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Destillation - Rektifikation

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Präsentation zum Thema: "Destillation - Rektifikation"—  Präsentation transkript:

1 Destillation - Rektifikation
Technische Chemie II Destillation - Rektifikation

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

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

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

5 Grundfließbild  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

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

7 Grundfließbild Grundfließschema mit Grund- und 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 Verfahrensfließbild Darstellung eines Verfahrens oder einer verfahrenstechnischen Anlage graphische Symbole  Anlageteile, Linien  Fließlinien für Stoffe und Energien bzw. Energieträger

9 Verfahrensfließbild Verfahrensfließschema mit 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 W Wärmetauscher K Kolonne P Pumpe B Behälter

10 Verfahrensfließbild 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 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 Verfahrensfließschema mit Grund- und Zusatzinformationen

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 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 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 Gliederung 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

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

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 Kontinuierlich betriebene einfache Destillation
a Heizregister b Fallrohr c Flüssigkeitsabscheider d Heizmittelzu- und -ablauf e Brüdenraum f Umlaufpumpe g Konzentratpumpe Bauformen verschiedener Umlaufverdampfer I Robert-Selbstumlaufverdampfer II Schnellumlaufverdampfer, Bauart Herbert, mit schrägen Verdampferrohren III Zwangsumlaufverdampfer mit außenliegendem Verdampferbündel

18 Kontinuierlich betriebene einfache Destillation
a Heizregister b Fallrohr c Flüssigkeitsabscheider d Heizmittelzu- und -ablauf e Brüdenraum f Umlaufpumpe g Konzentratpumpe Bauformen verschiedener Umlaufverdampfer IV Umlaufverdampfer mit in drei Kammern unterteiltem Siederaum V Zwangsumlaufverdampfer mit liegendem Heizkörper

19 Gliederung 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

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 Kontinuierlich betriebene Rektifikation in Rektifizierkolonnen mit Verstärkungsteil und Abtriebsteil
K Rektifizierkolonne F Gemischzulauf VK Verstärkungskolonne S Seitenstrom AK Abtriebskolonne G Dampf zum WK Kondensator Kondensator WDK Destillatkühler E Erzeugnis, BD Destillatbehälter Kopfprodukt WV Verdampfer R Rücklauf WAK Ablaufkühler A Ablauf, Sumpfprodukt BA Ablaufbehälter LS leichtersiedende Komponente SS schwerersiedende Komponente Schema einer kontinuierlich betriebenen Rektifizieranlage

22 Rektifikation bei Vakuumbetrieb
Vakuumrektifizieranlage mit Kondensator/Verdampfer, Dampfstrahlvakuumpumpe und Kreislauf des Kondensates, vereinfacht schematisch K Kolonne WV Verdampfer WK Kondensator/Verdampfer WD Kopfproduktkühler PD Dampfstrahlvakuumpumpe BK Kondensatbehälter PK Kondensatpumpe

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

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

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

27 Mengenströme ( siehe Physikalische Chemie - Seminar, Praktikum) (4-1) (4-2) xF, xE, xA: Stoffmengenanteil der leichter siedenden Komponente in der Zulaufmischung, dem Kopfprodukt und dem Sumpfprodukt Schema einer Rektifizieranlage zur Trennung von Zweistoffgemischen VK Verstärkungskolonne AK Abtriebskolonne WK Kondensator WV Verdampfer

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) mit : Verdampfungsenthalpie [kJ/kmol] : Rücklaufverhältnis : Rücklaufstrom [kmol/h]

29 Maßnahmen zur Energieeinsparung
Energieeinsparung unter Berücksichtigung von Produktionskapazität, Betriebssicherheit, Anlagenflexibilität und Umweltbelastung. 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: Energiebedarf tolerierter Energieverlust an die Umgebung Energie zur Aufrechterhaltung gewünschter treibender Temperaturgefälle für die Wärmetauscher = +

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

32 Maßnahmen zur Energieeinsparung
a) Hintereinanderschaltung, b) Parallelschaltung K1 Kolonne, betrieben beim Betriebsdruck pI K2 Kolonne, betrieben beim Betriebsdruck pII (pI > pII) WV Verdampfer WK Kondensator Die Kopfproduktdämpfe der ersten Kolonne dienen als Heizdampf für die zweite Kolonne. Zusammenschaltung zweier Kolonnen (Wärmeverbund) (mit unterschiedlichen Drücken)

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

34 Maßnahmen zur Energieeinsparung
Direkte Brüdenkompression: Produktstrom steht als Arbeitsmittel direkt zur Verfügung, Verdampfung und Kondensation erfolgen in demselben Apparat. Destillationsanlage mit direkter Brüdenverdichtung a Destillationskolonne, b Verdichter, c Antrieb für den Brüdenverdichter, d Verdampfer und Kondensator, e Umwälzpumpe, f Hilfsverdampfer, g Rücklaufkühler, h Hilfskondensator

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 Auswahl von Einbauten von Rektifizierkolonnen
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

37 Auswahl, Optimierung und Regelung von Rektifizieranlagen
K1 Kolonne W1 Umlaufverdampfer W2 Kondensator W3 Kopfproduktkühler W4 Sumpfproduktkühler B1 Kopfproduktbehälter PIC1 Heizdampfdruckregler, evtl. ansprechend auf den Druckverlust in der Gesamtkolonne PdI1 Druckverlustanzeige PI1 Kopfdruck PI2 Druck im Sumpf LIC1 Niveaukontrolle im Kolonnensumpf TR1 Kopfprodukt, Temperatur, geschrieben FRRC1 Rücklaufverhältnisregelung, evtl. ansprechend auf die Kopfprodukttemperatur TIC1 Temperaturregelung für Kopfprodukt FIC1 Mischungszustromregelung FR1 Kopfprodukt, Durchfluss, geschrieben FR2 Sumpfprodukt, Durchfluss, geschrieben TR2 Sumpfprodukt, Temperatur, geschrieben P Druck L Niveau F Durchfluss T Temperatur I Messwertanzeige R Messwertregistrierung C Messwertregelung Vereinfachtes Verfahrensfließbildausschnitt einer Rektifizieranlage

38 Gliederung Literatur

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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