Vakuum konstant halten
Die Vakuum-Pumpenstation hält das an der Kondensationsstation anliegende Vakuum auf dem gewählten Sollwert.
Technische Lösung für stabile Vakuumdestillation
Verfahren zur Temperatur- und Druckregelung im Kopf von Vakuum-Destillationskolonnen
Das Verfahren trennt die Regelung von Vakuum, Kopftemperatur und Kopfdruck in eigenständige Regelkreise. Das Vakuum an der Kondensationsstation wird konstant gehalten, die Temperatur am Kolonnenkopf über rückgeführtes Kondensat und der Kopfdruck über die geregelte Zufuhr eines Inertgases stabilisiert.
Technische Grundlage: DE 10 2017 010 783 A1Ausgangsproblem
Schwankende Druckverluste können die Zusammensetzung des Kopfproduktes verändern
Belagbildung, wechselnde Flüssigkeitsbelastungen und veränderte Strömungswiderstände an Kolonnenböden und Wärmetauschern beeinflussen das Druckprofil einer Vakuum-Destillationsanlage. Selbst bei stabiler Kopftemperatur kann dadurch der tatsächliche Kopfdruck schwanken und die Zusammensetzung des abgezogenen Destillates verändern.
Die Verfahrenslösung stabilisiert deshalb nicht nur das an der Kondensationsstation anliegende Vakuum, sondern regelt Temperatur und Druck unmittelbar am Kolonnenkopf getrennt voneinander.
Vakuum-Destillations- und Rektifikationskolonnen
Gewinnung eines Leichtsieders als Kopfprodukt
Bioethanol und weitere temperaturempfindliche Stoffgemische
Anlagen mit verfügbarer Kohlendioxid- oder Stickstoffquelle
Verfahrensablauf
Vier getrennte Stellgrößen für eine stabile Destillation
Energieeintrag, Vakuum, Kopftemperatur und Kopfdruck werden jeweils dort beeinflusst, wo die zugehörige Prozessgröße wirksam geregelt werden kann.
Verdampftes Medium zuführen
Der Energieeintrag erfolgt unterhalb der Abtriebsböden durch verdampftes Wasser, Heizdampf oder vorzugsweise extern aufgeheiztes und beim Eintritt entspanntes Sumpfprodukt.
Kopftemperatur regeln
Kondensat aus der Kondensationsstation wird bedarfsgerecht in den Kolonnenkopf zurückgeführt. Aufheizung und erneute Verdampfung entziehen dem Kopfbereich Energie.
Kopfdruck regeln
Ein schnelles Regelventil dosiert Kohlendioxid oder Stickstoff in den Kolonnenkopf und hält den absoluten Druck trotz wechselnder Druckverluste auf dem Sollwert.
Destillat kondensieren und aufteilen
Das Kopfprodukt wird kondensiert. Ein Teil des Kondensates dient der Temperaturregelung, der verbleibende Produktstrom wird ausgetragen.
Regelungskonzept
Unabhängige Regelkreise statt indirekter Korrekturen
Die Trennung der Stellgrößen reduziert gegenseitige Wechselwirkungen: Die Vakuumpumpe bestimmt das Grundvakuum, Kondensatrückführung beeinflusst die Kopftemperatur und die Inertgaszufuhr korrigiert den Kopfdruck.
Grundvakuum: Vakuum-Pumpenstation an der Kondensationsstation
Kopftemperatur: geregelte Rückführung gekühlten Kondensates
Kopfdruck: geregelte Zufuhr von Kohlendioxid oder Stickstoff
Energieeintrag: verdampftes, vorzugsweise rezirkuliertes Sumpfprodukt
Technische Merkmale
Einbindung von Kondensat-, Sumpfprodukt- und Inertgaskreislauf
Externer Sumpfproduktkreislauf
Sumpfprodukt kann extern indirekt erwärmt und erst beim Wiedereintritt in die Kolonne entspannt werden. Dadurch können großvolumige Dampfleitungen außerhalb der Kolonne vermieden werden.
Kondensat als Regelmedium
Die Temperatur des Kondensates kann über das verfügbare Kühlmedium stabilisiert werden. Das Kondensat steht anschließend unmittelbar für die Kopfkühlung zur Verfügung.
Nutzung von Fermentations-CO₂
Bei Bioethanolanlagen kann Kohlendioxid aus der Fermentationsstation vor oder nach der CO₂-Wäsche als Inertgasquelle genutzt werden, sofern Qualität, Verfügbarkeit und Sicherheit geeignet sind.
Automatisierbare Prozessführung
Separate Mess- und Regelkreise für Vakuum, Temperatur und Druck schaffen eine klare Grundlage für den automatisierten Kolonnenbetrieb.
Kundennutzen
Stabilere Produktqualität und energieeffiziente Prozessintegration
Konstante Destillatzusammensetzung
Die direkte Stabilisierung von Kopftemperatur und Kopfdruck vermindert Qualitätsschwankungen, die aus wechselnden Druckverlusten in der Kolonne resultieren können.
Niedrigere Prozesstemperaturen
Der Betrieb unter Vakuum ermöglicht die Verdampfung bei niedrigeren Temperaturen als unter atmosphärischen Bedingungen und kann temperaturempfindliche Produkte schonen.
Wärmerückgewinnung
Feed, Kopfprodukt und Sumpfprodukt können über Wärmetauscher energetisch gekoppelt werden. Die konkrete Einsparung hängt von Stoffsystem, Temperaturniveaus und Anlagenkonzept ab.
Integration vorhandener CO₂-Ströme
In Bioethanolanlagen kann ein vorhandener Kohlendioxidstrom als Stellmedium für die Druckregelung genutzt und damit funktional in den Destillationsprozess eingebunden werden.
Ausführungsbeispiel der Offenlegungsschrift
Vakuum-Destillationskolonne zur Gewinnung von hochkonzentriertem Bioethanol
Das beschriebene Beispiel verwendet eine Kolonne mit acht Abtriebsböden und 32 Auftriebsböden. Ein Feed mit etwa 6,5 Vol.-% Alkoholen wird über Wärmerückgewinnung vorgewärmt. Extern erhitztes Sumpfprodukt liefert den verfahrenstechnischen Antrieb, rückgeführtes Kondensat regelt die Kopftemperatur und Kohlendioxid aus der Fermentation stabilisiert den Kopfdruck.
Die Zahlen sind keine allgemeine Leistungszusage. Trennleistung, Energiebedarf, Produktqualität, Regelparameter und Apparateauslegung sind stoffsystem- und projektspezifisch zu berechnen und nachzuweisen.
8 Abtriebsböden im Beispiel32 Auftriebsböden im Beispieletwa 6,5 Vol.-% Alkohole im FeedKohlendioxid als Inertgas im Beispiel
Technischer Hintergrund
Die dargestellte Verfahrenslösung orientiert sich an der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2017 010 783 A1 „Verfahren zur Temperatur- und Druckregelung im Kopf von Vakuum-Destillationskolonnen“. Die konkrete Auslegung der Kolonne, Wärmetauscher, Kondensations- und Vakuumtechnik, Mess- und Regelkreise, Inertgasversorgung, Werkstoffe und Sicherheitseinrichtungen muss für das jeweilige Stoffsystem und Projekt erfolgen.
Technische Projektprüfung