Technische Chemie II Destillation - Rektifikation Gliederung Typen von Fließbildern am Beispiel Destillation/Rektifikation Verfahrensvarianten der Destillation und Rektifikation Vorgehensweise bei der Auslegung von kontinuierlich betriebenen Rektifizieranlagen 2 Gliederung Typen von Fließbildern am Beispiel Destillation/Rektifikation Verfahrensvarianten der Destillation und Rektifikation Vorgehensweise bei der Auslegung von kontinuierlich betriebenen Rektifizieranlagen 3 Typen von Fließbildern am Beispiel Destillation/Rektifikation • Grundfließbild • Verfahrensfließbild • Rohrleitungs- und Instrumentenfließbild (RI-Fließbild) 4 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 5 Grundfließbild Grundinformationen: • Benennung der Rechtecke • Benennung der Ein- und Ausgangsstoffe • Fließrichtung der Hauptstoffe zwischen den Rechtecken Grundfließschema mit Grundinformationen 6 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 7 Verfahrensfließbild Darstellung eines Verfahrens oder einer verfahrenstechnischen Anlage graphische Symbole Anlageteile, Linien Fließlinien für Stoffe und Energien bzw. Energieträger 8 Verfahrensfließbild Verfahrensfließschema mit Grundinformationen 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 W Wärmetauscher K Kolonne P Pumpe B Behälter 9 Verfahrensfließbild Zusatzinformationen: FIR: Fluss Anzeige Registrierung Druckund Anzeige PI: Benennung Durchflüsse bzw. Mengen FFC: Flussverhältnis der Stoffe zwischen denRegelung LRCA: Fluss Registrierung Regelung Verfahrensabschnitten Störungsmeldung Durchflüsse bzw. Mengen von Energien PIC: Druck Anzeige Regelung bzw. Energieträgern. LIA: Fluss Anzeige Störungsmeldung Anordnung wesentlicher Armaturen FI: Fluss Anzeige TRC: Aufgabenstellung Messen, Steuern, Temperaturfür Registrierung Regelung Regeln an wichtigen Stellen TR: Temperatur Registrierung LI: Ergänzende StandBetriebsbedingungen Anzeige Temperatur Anzeige TI: Kennzeichnende Größen von Apparaten FRC: Fluss Registrierung Regelung und Maschinen (außer Antriebsmaschinen) Fluss Zeit Daten von LK: Kennzeichnende PRC: Druck Registrierung Regelung Antriebsmaschinen, gegebenenfalls in PDI: Druckdifferenz Anzeige getrennten Listen FR: Fluss Registrierung Plattformhöhe und ungefähre relative FQI: Fluss Summe Anzeige vertikale Position der Anlagenteile Verfahrensfließschema mit Grund- und Zusatzinformationen 10 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. 11 Verfahrensfließbild Grundinformationen: Funktion und Art der Apparate und Maschinen, einschließlich Antriebsmaschinen, Fördereinrichtungen und installierte Reserve Identifikations-Nummer der Apparate und Maschinen einschließlich Antriebsmaschinen 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 12 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 13 Rohrleitungs- und Instrumentenfließschema mit Grund- und Zusatzinformationen 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 14 Verfahrensvarianten der Destillation Diskontinuierlich / kontinuierlich Diskontinuierlich betriebene einfache Destillation Kontinuierlich betriebene einfache Destillation Entspannungsdestillation Trägerdampfdestillation Destillation unter Vakuum / Molekulardestillation 15 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. 16 Kontinuierlich betriebene einfache Destillation Bauformen verschiedener Umlaufverdampfer I Robert-Selbstumlaufverdampfer II Schnellumlaufverdampfer, Bauart Herbert, mit schrägen Verdampferrohren III Zwangsumlaufverdampfer mit außenliegendem Verdampferbündel a b c d e f g Heizregister Fallrohr Flüssigkeitsabscheider Heizmittelzu- und -ablauf Brüdenraum Umlaufpumpe Konzentratpumpe 17 Kontinuierlich betriebene einfache Destillation a b c d e f g Heizregister Fallrohr Flüssigkeitsabscheider Heizmittelzu- und -ablauf Brüdenraum Umlaufpumpe Konzentratpumpe Bauformen verschiedener Umlaufverdampfer IV Umlaufverdampfer mit in drei Kammern unterteiltem Siederaum V Zwangsumlaufverdampfer mit liegendem Heizkörper 18 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 19 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 20 Kontinuierlich betriebene Rektifikation in Rektifizierkolonnen mit Verstärkungsteil und Abtriebsteil K VK AK WK WDK BD WV WAK BA Rektifizierkolonne Verstärkungskolonne Abtriebskolonne Kondensator Destillatkühler Destillatbehälter Verdampfer Ablaufkühler Ablaufbehälter F S G Gemischzulauf Seitenstrom Dampf zum Kondensator E Erzeugnis, Kopfprodukt R Rücklauf A Ablauf, Sumpfprodukt LS leichtersiedende Komponente SS schwerersiedende Komponente Schema einer kontinuierlich betriebenen Rektifizieranlage 21 Rektifikation bei Vakuumbetrieb Vakuumrektifizieranlage mit Kondensator/Verdampfer, Dampfstrahlvakuumpumpe und Kreislauf des Kondensates, vereinfacht schematisch K WV WK WD PD BK PK Kolonne Verdampfer Kondensator/Verdampfer Kopfproduktkühler Dampfstrahlvakuumpumpe Kondensatbehälter Kondensatpumpe 22 Gliederung Typen von Fließbildern am Beispiel Destillation/Rektifikation Verfahrensvarianten der Destillation und Rektifikation Vorgehensweise bei der Auslegung von kontinuierlich betriebenen Rektifizieranlagen 23 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 24 Rektifizieranlagen - Auslegungsprinzipien - Methodische Vorgehensweise bei der Auslegung von Rektifizieranlagen, Ablaufschema 25 Rektifizieranlagen - Auslegungsprinzipien - Aufbau einer Rektifizieranlage. Kolonne mit Umlaufverdampfer, Kondensator, Sumpfproduktkühler / Mischungsvorwärmer, Kopfproduktkühler. 26 Mengenströme ( siehe Physikalische Chemie - Seminar, Praktikum) x -x E F F A xE x A (4-1) x xF A F E xE x A (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 AK WK WV Verstärkungskolonne Abtriebskolonne Kondensator Verdampfer 27 Wärmebedarf der Kolonne im Verdampfer ergibt sich aus einer Wärmebilanz um die Rektifizieranlage: Q Q E h A - F . h .h Q Q K E A v F (4-3) E : A : F : : Q : Q K : Q V Kopfproduktstrom [kmol/h] Sumpfproduktstrom [kmol/h] Zulaufmischungsstrom [kmol/h] Wärmestrom im Verdampfer [kJ/h] Wärmestrom im Kondensator [kJ/h] Wärmeverlust [kJ/h] hE , hA , hF: Enthalpie der Kopfprodukt, Sumpfprodukt und Zulaufmischung [kJ/kmol] im Kondensator: Abzuführender Wärmestrom Q K E ( 1) h Q K 1,g,E mit R E (4-5) h1, g, E : Verdampfungsenthalpie [kJ/kmol] : R : Rücklaufverhältnis Rücklaufstrom [kmol/h] 28 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 29 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. 30 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 31 Maßnahmen zur Energieeinsparung a) b) Hintereinanderschaltung, 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) 32 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 zur Verdampfung eines Arbeitsmittels Abwärme Q A auf niedrigem Temperaturniveau TA wird aufgenommen. polytrope Verdichtung des Arbeitsmitteldampfs, Kondensation auf höherem Temperaturniveau latente Wärme Q N TN wird für Heizzwecke genutzt. Vereinfachte Darstellung des Wärmepumpenprozesses BK Brüderverdichter WK Kondensator DV Entspannungsventil WV Verdampfer 33 Maßnahmen zur Energieeinsparung Direkte Brüdenkompression: Produktstrom steht als Arbeitsmittel direkt zur Verfügung, Verdampfung und Kondensation erfolgen in demselben Apparat. Destillationsanlage mit direkter Brüdenverdichtung a b c d e f g h Destillationskolonne, Verdichter, Antrieb für den Brüdenverdichter, Verdampfer und Kondensator, Umwälzpumpe, Hilfsverdampfer, Rücklaufkühler, Hilfskondensator 34 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. 35 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 36 Auswahl, Optimierung und Regelung von Rektifizieranlagen K1 W1 W2 W3 W4 B1 Kolonne Umlaufverdampfer Kondensator Kopfproduktkühler Sumpfproduktkühler 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 Vereinfachtes Verfahrensfließbildausschnitt einer Rektifizieranlage P L F T I R C Druck Niveau Durchfluss Temperatur Messwertanzeige Messwertregistrierung Messwertregelung 37 Gliederung Literatur 38 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 39
© Copyright 2024 ExpyDoc
