In der chemischen Prozessindustrie (CPI) werden die meisten Trennungen über Destillationskolonnen durchgeführt.Und wenn der Rest des Prozesses auf diesen Säulen beruht, sind Ineffizienzen, Engpässe und Stillstände problematisch.Um die Destillationsprozesse – und den Rest der Anlage – am Laufen zu halten, werden Kolonneneinbauten optimiert und überarbeitet, um die Effizienz und Zuverlässigkeit der Kolonnen zu optimieren.

„Ob es um die Raffinierung, die chemische Verarbeitung oder die Herstellung von Kunststoffen geht, die Trennung organischer Chemikalien erfolgt größtenteils durch Destillation.Gleichzeitig stehen Chemieverarbeiter unter ständigem Druck, ihre Prozesse kosteneffizienter zu gestalten“, sagt Izak Nieuwoudt, Chief Technical Officer bei Koch-Glitsch (Wichita, Kan.; www.koch-glitsch.com).„Da Destillationskolonnen ein großer Energieverbraucher sind und die Menschen nicht viel Zeit mit der Reparatur von Geräten verbringen möchten, steht die Steigerung der Effizienz und Zuverlässigkeit der Kolonnen derzeit im Vordergrund.“

Nachdem ein Prozess in Betrieb ist, stellen Verarbeiter häufig fest, dass der Energieverbrauch viel höher ist als erwartet, sagt Antonio Garcia, Business Development Manager für Massentransfer bei AMACS Process Tower Internals (Arlington, Texas; www.amacs.com).„Um eine bessere Energieeffizienz zu erreichen, müssen sie Möglichkeiten zur Verbesserung der Stoffübertragungsleistung erkunden“, sagt er.„Darüber hinaus suchen Verarbeiter oft nach Möglichkeiten, den Prozess zu entlasten, um bessere Trennungs- und Kapazitätsanforderungen zu erreichen, und Verschmutzung ist eine häufige Ursache für Engpässe. Daher ist es auch wichtig, Technologien zu finden, die bei diesen Problemen helfen.“

Engpässe und Ausfallzeiten, die durch Verschmutzung oder mechanische Probleme wie Vibrationen oder auseinanderfallende Mechanismen innerhalb der Säulen verursacht werden, können sehr kostspielig werden.„Jedes Mal, wenn man eine Destillationskolonne abschalten muss, ist es sehr teuer, da dies häufig auch die Abschaltung vor- und nachgeschalteter Einheiten zur Folge hat“, sagt Nieuwoudt.„Und diese ungeplanten Stillstände führen zu großen Verlusten pro Tag.“

Aus diesem Grund entwickeln Hersteller von Kolonneneinbauten Produkte, die den Verarbeitern dabei helfen sollen, die Energieeffizienz und Zuverlässigkeit zu steigern.

Für einen Verarbeiter, der eine höhere Effizienz, Kapazität und Zuverlässigkeit anstrebt, ist es häufig notwendig, herkömmliche Schalen und Verpackungen durch neuere, fortschrittliche Lösungen zu ersetzen. Daher sind Hersteller ständig auf der Suche nach einer Verbesserung ihrer Angebote.

Beispielsweise hat die Raschig GmbH (Ludwigshafen, Deutschland; www.raschig.com) kürzlich den Raschig Super-Ring Plus auf den Markt gebracht, eine neue Hochleistungs-Füllkörperpackung, die die Leistung des vorherigen Raschig-Rings übertrifft.„Die optimierte Struktur des Raschig Super-Ring Plus ermöglicht eine weitere Kapazitätssteigerung bei konstanten Wirkungsgraden“, sagt Micheal Schultes, technischer Direktor bei Raschig.„Das Produkt ist das Ergebnis einer Designentwicklung, die auf langjähriger Forschung basiert.Das Ziel bestand darin, alle Vorteile des Super-Rings beizubehalten, aber die Kapazität zu verbessern und den Druckabfall zu verringern.“

Das resultierende Produkt minimiert den Druckabfall durch die Anordnung flacher sinusförmiger Streifen in einer extrem offenen Struktur, maximiert die Kapazität durch Filmflussbevorzugung bei kontinuierlichen sinusförmigen Streifenanordnungen, erhöht die Effizienz durch Minimierung der Tröpfchenbildung innerhalb der Packung und verringert die Verschmutzungstendenz durch die Reduzierung der Tröpfchenentwicklung und die Bereitstellung niedriger Druckverlust.Die Verschmutzungsempfindlichkeit wird auch durch die Erzeugung kontinuierlicher Flüssigkeitsfilme verringert, die das gesamte Packungselement benetzen.

Ebenso hat AMACS Forschung betrieben, um sein SuperBlend-Produkt zu verbessern.„Untersuchungen haben gezeigt, dass durch den Austausch bestehender Füllkörper mit unserem SuperBlend 2-PAC die Turmeffizienz um 20 % oder die Kapazität um 15 % gesteigert werden kann“, sagt Moize Turkey, Manager für Anwendungstechnik bei AMACS.Die SuperBlend 2-PAC-Technologie ist eine Mischung aus leistungsstarken Packungsgrößen, die in einem einzigen Bett untergebracht sind.„Wir mischen zwei Größen der besten Metall-Random-Geometrie und in Kombination erreicht die patentierte Mischung die Effizienzvorteile der kleineren Packungsgröße, während gleichzeitig die Kapazität und der Druckabfall der größeren Packungsgröße erhalten bleiben“, sagt er.Das Mischbett wird für Absorption und Strippung, feine chemische Destillation, Raffineriefraktionatoren und Nachrüstmöglichkeiten in Stoff- oder Wärmeübertragungstürmen empfohlen, die durch konventionelle Füllkörper oder Füllkörper der dritten Generation eingeschränkt sind.

Es werden auch Verbesserungen an den Innenteilen entwickelt, um bei Problemen wie Verschmutzung und schwierigen Bedingungen zu helfen.

„Zuverlässigkeit ist im Alltag extrem wichtig.Egal wie gut ein Gerät funktioniert: Wenn es den Verschmutzungsbedingungen in einem Prozess nicht standhält, wird es nicht erfolgreich sein“, sagt Mark Pilling, Technologiemanager USA bei Sulzer (Winterthur, Schweiz; www.sulzer. com).„Sulzer hat in den letzten fünf Jahren enorm viel Zeit in die Entwicklung einer kompletten Produktlinie verschmutzungsresistenter Geräte investiert.“Im Bereich Tabletts bietet das Unternehmen VG AF- und Antifouling-Trays sowie kürzlich auf den Markt gebrachte UFM AF-Ventile an, die sowohl eine hohe Leistung in Bezug auf Kapazität und Effizienz als auch eine extreme Fouling-Resistenz bieten.Im Bereich der Packungen brachte das Unternehmen die Antifouling-Gitterpackungen Mellagrid AF auf den Markt, die sich für stark verschmutzende Packungsanwendungen wie Vakuumturmwaschabschnitte eignen.

Pilling fügt hinzu, dass Sulzer bei Schaumproblemen an einem zweigleisigen Ansatz gearbeitet habe.„Während wir Geräte und Designs für Schäumanwendungen entwickeln, arbeiten wir auch mit unseren Kunden zusammen, um mögliche Schäumanwendungen zu ermitteln“, sagt er.„Sobald man weiß, dass es Schaumbildung gibt, kann man entsprechend entwerfen.Es sind die Fälle, in denen ein Kunde unter Schaumbildung leidet und nichts davon weiß, was zu Problemen führen kann.Wir sehen alle Arten von Schäumen, beispielsweise Marangoni-, Ross-Schäume und Partikelschäume, und arbeiten mit Kunden zusammen, um solche Situationen zu identifizieren.“

Und für Anwendungen, bei denen Verschmutzung und Verkokung sehr schwerwiegend sein können, hat Koch-Glitsch die Hochleistungs-Gitterpackung Proflux entwickelt, sagt Nieuwoudt (Abbildung 1).Die neue Hochleistungs-Gitterpackung für den harten Einsatz kombiniert die Effizienz strukturierter Packungen mit der Robustheit und Verschmutzungsresistenz von Gitterpackungen.Es handelt sich um eine Anordnung aus stabilen Wellblechen, die an dicke Stäbe geschweißt sind.Die Kombination aus geschweißter Stangenanordnung und Wellblechen mit erhöhter Materialstärke sorgt für eine robuste Konstruktion, die Schäden durch Turmstürze oder Erosion widersteht.Die Lücken zwischen den Blechen sorgen für eine verbesserte Verschmutzungsbeständigkeit.„Die Packung wurde inzwischen fast 100 Mal in Betrieben mit sehr starker Verschmutzung installiert und funktioniert im Vergleich zu den Produkten, die sie ersetzt, wirklich gut.Die längere Lebensdauer und der geringere Druckabfall führen zu geringeren Betriebskosten für den Kunden“, sagt Nieuwoudt.

Abbildung 1. Die Proflux-Gitterpackung für schwere Anwendungen ist eine Hochleistungs-Gitterpackung für schwere Anwendungen, die die Effizienz einer strukturierten Packung mit der Robustheit und Verschmutzungsbeständigkeit der Koch-Glitsch-Gitterpackung kombiniert

Auch bei der Destillation gibt es häufig prozessspezifische Herausforderungen, denen durch besondere Maßnahmen begegnet werden muss.

„Es gibt einen Markt für maßgeschneiderte Lösungen, die auf den spezifischen Prozess und die Kundenbedürfnisse abgestimmt sind“, sagt Christian Geipel, Geschäftsführer von RVT Process Equipment (Steinwiesen, Deutschland; www.rvtpe.com).„Dies gilt insbesondere für Umbauten bestehender Anlagen, die an neue Anforderungen angepasst werden.Die Herausforderungen sind vielfältig und umfassen Ziele wie längere und vorhersehbarere Lauflängen für Fouling-Anwendungen, höhere Kapazität und geringeren Druckabfall oder größere Betriebsbereiche für mehr Flexibilität.“

Um spezifische Anforderungen zu erfüllen, hat RVT eine strukturierte Packung mit hoher Kapazität entwickelt, die SP-Line (Abbildung 2).„Durch die veränderte Kanalgeometrie werden ein geringerer Druckabfall und eine höhere Kapazität erreicht.“Darüber hinaus können diese Packungen bei sehr geringen Flüssigkeitsmengen, einer weiteren anwendungsspezifischen Herausforderung, mit neuartigen Flüssigkeitsverteilern kombiniert werden.„Es wurde ein verbesserter Sprühdüsenverteiler entwickelt, der Sprühdüsen mit Spritzplatten kombiniert und erfolgreich in Anwendungen wie Raffinerie-Vakuumkolonnen eingesetzt wird“, sagt Geipel.„Es reduziert die Mitnahme und damit die Verschmutzung in den Packungsabschnitten oberhalb des Verteilers, ohne die Qualität der Flüssigkeitsverteilung im Packungsabschnitt darunter zu beeinträchtigen.“

Abbildung 2. Eine neue strukturierte Packung mit hoher Kapazität, die SP-Line von RVT, bietet modifizierte Kanalgeometrie, geringeren Druckabfall und RVT-Prozessausrüstung mit höherer Kapazität

Ein weiterer neuer Flüssigkeitsverteiler von RVT (Abbildung 3) ist ein Trogverteiler mit Spritzplatten, der niedrige Flüssigkeitsmengen mit einem größeren Betriebsbereich und einem robusten, verschmutzungsresistenten Design kombiniert.

Abbildung 3. Für sehr geringe Flüssigkeitsmengen, eine weitere anwendungsspezifische Herausforderung, können Packungen mit neuartigen Flüssigkeitsverteilern RVT Process Equipment kombiniert werden

In ähnlicher Weise entwickelt GTC Technology US, LLC (Houston; www.gtctech.com) neue Produkte, um Verarbeiter dabei zu unterstützen, die Leistung von Destillationskolonnen entsprechend ihren spezifischen Anforderungen zu verbessern.Zu den neuesten Entwicklungen gehören GT-OPTIM-Hochleistungstabletts, sagt Brad Fleming, General Manager der GTC-Abteilung Process Equipment Technology.Hunderte industrielle Installationen sowie Tests bei Fractionation Research Inc. (FRI; Stillwater, Oklahoma; www.fri.org) haben gezeigt, dass der Hochleistungsboden eine deutliche Effizienz- und Kapazitätsverbesserung gegenüber herkömmlichen Böden erzielt.Die Querstromböden werden an die Bedürfnisse des Endbenutzers angepasst, um durch eine Kombination patentierter und proprietärer Geräte, aus denen sich jedes Wannendesign zusammensetzt, eine hohe Effizienz zu erreichen.„Wir können eine Sammlung von Technologien und Funktionen bereitstellen, die zur Erreichung spezifischer Ziele eingesetzt werden können“, bemerkt Fleming.„Das Ziel eines Prozessors könnte darin bestehen, die Effizienz zu steigern, während ein anderer die Kapazität erhöhen möchte und wieder ein anderer den Druckabfall minimieren, Verschmutzungen mindern oder die Laufzeit verlängern möchte.Wir verfügen über viele verschiedene Waffen in unserem Ausrüstungsdesign-Arsenal, so dass wir uns auf das angestrebte Ziel des Kunden bei seiner spezifischen Prozessverbesserung konzentrieren können.“

Inzwischen hat AMACS eine weitere häufige Destillationsherausforderung angegangen, mit der Erdölraffinerien, petrochemische Anlagen, Gaswerke und ähnliche Anlagen konfrontiert sind.Oft gelingt es einer vertikalen Ausstoßtrommel oder einem Abscheider mit installierter Nebelbeseitigungsausrüstung nicht, freie Flüssigkeit aus einem Prozessgasstrom zu entfernen.„Anstatt zu versuchen, Symptome zu bekämpfen oder zu reparieren, suchen wir nach der Grundursache, die normalerweise die Nebelbeseitigungsausrüstung in der Knockout-Trommel betrifft“, sagt Garcia von AMACS.Um dieses Problem anzugehen, entwickelte das Unternehmen den Maxswirl Cyclone, ein leistungsstarkes und hocheffizientes Nebelbeseitigungsgerät, das Zentrifugalkräfte nutzt, um eine hochmoderne Trennleistung zu erzielen.

Die Maxswirl-Zyklonrohre bestehen aus einem festen Wirbelelement, das Zentrifugalkraft auf nebelbeladenen Dampf ausübt, um mitgerissene Flüssigkeit vom Gasstrom zu trennen.In diesem Axialströmungszyklon werden Flüssigkeitströpfchen durch die entstehende Zentrifugalkraft nach außen gedrückt, wo sie einen Flüssigkeitsfilm an der Innenwand des Zyklons bilden.Die Flüssigkeit strömt durch Schlitze in der Rohrwand und wird am Boden des Zyklonkastens gesammelt und durch die Schwerkraft abgelassen.Das trockene Gas konzentriert sich in der Mitte des Zyklonrohrs und tritt durch den Zyklon aus.

Unterdessen konzentriert DeDietrich (Mainz, Deutschland; www.dedietrich.com) seine Bemühungen auf die Bereitstellung von Säulen und Einbauten für hochkorrosive Prozesse bei Temperaturen bis zu 390 °F, sagt Edgar Steffin, Marketingleiter bei DeDietrich.„Säulen bis DN1000 bestehen aus QVF-Borosilikatglas 3.3 oder glasbeschichtetem DeDietrich-Stahl.Größere Säulen bis DN2400 bestehen ausschließlich aus emailliertem DeDietrich-Stahl.Die korrosionsbeständigen Materialien bestehen aus Borosilikatglas 3.3, SiC, PTFE oder Tantal“ (Abbildung 4).

Abbildung 4. DeDietrich konzentriert sich auf Säulen und Einbauten für hochkorrosive Prozesse bei Temperaturen bis zu 390 °F.Säulen bis DN1000 bestehen aus QVF-Borosilikatglas 3.3 oder glasbeschichtetem DeDietrich-Stahl.Größere Säulen bis DN2400 bestehen ausschließlich aus emailliertem DeDietrich-Stahl.Die korrosionsbeständigen Materialien bestehen aus Borosilikatglas 3.3, SiC, PTFE oder Tantal DeDietrich

Er fügt hinzu, dass die meisten Prozesse bei erhöhten Temperaturen über 300 °F den Verzicht auf PTFE erfordern.SiC weist eine höhere Temperaturbeständigkeit auf und ermöglicht die Konstruktion größerer Verteiler und Sammler, die weniger empfindlich auf Feststoffe oder solche reagieren, die zum Schäumen, Ausgasen oder Flackern neigen.

Die Durapack-Strukturpackung des Unternehmens aus Borosilikatglas 3.3 eignet sich für Kolonnen aus korrosionsbeständigem Glas 3.3 oder emailliertem Stahl, da sie die gleiche Korrosionsbeständigkeit wie die Glaskolonne aufweist und im Vergleich zu Polymeren ihre thermische Stabilität bei höheren Temperaturen behält.Borosilikatglas 3.3 ist nicht porös, wodurch Erosion und Korrosion im Vergleich zu gleichwertigen Keramikpackungen erheblich verringert werden.

Und Türme, die einen Seitenschnitt haben, aber thermisch ineffizient sind, könnten laut Fleming von GTC gute Kandidaten für die Trennwand-Säulentechnologie sein.„Viele Destillationskolonnen haben ein Kopf- und Sumpfprodukt sowie ein Seitenabzugsprodukt, aber damit geht eine große thermische Ineffizienz einher.Die Trennwandkolonnentechnologie – bei der man die herkömmliche Kolonne umgestaltet – ist eine Möglichkeit, die Kapazität zu erhöhen und gleichzeitig den Energieverbrauch zu senken oder die Ausbeuteverunreinigung der Produkte zu reduzieren“, sagt er (Abbildung 5).

Abbildung 5. Türme mit Seitenschnitt, die aber thermisch ineffizient sind, könnten gute Kandidaten für die Trennwand-Säulentechnologie von GTC Technologies sein

Die Trennwandkolonne trennt eine Mehrkomponentenbeschickung in drei oder mehr gereinigte Ströme innerhalb eines einzigen Turms, sodass keine zweite Kolonne erforderlich ist.Der Entwurf verwendet eine vertikale Wand, um die Mitte der Säule in zwei Abschnitte zu unterteilen.Der Feed wird zu einer Seite der Säule geleitet, die als Vorfraktionierungsabschnitt bezeichnet wird.Dort wandern die leichten Komponenten die Säule nach oben, wo sie gereinigt werden, während die schweren Komponenten die Säule nach unten wandern.Der Flüssigkeitsstrom vom Kolonnenkopf und der Dampfstrom vom Boden werden zu den jeweiligen Seiten der Trennwand geleitet.

Von der gegenüberliegenden Seite der Wand wird das Nebenprodukt aus dem Bereich entfernt, in dem die mittelsiedenden Komponenten am stärksten konzentriert sind.Diese Anordnung ist in der Lage, ein viel reineres Mittelprodukt als eine herkömmliche Seitenabzugskolonne mit der gleichen Leistung und bei höherer Durchflussrate zu erzeugen.

„Die Umstellung auf eine Trennwandkolonne wird untersucht, wenn Sie erhebliche Verbesserungen erzielen möchten, die sonst im Rahmen der Einschränkungen eines herkömmlichen Turms nicht möglich wären. Wenn Sie jedoch auf Trennwandtechnologie umsteigen können, werden Sie eine deutliche Verringerung feststellen im Energieverbrauch“, sagt er.„Im Allgemeinen kommt es bei einem gegebenen Durchsatz zu einer Reduzierung des Gesamtenergieverbrauchs um 25 bis 30 %, zu einer deutlich verbesserten Ausbeute und Reinheit der Produkte und oft auch zu einer Steigerung des Durchsatzes.“

Er fügt hinzu, dass es auch die Möglichkeit gibt, eine Trennwandsäule zu verwenden, um eine traditionelle Zwei-Turm-Reihenfolge zu ersetzen.„Sie können Trennwandkolonnen verwenden, um den gleichen Vorgang durchzuführen und die gleichen Produkte herzustellen, aber Sie tun dies in einem physischen Turm im Vergleich zu einem System mit zwei Türmen.Im Breitensportbereich kann mit der Trennwandsäulentechnik eine erhebliche Reduzierung der Investitionskosten erreicht werden.“

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