DE952818C - Verfahren zur Zerlegung von Stoffgemischen durch Destillation und bzw. oder Absorption - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 22. NOVEMBER 1956

N 9905Ia/17g

bzw. oder Absorption

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für die Zerlegung von Stoff gemischen durch Destillation und bzw. oder Absorption. Für diesen Zweck wird das Gemisch einer Destillations- oder Absorptiornsanlage'zugeleket. Die Anlage kann auseineroder mehreren Destinations- und bzw. oder Absorptionskolonnen bestehen, die z. B. in Parallelschaltung arbeiten oder in Reihe geschaltet sind. Ein Teil des Gemisches wird aus der Anlage in Gasform entfernt. Diese Anlagen arbeiten oft unter erhöhtem Druck, so daß das die Anlage verlassende Gas unter überatmosphärischem Druck abgegeben wird.

Nach der Erfindung werden die Gase, die von der Anlage abgegeben werden (unter »Gasen« werden auch Dämpfe verstanden), oder ein Teil von ihnen in einem Wirbelrohr expandieren gelassen, und die hierdurch erzeugte Kälte wird zum Kühlen eines Stromes verwendet, der zur Anlage oder aus ihr fließt.

Es ist nicht notwendig, daß die Gase in einem einzigen Wirbelrohr expandiert werden. Es können auch mehrere Wirbelrohre in Parallelschaltung und bzw. oder in Reihenschaltung miteinander verbunden sein. Die Verbindung in Reihe kann in der Weise bewirkt werden,· daß das kalte Gas in einem Wirbelrohr teilweise expandiert und in einem nachfolgenden Wirbelrohr weiter entspannt wird. Die Expansion kann fortgesetzt werden, bis Atmo-

sphärendruck erreicht ist. Gelegentlich kann man auch die Gase gegen ein Vakuum expandieren lassen.

Es ist bekannt, die Gase zu komprimieren und anschließend in einem Wirbelrohr expandieren zu lassen und die hierbei erzeugte Kälte zum Verflüssigen von Gasen auszunutzen (vgl. deutsche Patentschrift 858 260). Im vorliegenden Verfahren werden jedoch Gase verwendet, die bereits zu anderen Zwecken (Destillation oder Absorption) einem Druck unterworfen waren und deren latente Energie bisher nicht nutzbringend angewandt wurde oder werden konnte.

Die Erfindung ist insbesondere auf die Zerlegung von Stoffen durch Destillation anwendbar. Die erzeugte Kälte wird dann verwendet, um einen Rückfluß für die Destillation zu erzeugen oder zu verstärken.

Das vorliegende Verfahren ist besonders für die Zerlegung von niedrigsiedenden Stoffen wichtig, da diese Zerlegung im allgemeinen unter erhöhten Drucken durchgeführt werden muß und außerdem im oberen Teil der Kolonne niedrige Temperaturen angewendet werden müssen, um den für die Zerlegung erforderlichen Rückfluß zu erzeugen. Als Beispiel sei die Abtrennung von Methan und Wasserstoff, gegebenenfalls auch von· Stickstoff aus ihrem Gemisch C₂-, C₃- und beliebigen höheren Kohlenwasserstoffen gegeben.

Die Abtreibgase einer Destillationsanlage werden vorzugsweise zunächst mit einem Kühlmittel in einer ersten Stufe gekühlt und wenn· möglich bereits teilweise kondensiert. Die Gase, gegebenenfalls zusammen mit dem Kondensat, werden dann in einer zweiten Stufe mit Hilfe der im Wirbelrohr erzeugten Kälte weiter abgekühlt, worauf das Kondensat von den restlichen Gasen abgetrennt wind. Das Kondensat wird ganz oder teilweise als Rückfluß für die Destillation verwendet, und die restlichen Gase läßt man in einem Wirbelrohr expandieren, wobei die erzeugte Kälte für die weitere, bereits erwähnte Abkühlung verwendet wird. Die in dem Wirbelrohr expandierten kalten Gase werden zu diesem Zweck in wirksamen Wärmeaustausch mit den genannten Gasen und einem gegebenenfalls bereits erzeugten Kondensat gebracht. Dieses Kondensat kann jedoch vorher abgetrennt sein.

Bei dem entwickelten Verfahren kann mit Vorteil ein Wirbelrohr verwendet werden, das wiederum selbst gekühlt wird; vgl·, deutsche Patentschrift 858 260.

Bei einem Absorptionsverfahren (unter Absorption wird auch eine Adsorption mitverstanden) werden die von einer unter erhöhtem Druck arbeitenden Absorptionskolonne kommenden Gase in einem Wirbelrohr expandieren gelassen, und die so erzeugte Kälte wird dann zum Kühlen des Absorptionsmittels verwendet, das zur Absorptionskolonne fließt. In diesem Fall können auch die expandierten kalten Gase im Gleichstrom -oder im Gegenstrom zufKiWärmeaustausch mit dem Absorptionsmittel gebracht werden. Die Gase werden vorzugsweise in Reihenschaltung durch zwei oder mehrere Wirbelrohre geleitet. Hinter jedem Wirbelrohr passieren die Gase einen Wärmeaustauscher, in dem sie das Absorptionsmittel in Stufen kühlen. Die Expansion in Stufen verhindert die Bildung von Hydraten und die Abscheidung von festen Stoffen in der · Anlage. Das Verfahren ist besonders wichtig für die Abtrennung von C₃- und anderen höheren Kohlenwasserstoffen aus einem Gemisch, das diese Kohlenwasserstoffe enthält. Es ist auf diese Weise auch möglich, C₂- und beliebige höhere Kohlenwasserstoffe durch Absorption abzutrennen.

Besonders günstige Ergebnisse werden beim vorliegenden Verfahren erzielt, wenn man ein Wirbelrohr verwendet, das mindestens an der Stelle, an der Wärme auf Grund des Trenneffekts auftritt — d. h. der Effekt, der auftritt, wenn die Gase in einem Wirbelrohr expandieren, wobei das periphere Gas erhitzt und das zentrale Gas abgekühlt wird . (vgl. z. B. britische Patentschrift 405 781) —, leer ist und intensiv gekühlt wird. Die Kühlung ist intensiv, wenn — falls angenähert 15 bis 20% des eingeführten Gases aus dem Wirbelrohr als heißes Gas abgezogen werden — die absolute Temperatur des heißen Gases nicht mehrG^5^o/o, vorzugsweise nicht mehr als 3V0, höher als die absolute Temperatur des eingeführten Gases ist.

Diese Kühlung wird gewöhnlich bewirkt, indem man das Wirbelrohr mit einem Kühlmantel versieht, durch den ein Kühlmittel fließt. Durch Verwendung eines solchen Rohres bei dem oben beschriebenen Destillationsverfahren kann das Kühlmittel mit Vorteil zum Kühlen der Kopfgase der ersten Stufe verwendet werden.

Beim Verfahren nach der Erfindung kann oft ein gekühltes Wirbelrohr verwendet werden, von dessen heißem Ende kein Gas abgeführt wird. Das Rohr besitzt dann nur eine einzige zentrale Abführungsöffnung für kalte Gase. Wenn man jedoch optimale Kältemenge erzeugen will, so sollen zwischen angenähert 10 und 30^fl/o, vorzugsweise angenähert 20% Gas an der heißen Seite abgezogen werden.

Die Länge des leeren Teiles des Wirbelrohres soll vorzugsweise das 3- bis 4fache des Rohrdurchmessers betragen, wenn an der heißen Seite Gas abgeführt wird, und wenigstens das 6fache des Rohrdurchmessers, wenn dies nicht der Fall ist. Außerdem ist zu empfehlen, für den leeren Teil des Wirbelrohres das 10- bis 2ofache oder mehr des Rohrdurchmessers zu wählen.

Beispiel 1

Die Bestandteile, die leichter als Äthan und Äthylen sind, nämlich Methan und Wasserstoff, sowie geringe Mengen Kohlenmonoxyd und Stickstoff, werden durch Destillation aus einem Gemisch von Spaltgasen entfernt. Dieses wird in einer Destillationskolonne 1 durchgeführt, deren oberes Ende schematisch in der Fig. 1 gezeigt ist. Diese Kolonne arbeitet unter einem Druck von etwa ata. Die Temperatur am Kopf der Kolonne, an der Stelle, an der die Kopfgase durch die Leitung 2 abgeführt werden, beträgt —70⁰. 190 t Gemisch werden an einem Tage etwa in die Mitte der

Kolonne eingeführt. Die Kolonne ist mit einem Wiedererhitzer in üblicher Weise ausgerüstet. Die Bodentemperatur beträgt etwa + 30⁰, und es werden täglich etwa 130 t flüssiges Bodenprodukt er-' zeugt.

Die Kopfgase werden nacheinander über die Leitung 2 durch zwei Wärmeaustauscher 3 und 4 geleitet, in denen sie gekühlt und teilweise kondensiert werden. Das Kondensat und die restlichen Gase werden über Leitung 5 zum Kopfteil I₀ der Kolonne zurückgeleitet. Dieser Teil wirkt als Abscheider, indem das Kondensat sich von den restlichen Gasen trennt. Das Kondensat fließt durch eine Abführleitung 6 in die Destillationskolonne, in der sie den für die Destillation erforderlichen Rücklauf bildet, während die restlichen Gase den Abscheider über die Leitung 7 verlassen.

Das allgemeine Ziel der vorliegenden Erfindung ist, die latente Energie von Gasen, die aus einer Destillations- und bzw. oder Adsorptionsanlage, die unter erhöhtem Druck arbeiten, stammen, auszunutzen, um Kälte zu, erzeugen, indem man sie sich in einem vorzugsweise gekühlten Wirbelrohr expandieren läßt. Gemäß der Erfindung werden die restlichen Gase, die über Leitung 7 abgeführt werden, nun in Stand gesetzt, in einem gekühlten Wirbelrohr 8 zu expandieren. Angenähert 60 t Gase, bestehend hauptsächlich aus Methan und Wasserstoff, passieren täglich das Wirbelrohr 8, indem sie von angenähert 38 ata auf'angenähert 7 ata expandieren. Das Wirbelrohr 8 besitzt folgende Maße:

Innendurchmesser 2,8 cm

Länge 135,0 cm

Durchmesser der Abführungsöffnung für kalte Gase 1,7 cm

Das Rohr ist vollständig leer und wird intensiv gekühlt z. B. durch das gleiche Kühlmittel, das zum Kühlen der Kopfgase in dem Wärmaustauscher 3 verwendet wird. Etwa 15% Gas werden aus dem Wirbelrohr an dem heißen Ende 9 abgezogen, was bedeutet,. daß die höchste Leistung der Kälteerzeugung des Rohres erreicht ist. Die am kalten Ende 10 des Wirbelrohres abgezogenen Gase werden über Leitung 11 zum Wärmeaustauscher 4 geleitet und dort im Gegenstromwärmeaustausch mit den Gasen und dem Kondensat aus dem Wärmeaustauscher 3 gebracht. Die ausgebrauchten Gase verlassen den Wärmeaustauscher über Leitung 12. Das Kühlmittel, das durch den Wärmeaustauscher 3 und den Kühlmantel' des Wirbelrohres 8 strömt, besteht aus flüssigem Äthylen von —ioo°. Dieses Kühlmittel wird durch Leitung 13 zugeführt und durch Leitung 14 abgezogen. Die kalten, vom Wirbelrohr kommenden Gase haben eine Temperatur von angenähert —-120°.

Die bei 9 abgezogenen Gase können aus der

So Leitung 12 zusammen mit den anderen Gasen abgeführt werden.

Die Kopfgase werden in dem Wärmeaustauscher 3 von —70 auf ·—90⁰ gekühlt und zusammen mit dem gebildeten Kondensat anschließend in dem Wärmeaustauscher 4 auf —ioo° gekühlt. Diese Temperatur herrscht auch in dem Abscheider i_a. Durch Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung, wobei die aus den Gasen abgezogene latente Energie wirksam ausgenutzt wird, wird die Kopftemperatur der Destillationskolonne von —-90° (ohne Verwendung eines Wirbelrohres) auf

— ioo° herabgesetzt. Als Folge hiervon wird der Äthylengehalt in den abgezogenen Gasen von etwa 5,5 Molprozent auf 1 bis 1,5 Molprozent herabgesetzt. Dies bedeutet, daß ungefähr 1000 t Äthan mehr im Jahr erzeugt werden können, als vorher der Fall war. Diese Menge des wichtigen Ausgangsmaterials ging früher verloren und kann nun für Polymerisationszwecke verwendet werden.

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Beispiel 2

Angenähert 700 t Spalt- und Destillationsgase, werden täglich in einer Absorptionskolonne 15

— schematisch in Fig. 2 gezeigt— über Leitung 16 eingeführt. Die Kolonne arbeitet unter einem Druck von 20 ata; 480 t Absorptionsflüssigkeit werden täglich durch Leitung 17 in den Kopf dieser Kolonne eingeführt. Die Absorptionsflüssigkeit, eine Benzirufraktion, absorbiert die C₃- und höheren Kohlenwasserstoffe aus dem Ausgangsgemisch.

Ungefähr 150 t Gase werden täglich vom Kopf der Kolonne abgezogen. Das beladene flüssige Absorptionsmittel, etwa 1030 t täglich, wird in einer Destillationskolonne 18 vom Absorbat befreit und nach Kühlung im Kreislauf in die Kolonne 15 zurückgeleitet. Ein Teil der Absorptionsflüssigkeit wird gewöhnlich aus dem System abgezogen, aber dies ist in der Figur nicht gezeigt. Die Absorptionskolonne 15 ist mit einem Wiedererhitzer ausgerüstet. Die Temperatur an dem Kopf beträgt + 24⁰ und am Boden + 107⁰.

Die mit 24⁰ aus der Kolonne 15 abgezogene Gase werden über Leitung 19 zu einem mit Kühlwasser gekühlten Wirbelrohr 20 geleitet, in dem sie expandiert werden. Die kalten Gase gelangen mit —4⁰ über einen Wärmeaustauscher 21, in dem sie eine Temperatur von i8° erreichen, zu einem zweiten Wirbelrohr 22, das ebenfalls mit Kühlwasser gekühlt wird. Nach der Entspannung haben die kalten Gase eine Temperatur von —3⁰. Diese Gase werden dann durch einen zweiten Wärmeaustauscher 23 geleitet, wobei die Gase eine Endtemperatur von + 20° erreichen.

Angenähert 15% des eingeführten Gases werden an der heißen Seite jedes intensiv mit Wasser gekühlten Wirbelrohres abgezogen. Die heißen Gase werden mit dem vom Wärmeaustauscher 23 strömenden Gas vereinigt und über Leitung 24 abgezogen. Nach einer anderen Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens, die in der Figur nicht gezeigt ist, werden die Gase aus dem ersten Wirbelrohr 20 mit den-Gasen vermischt, die den Wärmeaustauscher 21 passieren. Das Gemisch dieser Gase wird dann expandiert in ein zweites Wirbelrohr 22. Die Expansion der Gase erfolgt zunächst von 20 auf etwa 10 ata und dann von 10 ata auf etwa

4,5 ata. Die Entspannung in zwei Stufen verhindert, daß die Temperatur des kalten Gases zu niedrig wird (—4 bzw. —3⁰) und vermeidet die Bildung von Hydraten. Wenn man im vorliegenden Fall die Entspannung in einer einzigen Stufe erfolgen läßt, wird die Vorrichtung schnell durch Bildung von Hydrat verstopft.

Die Absorptionsflüssigkeit, die aus der Kolonne 18 abgezogen wird (Temperatur 240⁰) wird zunächst mit Kühlwasesr in dem Wärmeaustauscher 25 auf + 28⁰ abgekühlt. Nach der Erfindung wird dann die Absorptionsflüssigkeit durch die Wärmeaustauscher 23 und 21 geleitet, in denen sie mit den kalten Gasen aus den Wirbelrohren 22 und 20 in Wärmeaustausch gebracht und hierdurch weiter auf + i6° abgekühlt wird. Die Absorptionsflüssigkeit wird im Kreislauf über Leitung 17 in die • Kolonne 15 zurückgeleitet.

Durch Anwendung der Erfindung können jetzt 90% der Cj-Kohlenwasserstoffe gewonnen werden, während ohne ihre Anwendung bei Verwendung der gleichen Menge Absorptionsflüssigkeit nur 80% dieser Kohlenwasserstoffe absorbiert wurden, was somit eine wesentliche Verbesserung des Verfahrens bedeutet.

Claims (10)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   I. Verfahren zur Zerlegung von Stoffgemischen durch Destillation und bzw. oder Absorption in einer unter erhöhtem Druck arbeitenden Anlage, dadurch gekennzeichnet, daß

   man die aus der Anlage abgeführten Gase oder einen Teil dieser Gase in einem Wirbelrohr expandieren läßt und die so erzeugte Kälte zum Kühlen eines Stromes verwendet, der in die oder aus der Anlage strömt.
2. 2. Verfahren zur Zerlegung von Stoffen durch Destillation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die erzeugte Kälte verwendet, um einen Rückfluß für die Destillation zu erzeugen oder zu verstärken.
3. 3. Verfahren zur Zerlegung von Stoffen durch Absorption nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die erzeugte Kälte verwendet, um das zur Absorptionsanlage strömende Absorptionsmittel zu kühlen.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man ein gekühltes Wirbelrohr verwendet.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Wirbelrohr verwendet, das jedenfalls an der Stelle, an der die Trennung vor sich geht, leer ist und intensiv gekühlt wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung so intensiv ist, daß, wenn 15 bis 20% des eingeführten Gases an der heißen Seite des Wirbelrohres abgeführt werden, die absolute Temperatur des heißen Gases nicht mehr als etwa 15%, vorzugsweise nicht mehr als 3^fl/o höher liegt als die absolute Temperatur des eingeführten Gases.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man 10 bis 30%, vorzugsweise etwa 20% des eingeführten Gases am heißen Ende abführt.
8. 8. Verfahren zur Abtrennung von niedrigsiedenden Stoffen, z. B. zur Trennung von Methan und Wasserstoff aus Gemischen mit C₂-, C₃- und höheren Kohlenwasserstoffen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopfgase der Destillationsanlage in einer ersten Stufe mittels eines Kühlmittels gekühlt und falls notwendig in dieser Stufe kondensiert werden, die Gase und falls notwendig das Kondensat weiter in einer zweiten Stufe mit Hilfe von in einem Wirbelrohr erzeugter Kälte gekühlt werden, das Kondensat anschließend von den restlichen Gasen getrennt, das Kondensat ganz oder teilweise als Rückfluß für die Destillation verwendet wird, die restlichen Gase oder ein Teil von ihnen in das Wirbelrohr expandiert werden und die hierdurch erzeugte Kälte für die erwähnte weitere Kühlung verwendet wird.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man das Wirbelrohr mit Hilfe des in der ersten Stufe verwendeten Kühlmittels kühlt.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens einen Teil der Gase in Serienschaltung durch zwei .oder mehrere Wirbelrohre leitet und hinter jedem Wirbelrohr die kalten Gase durch einen Wärmeaustauscher gelangen, in dem das Absorptions mittel in Stufen gekühlt wird.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

    © 609 527/322 5.56 (609 688 11. 56)