Verfahren und Vorrichtung zur Abtrennung von leicht siedenden Komponenten aus Kohlenwasserstoffgemischen

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abtrennung von leicht siedenden Komponenten aus einem Kohlenwasserstoffstrom, insbesondere zur Abtrennung einer C ₂ -Fraktion von einer als Zielprodukt gewünschten C ₃ +-Fraktion, z.B. bei der Dehydrierung leichter Kohlenwasserstoffe, aber auch anderen Trennaufgaben im C ₁ bis C ₄ -Bereich.

[0002] üblicherweise wird eine solche Abtrennung mittels einer Kombination aus einer sogenannten „Coldbox" und einer Destillationskolonne durchgeführt. Die Destillationskolonne wird als Deethanizer betrieben und so bezeichnet, da alle Stoffe, die Siedepunkte kleiner oder gleich dem von Ethan besitzen, in diesem Deethanizer über Kopf abgetrennt werden.

[0003] Vor Eintritt in die Coldbox wird das Einsatzgemisch zunächst auf etwa -25 ⁰ C abgekühlt. Das dabei entstehende Kondensat wird direkt in den Deethanizer geleitet. Die nicht kondensierten Dämpfe werden innerhalb der Coldbox weiter auf etwa -90 ⁰ C abgekühlt, wobei das dabei entstehende produktreiche Kondensat nach Wärmetausch ebenfalls zum Deethanizer geführt wird. Die Coldbox stellt somit eine einstufige Grobtrennung dar.

[0004] Die restliche Dampfphase, die im Wesentlichen unkondensierbare Komponenten, z.B. Wasserstoff, enthält, wird, nach Wärmetausch in dem in die Coldbox eintretenden Strom, entspannt. Aufgrund des Joule-Thompson-Effekts kühlen sich die Leichtsieder dabei auf etwa -110 ⁰ C ab. Dieses Temperaturniveau wird dazu benutzt, den in die Coldbox eintretenden Strom zum Teil zu kondensieren. Die nicht auskondensierten Leichtsieder sind im Wesentlichen frei von C3 ⁺ -Komponenten.

[0005] Alle produktreichen Kondensatphasen werden schließlich zur eigentlichen Feintrennung in den Deethanizer geführt, in der die übrigen Leichtsieder von den schwerer siedenden Komponenten abgetrennt werden. Hierzu ist eine Temperatur von etwa -20 ⁰ C am Kopf der Kolonne erforderlich.

[0006] Als Kühlmittel für die Abkühlung des Einsatzgemisches vor der Coldbox, für den Betrieb der Coldbox und zur Kühlung des Deethanizers kann verdampfendes Propan oder Propen bei -30 ⁰ C verwendet werden.

[0007] Die Erzeugung der Kälte für ein derartiges Verfahren ist äußerst aufwendig. Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, bei welchem der Kälteverbrauch erheblich reduziert werden kann.

[0008] Die Erfindung löst diese Aufgabe gemäß dem Hauptanspruch mit einem Verfahren zur Trennung eines Ausgangsgemisches

• in eine höher und eine niedriger siedende Fraktion in einer in kontinuierlicher Fahrweise betriebenen Destillationsapparatur, die mindestens eine Leitung für die Zufuhr eines oder mehrerer Ausgangsgemische, einen Abzug für die niedriger siedende Fraktion, einen Abzug für die höher siedende Fraktion und eine Beheizungseinrichtung enthält, wobei

• die Destillationsapparatur mindestens zwei jeweils verschiedene Temperaturniveaus aufweisende Kondensationsstufen enthält,

• wobei die jeweils in Strömungsrichtung der Dämpfe vorgeschalteten Kondensationsstufen jeweils höhere Temperaturniveaus als die jeweils nachgeschalteten Kondensationsstufen aufweisen,

• jeweils trennwirksame Einbauten den Kondensationsstufen zwischengeschaltet sind,

• an Kondensationsstufen Teilkondensationen ablaufen,

• die dabei jeweils nicht kondensierten Teilmengen jeweils nachgeschalteten trennwirksamen Einbauten oder Kondensationsstufen mit jeweils niedrigeren Temperaturniveaus zugeführt und die jeweils kondensierten Teilmengen über trennwirksame Einbauten in Richtung des Abzugs für die höher siedende

Fraktion geleitet werden,

• ein im wesentlichen dampfförmiges Medium an der Kondensationsstufe mit dem niedrigsten Temperaturniveau anfällt und dort teilkondensiert wird, wobei

• die nicht kondensierte Teilmenge des Mediums dem Abzug für die niedriger siedende Fraktion und die kondensierte Teilmenge einem der

Kondensationsstufe mit dem niedrigsten Temperaturniveau vorgeschalteten Bereich des Destillationsapparatur zurückgeführt wird,

• |[\v _z i]und die Kondensationsstufe mit dem niedrigsten Temperaturniveau eine Temperatur von unter -40 ⁰ C aufweist.

[0009] In Ausgestaltungen der Erfindung wird vorgesehen, dass die Destillationsapparatur drei bis fünf hintereinandergeschaltete, jeweils verschiedene Temperaturniveaus aufweisende Kondensationsstufen enthält.

[0010] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, dass die Kondensationsstufe mit dem niedrigsten Temperaturniveau eine Temperatur von -120 ⁰ C bis -70 °C bei einem Druck von mindestens 2 MPa absolut, vorzugsweise mindestens 3 MPa aufweist.

[0011] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, dass das Gemisch, welches die Destillationsapparatur als niedriger siedende Fraktion verlässt, entspannt wird, wobei das Gemisch unter Ausnutzung des Joule-Thompson-Effekts weiter abgekühlt und somit zur Kühlung der Kondensationsstufe mit dem niedrigsten Temperaturniveau verwendet wird.

[0012] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, dass die Entspannung mit einer Entspannungsturbine durchgeführt wird.

[0013] Weitere Ausgestaltungen der Erfindung betreffen die Verwendung geeigneter Ausgangsgemische, mit denen das Verfahren besonders vorteilhaft zur Gewinnung nutzbarer Produkte angewendet werden kann.

[0014] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Verfahren auf Ausgangsgemische angewendet, welche im wesentlichen Wasserstoff, bis zu zwei Kohlenstoffatome aufweisende Kohlenwasserstoffe und mindestens drei Kohlenstoffatome aufweisende Kohlenwasserstoffe enthalten. An dem Abzug für die niedriger siedende Fraktion fällt ein im wesentlichen Wasserstoff und bis zu zwei Kohlenstoffatome aufweisende Kohlenwasserstoffe enthaltendes Gemisch an, das im Wesentlichen keine mindestens drei Kohlenstoffatome aufweisende Kohlenwasserstoffe enthält. An dem Abzug für die höher siedende Fraktion fällt ein mindestens drei Kohlenstoffatome aufweisende Kohlenwasserstoffe enthaltendes Gemisch an, das im Wesentlichen weder Wasserstoff noch bis zu zwei Kohlenstoffatome aufweisende Kohlenwasserstoffe enthält.

[0015] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Verfahren auf Ausgangsgemische angewendet, welche jeweils weniger als 2 Mol-% Kohlendioxid sowie Wasser oder Wasserdampf enthalten.

[0016] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird als Ausgangsgemisch ein Reaktionsgemisch der katalytischen Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen verwendet.

[0017] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegt das Segment der Destillationsapparatur, über das die an der Kondensationsstufe mit dem höchsten Temperaturniveau kondensierte Teilmenge des Ausgangsgemischs dem Abzug für die höher siedende Fraktion zugeführt wird, als Abtriebsteil der Destillationsapparatur vor.

[0018] In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung wird vorgesehen, dass Ausgangsgemische mit relativ geringem Anteil an Komponenten mit niedrigem Siedepunkt bevorzugt unterhalb der Kondensationsstufe mit dem höchsten Temperaturniveau zugegeben werden und Ausgangsgemische mit relativ hohem Anteil an Komponenten mit niedrigem Siedepunkt bevorzugt oberhalb der Kondensationsstufe mit dem höchsten Temperaturniveau zugegeben werden.

[0019] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegen die Kondensationsstufen als Kondensatoren vor.

[0020] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Kondensationsstufen mit Kühlwasser, verdampfendem Ammoniak, Propan, Propen und/oder durch die Ausnutzung des Joule-Thompson-Effekts bei der Entspannung von Prozessgasen, gekühlt.

[0021] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Beheizungseinrichtung mit externer Abwärme betrieben.

[0022] Die Erfindung löst diese Aufgabe auch mit einer geeigneten Destillationsapparatur zur Trennung eines Ausgangsgemisches, enthaltend: • eine oder mehrere Leitungen für die Zufuhr eines oder mehrerer

Ausgangsgemische,

• einen Abzug für die niedriger siedende Fraktion,

• einen Abzug für die höher siedende Fraktion,

• mindestens eine Beheizungseinrichtung, • mindestens 2 hintereinandergeschaltete Kondensatoren, und

• trennwirksame Einbauten, die den Kondensatoren zwischengeschaltet sind.

[0023] In alternativen Ausgestaltungen der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Destillationsapparatur in Form von einer einzigen Destillationskolonne vorliegt oder dass die Destillationsapparatur als eine mehrere Destillationskolonnen enthaltende Kaskade vorliegt, wobei zwischen den Destillationskolonnen jeweils Kondensatoren vorgesehen sind. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Destillationsapparatur 3, 4 oder 5 hintereinandergeschaltete, jeweils verschiedene Temperaturniveaus aufweisende Kondensatoren aufweist.

[0024] Was also bisher in 2 Prozessschritten erreicht wurde, lässt sich mithilfe der Erfindung nunmehr in einem Schritt ohne vorgeschaltete Coldbox realisieren, was ein Vorteil der Erfindung ist.

[0025] Durch die verfahrensgemäße Nutzung der Destillationvorrichtung mit mehreren bei unterschiedlichen Temperaturniveaus arbeitenden Kondensatoren wird erreicht, dass nicht die gesamte Kühlmenge für die Kondensation auf dem niedrigsten Temperaturniveau und damit dem mit den höchsten Kosten bereitgestellt werden muss. Stattdessen arbeiten die Zwischenkondensatoren bei Temperaturen von etwa +45°C, +15 ⁰ C beziehungsweise -30 ⁰ C, was ein weiterer Vorteil der Erfindung ist.

[0026] Der größte Teil der in der Kolonne, sofern eine solche verwendet wird, aufsteigenden Dämpfe wird daher schon vor Erreichen des Kolonnenkopfkondensators kondensiert und strömt als Flüssigkeit nach unten. Das für den Betrieb des Kopfkondensators benötigte Kälteniveau, ca. -80 °C, und die benötigte Kondensationsleistung können durch Entspannung der Leichtsieder in der Anlage selbst erzeugt werden, was ein weiterer Vorteil der Erfindung ist.

[0027] Die Erfindung wird im Folgenden anhand von 3 Beispielen näher erläutert:

• Fig. 1 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem die Destillationsvorrichtung aus einer einzigen Destillationskolonne mit mehreren Zwischenkondensatoren besteht.

• Fig. 2 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem die Destillationsvorrichtung aus voneinander getrenntem Abtreibsteil und Verstärkungsteil aufgebaut ist.

• Fig. 3 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem die Destillationsvorrichtung aus 3 Abschnitten aufgebaut ist, wobei sich zwischen den Abschnitten jeweils die Zwischenkondensatoren befinden.

[0028] In allen 3 Beispielen kann das dampfförmige Einsatzgemisch 1 z.B. in einem Ammoniakverdampfer 2 zunächst auf 15 °C abgekühlt werden. In einem weiteren Wärmetauscher 3 kann gegen die gewonnene C2-Fraktion 4 weiter auf etwa 10 ⁰ C abgekühlt werden, wobei ein Teil des Dampfes kondensiert. Dampfphase 5 und Kondensat 6 gelangen getrennt in die Destillationsvorrichtung. Je nach Zusammensetzung des Ausgangsgemischs kann die Aufgabe auch oberhalb der Kondensationsstufe mit dem höchsten Temperaturniveau erfolgen.

[0029] In dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel strömt die Flüssigkeit in der Destillationskolonne 7 nach unten und wird teilweise wiederverdampft. Der nicht verdampfte Teil wird als C3 ⁺ -Produkt 8 am Sumpf der Destillationskolonne 7 abgezogen. Die Leichtsieder steigen als Dampf nach oben und werden vom zweiteilig ausgeführten, ersten Kondensator 9, der sich über dem Aufgabeboden befindet, zum Teil kondensiert, wobei als Kühlmittel nacheinander Kühlwasser und Ammoniak eingesetzt werden. Weiter aufsteigende Dämpfe werden im zweiten Kondensator 10, der mit dem Kühlmittel Propan oder Propen betrieben wird, zum Teil verflüssigt, so dass nur ein geringer Teil der Dämpfe zum Kopfkondensator 11 gelangt. Die im Kopfkondensator 11 nicht kondensierten Dämpfe bilden die C2-Fraktionen 12 und 13, welche im Anschluss an die Kondensation im Expander 14 entspannt wird, wobei sie sich auf ca. -125 ⁰ C abkühlt. Dieser abgekühlte Dampf 15 wird als Kühlmedium auf der kalten Seite des Kopfkondensators 11 genutzt, wobei es sich auf etwa -50 ⁰ C erwärmt. Anschließend durchläuft diese C2-Fraktion 4 zur Abkühlung des Einsatzgemisches 1 noch den Wärmetauscher 3.

[0030] In dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel strömt die Flüssigkeit in dem Abtriebsteil 16 nach unten und wird teilweise wiederverdampft. Der nicht verdampfte Teil wird als C3 ⁺ -Produkt 8 am Sumpf des Abtriebsteils 16 abgezogen. Die dampfförmigen Leichtsieder 17 strömen in den zweiteilig ausgeführten, ersten Kondensator 9, und werden dort zum Teil kondensiert, wobei als Kühlmittel nacheinander Kühlwasser und Ammoniak eingesetzt werden. Sowohl das Kondensat 18 als auch die Dämpfe 19 werden in den Verstärkungsteil 20 gegeben. Ein Teil des Sumpfes des Verstärkungsteils 20 wird als Kopfvorlage 21 des Abtriebsteils 16 eingesetzt. Weiter aufsteigende Dämpfe werden im zweiten Kondensator 10, der mit dem Kühlmittel Propan betrieben wird, zum Teil verflüssigt, so dass nur ein geringer Teil der Dämpfe zum Kopfkondensator 11 gelangt. Die im Kopfkondensator 11 nicht kondensierten Dämpfe bilden die C2-Fraktionen 12 und 13, welche im Anschluss an die Kondensation im Expander 14 entspannt wird, wobei sie sich auf ca. -125 ⁰ C

abkühlt. Dieser abgekühlte Dampf 15 wird als Kühlmedium auf der kalten Seite des Kopfkondensators 11 genutzt, wobei es sich auf -50 ⁰ C erwärmt. Anschließend durchläuft diese C2-Fraktion 4 zur Abkühlung des Einsatzgemisches 1 noch den Wärmetauscher 3.

[0031] In dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel strömt die Flüssigkeit in dem Abtriebsteil 16 nach unten und wird teilweise wiederverdampft. Der nicht verdampfte Teil wird als C3 ⁺ -Produkt 8 am Sumpf des Abtriebsteils 16 abgezogen. Die dampfförmigen Leichtsieder 17 strömen in den zweiteilig ausgeführten, ersten Kondensator 9, und werden dort zum Teil kondensiert, wobei als Kühlmittel nacheinander Kühlwasser und Ammoniak eingesetzt werden. Sowohl das Kondensat 18 als auch die Dämpfe 19 werden in den ersten Verstärkungsteil 22 gegeben. Ein Teil des Sumpfes des ersten Verstärkungsteils 22 wird als Kopfvorlage des Abtriebsteils 16 eingesetzt. Weiter aufsteigende Dämpfe werden im zweiten Kondensator 10, der mit dem Kühlmittel Propan oder Propen betrieben wird, zum Teil verflüssigt, sowohl das Kondensat als auch die Dämpfe werden in einen zweiten Verstärkungsteil 23 gegeben. Der Sumpf des zweiten Verstärkungsteils 23 dient als Kopfvorlage des ersten Verstärkungsteils 22, auf diese Weise gelangt nur ein geringer Teil der Dämpfe zum Kopfkondensator 11. Die im Kopfkondensator 11 nicht kondensierten Dämpfe bilden die C2-Fraktionen 12 und 13, welche im Anschluss an die Kondensation im Expander 14 entspannt wird, wobei sie sich auf ca. -125 ⁰ C abkühlt. Dieser abgekühlte Dampf 15 wird als Kühlmedium auf der kalten Seite des Kopfkondensators 11 genutzt, wobei er sich auf etwa -50 ⁰ C erwärmt. Anschließend durchläuft diese C2-Fraktion 4 zur Abkühlung des Einsatzgemisches 1 noch den Wärmetauscher 3.

[0032] Diese letzte Variante hat gegenüber den vorangegangen den Vorteil, dass nur der Oberteil der zweiten Verstärkungskolonne Tieftemperatur-beständig ausgeführt und mit einer stärkeren Isolierung ausgestattet werden muss, um Wärmeaufnahme zu verhindern, was einer der Vorteile der Erfindung ist.

[0033] In allen 3 Beispielen wird zwar eine größere Wärmemenge zum Betrieb der Verdampfer gegenüber dem herkömmlichen Stand der Technik benötigt, diese Wärme ist jedoch nur bei ca. 75 ⁰ C erforderlich, weswegen in der Regel Abwärme aus anderen Prozessteilen eines Anlagenverbundes zum Einsatz kommen wird, welche sonst aufwändig mittels Luftkühlern abgeführt werden müsste, was ein weiterer Vorteil der Erfindung ist. In Summe wird zudem zwar mehr Kühlleistung benötigt, allerdings kann

die Wärme auf günstigerem Kühlniveau abgeführt werden, was ein weiterer Vorteil der Erfindung ist.

[0034] Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem eingangs aufgezeigten Verfahren nach dem Stand der Technik sind:

Durch den Einsatz von Kühlwasser können ca. 25 % der Ammoniakkühlleistung eingespart werden, daher ist auch nur eine kleinere Ammoniakkühlanlage erforderlich Die Propankühlleistung ist um ca. 55 % geringer, daher ist auch die erforderliche Kompressorleistung für den Propankältekreislauf um ca. 50 % geringer, auch der Kompressor kann entsprechend kleiner dimensioniert werden