DE2800247A1

DE2800247A1 - Rectification system with internal dephlegmator - having dephlegmator and boiler built into rectification column for improved thermal efficiency

Info

Publication number: DE2800247A1
Application number: DE19782800247
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr Ing Markfort
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-01-04
Filing date: 1978-01-04
Publication date: 1979-07-05

Abstract

Rectification process involves sepn. of two or more component mixture where one is of higher and the other of lower volatility. Sepn. is achieved by internal reflux from a dephlegmator. This is operated so that it forms an integral part of the rectification column. The boiler also forms an integral part of the column base. Thus the cooling is distributed along the top of the column and the heating along the bottom. The actual process streams can form the heating media, by operating two columns at different pressures. Used for sepn. of liqs. with different relative volatility e.g. in absorption refrigeration circuit. Allows the dephlegmator to operate at the max. possible temp. and the reboiler at the lowest possible temp.

Description

Rek ti fikationsverfahrenRecruitment procedure

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, bei welchem unter Verwendung einer Rektifikationseinheit ein flüssiges Gemisch mehrerer Komponenten unterschiedlicher Flüchtigkeit durch partielle Verdampfung in eine dampfförmige Phase mit hoher Konzentration der leichterflüchtigen Komponente und in eine flüssige Phase mit niedrigerer Konzentration der leichterflüchtigen Komponente zerlegt wird, wobei zur möglichst reinen Gewinnung der leichterflüchtigen Komponente eine Verstärkungssäule eingesetzt wird, in der ein durch Kühlung erzeugter Dephlegmatrückfluß die Anreicherung der leichterflüchtigen Komponente in der Dampfphase bewirkt und wobei zur möglichst weitgehenden Verarmung der flüssigen Phase (an der leichterflüchtigen Komponente) eine Abtriebssäule vorgesehen wird, in der die über einen Austreiber eingebrachte Wärme zur weiteren Ausdampfung der flüssigen Phase genutzt wird.The invention relates to a method in which using a rectification unit is a liquid mixture of several different components Volatility due to partial evaporation into a high concentration vapor phase the more volatile component and into a liquid phase with a lower concentration the more volatile component is broken down, with the purest possible extraction of the more volatile component, a reinforcement column is used in which a dephlegmatic reflux generated by cooling increases the concentration of the more volatile Component effected in the vapor phase and with the greatest possible depletion a stripping column is provided for the liquid phase (on the more volatile component) in which the heat introduced via an expeller is used for further evaporation the liquid phase is used.

Derartige Verfahren sind in der chemischen Verfahrenstechnik hinlänglich bekannt und z.B. bei F. Bosnjakovic, Technische Thermodynamik, II. Teil, 5. Auflage, Verlag Theodor Steinkopf, Dresden und Leipzig, 1971, ausführlich behandelt worden.Such processes are sufficient in chemical process engineering known and e.g. from F. Bosnjakovic, Technische Thermodynamik, Part II, 5th edition, Verlag Theodor Steinkopf, Dresden and Leipzig, 1971, has been dealt with in detail.

So findet sich dort im Kapitel IV A "Destillation und Rektifikation" Abschnitt 5 ff. eine Ausführung, bei der oberhalb der Verstärkungssäule ein sogenannter Dephlegmator angeordnet wird, dessen Aufgabe es ist, durch Kühlung einen Teil des aufsteigenden Dampfes niederzuschlagen und in die Verstärkungssäule zurücklaufen zu lassen. In analoger Weise wird unterhalb der Abtriebssäule ein sogenannter Austreiber vorgesehen, in dem die flüssige Phase durch Beheizung ausgedampft wird. Wie der Verfahrensbeschreibung weiterhin zu entnehmen ist, muß die im Dephlegmator anfallende Wärme nicht nur bei der tiefsten in der Verstärkungssäule auftretenden Temperatur, der Kondensationstemperatur, entzogen werden, sondern fällt außerdem noch bei konstanter Temperatur an. Korrespondierend dazu ergibt sich auf der Austreiberseite die genau umgekehrte Situation, daß nämlich die eingespeiste Wärme sowohl bei der höchsten Temperatur der Abtriebssäule, der Siedetemperatur des Gemisches, als auch bei konstanter Temperatur eingebracht werden muß.So there is in Chapter IV A "Distillation and rectification" Section 5 ff. An embodiment in which a so-called Dephlegmator is arranged, the task of which is to cool part of the knock down rising steam and run back into the reinforcement column allow. In an analogous manner, a so-called expeller is placed below the stripping column provided in which the liquid phase is evaporated by heating. Again Process description can also be found in the dephlegmator Heat not only at the lowest temperature occurring in the reinforcement column, the condensation temperature, but also falls at a constant level Temperature. Correspondingly, the exact results on the expeller side reverse situation, that namely the fed heat both at the highest temperature of the stripping column, the boiling point of the mixture, and must also be introduced at a constant temperature.

Da in beiden Fällen relativ große Wärmemengen beteiligt sind, wohnen dieser Anordnung von Dephlegmator und Austreiber entsprechend dem zweiten Jlauptsatz der Thermodynamik inhärent große Verluste inne. Das wird insbesondere dann deutlich, wenn man die umgesetzten Wärmemengen rekuperativ im Prozeßablauf nutzen will.Since relatively large amounts of heat are involved in both cases, live this arrangement of dephlegmator and expeller according to the second principle inherently large losses in thermodynamics. This becomes particularly clear when if you want to use the converted amounts of heat recuperatively in the process flow.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verfahrensführung so zu gestalten, daß die anfallende Kühlwärme des Dephlegmators bei möglichst hohen Temperaturen verfügbar wird und die im Austreiber erforderliche Wärme bei möglichst niedrigen Temperaturen benötigt wird.The invention is based on the object of carrying out the process in such a way to design that the resulting cooling heat of the dephlegmator at the highest possible Temperatures is available and the heat required in the expeller at as possible low temperatures is required.

Ausgehend von dem eingangs beschriebenen bekannten Verfahren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Dephlegmator nicht mehr als getrenntes Bauteil an das Ende der Verstärkungssäule gesetzt wird, sondern in die Verstärkungssäule dergestalt integriert wird, daß die zur Erzeugung des Dephlegmatrückflusses erforderliche Kühlung über die Länge der Verstärkungssäule verteilt eingebracht wird, und daß auf der anderen Seite der Austreiber in die Abtriebssäule dergestalt integriert wird, daß die zur Ausdampfung des Gemisches erforderliche Heizwärme über die Länge der Abtriebssäule verteilt eingebracht wird. In der Verstärkungssäule herrscht an jeder Stelle eine bestimmte und definierte Temperatur, die bei der herkömmlichen Rektifikatorbauart mit getrenntem Dephlegmator durch den Dephlegmatrückfluß bestimmt wird, der im Dephlegmator stark unterkühlt wurde und beim Rücklauf in die Verstärkungssäule durch Wärmeaufnahme aus der Dampfphase wieder aufgeheizt wird. Die auf diese Weise intern übertragene Wärme geht dem Prozeß in exergetischer Hinsicht deshalb verloren, als die Temperatur im Dephlegmator sehr gering ist - im Vergleich zu der maximalen Temperatur am Anfang der Verstärkungssäule - und die gesamte Temperaturspanne zwischen Ein- und Austritt der Verstärkungssäule nicht genutzt werden kann.Starting from the known method described at the outset this object is achieved according to the invention in that the dephlegmator no more than separate component is placed at the end of the reinforcement column, but in the Reinforcement column is integrated in such a way that the to generate the Dephlegmatrückfluss required cooling introduced distributed over the length of the reinforcement column is, and that on the other side of the expeller in the output column in such a way is integrated that the heat required for evaporation of the mixture over the length of the stripping column is introduced distributed. In the reinforcement column There is a certain and defined temperature at every point, which is the case with the conventional one Rectifier design with separate dephlegmator determined by the dephlegmatic backflow which was severely hypothermic in the dephlegmator and when returning to the reinforcement column is reheated by absorbing heat from the vapor phase. That way internally transferred heat is therefore lost to the process from an exergetic point of view, than the temperature in the dephlegmator is very low - in comparison to the maximum temperature at the beginning of the reinforcement column - and the total temperature range between the entry and exit of the reinforcement column cannot be used.

Im Gegensatz dazu wird bei der vorgeschlagenen Ausführung der Verstärkungssäule an jeder Stelle nur soviel Wärme entzogen wie zur lokalen Verbesserung der Konzentration der leichterflüchtigen Komponente in der Dampfphase durch Dephlegmation erforderlich ist. Dabei bleibt das Temperaturprofil über die Länge der Verstärkungssäule erhalten, die entzogene Wärme fällt jedoch bei der örtlichen Sa..ulentemperatur an. Bei der erfindungsgemäßen Verfahrenführung ist es z.B. möglich, einen Fluidstrom, der zur Kühlung der Verstärkungssäule eingesetzt wird, im Idealfall bis auf die Eintrittstemperatur des Gemisches in die Verstärkungssäule aufzuwärmen.In contrast, in the proposed embodiment, the reinforcement column At each point only as much heat is withdrawn as for the local improvement of concentration of the more volatile components in the vapor phase due to dephlegmation is. The temperature profile is retained over the length of the reinforcement column, however, the extracted heat occurs at the local column temperature. In the According to the invention, it is possible, for example, to use a fluid stream which is used for Cooling of the reinforcement column is used, ideally down to the inlet temperature warm up the mixture in the reinforcement column.

Ein analoger Vorgang findet - mit umgekehrter Richtung der Wärmeübertragung - auf der Abtriebsseite statt. Demzufolge kann ein zur Beheizung der Abtriebssäule vorgesehener Fluidstrom im Idealfall bis auf die Eintrittstemperatur des Gemisches abgekühlt werden. Damit ergibt sich die Möglichkeit, die auf der verfahrenstechnischen Seite auftretenden Temperaturen - bis auf die konstruktiv bedingten Grädigkeiten der Wärmeübertrager - auch auf der Beheizungs- bzw. Kühlungsseite einzustellen. Bei geeigneter Schaltung der Prozeß- sowie der Heiz- und Kühlströme läßt sich eine erhebliche Verbesserung des Wirkungsgrades solcher Anlagen, eben durch Vermeidung der oben näher bezeichneten Verluste, erzielen.An analogous process takes place - with the opposite direction of heat transfer - instead of on the output side. As a result, a can be used to heat the stripping column provided fluid flow in the ideal case up to the inlet temperature of the mixture be cooled down. This results in the possibility of working on the procedural Side occurring temperatures - except for the design-related gradients the heat exchanger - can also be set on the heating or cooling side. With a suitable switching of the process and the heating and cooling currents, a considerable improvement in the efficiency of such systems, precisely by avoiding them of the losses specified above.

Die hier angesprochene Verbesserung des Wirkungsgrades läßt sich insbesondere dadurch erzielen, daß die zur Heizung bzw.The improvement in the degree of efficiency mentioned here can be achieved in particular achieve by the fact that the heating or

Kühlung verwendeten Fluidströme bezüglich des Temperaturverlaufes im Gegenstrom zur Verstärkungssäule bzw. Abtriebssäule geschaltet sind.Cooling used fluid flows with respect to the temperature profile are connected in countercurrent to the reinforcement column or stripping column.

Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung bei der zur Kühlung der Verstärkungssäule der Strom des zu trennenden Gemisches, oder ein Teilstrom desselben, verwendet wird, da man auf diesem Wege eine maximale Vorwärmtemperatur erreichen kann, die in der Größenordnung der Säulentemperatur an der Einspeisestelle des zu trennenden Gemisches liegt, und bei der zur Beheizung der Abtriebssäule der extern weitererwärmte Strom der verarmten flüssigen Phase Verwendung findet, der die extern aufgenommene Wärme zusammen mit der fühlbaren Wärme bis hinunter zur Temperatur der Eintrittsstelle des Gemischs abgibt. Somit tritt auch diese flüssige Phase mit der Temperatur der Einspritzstelle aus dem Rektifikator aus und steht für Vorwärmzwecke zur Verfügung. Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung ist bei Kreisprozessen gegeben, die im Sinne von Absorptionswärmepumpen bzw. Absorptionskältemaschinen ablaufen. Da in beiden Fällen die Förderung von Wärme von einem niederen auf ein höheres Temperaturniveau durch Einsatz von Wärme bewirkt wird, ist eine Verbesserung des Verhältnisses von geförderter Wärme zu eingesetzter Wärme für die Anwendung solcher Kreisprozesse von grundlegender Bedeutung. Die durch die erfindungsgemäß mögliche Vorwärmung des zu trennenden Gemisches kann eine erhebliche Einsparung an heizwärme erzeilt werden.An arrangement for cooling the reinforcement column is particularly advantageous the stream of the mixture to be separated, or a partial stream of the same, is used, since one on reach a maximum preheating temperature in this way can, which is in the order of magnitude of the column temperature at the feed point of the to separating mixture is, and in the case of the heating of the stripping column of the external further heated stream of the depleted liquid phase is used, which the external absorbed heat together with the sensible heat down to the temperature the point of entry of the mixture. This liquid phase also occurs the temperature of the injection point from the rectifier and is used for preheating purposes to disposal. A preferred application of the invention is given in cyclic processes, which run in the sense of absorption heat pumps or absorption chillers. Because in both cases the conveyance of heat from a lower to a higher temperature level caused by the use of heat is an improvement in the ratio of promoted heat to heat used for the application of such cycle processes of fundamental importance. The preheating of the possible according to the invention the mixture to be separated, a considerable saving in heating energy can be achieved.

Das erfindunsgemäße Rektifikationsverfahren hat bei einer mehrstufigen Ausführung besondere Vorteile hinsichtlich der Nutzung der eingebrachten Wärme zur Gemischtrennung.The rectification process according to the invention has a multistage Execution of special advantages with regard to the use of the heat introduced Mixture separation.

Die Anordnung von zwei oder mehr Rektifikationseinheiten in einer Kaskadenschaltung bietet die Möglichkeit, durch geeignete Wahl der jeweiligen Betriebsdaten (Druck und Temperatur), die Kondensationswärme der ersten Stufe, die bei höherem Druck betrieben wird, als Austreiberwärme in der zweiten Stufe, deren Druckniveau niedriger liegt, einzusetzen.The arrangement of two or more rectification units in one Cascade connection offers the option of selecting the respective operating data appropriately (Pressure and temperature), the heat of condensation of the first stage, that of the higher Pressure is operated as expeller heat in the second stage, its pressure level is lower.

Mit dieser Anordnung wird die Arbeitsfähigkeit der in der Hochdruckstufe eingebrachten, durch eine Fremdquelle erzeugten, Austreiberwärme wesentlich besser genutzt, was sich in einer merklichen Erhöhung der spezifischen Gemischtrennleistung niederschlägt.With this arrangement, the workability becomes that of the high pressure stage introduced expeller heat generated by an external source is much better used, resulting in a noticeable increase in the specific mixture separation performance precipitates.

Als Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Rektifikationsverfahrens ist in der Zeichnung Fig. 1 eine Kaskaden-Anordnung dargestellt, die im Sinne einer Absorptions-Wärmepumpe arbeitet. Beide Rektifikationseinheiten sind im Prinzip identisch.As an embodiment of a device for implementing the invention Rectification process is in the Drawing Fig. 1 shows a cascade arrangement shown, which works in the sense of an absorption heat pump. Both rectification units are basically identical.

In einer druckführenden Umhüllung 1 ist der Rektifikator mit Verstärkungssäule 2 und Abtriebssäule 3 zusammen mit einem Kondensator 4 und einem Gemischrekuperator 5 untergebracht. Eine Niederdruck-Gemischpumpe 6 fördert das Gemisch zur Niederdruckstufe direkt, während eine Hochdruck-Gemischpumpe 7 einen Teilstrom zur Hochdruckstufe abzweigt.The rectifier with reinforcement column is in a pressurized envelope 1 2 and stripping column 3 together with a condenser 4 and a mixture recuperator 5 housed. A low-pressure mixture pump 6 conveys the mixture to the low-pressure stage directly, while a high-pressure mixture pump 7 provides a partial flow to the high-pressure stage branches off.

In einem 3-Wege-Ventil 8 wird das Gemisch auf je einen Teilstrom zum Kondensator 4 und Rekuperator 5 verteilt. Im Kondensator 4 nimmt das Gemisch die Kondensationstemperatur der leichterflüchtigen Komponente bei dem herrschenden Druck an und tritt dann in die Verstärkungssäule 2 ein. Hier wird der Gemischteilstrom im Gegenstrom zur Dampfphase des getrennten Gemisches geführt, wobei er dieser Dampfphase Wärme entzieht und so dephlegmierend wirkt, selbst dabei aber weiter aufgewärmt wird, bis er an der Eintrittsstelle in die Rektifikationseinheit 9 die nächste Vorwärmtemperatur erreicht hat. An dieser Stelle vereinigen sich beide Gemischteilströme wieder, nachdem der Rekuperatorteilstrom im Rekuperator 5 auf dieselbe Temperatur vorgewärmt wurde. Die in der Verstärkungssäule 2 aufsteigende Dampfphase wird durch den Dephlegmatrücklauf zu sehr reiner Fraktion rektifiziert. Im Kondensator 4 wird sie kondensiert und soweit möglich durch den Gemischteilstrom unterkühlt. überschüssige Kondensationswärme wird durch einen Kühlkreis 10 abgeführt. Auf der Niederdruckseite wird diese Wärme dem Nutzwärmesystem zugeführt, während die Kondensationswärme der Hochdruckseite als Austreiberwärme der Niederdruckseite genutzt wird.In a 3-way valve 8, the mixture is in each case a partial flow to the Condenser 4 and recuperator 5 distributed. In the condenser 4, the mixture takes the Condensation temperature of the more volatile component at the prevailing pressure and then enters the reinforcement column 2. Here is the partial flow of the mixture guided in countercurrent to the vapor phase of the separated mixture, this vapor phase Draws off heat and thus has a dephlegmating effect, but also warms up further until it reaches the next preheating temperature at the point of entry into the rectification unit 9 has reached. At this point, both partial flows of the mixture unite again after the recuperator partial flow in the recuperator 5 was preheated to the same temperature. The vapor phase rising in the reinforcement column 2 is caused by the dephlegmatic return rectified to a very pure fraction. In the condenser 4 it is condensed and subcooled as far as possible by the partial flow of the mixture. excess heat of condensation is discharged through a cooling circuit 10. This heat is on the low pressure side fed to the useful heat system, while the condensation heat is fed to the high-pressure side is used as expeller heat on the low-pressure side.

Die in der Eintrittsstelle in die Rektifikationseinheit 9 anfallende flüssige Phase des Gemischs wird in der Abtriebssäule 3 durch Aufwärmung weiter ausgedampft, so daß am unteren Ende die niedrigste Konzentration des Gemisch erreicht wird. An dieser Stelle wird die ausgedampfte Flüssigphase abgezogen und in einem externen Kreislauf 11 aufgeheizt. Für die Niederdruckseite ist dieser externe Kreislauf 11 identisch mit dem Kondensationskühlkreis 10 der Hochdruckseite. Der externe Kreislauf 11 der Hochdruckseite nimmt in einer fremdbeheizten Wärmequelle die nötige Austreiberwärme auf.The accumulating in the entry point into the rectification unit 9 The liquid phase of the mixture is further heated in the stripping column 3 evaporated, so that the lowest concentration of the mixture reached at the lower end will. At this point, the evaporated liquid phase is drawn off and in one external circuit 11 heated. This is external for the low pressure side Cycle 11 identical to the condensation cooling circuit 10 on the high pressure side. The external cycle 11 on the high pressure side takes the necessary expeller heat from an externally heated heat source on.

Die aus dem externen Kreis 11 in die Abtriebssäule 3 zurückströmende Flüssigphase wird im Gegenstrom zum auszudampfenden Gemisch geführt, gibt dabei Wärme ab und nimmt selbst in der Nähe der Eintrittsstelle 9 die dort herrschende Temperatur an. Mit dieser Temperatur wird die Flüssigphase in den Gemischrekuperator 5 eingeleitet, in dem sie weiterfabgekühlt wird.The flowing back from the external circuit 11 into the stripping column 3 The liquid phase is fed in countercurrent to the mixture to be evaporated, and there are Heat from and takes the prevailing there even in the vicinity of the entry point 9 Temperature. The liquid phase enters the mixture recuperator at this temperature 5 initiated in which it is cooled further.

Der Kreislauf wird geschlossen durch eine Vordrossel 12 der Hochdruckseite und eine gemeinsame Drosselstelle 13 über die dle Flüssigphase in einen Absorber 14 eingeleitet wird. Hier wird die Flüssigphase unter Wärmefreisetzung mit der Dampfphase vereinigt, die nach Kondensation im Kondensator 4, weiterer Unterkühlung in einem Kondensat-Rekuperator 15, Entspannung in einer Hochdruckdrosselstelle 16 und einer gemeinsamen Drosselstelle 17, in einem Verdampfer 18 Wärme bei niedriger Temperatur durch Verdampfen aufgenommen hat.The circuit is closed by a throttle 12 on the high pressure side and a common throttle point 13 via the liquid phase into an absorber 14 is initiated. Here the liquid phase is releasing heat with the vapor phase united, after condensation in the condenser 4, further subcooling in one Condensate recuperator 15, relaxation in a high pressure throttle point 16 and one common throttle point 17, in an evaporator 18 heat at low temperature absorbed by evaporation.

Die im Absorber 14 freigesetzte Nutzwärme wird an einen Nutzwärmekreis 19 abgegeben.The useful heat released in the absorber 14 is transferred to a useful heat circuit 19 submitted.

Claims

Claims 1. Rectification process, in which a liquid Mixture of several components of different volatility through partial evaporation into a vapor phase with a high concentration of the more volatile component and in a liquid phase with a low concentration of the more volatile component is broken down, with the purest possible extraction of the more volatile component a reinforcement column is used in which a dephlegmatic reflux generated by cooling causes the accumulation of the more volatile component in the vapor phase and whereby to the greatest possible depletion of the liquid Phase (on the more volatile component) a stripping column is provided in which the Heat introduced via an expeller for further evaporation of the liquid Phase is used, characterized in that the dephlegmator in the reinforcement column (2) is integrated in such a way that the generation of the dephlegmatic backflow required cooling introduced distributed over the length of the reinforcement column (2) and that the expeller is integrated into the stripping column (3) in such a way that the heat required for evaporation of the mixture over the length of the stripping column (3) is introduced in a distributed manner.

2. The method according to claim 1, characterized in that the heating or cooling heat can be provided by a fluid flow each.

3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that that the fluid flows in question are countercurrent with respect to the temperature profile are connected to the reinforcement column (2) or output column (3).

4. Process according to Claims 1 to 3, characterized in that to cool the reinforcement column (2) the stream of the mixture to be separated and to heat the stripping column (3), the externally further heated stream of the impoverished liquid phase can be used.

5. Process according to Claims 1 to 4, characterized in that in a multi-stage arrangement the condensate heat of those operated at higher pressure Stage fed as expeller heat into the stage operated at lower pressure will.