СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ СМЕСЕЙ АЦЕТОН/ВОДА ПОСРЕДСТВОМ ДИСТИЛЛЯЦИИ С ДВУХСТУПЕНЧАТЫМ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СКРЫТОЙ ТЕПЛОТЫ ПАРООБРАЗОВАНИЯ
METHOD AND DEVICE FOR CLEANING ACETONE/WATER MIXTURES BY DISTILLATION WITH TWO-STEP USE OF LATENT HEAT OF STEAM GENERATION

Данное изобретение относится к способу отделения ацетона от смесей ацетон/вода при применении DED–технологии (дистилляции с двухступенчатым использованием скрытой теплоты парообразования), при двух ректификационных колоннах, функционирующих при различном давлении, так что отходящее тепло головного продукта колонны, функционирующей под давлением, может быть применено для нагревания кубового продукта колонны, функционирующей при низком давлении. Данное изобретение относится, кроме того, к устройству для выполнения соответствующего способа.
С целью экономии энергии в дистилляционных установках уже давно известна так называемая DED–технология (дистилляция с двухступенчатым использованием скрытой теплоты парообразования). При этой технологии две установки (или более) функционируют при различных давлениях, посредством чего обеспечиваются различные температуры кипения в головной части и нижней части соответствующих колонн. Посредством подходящего подбора давлений может быть создана взаимосвязь тепла между этими колоннами, так что продукт головной части колонны, эксплуатируемой при более высоком давлении, может обогревать нижнюю часть колонны, эксплуатируемой при более низком давлении. Посредством этого действия может быть сэкономлена соответствующая энергия нагревания.
При рекуперации ацетона создается при этом, однако, проблема, заключающаяся в том, что температуры кипения продукта от головной части и нижней части, в особенности при смесях ацетон/вода, находятся относительно далеко одна от другой (от 55°C до 102°C при нормальном давлении). Это имеет следствием то, что «вакуум–перегонная колонна» в DED–устройстве (устройстве для дистилляции с двухступенчатым использованием скрытой теплоты парообразования) должна быть готова к эксплуатированию при таком вакууме, что температура нижней части по меньшей мере на 5 К ниже температуры головной части 55°C, имеющей место в колонне с нормальным давлением. Это достигается при примерно 80 мбар (8 кПа) абсолютного давления, однако связано со значительным недостатком, заключающимся в том, что вследствие низкого вакуума требуемые колонны должны быть очень большого размера, что связано с высокими капитальными затратами. Кроме того, происходит конденсация в головной части этих вакуум–перегонных колонн при примерно 0°C, так что применение недорогих охлаждающих сред, таких как, например, вода башенного охладителя или воздушное охлаждение, более невозможно. Рекуперация тепла с притоком также более невозможна.
Альтернативный вариант дистилляции с двухступенчатым использованием скрытой теплоты парообразования состоит в соединении колонны с нормальным давлением с колонной для перегонки под давлением. При этом давление должно быть повышено до по меньшей мере 5 бар (500 кПа) абсолютного давления, для того, чтобы обеспечить взаимосвязь тепла, как описано выше. При этих давлениях, однако, образуется азеотроп воды и ацетона, так что чистота ацетона, полученного посредством колонны для перегонки под давлением, значительно ниже, чем чистота ацетона, полученного посредством колонны с нормальным давлением. Кроме того, при более высоких температурах повышается риск образования продуктов разложения ацетона, таких как, в особенности диацетоновый спирт и мезитилоксид.
Ранее было предложено выполнение такого способа, например, в FR 2549043 для очистки водных растворов бутанола и ацетона, где при этом на первой стадии органические компоненты бутанола и ацетона обогащаются до содержания примерно 60%, в то время как на второй стадии ацетон и бутанол полностью отделяются один от другого. FR 2549043 показывает, что первая стадия дистилляции может быть выполнена с двумя дистилляционными колоннами, где при этом первая дистилляционная колонна функционирует при повышенном давлении от 3 до 10 бар (300–1000 кПа) абсолютного давления и вторая дистилляционная колонна функционирует при давлении от 0,5 до 1,5 бар (50–150 кПа) абсолютного давления. Поскольку этот способ на первой стадии все же поставляет недостаточно чистый ацетон в качестве конечного продукта (содержание воды после первой стадии составляет примерно 40%; чистый ацетон образуется только на второй стадии дистилляции), способ FR 2549043 связан с тем недостатком, что требуется дополнительная стадия дистилляции, для того, чтобы достигнуть требуемой чистоты.
Комбинация обеих альтернатив может предоставлять компромисс, где при этом колонна с небольшим вакуумом объединена с колонной для перегонки под давлением, которая функционирует при небольшом избыточном давлении.
При используемых установках с уже имеющейся колонной с нормальным давлением эта комбинация, однако, связана со значительно более высокими капитальными затратами, чем комбинация колонны с нормальным давлением с колонной для перегонки под давлением или колонны с пониженным давлением и колонны с нормальным давлением.
С учетом этого существующего состояния техники может быть реализована потребность в предоставлении энергоэкономичных способов для очистки и отделения ацетона от смесей ацетон/вода, в которых вышеуказанные охарактеризованные недостатки устраняются в максимальной мере, и может быть реализован максимально низкий удельный расход энергии. Данное изобретение включает уменьшение этого расхода.
В соответствии с первым аспектом данное изобретение относится к способу отделения ацетона от смесей ацетон/вода, включающему
– концентрирование парциального потока смеси ацетон/вода в по меньшей мере одной колонне, которая функционирует при избыточном давлении, где при этом получают продукт с концентрацией ацетона по меньшей мере 80 масс.%,
– концентрирование парциального потока смеси ацетон/вода в по меньшей мере одной колонне, которая функционирует при нормальном давлении,
при этом продукт головной части из колонны, которая функционирует при избыточном давлении, применяют для теплообменника для подогревания кубового продукта колонны, функционирующей при нормальном давлении, при этом продукт головной части затем вводят выше по подаче парциального потока смеси ацетон/вода в колонне, которая функционирует при нормальном давлении.
В результате, способ по данному изобретению соответствует по существу нормированному способу дистилляции при применении технологии дистилляции с двухступенчатым использованием скрытой теплоты парообразования, принимаемой в расчет, которая реализуется в рамках концентрирования парциального потока смеси ацетон/вода в колонне, которая функционирует при избыточном давлении, без возможности реализации оптимального разделения ацетона и воды. Этот недостаток все же компенсируется тем, что по меньшей мере в отношении ацетона существенно обогащенную смесь ацетон/вода вводят в концентрирующую колонну, которая функционирует при нормальном давлении, так что там возможно выполнение полного разделения. Этот технологический процесс имеет в особенности преимущество в отношении смесей ацетон/вода с низкой концентрацией ацетона, так что только небольшое количество уже сравнительно высококонцентрированного ацетон в качестве продукта головной части колонны, функционирующей под давлением, вводят в нижнюю часть колонны, функционирующей при нормальном давлении. На теплообменнике энергия, введенная в колонну для перегонки под давлением, реализуется в максимальной мере или в основном полностью. Кроме того, достигается доставка в отношении смеси ацетон/вода, обогащенная ацетоном, что может значительно уменьшать флегмовое число колонны, эксплуатируемой при нормальном давлении, вследствие чего дополнительно уменьшается общая потребляемая мощность комбинированного устройства. Выгодным при этом является также то, что гидравлическая нагрузка части колонны, в которую поступает ацетоновая смесь, изменяется только незначительным образом.
Когда в вышеуказанном описании речь идет о «выше по подаче» или «ниже по подаче» в отношении колонны, это означает «выше по подаче» в том контексте, что «выше» в отношении части колонны, которая функционирует при более низкой температуре, и «ниже» части колонны, которая функционирует при более высокой температуре. В результате получают кубовый продукт в нижней области колонны и головной продукт в верхней области колонны.
Под «нормальным давлением» в контексте данного изобретения понимают давление в области от 0,5 до 1,5 (50–150 кПа) и предпочтительно от 0,8 до 1,2 бар (80–120 кПа) абсолютного давления.
Колонна, которая функционирует при избыточном давлении, находится в рамках данного изобретения, как правило, функционирует при давлении в области от 4 до 11 бар (400–1100 Па) абсолютного давления, при этом все же может быть предпочтительно задано избыточное давление в области от 4,5 до 8 бар (450–800 Па) абсолютного давления и в особенности от 5 до 7 бар (500–700 кПа) абсолютного давления. В качестве наиболее предпочтительной величины в рамках данного изобретения для колонны, эксплуатируемой при избыточном давлении, давление составляет примерно 6 бар (600 кПа) абсолютного давления.
Под названием «смесь ацетон/вода» в контексте данного изобретения понимается смесь, которая состоит из ацетона и воды; которая дополнительно при этом представляет смесь, которая по существу состоит из ацетона и воды. «По существу» означает здесь смесь, которая состоит по меньшей мере на 95 масс.% из ацетона и воды, предпочтительно на от 97 до 99,9 масс.% из воды и ацетона. Дополнительные ингредиенты, которые могут содержаться в смеси ацетон/вода при до 5 масс.%, являются, например, углеводородами, например, так называемой спин–нефтью, которая вводится при получении целлюлозноацетатного волокна, диацетоновым спиртом или мезитилоксидом. Смесь ацетон/вода, от которой отделяют ацетон способом по данному изобретению, предпочтительно способами формования волокон для получения целлюлозноацетатных волокон, как, например, описано в P. Rustemeyer, Macromol. Symp. 2004, 208, 267–291.
В рамках данного изобретения является, кроме того, целесообразным, когда колонна функционирует при избыточном давлении, получая продукт головной части, который имеет концентрацию ацетона по меньшей мере 90 масс.%, предпочтительно от 90 до 99,9 масс.%, более предпочтительно от 93 до 98 масс.% и еще более предпочтительно 94 масс.% до 96 масс.%.
В рамках охарактеризованных способов является целесообразным, когда отходящее тепло кубового продукта колонны, эксплуатируемой при избыточном давлении для предварительного нагревания от процесса, применяют для смеси ацетон/вода, доставляемой в колонну. В особенности целесообразным является то, что, когда применяют полученный кубовый продукт из колонны, которая функционирует при избыточном давлении, для предварительного нагрева смеси ацетон/вода. Соответствующее применение отходящего тепла позволяет с помощью теплообменников, реализовывать переданное отходящее тепло от кубового продукта к смеси ацетон/вода, подаваемой в нижнюю часть колонны.
В рамках вышеуказанных охарактеризованных способов целесообразно устанавливать при избыточном давлении и нормальном давлении эксплуатируемые колонны, чтобы обеспечивать целесообразным образом то, чтобы обеспечивать достаточное разделение, которое выполняет достаточное разделение ацетона и воды.
Для колонны, которая функционирует при избыточном давлении, при этом предпочтительно, когда она имеет от 30 до 60 и предпочтительно от 40 до 50 от теоретических тарелок.
Для колонны, которая функционирует при нормальном давлении, действительным является подходящее число от 20 до 40 и предпочтительно от 25 до 35 теоретических тарелок.
Температура кубового продукта колонны, которая функционирует при избыточном давлении, находящегося в пределах указанного здесь способа, предпочтительно составляет от 130 до 180°C, в особенности 150 до 170°C и наиболее предпочтительно примерно 160°C. Температура головного продукта этой колонны составляет целесообразно примерно от 100 до 130°C и в особенности примерно от 105 до 120°C. Для того, чтобы обеспечивать в достаточной мере эффективную передачу тепла кубового продукта колонны, которая функционирует при нормальном давлении, температура головного продукта при этом предпочтительно составляет по меньшей мере на 5°C и в особенности по меньшей мере на 10°C выше, чем температура кубового продукта в колонне, которая функционирует при нормальном давлении.
Способ в соответствии с данным изобретением разработан целесообразным образом так, что ацетон в по меньшей мере одной колонне, которая функционирует при нормальном давлении, концентрируют до концентрации по меньшей мере 98 масс.% и особенно предпочтительно по меньшей мере до 98,5 масс.%, еще более предпочтительно по меньшей мере до от 98,5 до 99,9 масс.%. В качестве альтернативы или в дополнение к этому является целесообразным, когда колонна, которая функционирует при нормальном давлении, функционирует при флегмовом числе в области от 2 до 5 и предпочтительно от 3 до 4.
В соответствии со способом по данному изобретению, из колонны, которая функционирует при нормальном давлении, полученный продукт головной части целесообразным образом конденсируют в охладителе, для того, чтобы получить жидкий ацетон. При этом предпочтительно применяют стандартное водное охлаждение.
Посредством выполнения способа в соответствии с данным изобретением, при тепловом взаимодействии по меньшей мере одной колонны, которая функционирует при избыточном давлении, и по меньшей мере одной колонны, которая функционирует при нормальном давлении, возможна значительная экономия энергии.
Удельное потребление энергии в способе по данному изобретению может быть еще более низким, если предусмотрена третья колонна, которая функционирует под вакуумом. В этом конструктивном исполнении данного изобретения способ по данному изобретению разработан поэтому таким образом, что он включает, наряду с вышеуказанными, дополнительные стадии:
– Концентрирование парциального потока смеси ацетон/вода в по меньшей мере одной колонне, которая функционирует под вакуумом,
где при этом продукт головной части из колонны, которая функционирует при нормальном давлении, применяют в теплообменнике для подогревания кубового продукта колонны, которая функционирует под вакуумом.
Под «вакуумом» в контексте данного изобретения понимают давление в области от <0,5 (50 кПа), в особенности от 0,05 до <0,5 бар (5–50 кПа) абсолютного давления.
Это конструктивное исполнение данного изобретения, выполненное посредством предусматривания третьей колонны, приводит к повышению капитальных затрат, уменьшая все же в свою очередь, однако, затраты на энергию для непрерывного производства.
В дополнение, в этом конструктивном исполнении данного изобретения, при по меньшей мере трех предусмотренных колоннах, способ предоставляет таким образом, что кубовый продукт из колонны, которая функционирует при нормальном давлении, ниже по подаче парциального потока смеси ацетон/вода может быть введен в колонну, которая функционирует под вакуумом.
Это конструктивное исполнение имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что достигается более значительное обеднение ацетоном в кубовом продукте колонны, которая функционирует при нормальном давлении. Это выгодно с точки зрения охраны окружающей среды и тем самым благоприятно с экономической точки зрения.
Дополнительный аспект данного изобретения относится к устройству для выполнения способов, как это описано выше, где устройство включает следующее:
– по меньшей мере одну колонну 1 для разделения парциального потока смеси ацетон/вода, которая предназначена для функционирования при избыточном давлении,
– по меньшей мере одну колонну 2 для разделения парциального потока смеси ацетон/вода, которая предназначена для функционирования при нормальном давлении,
– подводящие линии для раздельных потоков 7, 8 смеси ацетон/вода к ректификационным колоннам,
– по меньшей мере один теплообменник 3, который находится в соединении с возможностью протекания потока с головной частью колонны 1, которая предназначена для функционирования при избыточном давлении, и с нижней частью колонны 2, которая предназначена для функционирования при нормальном давлении, установленный таким образом, что становится возможным теплообмен головного продукта колонны 1, которая предназначена для функционирования при избыточном давлении, и кубового продукта колонны 2, которая предназначена для функционирования при нормальном давлении,
– подводящую линию 5 для продукта головной части колонны 1, которая предназначена для функционирования при избыточном давлении, связывающую теплообменник 3 с верхней частью колонны 2, которая предназначена для функционирования при нормальном давлении.
Подводящая линия 5 целесообразно присоединена к колонне 2 выше по подаче подводящей линии 7 парциального потока смеси ацетон/вода для колонны 2, которая предназначена для функционирования при нормальном давлении.
В одном конструктивном исполнении способ разработан таким образом, что в области подводящей линии 5 предусмотрено улавливающее устройство для продукта головной части, в котором перед подводящей линией в колонне 2 уменьшается имеющееся там давление. Улавливающее устройство, например, в форме котла или эквивалентного резервуара, расположено в этом конструктивном исполнении в области подводящей линии 5 между теплообменником 3 и колонной 2.
Кроме того, для представленного устройства предпочтительно, если оно является конденсационным устройством для колонны, которая предназначена для функционирования при нормальном давлении, генерирующей продукт головной части.
В заключение, для устройства по данному изобретению предпочтительно, чтобы оно имело теплообменник 10, который находится в соединении с возможностью протекания потока с кубовым продуктом колонны 1, которая предназначена для функционирования при избыточном давлении, и с подводящей линией 8 для парциального потока смеси ацетон/вода, направленного к этой колонне.
Далее данное изобретение будет разъяснено более подробно при ссылках на Фигуры.
Фиг. 1 показывает устройство по данному изобретению, в котором колонна 1, которая предназначена для функционирования при избыточном давлении, и колонна 2, которая предназначена для функционирования при нормальном давлении, соединены одна с другой. Продукт головной части, который имеет предпочтительно концентрацию ацетона по меньшей мере 90 масс.%, предпочтительно от 90 до 99,9 масс.%, более предпочтительно от 93 масс.% до 98 масс.%, и еще более предпочтительно от 94 масс.% до 96 масс.%, через отводящую линию 4 передается в теплообменник 3 и оттуда через подводящую линию 5 вводится в колонну 2. Из общей подводящей линии 9 через локальные линии 7 и 8 смесь ацетон/вода направляется в колонны 1 и 2. Теплообменник 3 также связан через циркуляционный контур 6 с кубовым продуктом колонны 2, с тем, чтобы посредством передачи отходящего тепла от продукта головной части колонны 1 кубовому продукту er колонна 2 сделать возможным теплообмен. Из колонны 2 через отводящую линию 12 получают в качестве продукт головной части по существу чистый ацетон. Под по существу чистым ацетоном в смысле данной заявки понимают предпочтительно продукт, который имеет содержание ацетона по меньшей мере 98 масс.%, предпочтительно по меньшей мере 98,5 масс.%, в особенности от 98,5 до 99,9 масс.%. Кубовый продукт, образованный в ректификационной колонне 1, также подают в циркуляционный контур с теплообменником 10, в котором дополнительное тепло кубового продукта может быть подано, например, посредством соответствующего высоконагретого пара. Избыточный кубовый продукт выделяли в качестве отработанной воды посредством отводящей линии 11 из устройства по данному изобретению. Отводящая линия 11 для отработанной воды, кроме того, связана с циркуляционным контуром 6 для кубового продукта колонны 2, чтобы отводить туда полученный избыточный кубовый продукт.
В соответствии с проведенными расчетами посредством выполнения способа и устройства в соответствии с данным изобретением может быть достигнуто значительное уменьшение удельного потребления энергии на примерно от 35 до 45%. В отношении дополнительных описанных выше теоретических альтернатив, уменьшение объема инвестиций также важно, так как требуется только одна новая колонна, и при необходимости имеющиеся колонны с нормальным давлением без значительного изменения могут быть связаны.
В одном конструктивном исполнении устройства по данному изобретению предусмотрена третья колонна, которая рассчитана для эксплуатации под вакуумом.
В этом конструктивном исполнении устройство по данному изобретению включает следующее:
– по меньшей мере одну колонну 1 для разделения парциального потока смеси ацетон/вода, которая предназначена для функционирования при избыточном давлении,
– по меньшей мере одну колонну 2a для разделения парциального потока смеси ацетон/вода, которая предназначена для функционирования при нормальном давлении,
– по меньшей мере одну колонну 2b для разделения парциального потока смеси ацетон/вода, которая предназначена для функционирования под вакуумом,
– подводящие линии для раздельных потоков 7a, 7b, 8 смеси ацетон/вода к ректификационным колоннам,
– по меньшей мере один теплообменник 3a, который находится в соединении с возможностью протекания потока с головной частью колонны 1, которая предназначена для функционирования при избыточном давлении, и с нижней частью колонны 2а, которая предназначена для функционирования при нормальном давлении, установленный таким образом, что становится возможным теплообмен головного продукта колонны 1, которая предназначена для функционирования при избыточном давлении, и кубового продукта колонны 2a, которая предназначена для функционирования при нормальном давлении,
– по меньшей мере один теплообменник 3b, который находится в соединении с возможностью протекания потока с головной частью колонны 2a, которая предназначена для функционирования при нормальном давлении, и с нижней частью колонны 2b, которая предназначена для функционирования под вакуумом, установленный таким образом, что становится возможным теплообмен головного продукта колонны 2a, которая предназначена для функционирования при нормальном давлении, и кубового продукта колонны 2b, которая предназначена для функционирования под вакуумом,
– подводящую линию 5 для продукта головной части колонны 1, которая предназначена для функционирования при избыточном давлении, связывающую теплообменник 3a с верхней частью колонны 2a, которая предназначена для функционирования при нормальном давлении.
Подводящая линия 5 целесообразно присоединена к колонне 2a выше по подаче подводящей линии 7a парциального потока смеси ацетон/вода для колонны 2a, которая предназначена для функционирования при нормальном давлении.
Это конструктивное исполнение устройства по данному изобретению показано на Фиг. 2.
При этом конструктивном исполнении изобретение может дополнительно предусматривать дополнительную подводящую линию, таким образом, что кубовый продукт колонны 2a, которая функционирует при нормальном давлении, может быть введен ниже по подаче парциального потока смеси ацетон/вода в колонну 2b, которая функционирует под вакуумом. Эта дополнительная отличительная черта делает возможным еще более значительное обеднение ацетоном в кубовом продукте колонны 2a.
Список ссылочных обозначений
1 Колонна для функционирования при избыточном давлении
2, 2a Колонна для функционирования при нормальном давлении
2b Колонна для функционирования под вакуумом,
3, 3a, 3b Теплообменник
4 Подводящая линия продукта головной части к теплообменнику
5 Подводящая линия продукта головной части в колонне 2
6 Циркуляционный контур кубового продукта
7, 7a, 7b Подводящая линия для парциального потока к колонне 2
8 Подводящая линия для парциального потока к колонне 1
9 Магистральная линия для смеси ацетон/вода
10 Теплообменник
11 Отводящая линия отработанной воды
12 Отводящая линия ацетона