Способ и устройство экстрактивной дистилляции

Предлагается способ разделения исходной смеси (А), состоящей из двух или более компонентов посредством экстрактивной дистилляции с селективным растворителем (S) в снабженной перегородкой разделительной колонне (TKW). Способ проводят в разделительной колонне (TKW) с расположенной в продольном направлении колонны перегородкой (TW), которая доведена до верхнего конца колонны и которая разделяет внутренность колонны на первую частичную зону (1), вторую частичную зону (2) и нижнюю общую зону колонны (3). Исходную смесь (А) подают в первую частичную зону (1), из первой частичной зоны (1) отводят первый головной поток (В) и из второй частичной зоны (2) отводят второй головной поток (С) с предварительно заданной спецификацией (характеристикой). Селективный растворитель (S) загружают в верхнюю часть первой частичной зоны (1) и/или в верхнюю часть второй частичной зоны (2) и количество загруженного в первую частичную зону (1) потока растворителя (S1) и/или количество загруженного во вторую частичную зону (2) потока растворителя (S2) регулируют таким образом, что соблюдаются предварительно заданные спецификации головных потоков (В, С). Согласно изобретению разработан более эффективный в отношении потребления энергии и растворителей способ разделения смеси. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к способу разделения исходной смеси из двух или более компонентов посредством экстрактивной дистилляции, к пригодной для этого снабженной перегородкой разделительной колонне, а также к их применению.

Экстрактивная дистилляция является известным способом дистилляционного разделения смесей, содержащих компоненты, которые очень мало отличаются по своей относительной летучести или же они азеотропно кипят.

Экстрактивная дистилляция проводится при добавке селективного растворителя, называемого также экстрагирующим агентом, который имеет значительно более высокую точку кипения, чем точка кипения подлежащей разделению смеси, и который вследствие своего селективного сродства с отдельными компонентами подлежащей разделению смеси увеличивает различия в их относительной летучести. Существенным критерием для выбора пригодного селективного растворителя является нахождение такого поглотителя, который позволяет разделение с минимумом циркулирующей фазы поглотителя, т.е. который характеризуется достаточно высокой поглотительной емкостью.

Известно, что для комплексных задач разделения, как правило, смесей с, по меньшей мере, тремя компонентами, причем отдельные компоненты должны быть получены в чистой форме, применяются снабженные перегородкой разделительные колонны. Они имеют разделительную перегородку, т.е., как правило, плоский, расположенный в продольном направлении колонны лист, который препятствует поперечному смешению потоков жидкости и выпара в отдельных зонах колонны. Снабженные перегородкой разделительные колонны являются по сравнению с классическими дистилляционными колоннами экономически более выгодными, так как они решают задачи разделения, для которых в нормальном случае необходимо две колонны, одним аппаратом, причем затраты на инвестиции и энергию лежат значительно ниже.

Проведение экстрактивной дистилляции в снабженной перегородкой разделительной колонне является известным приемом.

Подобный способ описан, например, в DE-C 19958464. Благодаря особому конструктивному выполнению снабженной перегородкой разделительной колонны, а именно благодаря тому, что зона отбора на верхнем конце колонны закрывается, температуру в этой зоне колонны можно регулировать посредством управления имеющимся здесь давлением. В связи с тем, что давление в закрытой с верхней стороны зоны отбора может изменяться по отношению к рабочему давлению в колонне, перепады давления могут быть использованы для управления потоками пара, образующимися в разделенных перегородкой частичных зонах колонны.

В соответствии с этим задачей изобретения является разработка более эффективного в отношении потребления энергии и растворителей способа, а также пригодной для этого, снабженной перегородкой разделительной колонны.

Эта задача решается способом разделения исходной смеси из двух или более компонентов посредством экстрактивной дистилляции с селективным растворителем в снабженной перегородкой разделительной колонне, который отличается тем, что

- способ проводят в разделительной колонне с расположенной в продольном направлении колонны перегородкой, которая доведена до верхнего конца колонны и которая разделяет внутренность колонны на первую частичную зону, вторую частичную зону и нижнюю общую зону колонны,

- исходную смесь подают в первую частичную зону, из первой частичной зоны отводят первый головной поток и из второй частичной зоны отводят второй головной поток с предварительно заданной спецификацией (характеристикой),

- селективный растворитель загружают в верхнюю часть первой частичной зоны и/или в верхнюю часть второй частичной зоны и

- количество загруженного в первую частичную зону потока растворителя и/или количество загруженного во вторую частичную зону потока растворителя регулируют таким образом, что соблюдаются предварительно заданные спецификации (характеристики) головных потоков.

Неожиданным образом было установлено, что простым конструктивным выполнением снабженной перегородкой разделительной колонны, а именно за счет того, что перегородка доведена до верхнего конца разделительной колонны, в обеих отделенных перегородкой частичных зонах внутреннего пространства колонны независимо друг от друга могут быть установлены оптимальные для соответствующей задачи экстрактивной дистилляции термодинамические условия. В частности, имеется возможность загружать оптимальные количества растворителя отдельно в каждую частичную зону, так что емкость поглощения растворителя максимально используется в обеих частичных зонах и общая потребность в растворителе снижается до минимума. Одновременно расход энергии значительно снижается по сравнению с "классической", снабженной перегородкой разделительной колонной.

В качестве исходной смеси, как правило, пригодны смеси углеводородов или других органических компонентов, которые вследствие малого различия в летучести, по меньшей мере, двух компонентов или вследствие образования азеотропов поддаются разделению только посредством добавки селективного растворителя, который изменяет относительную летучесть.

Исходную смесь загружают в первую частичную зону снабженной перегородкой разделительной колонны, часто приблизительно в ее среднюю треть. В зависимости от конкретного состава подлежащей разделению исходной смеси возможно, что компоненты или смесь компонентов с самой высокой летучестью могут простым образом отделяться дистилляцией от остальных компонентов исходной смеси. В этом случае не требуется добавки селективного растворителя в верхней зоне первой частичной зоны, чтобы отделять головной поток из единственного чистого компонента с самой высокой летучестью или группы компонентов с самой высокой летучестью.

Однако, как правило, отделение чистого компонента или группы компонентов с самой высокой летучестью в первой частичной зоне разделительной колонны возможно только при добавке селективного растворителя в верхнюю зону первой частичной зоны и вместе с этим противотоком к подлежащей разделению исходной смеси. В этом случае селективный растворитель загружается при подходящих термодинамических условиях, как правило, при по возможности низких температурах и нагружается компонентами из исходной смеси, с которыми он имеет повышенное сродство, в отличие от чего компонент или компоненты, с которыми он имеет пониженное сродство, т.е. плохо растворимые в селективном растворителе компоненты, остаются в паровой фазе и отводятся в качестве головного потока.

Нагруженный компонентами из исходной смеси растворитель, с которым он имеет более высокое сродство, чем с компонентом или компонентами, которые отделяются от первой частичной зоны в качестве головного потока, течет на нижнем конце перегородки в форме пара во вторую частичную зону снабженной перегородкой разделительной колонны.

Во второй частичной зоне снабженной перегородкой разделительной колонны в зависимости от конкретного состава подлежащей разделению исходной смеси может быть возможным осуществление простого дистилляционного разделения лучше растворимых в селективном растворителе компонентов, однако также может быть, что их разделение возможно только при добавке селективного растворителя в противотоке в верхнюю зону второй частичной зоны, т.е. экстрактивной дистилляцией.

Отведенный от второй частичной зоны головной поток может, также как и в случае отведенного от первой частичной зоны головного потока, включать один единственный чистый компонент или группу компонентов с определенным диапазоном кипения.

Головные потоки из первой и из второй частичной зоны обычно конденсируют в конденсаторах в головной части колонны, частично загружаются в качестве возвратного продукта обратно в колонну и в остальном отводятся.

Для головных потоков, как правило, задаются определенные требования к чистоте, т.е. задаются спецификации (характеристики).

В связи с тем, что подлежащая разделению смесь в обеих частичных зонах снабженной перегородкой разделительной колонны постоянно отличается друг от друга в отношении количества и состава, если разделение проводят экстрактивной дистилляцией, в каждой частичной зоне постоянно будет требоваться определенное оптимальное количество селективного растворителя, чтобы достичь заданной спецификации (характеристики) головных потоков.

Согласно предлагаемому способу экстрактивной дистилляции в колонне, снабженной доведенной до верхнего конца перегородкой, возможно простым образом загружать в одной или обеих частичных зонах независимо друг от друга оптимальное для соответствующей задачи разделения количество селективного растворителя.

Из нижней части колонны согласно одному варианту способа по изобретению отводится растворитель, который еще нагружен одним или несколькими компонентами, которые лучше всего растворимы в селективном растворителе. Нагруженный растворитель затем освобождается от растворенных в нем компонентов при подходящих термодинамических условиях в дегазационной колонне и очищенный растворитель, как правило, рециркулируется в колонну экстрактивной дистилляции.

Согласно одному предпочтительному варианту способа из нижней общей зоны колонны отводится парообразный поток, частично или полностью конденсируется, полностью или частично отводится, а в остальном опять возвращается в качестве возвратного продукта в колонну экстрактивной дистилляции. В части колонны под этим местом отбора растворенные компоненты подвергаются полной дегазации из растворителя.

Кроме того, в зависимости от выполняемой задачи разделения, из каждой зоны колонны, в частности, из первой частичной зоны и/или второй частичной зоны и/или нижней общей зоны колонны можно отводить один или несколько боковых потоков.

Согласно одному особенно предпочтительному в отношении потребляемой энергии способу по изобретению от одной или нескольких термодинамически особенно пригодных ступеней колонны экстрактивной дистилляции отводится поток жидкости, вследствие интеграции тепла с горячим, дегазированным растворителем частично или полностью испаряется, и возвращается в колонну экстрактивной дистилляции на ту же отделительную ступень, от которой был отведен поток жидкости. Вследствие этого общий расход энергии может быть значительно снижен приблизительно до интервала от 40 до 60%.

Объектом изобретения является также и снабженная перегородкой разделительная колонна для проведения экстрактивной дистилляции, которая имеет конструктивные особенности, заключающиеся в том, что перегородка доведена до верхней точки колонны и благодаря этому позволяет смешение потоков жидкости и выпара только в нижней общей зоне колонны. Так называемые первая и вторая частичные зоны отделены друг от друга перегородкой.

В зависимости от состава поданной к колонне экстрактивной дистилляции исходной смеси, а также заданной спецификации (характеристики) подлежащих разделению в колонне экстрактивной дистилляции фракций длина перегородки, а также ее положение относительно оси колонны могут быть различными. Так например, можно расположить перегородку по середине или вне середины. Расположение вне середины часто является предпочтительным, так как нагрузка жидкостью и паром в обеих частичных зонах, как правило, различна.

При предпочтительной форме выполнения в первой и/или во второй частичной зоне колонны экстрактивной дистилляции, соответственно поверх места подвода селективного растворителя предусмотрены тарелки обратной промывки увлеченного потоком пара селективного растворителя, часто от трех до пяти тарелок. Хотя относительно применяемого типа в принципе не имеется ограничений, особенно пригодны тарелки для малых нагрузок жидкостью, в частности, вентильные, колпачковые тарелки или тарелки Торманна.

Применением тарелок обратной промывки в отношении остаточного количества растворителя могут быть получены особенно чистые головные фракции.

Одной из важнейших областей применения способа и колонны экстракционной дистилляции согласно изобретению является нефтехимия, в частности разделение С₄-фракций, С₅-фракций, разделение смесей ароматов, в частности смесей бензола, толуола и ксилола или изомеров ксилола.

Изобретение поясняется ниже с помощью примера выполнения, а также чертежей, которые показывают:

Фиг.1 - схематическое изображение первой формы выполнения колонны экстрактивной дистилляции согласно изобретению,

Фиг.2 - еще одна предпочтительная форма выполнения колонны экстрактивной дистилляции согласно изобретению,

Фиг.3 - другая форма выполнения колонны экстрактивной дистилляции согласно изобретению,

Фиг.4 - предпочтительная форма выполнения с тарелками обратной промывки,

Фиг.5 - форма выполнения с интегрированной дегазацией растворителя,

Фиг.6 - форма выполнения с тарелками обратной промывки и интегрированной дегазацией растворителя и

Фиг.7 - форма выполнения с интеграцией тепла.

Одни и те же ссылочные номера на чертежах обозначают одинаковые или соответствующие признаки.

Представленная на фиг.1 колонна экстрактивной дистилляции выполнена в качестве снабженной перегородкой разделительной колоны TKW, имеющей проходящую в продольном направлении колонны до ее верхнего конца перегородку TW. Перегородка TW подразделяет внутреннее пространство колонны на первую частичную зону 1, на вторую частичную зону 2, а также на нижнюю общую зону 3 колонны. В первую частичную зону 1 колонны загружают подлежащую разделению исходную смесь А, а именно приблизительно по середине этой зоны. Первый поток селективного растворителя загружается в качестве потока S1 в верхнюю зону первой частичной зоны 1 и второй поток селективного растворителя в качестве потока S2 в верхнюю зону второй частичной зоны 2. Из первой частичной зоны 1 отводится первый головной поток В, конденсируется в конденсаторе в головной части колонны, частично в качестве возвратного продукта подается снова к колонне, а в остальном отводится. Аналогично из второй частичной зоны 2 отводится второй головной поток С, конденсируется в конденсаторе в головной части колонны, частью возвращается во вторую частичную зону, а в остальном отводится.

Из нижней части колонны отводится нагруженный селективным растворителем поток SL.

Представленная на фиг.2 форма выполнения отличается от формы выполнения по фиг.1 тем, что в первую частичную зону 1 загружается единственный поток селективного растворителя, поток S1. Дистилляционное разделение во второй частичной зоне 2 происходит без добавки селективного растворителя.

Также и в форме выполнения по фиг.3 загружается только один поток селективного растворителя, однако в отличие от формы выполнения по фиг.2 поток S2 загружается в верхней зоне второй частичной зоны 2.

Форма выполнения по фиг. 4 дополнительно к представленной на фиг.1 основной форме содержит тарелки обратной промывки R, которые расположены соответственно поверх мест подвода потоков растворителя S1 и S2 в частичные зоны 1 и 2.

В представленной на фиг. 5 форме выполнения из нижней общей зоны 3 колонны отводится парообразный боковой поток, конденсируется частично или полностью в конденсаторе, частью отводится как поток D, а в остальном в качестве возвратного продукта снова подается к колонне. Под боковым отводом потока D нагруженный растворитель за счет подачи тепла полностью дегазируется над испарителем V в нижней части колонны и отводится как очищенный растворитель, а именно как поток SR. Очищенный растворитель после охлаждения в конденсаторе предпочтительно рециркулируется на экстрактивную дистилляцию.

Представленная на фиг.6 форма выполнения отличается от показанной на фиг.5 формы выполнения расположением тарелок обратной промывки R в частичной зоне 1 и 2 поверх подвода соответственно потоков растворителя S1 и S2.

Фиг.7 показывает особенно предпочтительный в отношении расхода энергии вариант способа с интеграцией тепла, причем горячий, очищенный растворитель, как поток SR, нагревает в теплообменниках W отведенную из колонны экстрактивной дистилляции жидкость.

Пример:

Разделение С₄-фракции посредством экстрактивной дистилляции

Задача разделения состояла в том, чтобы разделить С₄-фракцию со следующим составом, вес.%:

пропадиен	0,03
пропен	0,02
пропин	0,06
н-бутан	5,74
изо-бутан	2,44
н-бутен	13,88
изо.бутен	25,63
транс-бутен-2	4,44
цис-бутен-2	2,95
1,3-бутадиен	43,81
1,2-бутадиен	0,14
бутан-1	0,13
винилацетилен	0,73

во фракцию бутанов с 90 вес.% бутанов и фракцию бутенов с 98 вес.% бутанов, соответственно в качестве головных продуктов, а также поток нижней части колонны, который наряду с селективным растворителем содержит 99% 1,3-бутадиена, а также растворимые лучше, чем 1,3-бутадиен компоненты.

В качестве селективного растворителя применяют N-метилпирролидон как водный раствор с 8,3 вес.% воды.

Подают загрузочный поток в 31.250 кг/ч С₄-фракции с вышеприведенным составом в снабженную перегородкой колонну с 65 теоретическими разделительными тарелками, причем в сравнительном примере применяют снабженную перегородкой колонну с обычной, т.е. не доходящей до верха перегородкой и в примере по изобретению применяют доходящую до верхнего конца колонны перегородку. Разделительные ступени считают снизу вверх. В сравнительном примере перегородку оптимируют термодинамически и размещают между 37-й и 58-й разделительными ступенями при 4 бар, соответственно между 38-й и 60-й разделительными тарелками при 5 бар.

Решающие параметры способа сведены в нижеследующую таблицу.

	Сравнит.	Изобрет.	Сравнит.	Изобрет.
Давление в головной части [бар]	4	4	5	5
Требуемая мощность испарителя [кВт]	29851	21174	24570	20576
Требуемое общее количество растворителя [кг/ч]	542860	373110	474830	366275
Соотношение разделения растворителя	*1,32	**2,71	*1,0	**2,80
* на верхнем конце перегородки
** на потоки растворителя S1/S2 по фиг.1

Результаты в таблице показывают, что требуемая мощность испарителя при давлении в 4 бара в колонне для способа по изобретению на 30% ниже, чем для способа в обычной колонне с перегородкой и при давлении в колонне в 5 бар на 16% ниже.

Кроме того, требуемое общее количество растворителя для той же задачи разделения при давлении в колонне в 4 бара при способе согласно изобретению на 31% ниже, чем в классической колонне и при давлении в колонне в 5 бар на 23%. Соответственно более низкими являются производственные затраты, в частности затраты на энергию, а также затраты на инвестиции вследствие малого требуемого поперечного сечения колонны.

Кроме того, классические, снабженные перегородкой колонны по сравнению с колонной согласно изобретению с доведенной до верха перегородкой имеют тот дополнительный недостаток, что они менее гибки к изменениям рабочего давления: для того, чтобы выполнить заданную задачу раделения с вышеуказанной мощностью испарителя, при повышении давления только на 1 бар, а именно с 4 до 5 бар, требовалось конструктивное изменение классической, снабженной перегородкой разделительной колонны в том смысле, что нужно было переместить перегородку вертикально на одну разделительную ступень (от 37-й на 38-ю разделительную ступень) и на одну ступень изменить по ее длине, переместить подачу исходной газовой смеси на пять разделительных ступеней вниз (с 12-й ступени зоны разделительной перегодки на 7-ю ступень) и боковой отвод переместить на одну ступень вверх.

В противоположность этому для снабженной перегородкой разделительной колонны согласно изобретению при изменении рабочего давления подобных изменений не требовалось.

1. Способ разделения исходной газовой смеси (А) из двух или более компонентов посредством экстрактивной дистилляции с селективным растворителем (S) в снабженной перегородкой разделительной колонне (TKW), отличающийся тем, что способ проводят в разделительной колонне (TKW) с расположенной в продольном направлении колонны перегородкой (TW), которая доведена до верхнего конца колонны и которая разделяет внутренность колонны на первую частичную зону (1), вторую частичную зону (2) и нижнюю общую зону колонны (3), исходную смесь (А) подают в первую частичную зону (1), из первой частичной зоны (1) отводят первый головной поток (В) и из второй частичной зоны (2) отводят второй головной поток (С) с предварительно заданной спецификацией, селективный растворитель (S) загружают в верхнюю часть первой частичной зоны (1) и/или в верхнюю часть второй частичной зоны (2) и количество загруженного в первую частичную зону (1) потока растворителя (S1) и/или количество загруженного во вторую частичную зону (2) потока растворителя (S2) регулируют таким образом, что соблюдаются предварительно заданные спецификации головных потоков (В, С).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что только в верхнюю зону первой частичной зоны (1) загружают поток селективного растворителя (S1).

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что только в верхнюю зону второй частичной зоны (2) загружают поток селективного растворителя (S2).

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что от нижней общей зоны (3) колонны отводят боковой поток (D) и нагруженный растворитель (SL) из нижней части колонны дегазируют в испарителе (V) нижней части колонны и отводят в качестве очищенного потока растворителя (SR) и предпочтительно рециркулируют на экстрактивную дистилляцию.

5. Способ по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что с одной или нескольких термодинамически пригодных разделительных ступеней отводят один или несколько потоков жидкости или частичных потоков из снабженной перегородкой разделительной колонны (TKW), посредством интеграции тепла испаряют частично или полностью горячим дегазированным потоком растворителя (SR) и снова подают к снабженной перегородкой разделительной колонне (TKW) предпочтительно на ту же ступень, с которой был отведен поток жидкости или частичный поток.

6. Применение способа по одному из пп.1-5 для отделения смесей углеводородов, в частности С₄-фракций, С₅-фракций или смесей ароматических углеводородов, предпочтительно смесей бензола, толуола, ксилола или смесей изомерных ксилолов.