circulation system and on the achieved temperature increase and evaporation rate. In evaporator operation with natural circulation, the flow rate of the liquid is usually low and is about 0.2 to 1, 5 m / s.
  • This flow rate of the circulating liquid is often not sufficient to allow sufficient cleaning of the media-contacting surfaces. Impurities that get into circulation or arise there, occupy the heat exchange surfaces and deteriorate permanently and increasingly the efficiency of the heating device.
  • Another advantage of the invention is also the possibility of the heating device, for. As the heat exchanger, and the associated piping during operation of the evaporator with forced circulation specifically to reduce. This reduces the amount of product in the heating device and thus the residence time of the thermally sensitive product at elevated temperature load. As a direct consequence, the undesirable side reaction of the acrylic acid to its dimer is reduced.
  • This advantage is to be valued higher than the slight additional thermal loading of the readily polymerizable compound and the polymerization inhibitor caused by the operation of the heat exchanger at elevated pressure and elevated temperature.
  • the pump is preferably arranged between the extraction line and the heating device, so that the pressure on the subsequent heating device in the flow direction is increased in order to prevent evaporation of the liquid downstream thereof.
  • Another pump can be used to remove the liquid bottoms product stream.
  • the conveying device can be a means for the separation of solid impurities, preferably a filter, upstream and / or downstream. It is preferred to precede the conveyor with the means for separating solid contaminants to protect them from contamination, staining or damage. In this way, undissolved, solid impurities, such as polymer particles, can be largely removed before they can get into the heating device and lead there to blockages. It is expedient to provide the filter with a switchable bypass line in order to remove it for cleaning or replacement without interrupting the process can.
  • a preferred embodiment of the method according to the invention provides, as a heating device to use a tube bundle heat exchanger, which works in indirect heat exchange against a heating medium. This is preferably operated in a horizontal position, but with the invention, other types of setup are possible. But it is also possible to heat the withdrawn from the distillation apparatus liquid with electrical energy.
  • a diaphragm, a valve, a throttle, a perforated disc, a nozzle, a capillary or combinations thereof is used as a flow-limiting means. It is particularly preferred if the opening characteristic of the flow-limiting means is adjustable. In this way, the pressure in the evaporator, even with changed flow velocities, as can occur, for example, during startup and shutdown, always safely above the boiling pressure of the liquid, based on the pressure in the interior of the distillation apparatus, are maintained.
  • the process according to the invention is suitable for the distillative separation of liquid mixtures which contain easily polymerizable compounds.
  • the process according to the invention is particularly preferably used for recovering acrylic acid or ethacrylic acid from liquid mixtures with a low-boiling solvent.
  • the acrylic acid or methacrylic acid is withdrawn as a high-boiling bottom product.
  • the lower-boiling solvent is obtained as top product and can be reused after condensation, for example as extractant. It is advantageous that the polymerization inhibitors commonly used remain in the bottom product due to their even higher boiling point and protect the acrylic acid or methacrylic acid contained therein from undesired oligomerization or polymerization.
  • the method according to the invention can also be used for the separation and recovery of easily polymerizable compounds of higher-boiling solvents.
  • the readily polymerizable compounds are recovered as the top product of the distillation. This is to ensure a particularly efficient and uniform addition of inhibitor in the entire distillation apparatus.
  • the spatial location of the heating device can now be carried out in almost any distance from the connected distillation device, and the installation position of the heating device is in principle arbitrary. This increases the design options when installing the apparatus in a new system.
  • the invention also relates to a device for carrying out the method according to the invention. It is characterized by
  • a heating device e.g. B. a heat exchanger to overheat the
  • a flow restriction means for adjusting a pressure difference between the interior of the distillation apparatus and the return conduit after exiting the heating apparatus
  • a diaphragm, a valve, a throttle, a perforated disc, a nozzle, a capillary or combinations thereof are used as Naturalflußbegrenzungsstoff.
  • Fig. 1 shows schematically a plant for carrying out the invention
  • Fig. 2 different embodiments of the flow restricting means.
  • a plant for carrying out the method according to the invention is shown schematically, wherein acrylic acid is separated as easily polymerizable, high-boiling compound of the low-boiling solvents cyclohexane (normal boiling point 81 ° C) and isopropyl acetate (normal boiling point 89 ° C).
  • the to be separated, acrylic acid, the solvent and hydroquinone as a polymerization inhibitor-containing liquid is charged as the first liquid stream via line 1 of the distillation apparatus 2, here a distillation column. In the distillation column, the separation of the liquid is carried out according to the boiling points of the substances contained.
  • pollution-resistant soil types are preferably provided as separation devices, but an embodiment with structured packings is likewise possible.
  • the polymerization inhibitor (not shown in Fig. 1).
  • a partial stream of the withdrawn bottom product is removed via lines 6, 8 by means of a pump 9 and returned to the distillation column.
  • This substream also contains the acrylic acid, the solvents and the polymerization inhibitor.
  • the recycle stream is preferably passed through a filter 7. This is provided with a bypass line, not shown in Fig. 1, to allow cleaning or replacement of the filter.
  • the filter 7 may also be arranged in lines 3 and 6 prior to the division of the bottoms product withdrawn from the column. For applications where little or no solid contaminants incurred, can also be dispensed with the filter 7.
  • the recirculated liquid stream is then fed via line 10 to a tube bundle heat exchanger 1 1.
  • the shell and tube heat exchanger is lying and operated in indirect heat exchange against low pressure steam as the heating medium.
  • the recirculated liquid flow becomes the boiling point at the pressure within the distillation column
  • this is a diaphragm with a fixed opening characteristic; the adjustment of the overpressure with respect to column internal pressure is carried out by calculating a corresponding opening cross section to the predetermined delivery rate of the pump.
  • the minimum delivery rate of the pump depends mainly on the maximum allowable temperature increase of the liquid to be heated and the heat exchanger geometry with regard to the speed criteria to be met.
  • a flow restrictor z. B. a valve, with adjustable opening characteristics.
  • z. B. at low load, the adjustment of the delivery rate of the pump 9 can be adjusted to the desired or necessary overpressure.
  • the lower-boiling components Upon passage of the superheated, recirculated liquid flow through the aperture occurs a sudden partial evaporation, wherein the lower-boiling components preferably pass into the vapor phase.
  • the lower-boiling components are obtained in a conventional manner after condensation at the top of the distillation column as a liquid, withdrawn via line 14 and returned to the not shown in Fig. 1 acrylic acid extraction.
  • the solvents can also be withdrawn in vapor form from the distillation column and recycled to the acrylic acid extraction, wherein the condensation must be carried out before reuse as extractant.
  • Fig. 2 shows in a schematic way special configurations and arrangement possibilities of the flow-limiting means 13, here the diaphragm (detail A in Fig. 1).
  • the aperture 13 is arranged outside of the distillation column 2.
  • the superheated, recirculated liquid stream is guided in the direction of arrow via line 12 against the aperture 13.
  • the vaporized after relaxation part liquid stream is returned via line 15 to the distillation column. It is recommended that in this embodiment, the line 15 as short as possible
  • the flow-limiting means 13 is arranged within the distillation column 2.
  • the diaphragm is bordered by two brackets and is connected as an assembly with the inner wall of the distillation column 2.
  • the inner wall of the distillation column 2 serves as a holder, so that only the side of the diaphragm facing the inside of the column has to be provided with an additional holder.
  • a disadvantage of the embodiments shown in Fig. 2 b) and c) is the poor accessibility of the flow restrictor in revisions.
  • the embodiment shown in Fig. 2 d) is similar to that in Fig. 2 a). However, here the return line 15 is omitted by the fact that the diaphragm and brackets existing assembly is applied directly to the outer wall of the distillation column 2.
  • a so-called block flange which is integrated in the container wall can be used.
  • the embodiment shown in Fig. 2 e) is similar to that in Fig. 2 b) and c).
  • the aperture is in turn arranged in the interior of the distillation column 2, but not connected to its inner wall, but attached to the end of the projecting into the distillation column line 12.
  • the following numerical examples relate to the separation of acrylic acid from lower-boiling solvents, but also the recovery of pure acrylic acid as a distillation head product.
  • the pump used is a centrifugal pump with a flow rate of 5 to 50 times the amount of liquid withdrawn from the distillation column, which flows to the evaporator, and produces a pressure increase of at least 10 kPa between the heat exchanger and the flow restrictor.
  • the flow restrictor is designed as a perforated disc.
  • the pressure between the heat exchanger and conflußbegrenzungsstoff is selected via the hole diameter and the delivery rate of the pump so that the temperature of the superheated liquid in front of the perforated disc is about 5 ° C below the boiling temperature at this pressure. This ensures that evaporation only starts after the relaxation behind the pinhole.
  • the circulation rate in the tube bundle is designed to be> 1.5 m / s are mass flows, temperatures and pressures in distillative separations according to the inventive method, which occur in the production of acrylic acid from propene by selective oxidation.
  • Example 1 Separation of lower-boiling components (solvent / water) as top product.
  • the bottom product consists predominantly of acrylic acid.
  • Example 2 Separation of pure acrylic acid as top product.
  • the bottom product contains not only acrylic acid but also oligomers as an impurity and inhibitor.
  • the invention provides an improved process for obtaining easily polymerizable compounds, in particular acrylic acid or methacrylic acid, in the distillative removal of a solvent, for.
  • an extractant proposed, which is characterized by low susceptibility to failure, ease of maintenance, reliability and long service intervals.
  • the service life of the heat exchanger is extended.
  • the loss of inhibitor by thermal decomposition is reduced.
  • An undesired oligomerization or polymerization of the easily polymerizable compound in the free steam space of conventional evaporators and the connected lines is prevented in principle.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Destillation von zur Polymerisation neigenden Verbindungen aus flüssigen Stoffgemischen, die außer der leicht polymerisierbaren Verbindung auch weitere Komponenten sowie Polymerisationsinhibitoren enthalten, wird der Verdampfer im Zwangsumlauf und bei einem Druck betrieben, der eine Überhitzung der Flüssigkeit bezüglich ihres Siedepunktes beim Druck innerhalb der Destillationskolonne ermöglicht. Erreicht wird dies durch Fördern der überhitzten Flüssigkeit gegen einen Durchflussbegrenzer, z. B. eine Blende. Die bei Durchtritt durch den Durchflussbegrenzer entspannte und teilverdampfte Flüssigkeit wird in die Destillationskolonne zurückgeführt. Auf diese Weise wird die Bildung eines freien Dampfraums im Verdampferumlauf nach der Erhitzung stromabwärts vom Wärmetauscher vermieden, in dem es bei Ausgestaltung des Verdampfers nach dem Stand der Technik häufig zur Bildung von Polymerisat-Ablagerungen kommt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Destillation von zur Polymerisation neigenden
Verbindungen
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur destillativen Behandlung von Stoffgemischen, die zur Polymerisation neigende Verbindungen beinhalten. Insbesondere betrifft die Erfindung die destillative Reinigung von Acrylsäure oder Methacrylsäure. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Stand der Technik
Acrylsäure und ihre Ester finden weltweit zunehmend Verwendung und werden hauptsächlich bei der Herstellung von Polymeren eingesetzt. Wie in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Sixth Edition, 1998 Electronic Release, Stichwort "Acrylic Acid and Esters", ausgeführt wird, wird gegenwärtig der überwiegende Anteil der kommerziell genutzten Acrylsäure durch selektive Oxidation von Propen hergestellt, das auch das Ausgangsmaterial für Acrolein darstellt. Die Selektivoxidation von Propen wird als heterogen katalysierte Reaktion in der Gasphase unter Verwendung von Luft als Oxidationsmittel durchgeführt. Aus dem dabei erhaltenen, gasförmigen Produktgemisch wird die Acrylsäure im Allgemeinen zunächst durch Absorption mit Hilfe eines Absorptionsmittels, in den meisten Verfahren Wasser oder einer wäßrigen Lösung, abgetrennt. Es kommen zu diesem Zweck aber auch organische Lösungsmittel zum Einsatz. Anschließend wird die Acrylsäure oft durch Extraktion mit einem weiteren
10.03.2010 Lurgi-Aktenzeichen: 09P30 DE
BESTÄTIGUNGSKOPIE Lösungsmittel in dieses überführt und schließlich durch Destillation in der geforderten Reinheit erhalten. Bei einigen Verfahren kommt anstatt des Extraktionsschrittes zunächst die Azeotropdestillation zum Einsatz. Zur Extraktion der Acrylsäure aus der meist wässrigen Lösung können verschiedene Lösungsmittel benutzt werden. Die erste Lösungsmittelgruppe umfaßt solche Stoffe, die kleinere Siedepunkte als Acrylsäure aufweisen, Beispiele sind Ethylacetat, Butylacetat, Ethylacrylat und 2-Butanon sowie Mischungen davon. Die zweite Gruppe beinhaltet Lösungsmittel mit höheren Siedepunkten als Acrylsäure, beispielhaft genannt werden können tert-Butylphosphat, Isophoron und aromatische Kohlenwasserstoffe. Mischungen dieser leicht- und schwersiedenden Lösungsmittel bilden eine dritte Gruppe.
Das Verdampfen der die Acrylsäure enhaltenden Flüssigphase bei der Destillation wird üblicherweise in Destllationsapparaten mit außenliegendem Umlaufverdampfer mit Naturumlauf durchgeführt, wobei die Flüssigkeit üblicherweise in indirektem Wärmetausch gegen ein Heizmedium in einem Rohrbündelwärmetauscher aufgeheizt wird. Da Acrylsäure leicht polymerisiert, werden die Destillationskolonnen unter Zugabe von Polymerisationsinhibitoren, wie Hydrochinon oder Hydrochinon-Monomethylether, betrieben. Ferner wird der Kolonnendruck bei der Destillation erniedrigt, um den Siedepunkt und somit die thermische Belastung des Destillationseinsatzes abzusenken. Trotzdem besteht besonders beim Verdampfen die Gefahr unerwünschter Polymerisation, da dabei die Acrylsäure (Normalsiedepunkt 142 °C) bzw. die Methacrylsäure (Normalsiedepunkt 163 °C) von den Polymerisationsinhibitoren wie Hydrochinon (Normalsiedepunkt 285 °C) oder Hydrochinon-Monomethylether (Normalsiedepunkt 243 °C) getrennt werden (alle Siedepunktsdaten aus NIST Chemistry WebBook, http://webbook.nist.gov/chemistry/, umgerechnet in °C). Daher verbleiben diese Inhibitoren in der Flüssigkeit, und beim erneuten Kondensieren der reinen Acrylsäuredämpfe, zum Beispiel an Apparaten und Rohrleitungen, setzt die Polymerisation ein und es bilden sich Ablagerungen in Form von Polymerpartikeln oder schlecht löslichen Schichten an Polymerisat.
10.03.2010 Lurgi-Aktenzeichen: 09P30 DE Besonders der obere Bereich des Wärmetauschers des Umlaufverdampfers wird nicht ständig von Flüssigkeit, die den Inhibitor beinhaltet, umspült, da die Dampfphase den überwiegenden Teil des freien Volumens im Verdampfer einnimmt. Dadurch kann es auf der produktseitigen Oberfläche des Wärmetauschers zur lokalen Überhitzung, und somit zur erhöhten thermischen Belastung des aufzuheizenden Mediums und auch zur thermischen Schädigung des zurück verbliebenen Inhibitors kommen, was zu Inhibitorverlusten führt und die Verschmutzung des Wärmetauschers fördert. Über eine längere Betriebszeit bilden sich so unerwünschte Ablagerungen auf dem Wärmetauscher, die im Betrieb nicht wieder vollständig entfernt werden, sondern sich weiter akkumulieren und die Produktqualität verschlechtern sowie die thermische Wirksamkeit des Wärmetauschers reduzieren. Ferner ist die Gefahr der Bildung von Ablagerungen im Verdampfer im Vergleich zur Destillationskolonne höher zu bewerten, da aufgrund der kleineren Leitungsquerschnitte und der höheren Temperaturen die Verstopfungsgefahr hier erheblich höher ist.
Diese Nachteile erfordern das wiederholte chemische oder mechanische Reinigen der betroffenen Wärmetauscher und der betroffenen Leitungen, das nur bei Stillstand der Anlage erfolgen kann. Hierdurch sinkt die Anlagenverfügbarkeit und mithin die Produktionskapazität. Zur Beseitigung dieser Problematik wurden daher im Stand der Technik bereits verschiedene Lösungen vorgeschlagen.
So lehrt die europäische Patentschrift EP 1029572 B1 ein Verfahren zur Destillation einer polymerisierbaren Verbindung oder einer eine solche Verbindung enthaltenden Flüssigkeit in einer Destillationskolonne, die mit einem vertikal angeordneten Rohrbündel-Wärmetauscher als Verdampfer ausgestattet ist, der im Naturumlauf betrieben wird. Dabei wird vorgeschlagen, die Rückführungsleitung vom Aufkocher in die Destillationskolonne derart anzuordnen, dass die Rückführung des Dampfes in den Dampfraum der Kolonne erfolgt, wobei die genaue Position der Einführung der Rückführungsleitung in die Kolonne in mathematischer Beziehung zur Oberkante des Wärmetauscher-Rohrbündels steht, und wobei der Innendurchmesser der Rückführungsleitung in mathematischer Beziehung zum Innendurchmesser des Verdampfergehäuses steht. Ziel dieser Maßnahme ist es, eine Beschleunigung des
10.03.2010 Lurgi-Aktenzeichen: 09P30 DE Dampfes vor Eintritt in die Destillationskolonne zu erreichen, um so Ablagerungen oberhalb des Rohrbündels und an der Eintrittsstelle in die Kolonne zu vermeiden. Ferner soll die Höhe des Flüssigkeitsspiegels in der Destillationskolonne so eingestellt werden, dass dieser unterhalb des unteren Randes der in die Kolonne eintretenden Rückführungsleitung, aber oberhalb des das Rohrbündel bedeckenden Flüssigkeitsspiegels liegt, wobei auch hierfür mathematische Beziehungen angegeben werden. Durch diese Maßnahme soll der Siedepunkt der die polymerisierbaren Verbindungen enthaltenden Flüssigkeit angehoben und somit die Polymerisation innerhalb des Wärmetauscher-Rohrbündels unterdrückt werden. Insgesamt ist festzustellen, dass die Polymerisation im freien Volumen des Verdampfers oberhalb des Rohrbündels durch die genannten Maßnahmen wahrscheinlich vermindert, aber nicht prinzipiell vermieden wird.
In der europäischen Patentschrift EP 1043050 B1 wird vorgeschlagen, ein Verfahren zur Destillation einer eine polymerisierbare Verbindung enthaltenden Flüssigkeit in einer Destillationskolonne so auszugestalten, dass in den Zuleitungen zwischen Verdampfer und Destillationskolonne bzw. zwischen Destillationskolonne und Kondensator bestimmte Lineargeschwindigkeiten des Dampfes eingehalten werden sollen, und die zur Polymerisation neigende Verbindung möglichst rasch kondensiert und aus der Kolonne abgezogen wird. In besonderer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, den Verdampfer und/oder den Kondensator in die Destillationskolonne zu integrieren, um auf diese Weise den freien Gasraum innerhalb der Kolonne, und damit die mittlere Verweilzeit des Dampfes, zu minimieren. Bei der Anwendung dieser Lehre dürften dabei allerdings Probleme insbesondere bei An- und Abfahrvorgängen auftreten, da dann die geforderten Dampf-Lineargeschwindigkeiten noch nicht bzw. nicht mehr eingehalten werden können. Die Integration von Verdampfer und Kondensator senken ferner das zur Rektifikation nutzbare Arbeitsvolumen und somit die Produktionskapazität der Destillationskolonne. Insgesamt lässt sich daher feststellen, dass bislang keine wirklich befriedigende technische Lösung zur Ausgestaltung und zum Betreiben eines Verdampfers bei der Destillation von zur Polymerisation neigenden Verbindungen, wie sie die Acrylsäure
10.03.2010 Lurgi- Aktenzeichen: 09P30 DE darstellt, gefunden wurde, die sich durch Betriebssicherheit und hohe Anlagenverfügbarkeit auszeichnet, und die Bildung von Ablagerungen im Verdampfer nach Möglichkeit prinzipiell vermeidet. Dies betrifft in gleicher Weise die Aufarbeitung und Reinigung anderer, zur Polymerisation neigender Verbindungen, wie beispielsweise der Methacrylsäure.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur Destillation von Stoffgemischen mit zur Polymerisation neigenden Inhaltsstoffen und eine entsprechende Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die die beschriebenen Nachteile vermeiden. Insbesondere soll mit der Erfindung die Bildung störender Ablagerungen im freien Volumen des Verdampfers, der Austrittshaube und der Austrittsleitung möglichst prinzipiell unterbunden werden. Die vorstehend genannte Aufgabe wird mit der Erfindung im Wesentlichen durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Es wurde gefunden, dass der Betrieb des Verdampfers im Zwangsumlauf zur Lösung der Aufgabe führt, wenn er in einer Weise betrieben wird, bei der die Bildung eines freien Gas-Dampf raums im gesamten Leitungsweg außerhalb der Destillationskolonne vermieden wird, und die Verdampfung schlagartig beim Wiedereintritt der erhitzten Flüssigkeit in die Destillationsvorrichtung, z. B. die Destillationskolonne, erfolgt. Dieser Befund ist insofern überraschend, da im Stand der Technik, z. B. der oben diskutierten Patentschrift EP 1029572 B1 , vom Zwangsumlaufbetrieb eines Verdampfers bei der Destillation von leicht polymerisierbaren Verbindungen enthaltenden Flüssigkeiten abgeraten wird. Ermöglicht wird der vorteilhafte Betrieb des Verdampfers im Zwangsumlauf dadurch, dass der Druck auf das aus der Destillationsvorrichtung abgezogene, flüssige Sumpfprodukt, das zur Destillationsvorrichtung zurückgeführt wird, durch Überhitzen und Fördern gegen ein Durchflußbegrenzungsmittel, bevorzugt eine Blende, ein Ventil, eine Drossel, eine Lochscheibe, eine Düse, eine Kapillare oder Kombinationen davon, erhöht wird. Hierdurch erfolgt eine Überhitzung der Flüssigkeit über ihren Siedepunkt in Bezug auf den Druck im Inneren der Destillationsvorrichtung.
10.03.2010 Lurgi-Aktenzeichen: 09P30 DE Beim Durchtritt der überhitzten Flüssigkeit durch das Durchflußbegrenzungsmittel und Wiedereintritt in die Destillationsvorrichtung erfolgt dann eine schlagartige Verdampfung der Flüssigkeit. Diese schlagartige Verdampfung, die unter erheblicher Volumenvergrößerung verläuft, führt zu einer Beschleunigung des in die Destillationsvorrichtung eintretenden Fluidstroms, wodurch die Gefahr einer Bildung von Ablagerungen beispielsweise von Polymeren an der Eintrittsstelle in die Destillationsvorrichtung verringert wird. Vorteilhaft ist es daher, wenn das Durchflußbegrenzungsmittel unmittelbar vor dem Wiedereintritt der überhitzten Flüssigkeit in die Destillationsvorrichtung, oder sogar im Inneren dieser, angeordnet wird. Bevorzugt wird die Destillationsvorrichtung dabei in an sich bekannter Weise unter Zudosierung von Polymerisationsinhibitoren an geeigneten Stellen, beispielsweise in der Nähe der Wiedereintrittsstelle der überhitzten Flüssigkeit in die Destillationskolonne, betrieben. In dieser Weise wird vermieden, dass Dämpfe der leicht polymerisierbaren Verbindung in Behältern und Rohrleitungen auftreten, die nicht mit Inhibitorlösungen benetzt sind.
Prinzipiell ist die Erfindung bei der kontinuierlichen Destillation in einer Destillationskolonne, aber auch bei der absatzweise durchgeführten Destillation, z. B. in einer Destillationsblase, einsetzbar. Als Sumpfprodukt ist dabei nicht notwendigerweise ein an der tiefsten und/oder heißesten Stelle der Destillationsvorrichtung entnommenes, flüssiges Produkt zu verstehen, sondern allgemein ein im unteren Teil der Destillationsvorrichtung entnommenes, flüssiges Produkt. Ebenso wird unter Kopfprodukt nicht einschränkend ein an der höchsten und/oder kältesten Stelle der Destillationsvorrichtung entnommenes Produkt verstanden, sondern allgemein ein im oberen Teil der Destillationsvorrichtung entnommenes, gasförmiges oder flüssiges Produkt.
Vorteilhaft ist es, dass durch Betrieb des Verdampfers im Zwangsumlauf eine gegenüber Betrieb mit Naturumlauf erhöhte Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit in der Erhitzungsvorrichtung, z. B. im Rohrbündel des Wärmetauschers, erzielt wird. Dadurch wird ein kontinuierliches Abreinigen der Wärmeaustauschflächen durch das strömende Produkt erreicht. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist der durch die erhöhte
10.03.2010 Lurgi-Aktenzeichen: 09P30 DE Strömungsgeschwindigkeit verbesserte Wärmeübergang zwischen Wärmetauscher und erhitzter Flüssigkeit, der wiederum zur Vermeidung lokaler Überhitzungen beiträgt.
Die treibende Kraft für die Förderung der Flüssigkeit beim Verdampferbetrieb mit Naturumlauf ist der Thermosyphon-Effekt, also Dichteänderungen der Flüssigkeit durch deren Erwärmung und Verdampfung. Die geringe Leistung, die daraus für die Förderung der Flüssigkeit zur Verfügung steht, macht es nötig, die Rohrleitungen und den Verdampfer in solch großen Dimensionen auszuführen, dass die Ausrüstung eine unerwünscht große Produktmenge beinhaltet und es zu unerwünscht hoher Verweilzeit des Produktes unter thermischer Belastung kommt. Die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch die Erhitzungsvorrichtung ist vom Druckverlust des Umlaufsystems und von der erreichten Temperaturerhöhung und Verdampfungsrate abhängig. Bei Verdampferbetrieb mit Naturumlauf ist die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit üblicherweise gering und beträgt etwa 0,2 bis 1 ,5 m/s. Diese Strömungsgeschwindigkeit der umlaufenden Flüssigkeit reicht oft nicht aus, um eine ausreichende Reinigung der medienberührten Flächen zu ermöglichen. Verunreinigungen, die in den Umlauf geraten oder dort entstehen, belegen die Wärmeaustauschflächen und verschlechtern dauerhaft und zunehmend den Wirkungsgrad der Erhitzungsvorrichtung. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist auch die Möglichkeit, die Erhitzungsvorrichtung, z. B. den Wärmetauscher, und die zugehörigen Rohrleitungen beim Betrieb des Verdampfers mit Zwangsumlauf spezifisch zu verkleinern. Dadurch reduziert sich die Produktmenge in der Erhitzungsvorrichtung und damit die Verweilzeit des thermisch empfindlichen Produktes bei erhöhter Temperaturbelastung. Als direkte Folge wird die unerwünschte Nebenreaktion der Acrylsäure zu ihrem Dimer verringert. Dieser Vorteil ist höher zu bewerten als die durch den Betrieb des Wärmetauschers bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur bewirkte, leichte zusätzliche thermische Belastung der leicht polymerisierbaren Verbindung und des Polymerisationsinhibitors. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird besonders bevorzugt als Fördervorrichtung eine Pumpe verwendet, um den Betrieb des Verdampfers im
10.03.2010 Lurgi- Aktenzeichen: 09P30 DE Zwangsumlauf zu ermöglichen. Die Pumpe wird dabei bevorzugt zwischen der Entnahmeleitung und der Erhitzungsvorrichtung angeordnet, so dass der Druck auf die in Strömungsrichtung nachfolgende Erhitzungsvorrichtung erhöht wird, um ein Verdampfen der Flüssigkeit stromabwärts nach dieser zu verhindern. Eine weitere Pumpe kann zum Abführen des flüssigen Sumpf produktstroms eingesetzt werden.
In Weiterbildung der Erfindung kann der Fördervorrichtung ein Mittel zur Abtrennung von festen Verunreinigungen, bevorzugt ein Filter, vor- und/oder nachgeschaltet werden. Es wird bevorzugt, der Fördervorrichtung das Mittel zur Abtrennung fester Verunreinigungen vorzuschalten, um diese vor Kontamination, Verstofung oder Beschädigung zu schützen. Auf diese Weise können ungelöste, feste Verunreinigungen, wie beispielsweise Polymerisatpartikel, weitgehend entfernt werden, bevor sie in die Erhitzungsvorrichtung gelangen und dort zu Verstopfungen führen können. Zweckmäßig ist es, das Filter mit einer zuschaltbaren Bypassleitung zu versehen, um dieses zur Reinigung oder zum Austausch ohne Unterbrechung des Verfahrens entnehmen zu können.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, als Erhitzungsvorrichtung einen Rohrbündel-Wärmetauscher zu verwenden, der in indirektem Wärmetausch gegen ein Heizmedium arbeitet. Dieser wird bevorzugt in waagerechter Aufstellung betrieben, mit der Erfindung werden aber auch andere Aufstellungsweisen ermöglicht. Möglich ist aber auch eine Beheizung der aus der Destillationsvorrichtung abgezogenen Flüssigkeit mit elektrischer Energie. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird als Durchflußbegrenzungsmittel eine Blende, ein Ventil, eine Drossel, eine Lochscheibe, eine Düse, eine Kapillare oder Kombinationen davon verwendet. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Öffnungscharakteristik des Durchflußbegrenzungsmittels verstellbar ist. Auf diese Weise kann der Druck im Verdampfer auch bei geänderten Strömungsgeschwindigkeiten, wie sie beispielsweise bei An- und Abfahrvorgängen auftreten können, immer sicher über dem Siededruck der Flüssigkeit, bezogen auf den Druck im Inneren der Destillationsvorrichtung, gehalten werden.
10.03.2010 Lurgi-Aktenzeichen: 09P30 DE Die Verwendung von Plattenwärmetauschern oder Spiralwärmetauschern anstelle von Rohrbündel-Wärmetauschern ist eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung, da hier bei Einhaltung von entsprechenden Geschwindigkeiten sowie unterdrückter Verdampfung die gleichen Vorteile wie beim Rohrbündel-Wärmetauscher erzielt werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur destillativen Auftrennung flüssiger Stoffgemische, die leicht polymerisierbare Verbindungen enthalten. Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Gewinnen von Acrylsäure oder ethacrylsäure aus flüssigen Mischungen mit leichtersiedendem Lösungsmittel angewendet. Die Acrylsäure oder Methacrylsäure wird dabei als schwersiedendes Sumpfprodukt abgezogen. Das leichtersiedende Lösungsmittel wird als Kopfprodukt erhalten und kann nach Kondensation beispielsweise als Extraktionsmittel wiederverwendet werden. Vorteilhaft ist dabei, dass die üblicherweise verwendeten Polymerisationsinhibitoren aufgrund ihres noch höheren Siedepunktes im Sumpfprodukt verbleiben und die darin enthaltene Acrylsäure oder Methacrylsäure vor unerwünschter Oligomerisation bzw. Polymerisation schützen. Prinzipiell ist das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Abtrennung und Gewinnung von leicht polymerisierbaren Verbindungen von schwerersiedenden Lösungsmitteln einsetzbar. Die leicht polymerisierbaren Verbindungen werden dabei als Kopfprodukt der Destillation gewonnen. Hierbei ist für eine besonders effiziente und gleichmäßige Inhibitorzugabe in der gesamten Destillationsvorrichtung zu sorgen.
Der räumliche Aufstellort der Erhitzungsvorrichtung kann nun in nahezu beliebiger Entfernung von der angeschlossenen Destillationsvorrichtung erfolgen, und die Einbaulage der Erhitzungsvorrichtung ist prinzipiell beliebig. Dies erhöht die Ausgestaltungsmöglichkeiten bei Aufstellung der Apparate in einer neuen Anlage.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Sie ist gekennzeichnet durch
10.03.2010 Lurgi-Aktenzeichen: 09P30 DE - eine Destillationsvorrichtung zur destillativen Auftrennung flüssiger Stoffgemische, die leicht polymerisierbare Verbindungen enthalten,
- eine Leitung zur Entnahme des flüssigen Sumpfproduktes aus dem unteren Teil der Destillationsvorrichtung als Produktstrom,
- eine Leitung zur Entnahme des flüssigen Sumpfproduktes aus dem unteren Teil der Destillationsvorrichtung als Rückführstrom,
- eine Leitung zur Rückführung des Rückführstroms
- eine Pumpe als Triebkraft für den Zwangsumlauf,
- einen Erhitzungsvorrichtung, z. B. einen Wärmetauscher, zum Überhitzen der
Flüssigkeit,
- ein Durchflußbegrenzungsmittel zum Einstellen einer Druckdifferenz zwischen dem Inneren der Destillationsvorrichtung und der Rückführleitung nach Austritt aus der Erhitzungsvorrichtung,
- eine Rückführleitung zur Rückführung des überhitzten Rückführstroms von der Erhitzungsvorrichtung zur Destillationsvorrichtung,
- eine Leitung zum Abziehen des Kopfproduktes.
Bevorzugt wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Blende, ein Ventil, eine Drossel, eine Lochscheibe, eine Düse, eine Kapillare oder Kombinationen davon als Durchflußbegrenzungsmittel verwendet.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination die Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens,
Fig. 2 verschiedene Ausgestaltungsformen des Durchflußbegrenzungsmittels.
10.03.2010 Lurgi-Aktenzeichen: 09P30 DE In Fig. 1 ist schematisch eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, wobei Acrylsäure als leicht polymerisierbare, schwersiedende Verbindung von den leichtsiedenden Lösungsmitteln Cyclohexan (Normalsiedepunkt 81 °C) und Isopropylactetat (Normalsiedepunkt 89 °C) abgetrennt wird. Die zu trennende, Acrylsäure, die Lösungsmittel und Hydrochinon als Polymerisationsinhibitor enthaltende Flüssigkeit wird als erster Flüssigkeitsstrom über Leitung 1 der Destillationsvorrichtung 2, hier einer Destillationskolonne, aufgegeben. In der Destillationskolonne erfolgt die Auftrennung der Flüssigkeit gemäß der Siedepunkte der enthaltenen Stoffe. Bevorzugt werden in der Destillationskolonne verschmutzungsunempfindliche Bodentypen als Trennvorrichtungen vorgesehen, eine Ausgestaltung mit strukturierten Packungen ist aber ebenfalls möglich. An mehreren Stellen innerhalb der Destillationskolonne werden Zudosierungsstellen für den Polymerisationsinhibitor vorgesehen (nicht gezeigt in Fig. 1 ). Die Entnahme des schwersiedenden, im Wesentlichen die Acrylsäure enthaltendenen, flüssigen Sumpfproduktes der Destillation erfolgt über Leitungen 3 und 5 und Pumpe 4 in an sich bekannter Weise. Ein Teilstrom des entnommenen Sumpfproduktes wird über Leitungen 6, 8 mittels einer Pumpe 9 entnommen und zu der Destillationskolonne zurückgeführt. Dieser Teilstrom enthält ebenfalls die Acrylsäure, die Lösungsmittel sowie den Polymerisationsinhibitor. Zur Abtrennung von Polymerisatpartikeln sowie sonstiger fester Verunreinigungen wird der Rückführstrom bevorzugt über ein Filter 7 geführt. Dieses ist mit einer in Fig. 1 nicht gezeigten Bypassleitung versehen, um eine Reinigung oder einen Austausch des Filters zu ermöglichen. Alternativ kann das Filter 7 auch vor der Aufteilung des der Kolonne entnommenen Sumpfproduktes in Leitungen 3 und 6 angeordnet sein. Für Anwendungen, bei denen wenige oder keine feste Verunreinigungen anfallen, kann auch auf das Filter 7 verzichtet werden.
Der rückgeführte Flüssigkeitsstrom wird anschließend über Leitung 10 einem Rohrbündel-Wärmetauscher 1 1 zugeführt. Der Rohrbündel-Wärmetauscher wird liegend und in indirektem Wärmetausch gegen Niederdruckdampf als Heizmedium betrieben. Im Rohrbündel-Wärmetauscher wird der rückgeführte Flüssigkeitsstrom aufgrund des zwischen der Pumpe 9 und dem Durchflussbegrenzungsmittel 13 erzeugten Überdrucks bezüglich seines Siedepunkts bei dem Druck innerhalb der Destillationskolonne
10.03.2010 Lurgi-Aktenzeichen: 09P30 DE überhitzt. Er verläßt daher als überhitzter, flüssiger Rückführstrom den Rohrbündel- Wärmetauscher und wird gegen das Durchflussbegrenzungsmittel 13 gefördert. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich dabei um eine Blende mit fester Öffnungscharakteristik; die Einstellung des Überdruckes bezüglich Kolonneninnendruck erfolgt durch Berechnung eines entsprechenden Öffnungsquerschnitts zur vorher festgelegten Förderrate der Pumpe. Die Mindestförderrate der Pumpe richtet sich hauptsächlich nach der maximal zulässigen Temperaturerhöhung der zu erhitzenden Flüssigkeit und der Wärmetauschergeometrie im Hinblick auf die einzuhaltenden Geschwindigkeitskriterien.
Möglich ist auch die Verwendung eines Durchflussbegrenzungsmittels, z. B. eines Ventils, mit verstellbarer Öffnungscharakteristik. Hierdurch kann z. B. bei Niederlast die Einstellung der Förderrate der Pumpe 9 an den gewünschten bzw. notwendigen Überdruck angepasst werden.
Bei Durchtritt des überhitzten, rückgeführten Flüssigkeitsstroms durch die Blende erfolgt eine schlagartige Teilverdampfung, wobei die leichtersiedenden Komponenten bevorzugt in die Dampfphase übergehen. Die leichtersiedenden Komponenten werden in an sich bekannter Weise nach Kondensation am Kopf der Destillationskolonne als Flüssigkeit gewonnen, über Leitung 14 abgezogen und zu der in Fig. 1 nicht gezeigten Acrylsäure-Extraktion zurückgeführt. Alternativ können die Lösungsmittel auch dampfförmig aus der Destillationskolonne abgezogen und zu der Acrylsäure-Extraktion zurückgeführt werden, wobei die Kondensation vor erneutem Einsatz als Extraktionsmittel erfolgen muss.
Fig. 2 zeigt in schematischer Weise besondere Ausgestaltungen und Anordnungsmöglichkeiten des Durchflußbegrenzungsmittels 13, hier der Blende (Detail A in Fig. 1 ). In Fig. 2 a) ist die Blende 13 außerhalb der Destillationskolonne 2 angeordnet. Der überhitzte, rückgeführte Flüssigkeitsstrom wird in Pfeilrichtung über Leitung 12 gegen die Blende 13 geführt. Der nach Entspannung teil verdampfte Flüssigkeitsstrom wird über Leitung 15 zu der Destillationskolonne zurückgeführt. Es empfiehlt sich, bei dieser Ausgestaltung die Leitung 15 möglichst kurz auszuführen
10.03.2010 Lurgi-Aktenzeichen: 09P30 DE und/oder fallend zu verlegen, um einen freien Rückstrom der teilverdampften Flüssigkeit in die Destillationskolonne 2 zu gewährleisten.
Bei den in Fig. 2 b) und c) dargestellten Ausgestaltungsformen ist das Durchflußbegrenzungsmittel 13 innerhalb der Destillationskolonne 2 angeordnet. In Fig. 2 b) ist die Blende von zwei Halterungen eingefaßt und wird als Baugruppe mit der Innenwand der Destillationskolonne 2 verbunden. Bei der in Fig. 2 c) gezeigten Ausgestaltung dient die Innenwand der Destillationskolonne 2 als Halterung, so dass nur die zum Kolonneninneren weisende Seite der Blende mit einer zusätzlichen Halterung versehen werden muss. Nachteilig bei den in Fig. 2 b) und c) dargestellten Ausgestaltungsformen ist die schlechte Zugänglichkeit des Durchflußbegrenzungsmittels bei Revisionen.
Die in Fig. 2 d) dargestellte Ausführungsform ähnelt derjenigen in Fig. 2 a). Es entfällt hier jedoch die Rückführungsleitung 15 dadurch, dass die Blende und Halterungen bestehende Baugruppe direkt auf die Außenwand der Destillationskolonne 2 aufgebracht wird. Hierbei kann z.B. ein sogenannter Blockflansch, der in der Behälterwand integriert ist, eingesetzt werden. Die in Fig. 2 e) dargestellte Ausführungsform ähnelt derjenigen in Fig. 2 b) und c). Die Blende ist wiederum im Inneren der Destillationskolonne 2 angeordnet, aber nicht mit ihrer Innenwand verbunden, sondern am Ende der in die Destillationskolonne hineinragenden Leitung 12 angebracht. Zahlenbeispiele
Die nachfolgenden Zahlenbeispiele betreffen die Abtrennung von Acrylsäure von leichtersiedenden Lösungsmitteln, aber auch die Gewinnung reiner Acrylsäure als Destillations-Kopfprodukt. Als Pumpe dient eine Kreiselpumpe mit einer Förderleistung des 5 bis 50-fachen der der Destillationskolonne entnommenen Flüssigkeitsmenge, die dem Verdampfer zuströmt, und zwischen Wärmetauscher und Durchflußbegrenzungsmittel eine Druckerhöhung von mindestens 10 kPa erzeugt. Die
10.03.2010 Lurgi-Aktenzeichen: 09P30 DE Erhitzung der Flüssigkeit im Verdampfer erfolgt mittels eines Rohrbündel- Wärmetauschers.
Das Durchflußbegrenzungsmittel wird als Lochscheibe ausgeführt. Der Druck zwischen Wärmetauscher und Durchflußbegrenzungsmittel wird über den Lochdurchmesser und die Förderleistung der Pumpe so gewählt, dass die Temperatur der überhitzten Flüssigkeit vor der Lochscheibe ca. 5 °C unter der Siedetemperatur bei diesem Druck liegt. So wird sichergestellt, dass eine Verdampfung erst nach der Entspannung hinter der Lochblende einsetzt. Je nach Arbeitsdruck im Kolonnensumpf (üblicherweise zwischen 8 und 50 kPa(a) wird ein Überdruck von 10 bis 100 kPa bevorzugt, basierend auf den bevorzugten Umlaufraten von 10 bis 15, wobei die Umlaufrate als Mengenverhältnis von umgepumpter Flüssigkeit zu verdampfter Flüssigkeit definiert wird. Die Produkttemperatur am Austritt des Wärmetauschers wird so gewählt, dass sie 5 bis 15 °C über der Sumpftemperatur liegt. Zum Erreichen der Selbstreinigungswirkung der Rohrleitungen im Rohrbündel-Wärmetauscher wird die Strömungsgeschwindigkeit im Rohrbündel auf > 1 ,5 m/s ausgelegt. In den nachfolgenden Tabellen sind Mengenströme, Temperaturen und Drücke bei destillativen Trennungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zusammengestellt, die bei der Herstellung von Acrylsäure aus Propen durch Selektivoxidation auftreten.
Beispiel 1 : Abtrennung von leichtersiedenden Komponenten (Lösungsmittel / Wasser) als Kopfprodukt. Das Sumpfprodukt besteht überwiegend aus Acrylsäure.
Figure imgf000016_0001
Lurgi-Aktenzeichen: 09P30 DE Beispiel 2: Abtrennung von reiner Acrylsäure als Kopfprodukt. Das Sumpfprodukt enthält neben Acrylsäure auch Oligomere als Verunreinigung sowie Inhibitor.
Figure imgf000017_0001
Gewerbliche Anwendbarkeit
Mit der Erfindung wird ein verbessertes Verfahren zur Gewinnung leicht polymerisierbarer Verbindungen, insbesondere Acrylsäure oder Methacrylsäure, bei der destillativen Abtrennung von einem Lösungsmittel, z. B. einem Extraktionsmittel, vorgeschlagen, das sich durch geringe Störungsanfälligkeit, Wartungsfreundlichkeit, Be- triebssicherheit sowie lange Betriebsintervalle auszeichnet. Durch Vermeidung von Ablagerungen auf den Wärmeaustauschflächen verlängert sich die Betriebsdauer des Wärmetauschers. Der Verlust an Inhibitor durch thermische Zersetzung wird reduziert. Eine unerwünschte Oligomerisation oder Polymerisation der leicht polymerisierbaren Verbindung im freien Dampfraum konventioneller Verdampfer und den angeschlossenen Leitungen wird prinzipiell unterbunden.
10.03.2010 Lurgi-Aktenzeichen: 09P30 DE Bezugszeichenliste
1 Leitung
2 Destillationskolonne
3 Leitung
4 Pumpe
5 Leitung
6 Leitung
7 Filter
8 Leitung
9 Pumpe
10 Leitung
11 Wärmetauscher
12 Leitung
13 Blende
14 Leitung
15 Leitung
10.03.2010 Lurgi-Aktenzeichen: 09P30 DE

Claims

Patentansprüche:
1 . Verfahren zum Gewinnen einer leicht polymerisierbaren Verbindung aus einem
flüssigen Stoffgemisch, das die leicht polymerisierbare Verbindung, mindestens einen zweiten Stoff sowie mindestens einen Polymerisationsinhibitor umfaßt, durch Destillation in einer Destillationsvorrichtung, wobei die Destillationsvorrichtung mit mindestens einer Erhitzungsvorrichtung ausgestattet ist, und wobei der zweite Stoff einen anderen Siedepunkt als die leicht polymerisierbare Verbindung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Verfahrensschritte umfaßt werden:
(a) Zuführen des flüssigen Stoffgemisches zu der Destillationsvorrichtung und destil- lative Auftrennung in ein Kopfprodukt und ein Sumpfprodukt,
(b) Abziehen eines Teils des flüssigen Sumpfproduktes im unteren Teil der Destillationsvorrichtung und Ausleiten als Produktstrom,
(c) Abziehen eines weiteren Teils des flüssigen Sumpfproduktes im unteren Teil der Destillationsvorrichtung als Rückführstrom,
(d) Zuführen des Rückführstroms zu einer Erhitzungsvorrichtung und Abführen eines überhitzten, flüssigen Rückführstroms, wobei der überhitzte Rückführstrom in Bezug auf den Druck im Inneren der Destillationsvorrichtung über seinen Siedepunkt erhitzt ist,
(e) Fördern des überhitzten Rückführstroms gegen ein Durchflußbegrenzungsmittel und Ableiten eines teilverdampften Fluidstroms,
(f) Rückführen des teilverdampften Fluidstroms in die Destillationsvorrichtung,
(g) Abziehen eines Kopfproduktstroms im oberen Teil der Destillationsvorrichtung.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die leicht polymeri- sierbare Verbindung im Sumpfprodukt gewonnen wird, wenn ihr Siedepunkt höher ist als der Siedepunkt des zweiten Stoffs.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die leicht polymerisierbare Verbindung im Kopfprodukt gewonnen wird, wenn ihr Siedepunkt niedriger ist als der Siedepunkt des zweiten Stoffs.
4. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Sumpfprodukt mit einem Mittel zur Abtrennung von festen Verunreinigungen, bevorzugt einem Filter, behandelt wird.
10.03.2010 Lurgi-Aktenzeichen: 09P30 DE
5. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Erhitzungsvorrichtung ein in indirektem Wärmetausch gegen ein Heizmedium arbeitender Rohrbündel-Wärmetauscher verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Durchflußbegrenzungsmittel eine Blende, ein Ventil, eine Drossel, eine Lochscheibe, eine Düse, eine Kapillare oder Kombinationen davon verwendet werden.
7. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchflußbegrenzungsmittel eine verstellbare Öffnungscharakteristik aufweist.
8. Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorigen Ansprüche zum Gewinnen von Acrylsäure oder Methacrylsäure als leicht polymerisierbare Verbindungen aus
Gemischen mit leichtersiedenden oder schwerersiedenden Lösungsmitteln.
9. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß Anspruch 1 bis 7,
gekennzeichnet durch eine Destillationsvorrichtung, eine Leitung zur Entnahme des flüssigen Sumpfproduktes als Produktstrom, eine Leitung zur Entnahme des flüssigen Sumpfproduktes als Rückführstrom, eine Leitung zur Rückführung des Rückführstroms, mindestens eine Pumpe, eine Erhitzungsvorrichtung, ein Durchflußbegrenzungsmittel, eine Rückführleitung zur Rückführung des überhitzten Rückführstroms zur Destillationsvorrichtung und eine Leitung zum Abziehen des Kopfproduktes.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Durchflußbegrenzungsmittel eine Blende, ein Ventil, eine Drossel, eine Lochscheibe, eine Düse, eine Kapillare oder Kombinationen davon verwendet werden.
10.03.2010 Lurgi-Aktenzeichen: 09P30 DE
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