Rektifikation ist die am häufigsten eingesetzte Technologie zur Fluidtrennung und macht etwa 95% der industriellen Fluidtrennungen aus. Sie ist aber gleichzeitig für einen erheblichen Teil des Energiebedarfs in der chemischen Industrie verantwortlich. Angesichts steigender Energiepreise und der Notwendigkeit, den Ausstoß von Treibhausgasen zu verringern, ist es unerlässlich, die Effizienz von Rektifikationsprozessen zu erhöhen. Je nach spezifischer Trennaufgabe kommen dafür verschiedene Verbesserungsmaßnahmen wie thermische Kopplung, Wärmeintegration oder der Einsatz von Wärmepumpen sowie unterschiedliche Kolonnenkonfigurationen zur Trennung in mehrere Fraktionen in Frage. Dementsprechend muss aus einer Vielzahl von Möglichkeiten die effizienteste Prozessalternative evaluiert werden.

Um dies zu erreichen, wird ein Shortcut-Screening-Tool für die automatisierte und rechnerisch effiziente Simulation von Prozessalternativen entwickelt und angewendet. Eine breite Palette von Rektifikationsprozessen wird modelliert, einschließlich einzelner Kolonnen und ternärer Sequenzen sowie Varianten dieser Prozesse mit verschiedenen Formen der Energieintegration. Der Energiebedarf wird mit Hilfe der pinch-basierten Rektifikationskörpermethode, welche auf rigoroser Thermodynamik basiert, ohne dass konstante Molenströme oder konstante relative Flüchtigkeiten angenommen werden müssen. Die Leistungsfähigkeit des Prozesses kann im Hinblick auf den Energiebedarf, die Betriebs- und Investitionskosten und die exergetische Effizienz bewertet werden. Die vielversprechendsten Konzepte für die Energieintegration werden identifiziert und für eine detaillierte Bewertung rigoros optimiert.

Das Konzept „Liquid Only Transfer“ (LOT) hat sich als eine der vielversprechendsten Methoden zur Energieintegration erwiesen. Thermisch gekoppelte Konfigurationen können durch Hinzufügen von Kolonnensegmenten und Wärmeübertragern in Kolonnensequenzen mit einem flüssigen Seitenströmen umgewandelt werden. Bei diesen Konfigurationen bleibt das Energieeinsparpotenzial der thermisch gekoppelten Konfiguration erhalten, während die einzelnen Kolonnen hydrodynamisch entkoppelt werden. Solche modifizierten Konfigurationen mit einem einzigen Seitenstrom können sich dem Energiebedarf einer Trennwandkolonne annähern oder ihn sogar vollständig erreichen, wenn zwei Seitenströme verwendet werden. Darüber hinaus ermöglicht Liquid Only Transfer eine zusätzliche Wärmeintegration, indem die einzelnen Kolonnen bei unterschiedlichen Drücken betrieben werden.

Eine weitere Möglichkeit mit großem Einsparpotenzial ist der Einsatz von Wärmepumpen unter Verwendung von Kompressoren, wie z.B. der Brüdenkompression. Dies bietet neben der drastischen Reduzierung des Energiebedarfs auch die Möglichkeit, den Prozess mit Strom aus erneuerbaren Quellen zu betreiben. Die Brüdenkompression ist das am weitesten verbreitete Konzept, aber auch externe Wärmepumpen mit frei wählbaren Kältemitteln und intern wärmeintegrierte Rektifikationskolonnen (HIDiC), bei denen die einzelnen Sektionen mit unterschiedlichen Drücken betrieben werden, sind attraktive Alternativen.

Kontakt:

• Momme Adami, M.Sc.
• Prof. Dr.-Ing. Mirko Skiborowski