This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
Allgemeines Schema eines Trennprozesses
StufeFeed
Trennhilfsmittel
Ströme unterschiedlicher Zusammensetzung
Trennhilfsmittel Trennprozess
Energie
Energie + Lösungsmittel
Membran + elektrisches Feld
Azeotrope Rektifikation Extraktive Rektifikation
Lösungsmittel, etc.
Elektrodialyse
AbsorptionExtraktion: Flüssig-Flüssig-, Fest-Flüssig-, überkritisches Gas AdsorptionMembran-Trennprozess
Henry-Koeffizienten von CH4, CO2 und H2S in Methanol
H S2
CO2
CH4
Methanreinigung_d.cdr
PSRK (UNIFAC)
6
Zu berücksichtigende Gleichgewichte bei der Absorption von CO2 und H2S in Aminlösungen
7
McCabe-Thiele-Verfahren
( ) ( )einjoausjo XXLYYG −=− +
••
1
( )einj
o
o
ausj XXG
LYY −+= +•
•
1
omsmittelstrAbsorption.bzwGasinerterL,G oo −••
8
Absorption
9
Desorption
10
643 000 Nm³/hFeedgasmenge
Durchmesser: 5.4 mHöhe: 62 mDruck: 23 bar
1994: Neuer Absorber
Sasol II, Secunda
Der größte Rectisolabsorber (LURGI)
Sauergasmenge ähnlich in
Großenkneten:
6 . 109 Nm3/Jahr
11
Absorberbauarten
12
Absorberbauarten
13
Typische Extraktionskolonne
14
Typische Extraktionsanlage
15
Shell-Sulfolan-Prozess zur Aromaten-Extraktion
Feed
16
Ausgewählte Beispiele zum Einsatz der Extraktion
• ungünstiger Trennfaktor bei der Rektifikation• thermische Instabilität der zu trennenden Komponenten• Gewinnung von Antibiotika aus Fermentationsbrühen• Entfernung geringer Mengen einer schwersiedenden
Komponente• Trennung von Stoffklassen (z.B. Aliphaten-Aromaten)• Entfernung von Metallsalzen• Gewinnung von Aroma- und Duftstoffen• Trennung von Wasser-Carbonsäure-Systemen• Abtrennung von Caprolactam• Entfernung von Mercaptanen aus Erdöl mit NaOH-Lösung• Phenolextraktion bei der Teerverwertung
18
Separation of Benzene (Aromatics) from a C6 – C12 – Alkanes (Aliphatics) Using Sulfolane (at infinite dilution)
18
Separation factor (ratio of vapor pressures (Psalkane/Ps
benzene) times ratio of predicted activity
coefficients (γalkane/γbenzene)) at 80°C in sulfolane (infinite dilution, x = 1)
Experimenteller und vorausberechneter (modified UNIFAC) Trennfaktor bei unendlicher Verdünnung für die Aliphaten(1)-Aromaten(2)-Trennung durch
extraktive Rektifikation mit Sulfolan (T = 353.15 K)
0.001
0.01
0.1
1
10
100
6 7 8 9 10 11 12
Anzahl C-Atome
Tre
nnfa
kto
r
1,2
s
Alkan Alkan
s
Benzol Benzol
P
P
γα
γ
∞∞
∞=
/s s
n Alkan BenzolP P−
/Alkan Benzol
γ γ∞ ∞
gewählt: n-Alkane Modified UNIFAC
experimentell
21
Anforderungen an das Extraktionsmittel
• breite Mischungslücke zwischen Extrakt- und Raffinatstrom
• hohe Selektivität Sij (d. h. hohe Ki/Kj-Werte)
• hohe Löslichkeit für den Extraktstoff (Kapazität)
• geringe Löslichkeit im Raffinat
• leichte Abtrennbarkeit des Extraktstoffes
• nicht zu geringe Dichtedifferenz der beiden flüssigen Phasen
• geeignete Werte für die Grenzflächenspannung
• hohe thermische und chemische Stabilität
• geringer Dampfdruck
• kein zu niedriger Flammpunkt
• geringe Viskosität
• geringe Giftigkeit
• geringe Korrosivität
• geringer Preis
22
Temperaturabhängigkeit der Selektivität verschiedener Entrainer für die „Aliphaten/Aromaten“- Trennung
Temperatur [°C]
NMP
DMSOSulfolan
Di-Butylformamid
N-Methylacetamid
Ethandiol
exp. Daten
Mod. UNIFAC (Do)
"Selektivitä
t"
γ B
enzo
lim
Entrainer
8
γ C
yclohexa
nim
Entrainer
8
ln
DMF
sel_lm3.cdr, 31.05.99
21312 .Sln =∞
Wasser bei 25°C:
23
Selektivität und Löslichkeit verschiedener Entrainer für die "Aliphaten / Aromaten" -Trennung
10 00 011 Synthese
11.02.99
Wasser bei 25°C:
11
21312
=
=
∞
∞
Cyclohexanln
.Sln
γγγγ
24
Bilanzraum Extraktionskolonne
( ) ( )jNojFo YYSXXR −=−•
+
•
1
( )Fj
o
o
Nj XXS
RYY −+= +•
•
1
telstromLösungsmit.bzwZulaufinerterS,R oo −••
25
McCabe-Thiele-Verfahren zur Auslegung von Extraktoren
Minimale Extraktionsmittelmenge
Extraktphase
Raffinatphase
26
Dreiecksdiagramm
27
Einstufige Extraktion
R ME
E RM=ɺ
ɺ
min
'
'
FMS F
M S=ɺ ɺ
max
"
"
FMS F
M S=ɺ ɺ
28
Mehrstufige Extraktion
NRESF••••
+=+ 1
•••••
=−=− PSREF N1
•••
+
••••••••
==−=−=−=−=− P....SREREREREF Njj 132211
•
P Differenzstrom (Polpunkt)
Benötigt: Verbindung Rj und Ej+1
29
Extraktion von 1,4-Dioxan mit Benzol aus einer Dioxan-Wasser-Mischung (x1,Feed = 0.4) bei 25°C
Wasser
M
F
R1
R1
R2
R2
E2
E2
E3
E3
S
SE1
E1E =F
R3 =RN
= RNR3
1,4-Dioxan
Benzol
P
P(positiv oder negativ)
1
2
N=3
ϑ = 25°C1 0.02, / 4geforderte Raffinatkonzentration x F S= =ɺɺ
31
Numerische Auslegung im Falle von Mehrkomponentensystemen
•
j-1
•
j
R
E
•
j
•
j+1
R
ERi
Ri
Ei
Ei xx γγ =
Rii
Ei xKx =
( )Ei
Ei xPTf ,,=γ
( )Ri
Ri xPTf ,,=γwobei:
bzw.
und damit in Matrixschreibweise (Matrix für jede Komponente i):
Materialbilanz (Boden j):
01111 =−−++•••
++
•
−−
•Ejj
Rjjjj
Ejj
Rjj xExRzFxExR
jjRjjj
Rjjjj
Rjj zFxKExKERxR
•
+++
•••
−−
•
=+
+− 11111
Aj Bj Cj Dj
Phasengleichgewicht:j
jFɺ
32
Auswahl des Extraktors
Aufgabe: Bauweise:
a) hervorragender Stoffaustausch a) stufenweiser Kontakt1. große Phasengrenzfläche b) kontinuierlicher Kontakt2. hohe Stofftransportkoeffizienten (eine Phase dispergiert)
b) saubere Trennung der Phasen
Auswahl des Extraktors abhängig von:
a) theoretischer Stufenzahl Nthb) Schwierigkeit der Trennbarkeit der Phasenc) Verhältnis von Raffinat- zu Extraktstrom
33
Abscheider
34
Typische Extraktoren
leichtePhase
leichtePhase
schwerePhase
schwerePhase
Schlamm-ablaß
Phasentrennfläche
Wehr
leichtePhase
Phasentrennfläche
schwerePhase
Eintrittleichte Phase
Eintrittschwere Phase
Phasengrenze
Austrittleichte Phase
Austrittschwere Phase
PC PC
Mischer-Abscheider-Einheit
Mehrstufiger Mischer-Abscheider in Kastenbauweise
Podbielniak-Extraktor
36
Kolonnen mit Energiezufuhr
Kolonnen mit Energiezufuhr(Pulsation)
Faltenbalg Kolbensystem pulsierende Siebböden
Extraktor mit Misch-und Ruhezone
Kühni-Extraktor
Kolonnen mit Energiezufuhr (Pulsation)
Kolonnen mit Energiezufuhr (rotierende Einbauten)
37
Fotos von Kolonnen
38
Beispiel der S-L-Extraktion
• täglich zu Hause: Kaffee bzw. Tee• Industrie: Zucker, Fett, Extrakte, Öle, ..
39
Anforderungen an das Extraktionsmittel für die Fest-Flüssig-Extraktion
• gute Penetrationseigenschaften• leichte Abtrennbarkeit vom Extrakt• niedriger Siedepunkt• geringe Verdampfungsenthalpie• hohe chemische und thermische Stabilität• geringe Viskosität• geringe Giftigkeit• geringe Korrosivität• geringer Preis
Verwendete Extraktionsmittel
• Alkane, Aromaten, chlorierte Kohlenwasserstoffe• Schwefelkohlenstoff, Diethylether• Aceton, verschiedene Alkohole, Wasser• verschiedene definierte Gemische
40
Fest-Flüssig-Extraktoren
Extraktionsgut
Dampfeinlaß
Dampfauslaß
Verdampfer
Kondensator
Extrakt
Feststoff-rückstand
Lösungs-mittel
Extrakt undLösungsmittel
Extraktionsgut
Feststoff-austrag
DiskontinuierlicheFeststoffextraktion
Schneckenextraktor
z.B. Zuckergewinnung: Länge ca. 20m, Durchsatz 100 t/h
(zerkleinert, getrocknet)
41
Beispiel der SCF-Extraktion
• Entcoffeinierung von Kaffee• Nikotinentfernung aus dem Tabak• Gewinnung von Hopfen- oder Gewürzextrakten• Gewinnung von Aromastoffen• Entasphaltierung (Propan/Butan)
CO2 physiologisch unbedenkliches Extraktionsmittel(manchmal Zugabe von co-Solventien)typische Extraktionsbedingungen*: T = 283 – 373 KDruck: 50 – 300 bar
*abhängig vom überkritischen Fluid
42
Vorausberechnung des PvT-Verhaltens von Kohlendioxid im unter- und überkritischen Zustand VTPR ( ) PSRK (- - - -)
Löslichkeitskurven einiger Salze in Wasser (Lösungskristallisation)
Löslichkeitsprodukt über thermodynamische
Standardgrößen berechenbar;
Weiterhin Elektrolytmodell erforderlich
52
Löslichkeitskurven einiger Salze in Wasser
53
Ref. : Silcock (1979)
25°C
100°CL
ösl
ich
keit
[m
ol/k
g]
(KC
l)
Löslichkeit [mol/kg] (NaCl)
2
1
Gewinnung von KCl aus Sylvinit (NaCl/KCl)
Sylvinit.ppt
54
Vor- und Nachteile der Kristallisation
Vorteile:
• Trennhilfsmittel: Energie• bei thermisch instabilen Verbindungen (z.B. Acrylsäure)• bei Verbindungen mit geringem Dampfdruck• bei Systemen mit ungünstigem Trennfaktor αααα12
( insbesondere bei Isomerengemischen )• geringe Zahl theoretischer Stufen
( für eutektische Gemische: Nth = 1)• bei der Herstellung sehr reiner Produkte• geringerer Energiebedarf als bei der Rektifikation
( Schmelzenthalpie < Verdampfungsenthalpie )
Nachteile:
• saubere Trennung der beiden Phasen ( Mutterlauge, Kristalle ) schwierig • kontinuierlicher Transport der festen Phase nicht möglich• Stofftransport bei der Schmelzkristallisation durch hohe Viskosität begrenzt • keine komplette Trennung des Gemischs ( Eutektikum )
→→→→ zur Auslegung erforderlich: kinetische Daten (Keimbildung, Kristallwachstum) und Kenntnis des Fest-Flüssig-Gleichgewichts
55
Typische durch Kristallisation hergestellte Produkte
Folgerung:Übersättigung (z.B. durch Unterkühlung) nicht zu groß werden lassen, da sonst die Keimbildung zu stark wird => Festlegung einer optimalen Übersättigung c ∆
Kristallgröße (KG)
62
Kühlungskristallisation
64
Fallfilmkristallisationsverfahren der Firma Sulzer-Chemtech
RieselfilmSchmelze
RieselfilmHeiz- bzw.Kühlmedium
Heiz- bzw.Kühlmedium
Rohrwandung
Kristallschicht
ProduktRückstand
Einsatzstoff
Fallfilm-kristallisator
Sammeltank
ab
65
Kopplung von Rektifikation und Kristallisation zur Trennung von o- und p-Dichlorbenzol
o-Isomer p-IsomerMutterlauge
Fallfilm-Kristallisator
Rektifikation
Isomeren-Gemisch
p-Isomerp-Isomero-Isomer o-Isomer
VLE SLE
α ≈12 1.2
66
Überwindung des eutektischen Punktes durch Druckwechselkristallisation
cmm a
PTT 10 +⋅=
Simon-Glatzel:
m
sL
hvvT
dPdT
∆
−⋅=
)(
( )
∆
∆−⋅=
m
mmm h
vPPTT 00 exp
Clausius-Clapeyron:
67
Extraktive Kristallisation
Cyclohexan(T =279.75K)m
T=270K
T=230K280 K
260 K
240 K
T=210K
T=190K
Benzol(T =278.68K)m
Pentan
(T =143.45K)m
Eutektische LinieT=250K
68
Extraktive Kristallisation
p-XylolT = 286.5 K
m
m-XylolT = 225.4 K
m
n-HeptanT = 182.6 K
m
1
2
3
5
. ..4
AA
CFeed
C
A
C
Mutterlauge
n-Heptan
p-Xylol m-Xylol
B5
4
3
21
69
Trennung von m-/p-Xylol durch adduktive Kristallisation
70
Trennung durch Adsorption
Adsorptions-effekte
N2
O2
Ar
Molekular-Sieb 5AT = 298 K
Hg
cm3 /
gB
elad
ung
mit
Ads
orbe
ns
N2
O2
AktivkohleKinetischeEffekteB
elad
ungs
fakt
or
CH3H3C
CH3
CH3
CH3H3C
Molekular-SiebZSM-5 T= 293 K
Größen- effekte
Bel
adun
g m
it A
dsor
bens
71
Technische Anwendungsbeispiele der AdsorptionTrennung von Gemischen Adsorptionsmittel
n-Paraffine / i-Paraffine Zeolithen-Paraffine / Cycloalkane ZeolitheAromaten ( PAREX ) ZeolitheFructose/Glukose ZeolitheParaffine / Olefine ZeolitheGewinnung von Stickstoff Zeolithe (95%O2 + 5%Ar)und Sauerstoff aus der Luft Kohlenstoffmolekularsieb (N2)
AbwasserreinigungPhenol, Anilin, .. Aktivkohle
AbluftreinigungLösungsmittel Zeolithe
Reinigung von Gasen (bzw. Luft vor der Luftzerlegung)Wasser, H2S, CO2, CnHm Zeolithe
TrocknungGase (Luft), Lösungsmittel Zeolithe
Herstellung von Wasserstoff für die NH3-SyntheseDruckwechseladsorption von Synthesegas Kohlenstoffmolekularsieb