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Destillation - Rektifikation Technische Chemie II.

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Präsentation zum Thema: "Destillation - Rektifikation Technische Chemie II."—  Präsentation transkript:

1 Destillation - Rektifikation Technische Chemie II

2 2  Typen von Fließbildern am Beispiel Destillation/Rektifikation  Verfahrensvarianten der Destillation und Rektifikation  Vorgehensweise bei der Auslegung von kontinuierlich betriebenen Rektifizieranlagen Gliederung

3 3  Typen von Fließbildern am Beispiel Destillation/Rektifikation  Verfahrensvarianten der Destillation und Rektifikation  Vorgehensweise bei der Auslegung von kontinuierlich betriebenen Rektifizieranlagen

4 4 Typen von Fließbildern am Beispiel Destillation/Rektifikation Grundfließbild Verfahrensfließbild Rohrleitungs- und Instrumentenfließbild (RI-Fließbild)

5 5  Einfache Darstellung eines Verfahrens mit Hilfe von Rechtecken, die durch Linien (Fließlinien für Stoffe oder Energien) verbunden werden: Verfahren Verfahrensabschnitte Grundoperationen Anlagen bei Anlagenkomplexen Teilanlagen Anlageteile Grundfließbild

6 6 Grundinformationen: Benennung der Rechtecke Benennung der Ein- und Ausgangsstoffe Fließrichtung der Hauptstoffe zwischen den Rechtecken Grundfließschema mit Grundinformationen

7 7 Grundfließbild Zusatzinformationen: Benennung der Hauptstoffe zwischen den Rechtecken Durchflüsse / Mengen der Ein- und Ausgangsstoffe Durchflüsse / Mengen von Energie bzw. Energieträgern Hauptstoffe zwischen den Rechtecken von Energie bzw. Energieträgern Charakteristische Betriebsbedingungen Grundfließschema mit Grund- und Zusatzinformationen

8 8 Verfahrensfließbild Darstellung eines Verfahrens oder einer verfahrenstechnischen Anlage graphische Symbole  Anlageteile, Linien  Fließlinien für Stoffe und Energien bzw. Energieträger

9 9 Verfahrensfließbild Grundinformationen:  Art der für das Verfahren erforderlichen Apparate und Maschinen außer Antriebsmaschinen  Bezeichnung der Apparate und Maschinen außer Antriebsmaschinen  Fließweg und Fließrichtung der Ein- und Ausgangsstoffe und Energien  Benennung und Durchflüsse bzw. Mengen der Ein- und Ausgangsstoffe  Benennung von Energie bzw. Energieträgern  Charakteristische Betriebsbedingungen Verfahrensfließschema mit Grundinformationen WWärmetauscher KKolonne PPumpe BBehälter

10 10 Verfahrensfließbild Verfahrensfließschema mit Grund- und Zusatzinformationen FIR:Fluss Anzeige Registrierung PI:Druck Anzeige FFC:Flussverhältnis Regelung LRCA:Fluss Registrierung Regelung Störungsmeldung PIC:Druck Anzeige Regelung LIA:Fluss Anzeige Störungsmeldung FI:Fluss Anzeige TRC:Temperatur Registrierung Regelung TR:Temperatur Registrierung LI:Stand Anzeige TI:Temperatur Anzeige FRC:Fluss Registrierung Regelung LK:Fluss Zeit PRC:Druck Registrierung Regelung PDI:Druckdifferenz Anzeige FR:Fluss Registrierung FQI:Fluss Summe Anzeige Zusatzinformationen:  Benennung und Durchflüsse bzw. Mengen der Stoffe zwischen den Verfahrensabschnitten  Durchflüsse bzw. Mengen von Energien bzw. Energieträgern.  Anordnung wesentlicher Armaturen  Aufgabenstellung für Messen, Steuern, Regeln an wichtigen Stellen  Ergänzende Betriebsbedingungen  Kennzeichnende Größen von Apparaten und Maschinen (außer Antriebsmaschinen)  Kennzeichnende Daten von Antriebsmaschinen, gegebenenfalls in getrennten Listen  Plattformhöhe und ungefähre relative vertikale Position der Anlagenteile

11 11 Rohrleitungs- und Instrumentenfließbild (RI-Fließbild) Rohrleitungs- und Instrumentenfließschema:  graphische Symbole für Anlagenteile und Rohrleitung,  graphische Symbole für die Mess-, Regel- und Steuerfunktionen der technischen Realisierung eines Verfahrens. Energiefließschema:  besonderes Rohrleitungs- und Instrumentenfließschema,  schematische Darstellung der Energiesysteme innerhalb einer verfahrenstechnischen Anlage,  enthält alle Linien und anderen graphischen Mittel, die das Transportieren, Verteilen und Sammeln von Energiefließschemata als Kästchen mit Inschrift und den Energieverbindungen darstellen.

12 12 Verfahrensfließbild Grundinformationen:  Funktion und Art der Apparate und Maschinen, einschließlich Antriebsmaschinen, Fördereinrichtungen und installierte Reserve  Identifikations-Nummer der Apparate und Maschinen einschließlich Antriebs- maschinen  Kennzeichnende Größen von Apparaten und Maschinen, ggf. in Form getrennter Listen  Bezeichnung von Nennweite, Druckstufe, Werkstoff und Ausführung der Rohrleitungen  Angaben zu Apparaten, Maschinen und Rohrleitungen  Mess-, Steuer-, Regelfunktionen mit Identifikations-Nummer  Kennzeichnende Daten von Antriebsmaschinen, ggf. in Form getrennter Listen Rohrleitungs- und Instrumentenfließschema mit Grundinformationen

13 13 Verfahrensfließbild Zusatzinformationen:  Benennung und Durchflüsse bzw. Mengen von Energie bzw. Energieträgern  Fließweg und Fließrichtung von Energie bzw. Energieträgern  Art wichtiger Geräte für Messen, Steuern und Regeln  Wesentliche Werkstoffe von Apparaten und Maschinen  Plattformhöhe und ungefähre relative vertikale Position der Anlagenteile  Referenzkennzeichnung von Armaturen  Benennung von Anlagenteilen Rohrleitungs- und Instrumentenfließschema mit Grund- und Zusatzinformationen

14 14  Typen von Fließbildern am Beispiel Destillation/Rektifikation  Verfahrensvarianten der Destillation und Rektifikation -Verfahrensvarianten der Destillation -Verfahrensvarianten der Gegenstromdestillation (Rektifikation)  Vorgehensweise bei der Auslegung von kontinuierlich betriebenen Rektifizieranlagen Gliederung

15 15 Verfahrensvarianten der Destillation  Diskontinuierlich betriebene einfache Destillation  Kontinuierlich betriebene einfache Destillation  Entspannungsdestillation  Trägerdampfdestillation  Destillation unter Vakuum / Molekulardestillation Diskontinuierlich / kontinuierlich

16 16 Kontinuierlich betriebene einfache Destillation  Stetig zuströmendes Flüssigkeitsgemisch wird teilweise verdampft.  Destillatdampf und Destillationsrückstand werden stetig der Destilliereinrichtung entnommen. Verdampfertypen Umlaufverdampfer: großer Flüssigkeitsinhalt und entsprechend große Verweilzeit des Flüssigkeitsgemischs im Verdampfungsbereich Durchlaufverdampfer: kleiner Flüssigkeitsinhalt, kleine Verweilzeit  thermisch schonende Behandlung des Flüssigkeitsgemischs.

17 17 Kontinuierlich betriebene einfache Destillation Bauformen verschiedener Umlaufverdampfer IRobert-Selbstumlaufverdampfer IISchnellumlaufverdampfer, Bauart Herbert, mit schrägen Verdampferrohren IIIZwangsumlaufverdampfer mit außenliegendem Verdampferbündel aHeizregister bFallrohr cFlüssigkeitsabscheider dHeizmittelzu- und -ablauf eBrüdenraum fUmlaufpumpe gKonzentratpumpe

18 18 Kontinuierlich betriebene einfache Destillation Bauformen verschiedener Umlaufverdampfer IVUmlaufverdampfer mit in drei Kammern unterteiltem Siederaum VZwangsumlaufverdampfer mit liegendem Heizkörper aHeizregister bFallrohr cFlüssigkeitsabscheider dHeizmittelzu- und -ablauf eBrüdenraum fUmlaufpumpe gKonzentratpumpe

19 19  Typen von Fließbildern am Beispiel Destillation/Rektifikation  Verfahrensvarianten der Destillation und Rektifikation -Verfahrensvarianten der Destillation -Verfahrensvarianten der Gegenstromdestillation (Rektifikation)  Vorgehensweise bei der Auslegung von kontinuierlich betriebenen Rektifizieranlagen Gliederung

20 20 Verfahrensvarianten der Gegenstromdestillation (Rektifikation)  Kontinuierlich betriebene Rektifikation in Rektifizierkolonnen mit Verstärkungsteil und Abtriebsteil  Reine Abtriebskolonne  Reine Verstärkungskolonne  Trennwandkolonne  Trägerdampfrektifikation  Kombination verschiedener Varianten  Rektifikation mit Hilfsstoff  Heteroazeotroprektifikation  Zweidruckverfahren  Kombination der Rektifikation mit einem Membrantrennverfahren  Diffusionsdestillation  Rektifikation bei Überdruck-, Tieftemperatur- und Vakuumbetrieb  Reaktivdestillation

21 21 KRektifizierkolonneFGemischzulauf VKVerstärkungskolonneSSeitenstrom AKAbtriebskolonneGDampf zum WKKondensator Kondensator WDKDestillatkühler EErzeugnis, BDDestillatbehälter Kopfprodukt WVVerdampfer RRücklauf WAKAblaufkühler AAblauf, Sumpfprodukt BAAblaufbehälter LSleichtersiedende Komponente SSschwerersiedende Komponente Schema einer kontinuierlich betriebenen Rektifizieranlage Kontinuierlich betriebene Rektifikation in Rektifizierkolonnen mit Verstärkungsteil und Abtriebsteil

22 22 Rektifikation bei Vakuumbetrieb Vakuumrektifizieranlage mit Kondensator/Verdampfer, Dampfstrahlvakuumpumpe und Kreislauf des Kondensates, vereinfacht schematisch KKolonne WVVerdampfer WKKondensator/Verdampfer WDKopfproduktkühler PDDampfstrahlvakuumpumpe BKKondensatbehälter PKKondensatpumpe

23 23 Gliederung  Typen von Fließbildern am Beispiel Destillation/Rektifikation  Verfahrensvarianten der Destillation und Rektifikation  Vorgehensweise bei der Auslegung von kontinuierlich betriebenen Rektifizieranlagen

24 24 Vorgehensweise bei der Auslegung von kontinuierlich betriebenen Rektifizieranlagen  Auslegungsprinzipien  Mengenströme  Wärmebedarf der Kolonne und Maßnahmen zur Energieeinsparung  Festlegung von Trennstufenzahl und wärme- und stoffaustauschender Kolonnehöhe (McCabe-Thiele Verfahren)  Festlegung des Kolonnen Durchmessers  Auswahl von Einbauten von Rektifizierkolonnen  Auswahl, Optimierung und Regelung von Rektifizieranlagen

25 25 Rektifizieranlagen - Auslegungsprinzipien - Methodische Vorgehensweise bei der Auslegung von Rektifizieranlagen, Ablaufschema

26 26 Aufbau einer Rektifizieranlage. Kolonne mit Umlaufverdampfer, Kondensator, Sumpfproduktkühler / Mischungsvorwärmer, Kopfproduktkühler. Rektifizieranlagen - Auslegungsprinzipien -

27 27 Mengenströme Schema einer Rektifizieranlage zur Trennung von Zweistoffgemischen VKVerstärkungskolonne AKAbtriebskolonne WKKondensator WVVerdampfer (  siehe Physikalische Chemie - Seminar, Praktikum) x F, x E, x A :Stoffmengenanteil der leichter siedenden Komponente in der Zulaufmischung, dem Kopfprodukt und dem Sumpfprodukt (4-1) (4-2)

28 28 Wärmebedarf der Kolonne im Verdampfer ergibt sich aus einer Wärmebilanz um die Rektifizieranlage: (4-3) :Kopfproduktstrom [kmol/h] :Sumpfproduktstrom [kmol/h] :Zulaufmischungsstrom [kmol/h] :Wärmestrom im Verdampfer [kJ/h] :Wärmestrom im Kondensator [kJ/h] :Wärmeverlust [kJ/h] :Enthalpie der Kopfprodukt, Sumpfprodukt und Zulaufmischung [kJ/kmol] Abzuführender Wärmestrom im Kondensator: (4-5) :Verdampfungsenthalpie [kJ/kmol] :Rücklaufverhältnis :Rücklaufstrom [kmol/h] mit

29 29 Maßnahmen zur Energieeinsparung Energieeinsparung unter Berücksichtigung von Produktionskapazität, Betriebssicherheit, Anlagenflexibilität und Umweltbelastung. Energiebedarf tolerierter Energieverlust an die Umgebung Energie zur Aufrechterhaltung gewünschter treibender Temperaturgefälle für die Wärmetauscher = + Hilfsmittel zur Festlegung von Energieverbundmaßnahmen: Wärmeintegrationsanalyse, exergetische Analyse. Als Forderung an Maßnahmen zu Energieeinsparung gilt allgemein: Energiequellen und -senken sind so zu kombinieren, dass der Energiebedarf minimiert wird. Optimale Quellen/Senken-Kombination:

30 30 Maßnahmen zur Energieeinsparung Wahl optimaler Betriebsbedingungen Betriebsdruck Absenkung des Betriebsdruckes und damit Erhöhung der relativen Flüchtigkeit  kleinerer Wärmebedarf und Wärmezufuhr auf niedrigerem Temperaturniveau; kalorischer Zustand des Feedstroms der Feedstrom sollte durch Nutzung der Kopf- und besonders Sumpfproduktabwärme vorgewärmt werden; Rücklaufverhältnis Absenkung des Rücklaufverhältnisses  kleinerer Wärmebedarf, aber größerer Zahl Trennstufen.

31 31 Wärmezufuhr auf niedrigem Temperaturniveau: Kolonnenbetrieb bei abgesenktem Betriebsdruck, Verwendung druckverlustarmer Kolonneneinbauten Maßnahmen zur Energieeinsparung Optimale Kolonnenschaltung Auswahl der kostenoptimalen Trennsequenz mit direktem Wärmeverbund Anwendung des Wärmepumpenprinzips Wärmepumpe mit Brüdenkompression: Kopfprodukt und Sumpfprodukt als Arbeitsmittel; Wärmepumpe mit externem Hilfsstoffkreislauf. Wahl der richtigen Kolonneneinbauten kleine trennstufenspezifische Druckverluste. Druckverlustarme Kolonneneinbauten  Energieeinsparung und Wärmezufuhr auf niedrigerem Temperaturniveau. Anwendung der Wärmetransformation

32 32 a)Hintereinanderschaltung, b)Parallelschaltung K1Kolonne, betrieben beim Betriebsdruck p I K2Kolonne, betrieben beim Betriebsdruck p II (p I > p II ) WVVerdampfer WKKondensator Zusammenschaltung zweier Kolonnen (Wärmeverbund) (mit unterschiedlichen Drücken) Die Kopfproduktdämpfe der ersten Kolonne dienen als Heizdampf für die zweite Kolonne. Maßnahmen zur Energieeinsparung

33 33 Vereinfachte Darstellung des Wärmepumpenprozesses BK Brüderverdichter WK Kondensator DV Entspannungsventil WV Verdampfer Linkslaufender Kreisprozess der Wärmepumpe: Polytrope Verdichtung 1  2, p A  p N Isobare Kondensation 2  3 bei p N Entspannung 3  4, p N  p A Isobare Verdampfer bei p A  Abwärme zur Verdampfung eines Arbeitsmittels auf niedrigem Temperaturniveau T A wird aufgenommen.  polytrope Verdichtung des Arbeitsmitteldampfs, Kondensation  latente Wärme auf höherem Temperaturniveau T N wird für Heizzwecke genutzt. Maßnahmen zur Energieeinsparung

34 34 Destillationsanlage mit direkter Brüdenverdichtung aDestillationskolonne, bVerdichter, cAntrieb für den Brüdenverdichter, dVerdampfer und Kondensator, eUmwälzpumpe, fHilfsverdampfer, gRücklaufkühler, hHilfskondensator Maßnahmen zur Energieeinsparung Direkte Brüdenkompression:  Produktstrom steht als Arbeitsmittel direkt zur Verfügung,  Verdampfung und Kondensation erfolgen in demselben Apparat.

35 35 Auswahl von Einbauten von Rektifizierkolonnen Maßgebend für die Grobauswahl der Kolonneneinbauten Dampfdurchsatz und Betriebsdruck. Füllkörperschüttungen (bis untere Grenze des Grobvakuumbereichs) bei kleinen Dampfdurchsätzen  kleinere Kolonnendurchmesser, bei engem Belastungsbereich. Packungen mit regelmäßiger Geometrie für gute Trennwirkung bei gleichzeitig kleinem Druckverlust im Vakuumbereich, bei größeren Kolonnendurchmessern und breitem Belastungsbereich. Böden für große Kolonnendurchsätze und Kolonnendurchmesser, Druckverlust bei Betriebsdrücken um Atmosphärendruck spielt eine nur untergeordnete Rolle.

36 36 Auswahlkriterien für die Auswahl von Kolonneneinbauten Spezifikation der zu erzeugenden Produkte (Kopfprodukt, Sumpfprodukt, Seitenströme) Gemischverhalten thermische Empfindlichkeit, Verschmutzungsneigung, Schaumverhalten, Stoffeigenschaften Betriebsbedingungen Betriebsform, Betriebsdruck, Rücklaufverhältnis Leistungsdaten der Kolonneneinbauten, technische Daten Flüssigkeitsbelastung, Dampfbelastung (Belastungsfaktor, Belastungsbereich) Teillastverhalten, Trennwirkung (theoretische Trennstufen pro m), trennstufenspezifischer Druckverlust, spezifisch notwendiges Kolonnenvolumen (Kolonnenvolumen/Dampfdurchsatz) Kosten Kolonnenkosten, Peripheranlagenteilkosten, Betriebskosten Betriebssicherheit Prozess- und Systemeinflüsse Auswahl von Einbauten von Rektifizierkolonnen

37 37 Auswahl, Optimierung und Regelung von Rektifizieranlagen Vereinfachtes Verfahrensfließbildausschnitt einer Rektifizieranlage K1Kolonne W1Umlaufverdampfer W2Kondensator W3Kopfproduktkühler W4Sumpfproduktkühler B1Kopfproduktbehälter PDruck LNiveau FDurchfluss TTemperatur IMesswertanzeige RMesswertregistrierung CMesswertregelung PIC1Heizdampfdruckregler, evtl. ansprechend auf den Druckverlust in der Gesamtkolonne PdI1Druckverlustanzeige PI1Kopfdruck PI2Druck im Sumpf LIC1Niveaukontrolle im Kolonnensumpf TR1Kopfprodukt, Temperatur, geschrieben FRRC1Rücklaufverhältnisregelung, evtl. ansprechend auf die Kopfprodukttemperatur TIC1Temperaturregelung für Kopfprodukt FIC1Mischungszustromregelung FR1Kopfprodukt, Durchfluss, geschrieben FR2Sumpfprodukt, Durchfluss, geschrieben TR2Sumpfprodukt, Temperatur, geschrieben

38 38 Literatur Gliederung

39 39 Literatur  Sattler, K.: Thermische Trennverfahren Wiley-VCH Verlag, Weinheim, 3. Auflage, 2001  Deutsche Norm, DIN 19227, Teil 1 und 2: Graphische Symbole und Kennbuchstaben für die Prozeßleittechnik.  Deutsche Norm, DIN EN ISO 10628, Fließschemata für Verfahrenstechnischen Anlagen


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