Heteroazeotropdestillation als Verfahren zur Trennung thermisch empfindlicher Substanzen

Abstract

Die Destillation ist das bedeutendste thermischen Trennverfahren und zusätzlich zu ihrem hohen technologischen Reifegrad oft wirtschaftlicher als andere Verfahren. Die destillative Trennung thermisch empfindlicher Substanzen ist allerdings häufig schwierig.

Vakuumdestillation ist derzeit meist das Mittel der Wahl um thermische Schädigung oder Nebenreaktionen zu vermeiden. Diese Arbeit stellt eine Alternative vor: Heteroazeotropdestillation als Verfahren zur Trennung thermisch empfindlicher Substanzen. Statt wie bei der Vakuumdestillation die Siedetemperatur über den Druck abzusenken, nutzt das Verfahren die Tatsache, dass die Siedetemperatur eines Heteroazeotrops stets niedriger als die der beteiligten Stoffe ist. Ein Hilfsstoff wird zugegeben der mit den zu trennenden Stoffen Heteroazeotrope bildet. Über die gesamte Kolonnenhöhe sind zwei flüssige und eine gasförmige Phase vorhanden um die gewünschte Temperaturabsenkung im gesamten Verfahren zu gewährleisten.

Zusätzlich zur Temperaturabsenkung ist eine möglichst kurze Verweilzeit der thermisch empfindlichen Substanzen in Bereichen hoher Temperatur ein wichtiger Aspekt. Das neue Verfahren ist kontinuierlich und bietet damit kürzere Verweilzeiten als es in einem Batch-Verfahren möglich wäre.

Der Prozess wurde in einer Labordestillationskolonne (DN50) untersucht, in die 2,9m geordnete Gewebepackung eingesetzt waren. An zwei exemplarischen Stoffsystemen, Ethylacetat - 1-Butanol - Wasser und 2-Methyl-4-Pentanon - Butylacetat - Wasser, wurden umfangreiche Parameterstudien durchgeführt. Der Einfluss aller wichtigen Prozessparameter wie Rücklaufverhältnis, Zulauf, Heizleistung und Hilfsstoff-Umlaufmenge wurde an beiden Systemen untersucht. Die Experimente zeigen die Machbarkeit und Wirksamkeit des neuen Verfahrens und stellen eine stabile Basis für die Entwicklung und Validierung eines Modells des Prozesses dar.

Parallel dazu wurde die Fluiddynamik der durch das Stoffsystem gebildeten zwei flüssigen Phasen in der Packung untersucht. Das aus diesen Experimenten gewonnene Wissen erlaubt es, gemeinsam mit Modellen aus der Literatur, den zu erwartenden Trennwirkungsgrad abzuschätzen.

Das Verfahren kann durch ein Gleichgewichtsstufenmodell, das die Anwesenheit einer oder zweier flüssiger Phasen berücksichtigt, gut beschrieben werden. Das entstehende Gleichungssystem ist numerisch nicht einfach zu lösen. Ein Homotopieverfahren wurde zur Lösung der Modellgleichungen verwendet. Die Übereinstimmung zwischen Experiment und Modell ist sehr zufriedenstellend.

Der Prozess hat zwei Freiheitsgrade. Eine ausführliche Analyse des zugrundeliegenden Stoffsystems sowie Hinweise zur Auswahl des Hilfsstoffs und zur Regelung vervollständigen das Wissen, das für eine Anwendung des neuen Verfahrens nötig ist.

Das Verfahren stellt eine Alternative oder Ergänzung zur herkömmlichen Vakuumdestillation dar.

Distillation is the most important thermal separation process and in addition to its high technological maturity often the most economic option. Its application for separating thermally unstable substances is however limited.

To date, vacuum distillation is the usual approach to prevent thermal decomposition or side reactions in distillation. This work adds an alternative: heteroazeotropic distillation as a process for separating thermally unstable substances. Instead of reducing the pressure and, hence, the boiling temperature, it makes use of the fact that the boiling temperature of a heteroazeotrope is always lower than that of its constituents. An entrainer is chosen that forms heteroazeotropes with the compounds to be separated. Two liquid and a vapour phase are present over the entire height of the column to ensure the desired low temperature in the entire process.

In addition to reducing the temperature, minimising exposition time to high temperatures is an important aspect for processing of thermally unstable substances. The new process is a continuous one, which offers lower residence times than batch processes could.

The process was studied in a laboratory scale distillation column (diameter 50mm) equipped with 2.9m structured gauze packing. Extensive studies were done with two different test systems: Ethyl acetate - 1-butanol - water and 2-methyl-4-pentanone - 1-butyl acetate - water. In both cases water is the entrainer whereas the two organic components are to be separated. They differ mainly in the boiling point difference between the heteroazeotropes and the width of the miscibility gap. The influence of all important process parameters like reflux ratio, feed composition, heat duty and entrainer hold up was studied for both test systems. The experiments show the feasibility and efficiency of the new process, and they provide a sound basis for the development and validation of process models.

Additionally, the fluid dynamics of the two liquid phases formed by the test systems on the packing used in the distillation studies was investigated. The knowledge gained from these experiments allows, combined with models taken from the literature, the estimation of separation efficiencies, an important aspect of every distillation process development.

The process can successfully be modeled using an equilibrium stage model that accounts for the presence of one or two liquid phases. However, numerical convergence of the model is not trivial. The homotopy continuation method was used for solving the model equations. Agreement between experiments and model is generally very satisfactory.

The number of degrees of freedom of the process is two. A comprehensive discussion on which types of mixtures the process is suitable for, hints about entrainer selection and about process control complete the knowledge necessary for an application of the process.

The process represents a promising alternative or addition to state of the art processes like vacuum distillation.