Einführung
Destillationskolonnen nutzen einen Heiz- und Kühlprozess, um gemischte Komponenten (Flüssigkeiten und/oder Gase) in ihre einzelnen Bestandteile zu trennen. Dieser Prozess wird erreicht, indem die gemischten flüssigen Komponenten auf eine Temperatur erhitzt werden, die zwischen ihren jeweiligen Siedepunkten liegt, wodurch die Komponente mit dem niedrigeren Siedepunkt verdampft und getrennt wird.
Raffinerie-Destillationskolonnen
Geschichte
Der Destillationsprozess ist eine der ältesten und am häufigsten verwendeten Methoden zur Trennung und Reinigung. Seine Ursprünge reichen zurück zu den Römern, Arabern, Chinesen, Indern und Babyloniern Mesopotamiens vor mehr als 5000 Jahren, wo Beweise für die Destillation von Parfüm und Alkohol auf akkadischen Tafeln (ca. 1200 v. Chr.) aufgezeichnet wurden, bis hin zum Mittelalter und der Industriellen Revolution des 19. Jahrhunderts, in der moderne Anwendungen entwickelt wurden.
Whiskey-Brennerei
Kontinuierliche Destillationskolonne
Es gibt verschiedene Designs von Destillationskolonnen, wie die Batch-Kolonne oder die kontinuierliche Kolonne. Eine grundlegende Batch-Kolonne destilliert den Eingabestrom (Flüssigkeits-/Gas-Komponente) vollständig, bevor eine neue Charge zugeführt wird. Eine kontinuierliche Kolonne hat einen konstanten Eingabe- und Ausgabestrom, was einen höheren Durchsatz ermöglicht. Der Prozess wird nur für Wartung oder Reparaturen unterbrochen.
Beide Kolonnentypen haben spezifische Anwendungen zur Trennung von Flüssigkeits-/Gas-Komponenten und erfordern unterschiedliche Komplexitätsgrade und Ausrüstungen, um den Destillationsprozess zu unterstützen.
Was sind die Hauptteile einer Destillationskolonne?
Eine typische kontinuierliche Destillationskolonne besteht aus mehreren Komponenten, die den Prozess unterstützen. Die vier Hauptkomponenten sind:
- Kolonne (mit Anreicherungs- und Abstreifabschnitten), in der die Flüssig-/Gasphasen-Trennung stattfindet.
- Rückkocher (Wärmetauscher), der die Wärmeenergie liefert, um den Eingabestrom der Kolonne (Flüssigkeit) teilweise zu verdampfen, damit der Trennungsprozess stattfinden kann. Der Eingabestrom fließt in die Mitte der Kolonne und durch den Abstreifabschnitt nach unten zur Basis, bevor er in den Rückkocher eintritt, wo die Eingabeflüssigkeit erhitzt wird, um den Eingabedampf zu erzeugen. Dieser Dampf steigt durch Konvektion auf, um den Trennungsprozess fortzusetzen.
- Kondensator, der den getrennten und angereicherten Eingabedampf an der Spitze der Kolonne kühlt und kondensiert, bevor er in die Rücklaufbehälter eintritt.
- Rücklaufbehälter, der den kondensierten Eingabedampf (als Flüssigkeit) sammelt und ihn in zwei Ströme aufteilt: 1. den Destillationsprozess-Ausgang (Destillat) und 2. die recycelte Flüssigkeit des Rücklaufbehälters (Rücklauf), die zurück in die Spitze der Kolonne geleitet wird, um das Destillat weiter zu anreichern und reinigen.
Allgemeine Hauptkomponenten der Destillationskolonne
Um den Prozess effizienter zu gestalten, enthält die Destillationskolonne normalerweise eine Reihe von gestapelten Platten oder Tabletts. Diese Platten haben kreisförmige Perforationen und/oder gewellte Metallpackungen, um die Kontaktfläche zwischen Flüssigkeit und Dampf zu vergrößern und somit die Effizienz des Verdampfungsprozesses zu steigern. Diese Art von Kolonne wird als Fraktionierdestillationskolonne bezeichnet und unterstützt die Trennung mehrerer Komponenten auf verschiedenen Ebenen in der Kolonne.
Fraktionierdestillationskolonne
Grundlegende Betriebsweise und Terminologie
Die zu verarbeitenden Eingabekomponenten werden in der Nähe oder in der Mitte der Kolonne in ein zentrales Tablett/Platte eingeführt, das als Eingabetablett bekannt ist.
Prozessflussdiagramm der Destillationskolonne
Dieses zentrale Eingabetablett teilt die Kolonne in einen oberen (Anreicherungs) Abschnitt und einen unteren (Abstreif) Abschnitt. Die Eingabeflüssigkeit fließt in die Kolonne und über das Tablett/die Platte, dann durch die Kolonne (durch Schwerkraft) bis zum nächsten Tablett/Platte über seinen Abfluss-Kanal, wo die angereicherte Eingabeflüssigkeit ‘Dampfkomponente’ durch den Destillationsprozess herausgelöst wird, während sie durch die Eingabeflüssigkeit aufsteigt. Die verbleibende Eingabeflüssigkeit fällt durch die Kolonne und sammelt sich an der Basis der Kolonne, dann fließt sie zurück in den Rückkocher, der die leichtere Komponente in die Eingabeflüssigkeit verdampft. Dieser Dampf setzt den Destillationsprozess fort, während er zur Spitze der Kolonne aufsteigt, durch die Kolonnenplatten, wo er mit der Eingabeflüssigkeit in Kontakt kommt, die leichtere Komponente (Dampf) herauslöst und dabei angereichert wird. An der Basis der Kolonne wird das ‘schwere’ (nicht verdampfte) Eingabeflüssigkeitsprodukt als ‘Bodensatz’ aus der Kolonne entfernt.
Flüssigkeits- und Dampfflusswege der Destillationskolonne
Der wiedererhitzte Eingabedampf, der von der Basis der Kolonne aus dem Rückkocher zurückfließt, wird angereichert, während er durch die Kolonne aufsteigt und ‘mit’ der fallenden Eingabeflüssigkeit in Kontakt kommt, bevor er die Kolonne an der Spitze verlässt und in den Kühlkondensator eintritt. Diese kondensierte Flüssigkeit tritt dann in ein Haltegefäß ein, das als Rücklaufbehälter bekannt ist.
Destillationskolonne und Rücklaufbehälter
Ein Teil dieser Rücklaufbehälterflüssigkeit, d.h. das Rücklaufverhältnis, wird zurück in die Spitze der Kolonne recycelt, um sie weiter anzureichern und zu reinigen, indem sie mit der aufsteigenden Eingabedampfkomponente in Kontakt kommt, die durch die Kolonnenplatten aufsteigt. Schließlich ist die kondensierte Eingabedampfkomponente, die nun durch das Kondensator- und Rücklaufbehältersystem in flüssiger Form abgekühlt ist, der Kolonnenausgang (Destillat), der durch den gesamten Destillationsprozess gewonnen wird.
Betriebsprofil der Destillationskolonne
Es gibt bestimmte Betriebsparameter und Trends, die für den Destillationskolonnenprozess typisch sind, und ein Verständnis dieser Aspekte wird helfen, ein allgemeines Verständnis des Prozesses zu erlangen. Einfach ausgedrückt, werden das Kolonnendesign (Durchmesser und Höhe, Anzahl der Tabletts/Platten, Packer usw.) und die Betriebsparameter (Temperatur, Druck, Eingabeflüssigkeitsstufe usw.) von den Designern optimiert, um ein allgemeines internes Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewicht (Balance) zu erreichen, basierend auf der Flüchtigkeit (Siedepunkte) der Eingabeflüssigkeitskomponenten. Betriebsprofil der Destillationskolonne.
Temperatur und Druck
Das allgemeine Temperaturprofil innerhalb der Kolonne ist, dass es an der Spitze heißer und an der Basis kühler ist. Zum Beispiel ist in einem einfachen Prozess, der eine Eingabeflüssigkeit mit zwei Komponenten hat, die Temperatur an der Basis der Kolonne etwas kühler als der Siedepunkt der schwereren Eingabekomponente, und die Temperatur an der Spitze ist etwas höher als der Siedepunkt der leichteren Komponente, da es gewünscht ist, eine Umgebung für ein Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewicht innerhalb der Kolonne zu schaffen. An der Basis der Kolonne benötigen wir, dass die schwere Eingabekomponente als Flüssigkeit bleibt und die leichtere Komponente als Gas bleibt, bis sie die Spitze der Kolonne erreicht, bevor sie in den Kondensator und den Rücklaufbehälter eintritt. Um diese Temperaturen zu kontrollieren, wird die Temperatur des Rückkocher-Wärmetauschers angepasst, um die Temperatur der schweren Eingabekomponente zu kontrollieren; die ‘Rücklauf’-Durchflussrate des Rücklaufbehälters (Rückfluss zur Spitze der Kolonne) wird verwendet, um die Temperatur der leichteren Komponenten an der Spitze der Kolonne zu kontrollieren.
Der gesamte Druckgradient der Kolonne ist ‘höherer’ Druck an der Basis und ‘niedriger’ an der Spitze. Dieser Gradient wird durch die Eingabestufe Flüssigkeit (Eingabe) bestimmt, die durch die Kolonnenplatten fällt und den aufsteigenden Dampf behindert, der durch die Eingabeflüssigkeit aufsteigt.
Im Allgemeinen wird für einen stationären Destillationsprozess der Druckgradient der Kolonne so konstant wie möglich gehalten, indem die Rückkocher-Temperatur und der Rücklaufbehälterfluss verwendet werden, um die Zusammensetzung der leichten und schweren Komponentenströme zu kontrollieren.