Thermische Trennverfahren I Destillation, Rektifikation Shell Eastern Petrochemicals Complex (SEPC), Pulau Bukom, Singapore

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1 Thermische Trennverfahren I Destillation, Rektifikation Shell Eastern Petrochemicals Complex (SEPC), Pulau Bukom, Singapore Universität Hamburg 133

2 Atmosphärenrektifikation Aufstellen einer 110 m hohe Rektifikationskolonne im Shell Eastern Petrochemicals Complex (SEPC) auf Pulau Bukom, Singapore Universität Hamburg 134

3 Thermische Trennverfahren I Destillation, Rektifikation Ältere Whiskey Destillen Universität Hamburg 135

4 Thermische Trennverfahren I Destillation, Rektifikation Ältere und moderne Whiskey Destillen Universität Hamburg 136

5 Thermische Trennverfahren I Destillation, Rektifikation Labordestillation: a Destillierblase, b Thermometer, c Kondensator (Liebig-Kühler), d Kühlwasser-Eintritt, e Kühlwasser-Austritt, f Destillatvorlage, g Destillat, h zur Vakuumpumpe, i drehbarer Fraktionenwechsler, j Destillat in unterschiedlichen Fraktionen. Universität Hamburg 137

6 Thermische Trennverfahren I Destillation, Rektifikation Dampf-Flüssig-Gleichgewicht des Gemisches Ethanol-Wasser bei Normaldruck (McCabe-Thiele-Diagramm). Verlauf der Destillation eines Gemisches aus Ethanol und Wasser; a Konzentrationsverlauf in der Destillierblase, b Konzentrationsverlauf im Dampf, c Konzentrationsverlauf in der Destillatvorlage, 1, 2, 3 Konzentrationsverlauf in 3 getrennten Destillatvorlagen (fraktionierte Destillation), T Siedetemperatur. Universität Hamburg 138

7 Thermische Trennverfahren I Destillation, Rektifikation Relative Flüchtigkeit oder Trennfaktor α α = y y A B x x A B In idealen Stoffsystemen gilt das Raoult sche Gesetz p = p i 0i x i Daraus folgt für α in idealen Stoffsystemen: α = p 0A ideal p0b Das Raoult sche Gesetz wird für reale Systeme durch Aktivitätskoeffizienten korrigiert α p i real = = p 0i γ λ A B γ i p p x i 0A 0B McCabe-Thiele-Diagramme; schwarze Kurven: ideale Systeme mit konstantem Trennfaktor α, magenta Kurven: Beispiele realer Systeme. Universität Hamburg 139

8 Thermische Trennverfahren I Rektifikation Die bisher behandelte diskontinuierliche einfache Destillation liefert nur befriedigende Ergebnisse, wenn der Trennfaktor hinreichend groß ist und die Anforderungen an Reinheit und Menge des Destillats gering sind. Mit der kontinuierlichen Rektifikation (lat. recte facere, richtig machen) kann eine optimierte Nutzung destillativer Trennmöglichkeiten erzielt werden; sie entspricht einer mehrfach hintereinander durchgeführten kontinuierlichen Destillation. Im Gegensatz zu dieser wird aber die Dampfphase (Brüden) nicht auskondensiert, sondern direkt in die nächste Trennstufe (z.b. Glockenboden) überführt (Energieeinsparung). Der Zulauf (Feed) wird zumeist im Mittelteil der Kolonne zugeführt, das Destillat am Kopf (Kopfprodukt) und das Sumpfprodukt aus dem Sumpf abgenommen. Universität Hamburg 140

9 Thermische Trennverfahren I Rektifikation Zur Auslegung einer Rektifikationskolonne werden in der Regel zwei Stoffbilanzen aufgestellt: Gesamtbilanz der Molenströme F & = D& + B& Komponentenbilanz des Leichtsieders F& x F = D& x D + B& x Zur Auslegung eines Kolonnenteils gilt entsprechendes z. B. für die Bilanzhülle um Kopf einen Querschnitt im Verstärkungsteil: Gesamtbilanz der Molenströme V & = D& + L& Komponentenbilanz des Leichtsieders V& y = D& x D + L& x Dabei geht man näherungsweise von gleichen Verdampfungswärmen aller Stoffe, adiabatem Betrieb und das Zulauf flüssig bei Siedetemperatur auf einem Boden gleicher Zusammensetzung erfolgt. B Universität Hamburg 141

10 Rektifikation, McCabe-Thiele-Diagramm Für die vereinfachenden Bedingungen gilt ferner, dass im stationären Betrieb die molaren Ströme des Dampfes in der gesamten Kolonne des Rücklaufs & im Verstärkungsteil L = R & = L & = R& + F& = V & = const. const. des Rücklaufs im Abtriebsteil konstant sind. const. Einsetzen der Gesamt- in die Komponentenbilanz führt für den Kolonnenkopf zu: D& y + L& y = D& x D + L& x ν = Mit dem Rücklaufverhältnis resultiert die Verstärkungsgerade, y = x D + ν + 1 ν x ν + 1 L & D & die die Massenbilanz des Verstärkungsteils im McCabe-Thiele-Diagramm darstellt. Universität Hamburg 142

11 Rektifikation, McCabe-Thiele-Diagramm Stoffströme und Stufenkonstruktion bei der Rektifikation im McCabe-Thiele-Diagramm Universität Hamburg 143

12 Rektifikation, Mindest-Rücklaufverhältnis Bei unendlichem Rücklaufverhältnis (keine Entnahme) fallen die Arbeitsgeraden auf die Diagonale. Die technisch sinnvolle untere Grenze des Rücklaufverhältnisses ist gegeben durch x D x νmin = 1 mit y* y* = D ν + 1 In der Praxis wird häufig das 1,1-1,3-fache des Mindest-Rücklaufverhältnises eingestellt. min Universität Hamburg 144

13 Boden-, Füllkörper- und Strukturkolonnen Bodenkolonnen mit verschiedenen Böden. Glockenboden (800 mm) mit Regenschirmglocken (110 mm) Strukturpackung Sulzer Chemtech AG Universität Hamburg 145

14 Zweidruck-Rektifikation zur Entwässerung von THF a Gemisch THF/Wasser unterhalb des Azeotrops b bei 1 bar e Gemisch THF/Wasser oberhalb des Azeotrops bei 8 bar b Azeotrop THF/Wasser bei 1 bar d Azeotrop bei 8 bar c Pumpe von 1 bar auf 8 bar f Drosselventil von 8 bar auf 1 bar Universität Hamburg 146

15 Extraktiv-Rektifikation zur Butadien-Abtrennung aus C 4 -Schnitt Bei der Extraktiv-Rektifikation wird ein Hilfsstoff (Schleppmittel, entrainer) zugesetzt, der mit einer Komponente (hier das Butadien) verstärkte Wechselwirkungen eingeht (hier DMF, das auch zur Extraktion von Benzol und Ethin verwendet wird). Im C 4 -Schnitt des Steamcrackers liegen die Siedepunkte eng beieinander: Isobuten - 6,9 C 1-Buten - 6,3 C Butadien - 4,4 C Neben Dimethylformamid (DMF) werden auch N-Methylpyrrolidon (NMP) und Furfurol als Schleppmittel verwendet. Universität Hamburg 147

16 Azeotrop-Rektifikation zur Ethanol/Wasser-Trennung Kolonne 1: Abtrennung eines Großteils des Wassers als Sumpf. Kolonne 2: Zugabe des Schleppmittels Cyclohexan im Rücklauf. 3-Stoff-Azeotrop wird über Kopf abgetrennt. Absolutiertes Ethanol fällt als Sumpf an. Kolonne 3: Zugabe der wässrigen Phase des kondensierten 3-Stoff-Azeotrops im Rücklauf. Wasser wird im Sumpf abgetrennt. b ternäres Azeotrop Cyclohexan/Wasser/Ethanol c Phasenabscheider d organische Phase, hauptsächlich Cyclohexan e wässrige Phase, hauptsächlich Wasser Universität Hamburg 148