METHOD AND DEVICE FOR RECTIFICATION AND/OR STRIPPING

Abstract: 1. A process for rectification and/or stripping in a column, the lower part of which is heated and the upper part of which is cooled, where the heating stage and cooling stage are coupled to one another by a heat pump, characterised in that the heat pump is operated by the work-producing expansion of a gas or vapour and that the gas or vapour is used as stripping gas in the column following the expansion.

Description: Verfahren und Vorrichtuna zur Rektifikation und/oder Strippung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rektifikation und/oder Strippung in einer Kolonne, deren unterer Teil beheizt und deren oberer Teil gekühlt wird, wobei Heizung und Kühlung durch eine Wärmepumpe miteinander verkoppelt sind. Durch Einblasen eines Fremdgases oder -dampfes in eine Kolonne wird bekanntermassen der Partialdruck innerhalb der Kolonne gesenkt und gleichzeitig die Temperatur in der Kolonne erniedrigt. Dieser Effekt wird sowohl zur schonenden Stofftrennung - Rektifikation - als auch zur Regenerierung durch Strippen eines Waschmittels bei vielen chemischen und physikalischen Wäschen eingesetzt. Mit besonderem Vorteil kann hierbei Wasserdampf angewendet werden. Dieser wird bei der Destillation oder dem Strippen entweder direkt in den Sumpf der Kolonne eingeblasen oder er kann, falls die Zuspeisung der Kolonne bereits Wasser enthält, durch externe Beheizung des Kolonnensumpfes erzeugt werden. Gelegentlich werden auch beide Möglichkeiten kombiniert. In bekannter Weise lassen sich dabei Sumpfheizung und Kopfkühlung der Kolonne über eine Wärmepumpe miteinander verkoppeln. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass der Energieeinsatz verringert werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Wärmepumpe durch arbeitsleistende Entspannung eines Gases oder Dampfes angetrieben wird und dass das Gas oder der Dampf nach der Entspannung als Strippgas in der Kolonne verwendet wird. Bei den Destillationsverfahren setzt sich der Wärmebedarf im Sumpf der Kolonne prinzipiell aus drei Komponenten zusammen, nämlich Anwärmung der Flüssigkeit auf Sumpftemperatur, Energiezufuhr zur Stofftrennung und Erzeugung des Strippdampfes. Demgegenüber wird gemäss der Erfindung im Prinzip eine Wärmepumpe zwischen Kolonnenkopf und Sumpf eingesetzt,# der Antrieb der Wärmepumpe durch arbeitsleistende Entspannung bewirkt und das Gas oder der Dampf nach der arbeitsleistenden Entspannung als Strippgas in der Kolonne verwendet. Mit diesen Massnahmen wird eine erhebliche Reduzierung des Energieeinsatzes erzielt. Als besonders zweckmässig hat es sich dabei erwiesen, zum Antrieb der Wärmepumpe durch arbeitsleistende Entspannung Wasserdampf zu verwenden. Dieser eignet sich häufig als Strippgas in der Kolonne. Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Wärmepumpe als geschlossenes System mit eigenem Arbeitsmedium betrieben wird. Als Arbeitsmedium kommt dabei beispielsweise das Kältemittel R 11 in Betracht. Alternativ besteht aber auch die M##-#lichkeit, die Wärmepumpe als offenes System zu betrei ben und als Arbeitsmedium das den Kolonnenkopf oder Kopfkondensator verlassendeGas zu verwenden. Mit dieser Verfahrensführung wird somit die sogenannte Brüdenkompression ausgeführt. In bekannter Weise kann die Verdichtung der Brüden sowohl durch einen Verdichter als auch durch einen Ejektor erfolgen. Im ersteren Fall wird der Verdichter durch eine Expansionsturbine angetrieben, deren Auspuff in den Sumpf der Kolonne geleitet und somit als Strippgas verwendet wird, während die verdichteten Brüden den Sumpf über einen Wärmetauscher beheizen. Im letzteren Fall ist es zweckmässig, wenn ein Teil des in der Kopfkühlung kondensierten Dampfes abgezogen, entspannt und unter Verdampfung zur Kühlung des Kolonnenkopfes verwendet wird. Nach der Verdichtung durch den Ejektor werden die Brüden zusammen mit dem Treibgas des Ejektors dem Kolonnensumpf zugeführt und als Strippgas verwendet. Mit dieser Verfahrensführung der Dampf strahl-Brüdenverdich- tung kann eine wesentliche Verringerung des Dampfverbrauches erreicht werden, was sich insbesondere durch eine Reduzierung der Investitionskosten bemerkbar macht. Gemäss einer weiteren Variante des erfindungsgemässen Verfahrens ist überdies vorgesehen, dass der Wärmepumpe zusätzlich Wärme aus dem Sumpfprodukt zugeführt und dieses hierdurch gekühlt wird. Diese Massnahme kommt insbesondere dann zum Tragen, wenn das Sumpfprodukt vor der Abgabe weiter abgekühlt werden soll. Eine weitere Senkung des Energiebedarfes kann erreicht werden durch einen stufenweisen Einsatz der Wärmepumpe. Hierbei kann die Kühlung und/oder Heizung der Kolonne in mehreren Stufen ausgeführt werden, d.h. die Wärmepumpe gibt auf mehreren Temperaturniveaus Wärme ab oder nimmt sie auf. Die Erfindung betrifft überdies eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Kolonne, Sumpfheizung und Kopfkühlung, die über eine Wärmepumpe miteinander gekoppelt sind. Diese Vorrichtungist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe mit einer Entspannungseinrichtung verbunden ist. Insbesondere kann dabei die Wärmepumpe als geschlossenes System oder alternativ als offenes System ausgebildet sein, wobei im letzteren Fall die Wärmepumpe über eine Leitung mit dem Kopf der Kolonne oder dem Kopfkondensator verbunden ist. Bevorzugt ist die Entspannungseinrichtung als Expansionsturbine ausgebildet und über eine Auspuffleitung an den unteren Teil der Kolonne angeschlossen. Insbesondere bei einem offenen System kann die Entspannungseinrichtung auch als Ejektor ausgebildet sein. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn unterhalb der Kopfkühlung die Kolonne mit einer Flüssigkeitssperre versehen ist. Zusätzlich kann die Wärmepumpe bei Verwendung eines geschlossenen Systems mit der Produktleitung für das Sumpfprodukt verbunden sein. Die erfindungsgemässe Verfahrensweise sowie die Vorrichtung können mit Vorteil bei der Regenerierung von Waschmitteln physikalischer oder chemischer Gaswäschen eingesetzt werden. Im folgenden sei die Erfindung anhand eines in zwei Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 Wasserdampfdestillation, wobei eine Wärmepumpe mit Hilfskreislauf angewendet wird, und Figur 2 Regenerierung mittels Dampfstrahl-Brüdenver dichtung. Gemäss Figur 1 wird über eine Leitung 1 einer Destillationskolonne 2 ein Einsatz zugeführt. Dieser Einsatz ist entweder ein mit absorbierten Verunreinigungen beladenes Lösungsmittel oder ein zu trennendes Stoffgemisch. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Destillationskolonne im unteren Teil über eine Leitung 3 ein Teil des notwendigen Strippdampfes zugeführt, der im Gegenstrom aus dem Einsatz zu entfernende Stoffe abtrennt. Beispielsweise werden als Einsatz 900 t/h Tetraäthylenglykoldimethyläther aus einer Rauchgasent-: schwefelungsanlage, das mit S02 beladen ist, mit einer Temperatur von 95 0C zugeführt. Mittels des Strippdampfes (15 t/h, ca. 0,6 bar) wird aus dem Waschmittel das S02 abgestrippt. Das auf diese Weise von SO2 befreite Waschmittel verlässt über Leitung 4 die Kolonne 2 mit einer Temperatur von 100 0C und einem Druck von p,6 bar. Aus dem unteren Teil der Destillationskolonne wird ein Teilstrom der Flüssigkeit über Leitung 5 abgezogen, in einem Wärmetauscher 6 angewärmt, teilweise verdampft und über Leitung 7 wieder zurück zur Kolonne gegeben. Der dabei erzeugte Dampf trägt zur Verbesserung der Strippbzw. Rektifizierwirkung bei. Über Leitung 8 wird der mit S02 beladene Strippdampf abgezogen, in einem Wärmetauscher 9 gegen das Kreislaufmedium der Wärmepumpe auf ca. 65 QC und gegen Kühlwasser in einem Kühler 10 auf ca. 30 0C abgekühlt und einem Abscheider 11 zugeführt. Der kondensierte Strippdampf wird unten von dem Abscheider 11 über Rücklaufleitung 12 abgezogen und zum Teil auf den Kopf der Destillationskolonne aufgegeben, um dort als Rücklauf zu dienen. Der andere Teil wird über Leitung 13 als Uberschusswasser abgegeben. Vom oberen Teil des Abscheiders 11 wird über Leitung 14 das Kopfprodukt, d.h. das abgetrennte SO, in einer Menge von ca. 22,3 kmol/h abgezogen. Das SOL enthält dabei Wasserdampf entsprechend der Temperatur im Abscheider 11. -Die Sumpfheizung der Destillationskolonne wird im Wärmetauscher 6 durch Rreislaufmedium betrieben. Das Kreislaufmedium (45 kg/sec) wird dabei kondensiert und einem Sammler 16 mit einer Temperatur von 1100C zugeführt. Das Kondensat wird über Leitung 17 mit Entspannungsventil 18 durch den Wärmetauscher 9 geführt, dabei verdampft und dampfförmig über Leitung 19 einem Verdichter 20 zugeführt. Der auf 10,5 bar verdichtete Dampf wird über Leitung 15 wieder dem Wärmetauscher 6 zugeführt und erneut kondensiert. Der Verdichter 20 wird erfindungsgemäss von einer Dampfturbine 21 angetrieben, die ihrerseits mit Mitteldruckdampf (10 t/h, 30 bar, 300 K) aus Leitung 22 betrieDen wird. Die Ausgangsseite der Turbine 21 ist mit dem Sumpf der Destillationskolonne über die Auspuffleitung 3 verbunden;- so dass der Turbinenauspuff mit einer Temperatur von 860C und einem Druck von 0,6 bar als Strippdampf in der Kolonne verwendet werden kann. Bei konventionellen Verfahren, die mit Dampf heizen, werden im Vergleich zum erfindungsgemässen Verfahren ca. 20 t/h Dampf zum Beheizen des Koi7onnensumpfes benötigt, während beim erfindungsgemässen Verfahren lediglich 10 t/h Dampf erforderlich sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist gestrichelt über dies die Möglichkeit dargestellt, einen Teil des kondensierten Kreislaufmediums über Leitung 23 abzuzweigen, in einem Ventil 24 zu entspannen und nach Verdampfung im Wärmetauscher 25 über Leitung 26- in den eintritt des Ver dichters zu führen. Der Wärmetausch erfolgt dabei gegenüber Leitung 26 zugeführtes Sumpfprodukt. Diese Möglichkeit bietet den Vorteil, dass der Wärmeinhalt des Sumpfproduktes über die Wärmepumpe ebenfalls zur Beheizung der Kolonne ausgenutzt werden kann. Gemäss Figur 2 werden über eine Leitung 31 einer -Destillationskolonne 30 850 t/h eines mit Verunreinigungen beladenen physikalischen Lösungsmittels, z.B. mit SO, beladenes Tetraäthylenglykoldimethyläther, mit einer Temperatur von 9.5 0C zugeführt. Die Destillationskolonne 30 ist mit einer Sumpfheizung 32 und Kopfkühlungen 33 und 39 ausgestattet. Die Kopfkühlung 33 ist dabei als Kondensatorverdampfer ausgebildet. Unterhalb der Kopfkühlung ist eine Flüssigkeitssperre 34, z.B. ein Kaminboden, angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden der Destillationskolonne im unteren Teil über Leitung 35 8,5 t/h Dampf mit einer Temperatur von 115 OC#und einem Druck von 0,6 bar zugeführt. Im Sumpf der Säule#herrscht eine Temperatur von 100 0C bei 0,6 bar, so dass mittels des überhitzten Dampfes das SO, aus dem Lösungsmittel abgestrippt werden kann. Das auf diese Weise von SO, befreite Lösungsmittel verlässt die Kolonne über Leitung 36 mit einer Temperatur von 100 0C und einem Druck von 0,6 bar. Ein Teilstrom des regenerierten Lösungsmittels wird über Leitung 37 in der Sumpfheizung 32 aufgekocht und zurück zur Kolonne geführt. Der mit SO, beladene Wasserdampf wird in dem Kopfküh- ler 33 auf 84 0c gekühlt, wobei ein Grossteil des Dampfes kondensiert, während über Kopf, Leitung 38 480 kmol/h - einer aus 0,3 mol-% COL, 4,2 mol-% S02 und 95,5 mol-% H20 bestehenden gasförmigen Fraktion abgezogen werden. Diese Fraktion wird in einem Kühler 39 gegen Kühlwasser auf 30 0C abgekühlt und einem Abscheider 40 zugeführt. Aus diesem werden 8,2 t/h Wasser über Leitung 41 auf den Kopf der Kolonne 30 geführt und über Leitung 51 20 kmol/h einer gasförmigen Fraktion bestehend aus 7,9 mol-% C02, 83,1 mol-% S02 und 9,0 mol-% H20 abgezogen und nach Verdichtung in 42 abgegeben. Das durch Abkühlung in dem Kopfkühler 33 entstandene Kondeni, sat (ca. 9,4 t/h) wird über Leitung 43 oberhalb der Flüssigkeitssperre 34 aus der Kolonne abgezogen. Ein Teil davon < ca.1t/h) wird über Leitung 44 als Rücklauf unterhalb der Flüssigkeitssperre 34 wieder auf die Kolonne aufgegeben, während ein weiterer Teil (ca.5t/h) über Leitung 45 nach Entspannung 46 zur Kühlung in den Kondensatorverdampfer 33 geleitet wird. Dabei verdampft das Kondensat und wird über Leitung 47 unter einem Druck von 0,42 bar mittels eines Ejektors 48 abgesaugt. Der Rest des -abgezogenen -Ronden- sates wird beispielsweise zur Speisewasseraufbereitung abgegeben. In dem Dampfstrahler 48 wird der Dampf aus Leitung 47 auf 0,6 bar verdichtet und zusammen mit dem Arbeitsmedium - 3,4 t/h Sattdampf aus Leitung 49 - über Leitung 35 in den unteren Teil der Kolonne eingeführt. Ein Teil des Sattdampfes (10,5 t/h) wird unter einem Druck von 4,5 bar über Leitung 50 zum Aufkochen des Losungsmittels in Wärmetauscher 32 verwendet.

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zur Rektifikation und/oder Strippung in einer Kolonne, deren unterer Teil beheizt und deren oberer Teil gekühlt wird, wobei Heizung und Kühlung durch eine Wärmepumpe miteinander verkoppelt sind, dadurch ge kennzeichnet, dass die Wärmepumpe durch arbeitsleistende Entspannung eines Gases oder Dampfes angetrieben wird und dass das Gas oder der Dampf nach der Entspannung als Strippgas in der Kolonne verwendet wirdr 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Antrieb der Wärmepumpe durch arbeitsleistende Ent spannung Wasserdampf verwendet wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass die Wärmepumpe als geschlossenes System mit eigenem Arbeitsmedium betrieben wird. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass die Wärmepumpe als offenes System betrieben wird und dass als Arbeitsmedium das den Kolonnenkopf verlassende Gas verwendet wird. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des in der Kopfkühlung kondensierten Dampfes abgezogen, entspannt und unter Verdampfung zur Kühlung des Kolonnenkopfes verwendet wird. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem Kolonnenkopf oder Kopfkondensator abge zogene Dampf in einem Ejektor komprimiert wird. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmepumpe zusätzlich Wärme aus dem Sumpfprodukt zugeführt und dieses hierdurch abgekühlt wird. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung und/oder Heizung der Kolonne in mehreren Stufen durchgeführt wird. 9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einer Kolonne mit Sumpfhei zung und Kopfkühlung, die über eine Wärmepumpe mit einander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe mit einer Entspannungseinrichtung ver bunden ist. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe als geschlossenes System ausgebil det ist. 11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe als offenes System ausgebildet und über eine Leitung mit dem Kopf der Kolonne oder einem Kopfkondensator verbunden ist. 12. Vorrichtung nach Anspruch 10 der 11, dadurch gekenn; zeichnet, dass die Entspannungsvorrichtung als Expan sionsturbine ausgebildet und über eine Auspuffleitung an den unteren Teil der Kolonne angeschlossen ist. 13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannungsvorrichtung als Ejektor ausgebil det ist. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Kopfkühlung die Kolonne mit einer Flüssigkeitssperre versehen ist. 15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9, 10 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe zusätzlich mit der Produktleitung für das Produkt verbunden ist.

Inventors: BECKER, HANS, DR. DIPL.-ING., LINDE, GERHARD, DR. DIPL.-PHYS.
Applicants: LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1985
Main classification: B01D3
IPC codes: B01D3