DE861690C - Verfahren zum Zerlegen von Fluessigkeitsgemischen mit Vorverdampfung der dem Trennapparat zulaufenden Fluessigkeit - Google Patents

Description

Es ist bekannt, daß beispielsweise das Rektifizieren von Flüssigkeitsgemischen normalerweise dadurch erfolgt, daß der Apparat mittels einer am unteren Ende der Säule vorgesehenen Wärmequelle, in der sogenannten Diestillierblase, beheizt wird;, während das Gemisch im flüssigen Zustand zufließt. Notwendigerweise hat-diese Wärme bei einer höheren Temperatur geliefert zu werden als die Siedetemperatur der Flüssigkeit, welche der Destillierblase entnommen wird, und der größte Teil der so zugeführten Wärme muß daraufhin abgeführt werden, um die Kondensierung und/oder die Kühlung der Trennprodukte durchzuführen.

Aus einem Vergleich der tatsächlich verbrauchten Wärmemenge mit der theoretisch zur Zerlegung erforderliehen geht hervor, daß erstere ganz bedeutend größer ist als letztere. Daraus folgt, daß die Anwendung besonderer Verfahren, die geeignet sind, entweder diesen Verbrauch zu verringern oder Wärmequellen niedriger Temperatur nutzbar
machen, ein beträchtliches Interesse bieten.

Um den Wärmeverbraueh zu verringern, hat man, wie aus dem Schrifttum hervorgeht, vorgeschlagen, zur Beheizung der Destillierblase die in den sich ams der Säule entwickelnden Dämpfen enthaltene Kondensationswärme zu benutzen, indem man diese

ZU

Dämpfe ansaugt und bei· einem solchen Druck komprimiert, daß deren Wärmenivmu "derart erhöht wird, (daß sich die Abgabe ihrer latenten Wärme an die in der Destillierblase enthaltene Flüssigkeit S ermöglicht.

Bei Nachprüfung des oben beschriebenen Kreis -laufe ergibt sich aber der Schluß, daß er im allgemeinen geringes praktisches Interesse beansprucht, weil gewöhnlich der Temperaturabfall von aus der ίο Säule austretendem Dampf zu in der Destillierblase kochender Flüssigkeit verhältnismäßig groß ist. Dieser große Temperaturabfall verringert einerseits die thermische Leistung der Thermokompression, so daß deren Anwendung wenig angezeigt erscheint, und bedingt andererseits die Benutzung von Turbogebläsen beträchtlicher Leistung, die eigens hergestellt werden müssen, Und mithin bedeutende Anlage- und Betriebskosten, ohne dabei die Notwendigkeit zu vermeiden, beim Anfahren 'eine Frischdampfförderung der gleichen Größenordnung zur Verfügung Z¹U haben, wie beim Betrieb ohne Thermo-, kompression erforderlich ist, und jedenfalls weiter während des normalen Betriebes über Dampf oder eine sonstige Wärmequelle zu verfügen, die geeignet ist, die im Arbeitsraum und in den aus dem ,Apparat austretenden . Flüssigkeiten und Gase unvermeidlichen Wärmeverluste im Interesse der Wärmebilanz wettzumachen.

Andererseits hat auch die Verwertung von Rückgewinnungswärrmequellen verhältnismäßig niederer Temperatur, wie beispielsweise aus bei atmosphärischem Druck. siedenden wässerigen Lösungen aufsteigende Brüdendämpfe oder Abdämpfe aus unter mäßigem Vakuum arbeitenden Eindickern, warmes Kondenswasser usw., bisher im allgemeinen keine Anwendung gefunden, da die Flüssigkeit der Destillierblase eines Trennapparates gewöhnlich eine höhere Siedetemperatur hat als die der Rücfcgewinnungswärmequellen, insbesondere der obenerwähnten.

Daher rührt die Schwierigkeit, eine Kostenverringerung des -Trennverfahrens dadurch zu erreichen, daß man, um dem Unterteil der Säule die zum Betrieb erforderliche Wärme zuzuführen, unmittelbar Brüdendämpfe oder sonstige Wärmequellen verhältnismäßig niederer Temperatur verwendet oder die Thermokompression auf die Diämpf e anwendet, die sich aus dem Rektifizierapparat entwickeln.

Da-die für-einen gegebenen Trennvorgang erforderliche Wärmemenge praktisch konstant ist, so folgt, daraus, daß ein Teil besagter Wärme im allgemeinen dadurch aufgebracht werden kann, daß die Zulaufflüssigkeit vor deren Eintritt in den Apparat ganz oder teilweise in Dampf verwandelt wird.

Die Zulaufflüssigkeit einer Trennsäule hat eine Anfangssiedetemperatur, die niedriger ■ ist als die der in der Destillierblase siedenden Flüssigkeit; demzufolge, ist es möglich, die Zulauffiüssigkeit auf deren Anfangssiedetemperatur mittels einer Wärmequelle zu bringen, deren Wärmeniveau tiefer liegt, als notwendig wäne, wenn man die Wärme im Unterteil des Apparates zuführen wollte.

Wenn aber ein Flüssigkeitsgemisch zum Sieden gebracht wird, so ist im allgemeinen der sich bildende Dampf reicher an Leichtsiedendem als die betreffende flüssige Phase, weswegen mit dem Fortschreiten der Verdampfung die Siedetemperatur dauernd steigt und derjenigen des Schwerer siedendem zustrebt. Folglich scheint.es ein täuschender Wahn, zu denken, man könne einen Teil der zur Trennung erforderlichen Wärme dadurch zuführen, daß man. die Zulauf flüssigkeit mittels einer Wärmequelle vorverdampft, die ein niedrigeres thermisches Niveau besitzt, als für die Destillierblase notwendig wäre.

Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß entgegen der allgemein verbreiteten Ansicht, wann ein Gemisch von untereinander mischbaren oder auch in vielen Fällen teilweise oder gänzlich nicht mischbaren Flüssigkeiten beliebiger, aber konstanter Zusammensetzung kontinuierlich einem Verdampfer zuläuft, in welchem im Raum über der siedenden Flüssigkeit ein um einen konstanten Mittelwert schwankender Druck herrscht und in welchem der Zufluß 'derart geregelt wird, daß das Gewicht, praktisch genommen das Volumen, der darin enthaltenen siedenden Flüssigkeit um einen konstanten Mittelwert schwankt, was so viel bedeutet, als daß die Zulaufflüssigkeit vollständig verdampft wird, die Siedetemperatur wohl ansteigt, aber endlich einen ganz bestimmten Wert annimmt, der im allgemeinen bedeutend tiefer liegt als die Siedetemperatur des Schwerersiedenden und insbesondere tiefer als die Temperatur, die in der Destillierblase erreicht würde. Sobald der normale Betriebszustand erreicht wird, stellt man fest, daß die Zusammensetzung des sich aus der siedenden Flüssigkeit entwickelnden Dampfes gleich ist der Zusammensetzung der Zulaufflüssigkeit, während die im Verdampfer enthaltene flüssige Phase eine konstante Zusammensetzung annimmt, die allerdings von derjenigen der Zulauf flüssigkeit verschieden ist; diese Zusammensetzung ist derart, daß sich ein Gleichgewicht loder -besser gesagt ein stationärer Zustand mit dem sich daraus entwickelnden Dampf ergibt.

Allgemeiner ist gefunden worden, daß, wenn unter den oben dargelegten Umständen gearbeitet wird, aber der Verdampfer mit einem geeigneten Ablaß, eventuell einem Überlauf, versehen wird, es möglich ist, 'einen Dampf konstanter Zusammensetzung zu erhalten, dessen Zusammensetzung nach Belieben zwischen derjenigen der Zulaufflüssigkeit und derjenigen eines mit der Zulaufflüssigkeit im Gleichgewicht befindlichen Dampfes liegt, wenn man die Zulaufflüssigkeit nur teilweise verdampft, wobei in den Verdampfer eine größere als die verdampfte Menge eingeführt und der Überschuß kontinuierlich über den besagten Ablaß abgeführt wird.

.Es ist !einleuchtend, daß, um eine Dampf-Zusammensetzung zu erhalten, die derjenigen gleich wäre, welche man im Gleichgewichtszustand mit der Zulaufflüssigkeit hätte, der Verdampfer mit einem unendlich großen Überschuß über die verdampfte ■Menge gespeist werden müßte. Ebenso liegt auf der Hand, daß, wenn man den Ablaß sperrt und

den Zulauf so regelt, daß er vollständig verdampft wird, sich wieder der weiter oben dargelegte Fall ergibt.

In den erwähnten Fällen läßt sich die Temperatur des siedenden Flüssigkeitsgemiscbes leicht errechnen, wenn man die Gleichgewichtskurven (Abhängigkeit des Dampfgehalts vom Flüssigkeitsgehalt) der fraglichen Gemische kennt sowie die betreffenden Kochpunkte, oder indem man die bekannten Beziehungen anwendet, welche die besagten Faktoren miteinander verknüpfen. Offenbar wird jene Temperatur im allgemeinen desto geringer sein, je größer der zugeführte Überschuß an Zulauf flüssigkeit über den verdampften Teil der Zulaufflüssigkeit ist.

Bezüglich der Temperatur des zur Abgabe der fühlbaren und Verdampfungswärme an die siedende Flüssigkeit nötigen Mediums muß bemerkt werden, daß sie nur um wenige Grade höber zu sein braucht als diejenige der siedenden Flüssigkeit bei geeigneter Bemessung des Verdampfers.

Werden diese Maßnahmen auf die Verdampfung der Zulaufflüssigkeit eines Trennapparates angewendet, so wird offenbar die Siedetemperatur der Flüssigkeit im Verdampfer um so tiefer unter derjenigen der aus der Destillierblase entnommenen Flüssigkeit liegen, je größer die Flüchtigkeit der erstenen gegenüber der letzteren ist.

Daraus folgt, daß es in der Mehrzahl der Fälle möglich ist, die Zulaufflüssigkeit wirtschaftlich vorzuverdampfen in einem eigens vorgesehenen Verdampfer (zweckmäßig mit großer Verdampfungs-' fläche und niedrigem Flüssigkeitsniveau, um den Temperaturgradienten innerhalb der siedenden Flüssigkeit so gering als möglich zu halten; ferner mit geringen Chargenverlusten sowohl in bezug auf den aus der siedenden Flüssigkeit sich" entwickelnden Dampf als auch in bezug auf den Heizdampf), welcher geheizt wird mittels Wärmequellen, deren Temperatur der Siedetemperatur der Zulaufflüssigkeit sehr nahekommt, als wie etwa Rückgewinnungswärmequellen, die ja zwangsläufig verhältnismäßig niedrige Temperaturen aufweisen, und insbesondere unter Zuhilfenahme der Thermokompression des aus dem Trennapparat kommenden Dampfes selbst. Falls eine ausreichende Menge von Rückgewinnungswärme nicht zur Verfügung steht, so wird man sich offenbar darauf beschränken müssen, nur einen Teil der Zulaufflüssigkeit zu verdampfen, wobei je nach der Zweckmäßigkeit die eine oder die andere der oben beschriebenen Methoden zur Anwendung gelangen wird.

Im Fall der Thermokompression liegt der Vorteil der Maßnahme, statt der Flüssigkeit der Destillierblase die Flüssigkeit des Zulaufes zum Sieden zu bringen, nicht nur darin, daß der geringere Temperatursprung einen größeren Wärmewirkungsgrad der Thermokompression bedeutet, folglich geringeren Kostenaufwand für einen Teil der zur Zerlegung des Flüssigkeitsgemiscbes erforderlichen Wärme, sondern auch in der Möglichkeit, häufig einfache und wirtschaftliche volumetrische Kompressoren ohne Schmierung zu verwenden, die es in großer Auswahl auf dem Markt gibt.

Gegenstand vorliegender Erfindung bildet daher ein Verfahren zum Zerlegen von Flüssigkeitsgemischen konstanter Zusammensetzung, im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß die Zulaufflüssigkeit des Trennapparates (Destillier- oder Rektifiziersäule) gänzlich oder teilweise bei konstantem Druck vorverdampft wird, indem sie kontinuierlich einem Verdampfer zugeführt wird, der eine große Wärmeübertragungsfläcbe besitzt und in welchem mit einem niedrigen Niveau der darin enthaltenen Flüssigkeit erreicht wird,, daß der Temperaturgradient innerhalb letzterer Flüssigkeit minimal ist, wobei das Volumen der im Verdampfer siedenden Flüssigkeit konstant gehalten wird und der Zulauf besagten Trennapparates aus einem Dampf besteht, dessen Zusammensetzung bei normalen Betriebsbedingungen konstant ist und nach Belieben zwischen der Zusammensetzung der dem Verdampfer zugeführten Flüssigkeit und der Zusammensetzung eines mit besagter Flüssigkeit im Gleichgewicht befindlichen Dampfes liegt.

Insbesondere erhält man erfindungsgemäß unter normalen Betriebsbedingungen einen Dampf gleicher Zusammensetzung wie die Zulaufflüssigkeit, indem man dem Verdampfer Flüssigkeit in dem gleichen Maß und in der gleichen Menge zuführt, wie Flüssigkeit verdampft. Man erhält hingegen einen Dampf konstanter Zusammensetzung, unter normalen Betriebsbedingungen liegend, beliebig zwischen einer Zusammensetzung, die derjenigen der Zulaüffiüssigkeit nahekommt, und derjenigen Zusammensetzung, die einem mit der in den Verdampfer eintretenden Flüssigkeit im Gleichgewicht befindlichen Dampf !entsprechen würde, indem man dem Verdampfer die Zulaüfflüssigkeit mit einem zweckmäßig bemessenen Überschuß über die verdampfte Menge zuführt und den Überschuß mit geeigneten Mitteln abführt.

Endlich erfolgt gemäß 'einer Ausführungsform der Erfindung die Heizung des Verdampfers mittels Thermokompression des aus dem Trennapparat austretenden Dampfes selbst.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend mehr im einzelnen erläutert an Hand der schematischen Zeichnung für den beispielsweise und nicht einschränkend gemeinten Fall, daß die Thermokompression auf die aus einem Rektifizierungsapparat austretenden Dämpfe angewendet und die Zulaüfflüssigkeit vollständig vorverdampft wird, wobei die Zulaüfflüssigkeit aus den Komponenten A, B₁ C besteht, deren erste die am meisten flüchtige ist, und die darauf im Rektifizierungsapparat getrennt werden.

Die Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt einen gewöhnlichen Rektifizierungsapparat, bestehend aus einer Säule 1 und einer Destillierblase 2, in welche die Heizschlange 3 'eingebaut ist, deren Kondensat durch den Kondensatablaß 4 abgeführt wird, der einen Wärmeaustauscher 5 speist.

Aus der Destillierblase 2 werden bei 6 die

weniger flüchtigen Komponenten B-\-C entfernt, während dieDiämpfe, der flüchtigeren Komponente A durch die Leitung 7 aus der Säule ajuetreten. In· die Leitung 7 ist ein Kondensatorkühler 8 geschaltet, der dazu dient, besagte Dämpfe zu vierdichten und zu· kühlen. Eine mit der Leitung 7 in Vierbindung stehende, dem Kondensatorkühler 8 nachgeschaltete Leitung 9 'dient dazu, den zum Betrieb der Säule nötigen Rückfluß zu fördern. _:

Das zu zerlegende Flüssigkeitsgemisch A -)- B -f- C ist im Behälter 10 enthalten, von dem es in den Wärmeaustauscher 5 kommt. Die von letzterem kommende Zulauf flüssigkeit kann über das Ventil 11 unmittelbar der Säule zugeführt werden oder mittels Ventil 12 dem Verdampfer 13, wo es vollständig verdampft wird und von wo 'die so erzeugten Dämpfe über 14 zur Säule 1 gelangen.

Wie bereits erwähnt, besitzt der Verdampfer 13 eine große Verdampfungsfläche bei einem niedrigen Niveau der siedenden Flüssigkeitsmasse sowie geringe Chargenverluste. Zu dessen Heizung mittels Heizschlange oder Röhrenbündel (nicht in der Zeichnung dargestellt) werden die Dämpfe des Leichtersiedenden aus der Leitung 7 -entnommen,, und zwar vor dem Kondensatorkühler 8, und durch einen Verdichter 15, beispielsweise einen volumetrischen Verdichter, in den Verdampfer 13 hineinkomprimiert, wo sie sich verdichten and durch den Ablaß 16 in den Behälter 17 abgelassen werden^ aus dem die angesammelte Flüssigkeit durch die Pumpe 18 in die Rückflußleitung 9 gebracht wird. Der Rektifiziervorgang wird wie üblich angefahren, indem man das Ventil 11 öffnet und das Ventil 12 schließt, also die Säule in flüssiger Phase und mit vollständigem Rücklauf arbeiten läßt.

Sind einmal die geeigneten normalen Betriebsbedingungen !erreicht, so öffnet man das Ventil 12 ein wienig, so daß die Zulaufflüssigkeit in deta Verdampfer 13 bis zu einem bestimmten Niveau ansteigt.

Ist es so weit, so setzt man den Kompressor 15 an, der eine geeignete Menge von Diampf der Komponente^, ansaugt, und ebenso die Pumpe 18, wobei man den Heizdampf der Destillierblase 2 und das Wasser im Kondensatorkühler 8 regelt und das Flüssigkeitsniveau im Verdampfer 13 konstant hält. Man schließt das Ventil 11 und öffnet gleichzeitig und vollständig das Ventil 12; die Flüssigkeit in 13 hebt an zu sieden und kondensiert den durch den Kompressor 15 komprimierten Dampf, der in den Behälter 17 abgelassen und ferner mittels Pumpe 18 in den Rücklauf gebracht oder auch teilweise als Erzeugnis abgezogen wird.

Man regelt die Dampfmenge in der Destillierblase 2 und die Kühlwassermienge in 8; man erreicht so unschwer den Übergang von der normalen Arbeitsweise mit Zulauf in flüssiger Phase auf den Betrieb mit Thermokompression und Zulauf in Dampfphase.

Beispiel

Es wurde unter atmosphärischem Diruck nach dem angegebenen Schema ein 930/oiges Methanol-Wasser-Gemisch (Volumprozente Methanol bezogen auf 15,56° C) rektifiziert. Es wurde dabei festgestellt, daß dieses Gemisch unter normalen Betriebsbedingungen im Verdampfer bei der konstanten Temperatur von 71⁰C siedet, während die Dämpfe, die vom¹ Kompressor angesaugt werden, eine Temperatur von 64⁰C !und leinen Druck von 1 ata haben.

Der thermische Wirkungsgrad kann zu Vergleichszwecken wie folgt angesetzt werden:

273 + 71

,■—· = 4Q. 273 + 7¹ — 273 — 64

Mit einer verhältnismäßig bescheidenen Austauschfiäche wurde festgestellt, daß es genügt, die Methanoldämpfe bis auf 1,55 ata zu komprimieren, um¹ die vollständig© Verdampfung der Zulaufflüssigkeit zui gestatten, und daß angesichts des geringen Verdichtungsgrades ein einfacher volumetrischer Kompressor der Serienherstellung verwendet werden kann.

Bei Arbeiten nach dem erfinduingsgemäßen Verfahren wurde beobachtet, daß die Gesamtauslagen für Dampf, Energie und Wasser um mehr als die Hälfte verringert sind im Vergleich zur Auslage bete Rektifizieren nach dem üblichen normalen Kreislauf.

Wollte man im Beispiel die Thermokompression anwenden, ium unmittelbar in der DestLUierblase Wärme zuzuführen, so wäre zu bemerken, daß das dem obigen !entsprechende Temperaturgefälle 100—64=36° C ist (in Wirklichkeit ist die Siedetemperatur am Unterteil der Säule höher als ioo° C wegen des durch die Böden verschuldeten Chargenverlustes), und der thermische Wirkungsgrad wird:

273 + 100 _ _ _λ

273 + 100 — 273 — 64 .

weshalb die Zweckmäßigkeit problematisch wird, wobei noch hinzukommt, daß ein eigens konstruiertes Turbogebläsie verwendet werden müßte,, da mindestens ein Druck von 5 ata !erreicht werden müßte.

Ferner ist zu bedenken, daß bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Rektifiziersäule eine. Abtriebsäule geringeren Ausmaßes und ebenso einen kleineren Kondensator bedingt (im oben angeführten Beispielsfall hat die Abtriebsäule etwa halben Querschnitt und der Kondensator halbe Fläche, verglichen mit dem normalen Kreislauf). Es ist leicht abzuleiten, daß in einem solchen Fall die erfindungsgemäße Rektifizieranlage mit Thermokompression !ebensoviel oder etwas mehr kosten würde als eine Anlage mit normalem Kreislauf, während hingegen die Betriebskosten bedeutend gesenkt würden.

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Verfahren, zum Zerlegen von Flüssigkeitsgemischen konstanter Zusammensetzung mit : Vorverdampfung der Zulauf flüssigkeit des Trenn-• apparates, dadurch gekennzeichnet, daß die Zulaufflüssigkeit bei konstantem Druck vorverdämpft wird, indem sie kontinuierlich· einem

   Verdampfer zugeführt wird, in welchem das Volumen der siedenden Flüssigkeit konstant gehalten wird, wobei der dampfförmige Zulauf des besagten Trennapparates im Betriebszustand konstante Zusammensetzung aufweist, die nach Belieben zwischen der Zusammensetzung der dem Verdampfer zugeführten Flüssigkeit und derjenigen Zusammensetzung gehalten wird, die einem mit besagter Flüssigkeit im Gleichgewicht ίο befindlichen Dampf entsprechen würde.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß, mn einen Dampf zu erhalten, dessen Zusammensetzung im Betriebszustand konstant und gleich sei der Zusammensetzung der Zulauf flüssigkeit, dem Verdampfer eine Flüssigkeitsmenge· zugeführt wird, die gleich ist der verdampften Menge.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, um einen Dampf zu erhalten,

   ao dessen Zusammensetzung im Betriebszustand konstant sei und praktisch nach Belieben zwischen der Zusammensetzung der Zulaufflüssigkeit und derjenigen Zusammensetzung liege, die einem mit besagter Flüssigkeit im Gleichgewicht befindlichen Diampf entsprechen würde, dem Verdampfer eine Flüssigkeitsmenge zugeführt wird, die um ein Entsprechendes größer ist als die verdampfte Menge, wobei der Überschuß kontinuierlich abgeführt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anwendung eines Verdampfers mit geringer Flüssigkeitshöhe und großer Verdamp-. fungsfläche, derart, daß der Temperaturgradient innerhalb der siedenden Flüssigkeit minimal wird.
5. 5. Verfahren gemäß Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung des Verdampfers mittels Thermokompression des gesamten oder eines Teiles des aus dem Triennapparat austretenden Dampfes erfolgt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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