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WO2008092575A1 - Verfahren zur destillation eines biologisch erzeugten alkohols - Google Patents

Verfahren zur destillation eines biologisch erzeugten alkohols Download PDF

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Publication number
WO2008092575A1
WO2008092575A1 PCT/EP2008/000356 EP2008000356W WO2008092575A1 WO 2008092575 A1 WO2008092575 A1 WO 2008092575A1 EP 2008000356 W EP2008000356 W EP 2008000356W WO 2008092575 A1 WO2008092575 A1 WO 2008092575A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
distillation
column
hidic
heat
columns
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2008/000356
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen Kern
Helmut Mothes
Gerhard Ruffert
Jürgen BAUSA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayer AG
Original Assignee
Bayer Technology Services GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayer Technology Services GmbH filed Critical Bayer Technology Services GmbH
Publication of WO2008092575A1 publication Critical patent/WO2008092575A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D3/00—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/001—Processes specially adapted for distillation or rectification of fermented solutions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D3/00—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/14—Fractional distillation or use of a fractionation or rectification column
    • B01D3/143—Fractional distillation or use of a fractionation or rectification column by two or more of a fractionation, separation or rectification step
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft
    • Y02T50/678—Aviation using fuels of non-fossil origin

Definitions

  • Distillation is a thermal separation process to separate a liquid mixture of different, mutually soluble substances based on the different boiling temperatures or different vapor pressures at a given temperature.
  • Typical applications of distillation are the burning of alcohol and the distillation of petroleum in the refinery.
  • the starting mixture is first boiled.
  • the resulting vapor which is composed of the various components of the solution to be separated, is condensed in a condenser. Afterwards, the liquid condensate is collected.
  • the separation effect is based on the different composition of the boiling liquid and the gaseous vapor.
  • the condensation temperature of the vapor also called vapor is lower than the boiling temperature of the starting mixture.
  • the rectification represents a further development of the distillation. This is a generally continuous process with several successive distillation steps, which take place in a rectification column.
  • the column consists of several trays or layers of packing or packing.
  • the region of the column above the inlet is called "rectifying section", the area below the inlet, however, as stripping section or stripping section.
  • the column and its bottoms are designed such that the steam can rise into the reinforcing part and the condensate can flow into the stripping section.
  • the main advantages of the rectification are that the plant can be operated continuously and that the separation effect is many times higher compared to the distillation, since the vapor is in continuous countercurrent contact with the liquid several times in succession.
  • the column works energetically cheaper, technically less expensive and space-saving than a series connection of single distillations.
  • the contact surface between the vapor and liquid phase is provided by internals (eg bubble trays, packing, packings).
  • the concentration can be increased up to a maximum of 95.58% alcohol. From this point, the boiling temperatures of the alcohol-water mixture and the water are identical, d. they are azeotropic. This is due to the presence of hydrogen bonds, ie dipole moments.
  • Vapor compression methods are often used to concentrate liquids, e.g. in sugar production or seawater desalination.
  • the object of the present invention is therefore to provide a process for the distillation of a biologically produced alcohol, which enables the production of large quantities with simultaneously reduced expenditure of energy and overall at lower costs.
  • a method for distilling a biologically produced alcohol from a mash which is characterized in that at least one HIDiC column is used for the process.
  • HIDiC heat integrated distillation column
  • This column type is a further development of the burden compression column, in contrast to the latter here the column is physically in one Stripping and a reinforcing member divided into two and the compressor is disposed between the output and the reinforcing member. Furthermore, each bottom of the reinforcing member is coupled via heat exchangers to a bottom of the driven member, so that heat flows from the reinforcing member into the driven member.
  • the HEDiC therefore has a much higher efficiency than a column with vapor compression.
  • biologically produced alcohol all those alcohols which have been prepared by a substantially biological process, i. taking advantage of the metabolic activity of microorganisms such as bacteria or fungi, or with the help of enzymes that have been derived from such microorganisms or similar or similar to the enzymes obtained from such microorganisms materially and / or functionally.
  • the pressure in the stripping section is reduced, which leads to a reduction in the boiling temperature
  • the pressure in the reinforcing section is increased, which in turn leads to an increase in the condensation temperature.
  • the temperature in the driven part is reduced so much that it is below the temperature in the reinforcing member and thus a heat transfer from the individual bottoms of the reinforcing member to the respective coupled bottoms of the driven part is possible.
  • the condensation heat can now be transferred to the respective stages in the stripping section and used to generate the required boiling temperature.
  • the particular advantage of the process in connection with the distillation of bioethanol is that lower distillation temperatures in the stripping section can be achieved by the HIDiC process. In this way, the thermal load of non-ethanolic components is reduced to a minimum, which in turn leads to a reduction of the fouling in the column and thus to fewer stoppages (cleaning) or to cost savings.
  • Weil crhin is preferably provided that the biologically produced alcohol is bioethanol.
  • bioethanol refers to alcohol derived from biomass by alcoholic fermentation.
  • the responsible for this fermentation processes which usually baker's yeast (Saccharomyces cerevesiae) is used, are well known.
  • This biological polymers (usually polysaccharides such as starch) are first degraded to glucose and further on the glycolysis pathway to pyruvate. Pyruvate is then degraded by the enzymes pyruvate decarboxylase and alcohol dehydrogenase to acetaldehyde and then further to ethanol, thereby carbon dioxide is released. These last two steps are used to regenerate NAD + , which would otherwise be consumed in the glycolysis necessary for ATP recovery.
  • the raw materials are all starchy substances (for example, grains, potatoes, sugar cane, corn, molasses, cassava).
  • starchy substances for example, grains, potatoes, sugar cane, corn, molasses, cassava.
  • sugar cane and molasses are preferred, in Asia mainly cassava and in North America maize.
  • wheat, rye, barley, triticale or sugar beet molasses and sugar beet molasses are the main products used.
  • ethanol can also be prepared by synthesis from water and ethene with addition of sulfuric acid as catalyst. This gives a not yet highly pure ethanol mixture whose distillation naturally causes less problems, since the substrate to be distilled contains no substances that could lead to fouling processes in the column.
  • Bioethanol can be used as fuel for gasoline engines, fuel cells and turbines that power motor vehicles or airplanes. This use is of increasing importance in connection with the shortage of fossil fuels and the climate discussion as regenerative fuel. Pure ethanol (so-called ElOO) and mixtures of ethanol with gasoline or other alcohols (eg methanol) are used. In particular, bioethanol is blended with gasoline in various proportions to reduce both gasoline requirements and environmental impact.
  • the gasoline-alcohol mixture is referred to as Gasohol in the US and Gasolina Tipo C in Brazil. In the US, the blends are EOO and E85, each containing 10% and 85% ethanol, respectively. In Brazil, most mixtures have an ethanol content between 21% and 23%.
  • soil, packed and / or packed columns be used as HIDiC columns.
  • Packed columns can be filled with different substrates. Due to the surface enlargement of about 10-40 mm large packing heat and mass transfer are optimized and thus increases the separation capacity of the column.
  • Well-known examples are the Raschig ring (a hollow cylinder), Pall ring, Hiflow ring, Intalox saddle, Berl saddle and hedgehog.
  • the fillers are randomly introduced (as a bed) in the column. As materials come glass, ceramics, metal and plastics in question.
  • Structured packings are a further development of the ordered packing. They have a regularly shaped structure. This makes it possible for packages to reduce restrictions on the gas flow (with a significant influence on the pressure loss).
  • packages z B. tissue or sheet metal packages. As material metal, plastic, glass and ceramics (depending on wettability) can be used.
  • heat pipes are used as heat exchangers in the HIDiC column.
  • heat transfer panels are used in HIDiC columns known from the prior art as heat exchangers between the reinforcing part and the stripping section, for example EP1332781 describes such columns
  • a problem which frequently occurs in this type of heat exchangers is that too expected pressure loss in the the panels through the fluids, which makes the use of additional pumps necessary. The latter, in turn, has a negative influence on the energy balance of the overall process.
  • heat pipes consist of a hermetically sealed tube, each with a terminal heat transfer surface for the heat source and sink, in which a fluid is trapped, which evaporates in the region of the heat source and condenses in the region of the heat sink.
  • Source generated vapor of the fluid flows to the sink and transmits the heat of vaporization
  • Heat pipes are characterized by a high heat transfer rate ⁇ , which is about 200 times higher than that of copper. They are antrillosbs and therefore low maintenance and consume no energy.
  • the mash first passes through a pre-distillation step.
  • the purpose of this process step is the removal of the volatile substances
  • an intermediate distillate is produced in a first HIDiC column in its enrichment section, which is fed to the stripping section of a second HEDiC column. This interconnection ensures that no solids are fed to the second column and therefore no fouling occurs there.
  • the invention provides that the distillation column or columns in the distillation process at least one pressure swing adsorber is connected downstream.
  • the function of pressure swing adsorbers is based on the principle that the loading capacity of the adsorbent depends on the pressure and the temperature.
  • the process is carried out in such a way that a gas mixture to be decomposed is passed through an adsorbent bed at ambient temperature and elevated pressure, readily accumulating readily adsorbable gas components on the surface, while the components which are less or not adsorbable accumulate To pass the fill.
  • the loading of the adsorbent can take place to an equilibrium state; then its adsorption capacity is exhausted.
  • the regeneration (desorption) of the loaded adsorbent is required, which can be done either by raising the temperature or, as in the pressure swing adsorption, by lowering the pressure.
  • Pressure swing adsorption plants are used in large numbers for the selective separation and extraction of gases from gas mixtures and for gas purification.
  • a distillation plant comprising at least one HIDiC column
  • the invention provides the use of a distillation unit comprising at least one HEDiC column for the distillation of a biologically produced alcohol from a mash.
  • the symbol Pl designates a heat exchanger in which two moving fluids are in heat exchange with each other.
  • the one fluid is a fluid to be cooled or heated (in particular the distillate or the starting product, the Mash), while the other fluid is the cooling or heating fluid (in particular, cooling water or water vapor).
  • the symbol denotes a compressor, as it is connected, for example, between the stripping and enrichment part of a HEDiC column.
  • U ⁇ -J also denotes an optionally controllable throttle in the line system.
  • the symbol X- ⁇ denotes a separately provided heater.
  • Figs. 1 to 3 show sequentially a conventional distillation unit (Fig. 1), a unit operating according to the vapor compression method (Fig. 2) and an attachment according to the HIDiC method.
  • Fig. 1 shows a conventional distillation unit 10 with a rectification column 11, a heater 12 and a cooling device 13.
  • the latter two devices are designed as a heat exchanger as described above.
  • the letter F indicates the raw material feed
  • the letter D indicates the discharge for the vapor fraction
  • the letter B indicates the sequence for the distillation residue.
  • the condensation temperature of the steam in the cooling device 13 (also called vapor) is lower than the boiling temperature of the starting mixture in the heating device 12.
  • FIG. 2 shows a distillation unit 20 according to the vapor compression method, with a rectification column 21, a heat exchange device 22 and a compressor 23 arranged in the region of the discharge for the vapor fraction.
  • a heat exchange device 22 By increasing the pressure in the region of the vapor fraction, its condensation temperature is increased so that the condensation temperature of the vapor and the boiling temperature of the starting mixture approximate.
  • the cooling device for the steam and the heating device can be combined in a common heat exchange device 22. That is, in this heat exchange device, the steam flow acts as a heating fluid and the drain of the distillation residue acts as a fluid to be heated. In this way, the heat of condensation for heating the stripping section of the column, ie for evaporation, exploited. Here, a large part of the heating energy is saved.
  • FIG. 3 shows a distillation unit 30 according to the HCDiC method, as used in the method according to the invention.
  • the plant has a column with a stripping section 31a and a reinforcing section 31b.
  • the stripping section of the tower is heated by a heater 32, while the steam generated in the boiler section is cooled in a cooler 33.
  • the two latter devices are designed as heat exchangers according to the above description.
  • a compressor 34 is connected, which reduces the pressure in the stripping section (and thus the boiling temperature of the distillate), and increases pressure in the reinforcing section (and thus the condensation temperature of the steam); both temperatures are approaching in this way.
  • Stripping member 31a and reinforcing member 31b are connected to each other via heat exchangers, which may be formed for example in the form of heat pipes (heat pipes).
  • heat exchangers which may be formed for example in the form of heat pipes (heat pipes).
  • Fig. 4 gives a schematic overview of the above-described relative ratios of boiling and condensation temperature in the three aforementioned embodiments.
  • Fig. 5 shows the functional principle of a large-scale implemented plant for the distillation of bioethanol, which has two HIDiC columns. Both columns are preceded by a pre-distillation column, which is passed through by the mash, and which serves to remove the volatile substances.

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  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Destillation eines biologisch erzeugten Alkohols aus einer Maische, dadurch gekennzeichnet, dass für das Verfahren mindestens eine HIDiC-Kolonne verwendet wird.

Description

Verfahren zur Destillation eines biologisch erzeugten Alkohols
Technischer Hintergrund
Die Destillation ist ein thermisches Trennverfahren, um ein flüssiges Gemisch verschiedener, ineinander löslicher Stoffe anhand der Unterschiedlichen Siedetemperaturen bzw. unterschiedlicher Dampfdrücke bei gegebener Temperatur zu trennen. Typische Anwendungen der Destillation sind das Brennen von Alkohol und das Destillieren von Erdöl in der Raffinerie.
Bei der Destillation wird zunächst das Ausgangsgemisch zum Sieden gebracht. Der entstehende Dampf, der sich aus den verschiedenen Komponenten der zu trennenden Lösung zusammensetzt, wird in einem Kondensator kondensiert. Im Anschluss wird das flüssige Kondensat aufgefangen. Die Trennwirkung beruht auf der unterschiedlichen Zusammensetzung der siedenden Flüssigkeit und des gasförmigen Dampfes. Die Kondensationstemperatur des Dampfes (auch Brüden genannt) liegt dabei niedriger als die Siedetemperatur des Ausgangsgemisches.
Die Rektifikation stellt eine Weiterentwicklung der Destillation dar. Hierbei handelt es sich um ein in der Regel kontinuierliches Verfahren mit mehreren, nacheinander geschalteten Destillationsschritten, die in einer Rektifϊkationskolonne ablaufen. Die Kolonne besteht aus mehreren Böden bzw. Lagen von Packung oder Füllkörpern. Der Bereich der Kolonne oberhalb des Zulaufs wird als Verstärkungsteil oder Verstärker (engl, „rectifying section"), der Bereich unterhalb des Zulaufs hingegen als Abtriebsteil oder Abtreiber (engl. „Stripping section"). Die Kolonne und ihre Böden sind so ausgestaltet, dass der der Dampf in den Verstärkungsteil steigen und das Kondensat in den Abtriebsteil fließen kann.
Die wesentlichen Vorteile der Rektifikation sind, dass die Anlage kontinuierlich betrieben werden kann und dass der Trenneffekt im Vergleich zur Destillation um ein vielfaches höher ist, da der Dampf im ständigen Gegenstrom mit der Flüssigkeit mehrfach hintereinander in Kontakt steht. Die Kolonne arbeitet energetisch günstiger, technisch weniger aufwändig und platzsparender als eine Hintereinanderschaltung von Einfachdestillationen.
Die Kontaktfläche zwischen der Dampf- und Flüssigphase wird durch Einbauten (z. B. Glockenböden, Füllkörper, Packungen) bereitgestellt.
Bei jedem Kontakt zwischen Dampf- und Flüssigphase wird entsprechend dem Phasengleichgewicht aus dem Dampfgemisch ein Gemisch mit veränderter Konzentration kondensieren, wobei durch die freiwerdende Kondensationswärme wiederum ein Gemisch mit höherer Konzentration des leichterflüchtigen Bestandteils der Flüssigphase verdampfen wird. Wird ein Flüssigkeitsgemisch verdampft, so ergeben sich die Konzentrationen der einzelnen Stoffe im Gas und in der Flüssigphase aus der Temperatur und dem Druck. Bei genügend langem Kontakt stellt sich ein Gleichgewicht ein. Nur im Fall eines Reinstoffes oder eines azeotropen Gemisches ist die Gleichgewichtszusammensetzung in der Gasphase und in der Flüssigphase gleich. In allen anderen Fällen ist die Konzentration des Leichtsieders in der Gasphase höher als in der Flüssigphase.
So läßt sich bei der Destillation von Ethanol aus einer wässrigen Lösung die Konzentration bis auf maximal 95,58 % Alkohol erhöhen. Ab diesem Punkt sind die Siedetemperaturen des Alkohol- Wasser-Gemisches und des Wassers identisch, d. h., sie sind azeotrop. Dies beruht auf dem Vorhandensein von Wasserstoffbrücken-bindungen, also Dipol -Momenten.
Destillation und Rektifikation sind thermisch bzw. energetisch aufwändige Verfahren, da große Mengen an Wärme eingesetzt werden müssen. Die Betriebskosten solcher Anlagen werden daher
wesentlich von den Energiekosten bestimmt. Grundsätzlich ist die Fachwelt daher bereits aus Wirtschaftlichkeitsgründen bestrebt, die genannten Verfahren möglichst energieeffizient zu gestalten.
Aus diesem Grunde wurde das Verfahren der Brüdenkompression (engl, „vapor recompression") entwickelt, bei welchem die den
Verstärkungsteil der Kolonne verlassenden Dämpfe, die sogenannten Brüden, mit einem Kompressor verdichtet werden. Durch den höheren Druck wird die Kondensationstemperatur des Dampfes erhöht. Die Kondensation kann dadurch im Bereich der Siedetemperatur der Lösung durchgeführt werden, was bedeutet, dass die Kondensationswärme zur Heizung des Abtriebsteils der Kolonne, d.h. zum Verdampfen der Lösung, ausgenutzt werden kann. Hierbei wird ein Großteil der Heizenergie eingespart. Es muss jedoch Energie für das Betreiben des Kompressors aufgebracht werden.
Brüdenkompressionsverfahren werden häufig zum Aufkonzentrieren von Flüssigkeiten verwendet, so z.B. in der Zuckerherstellung oder in der Meerwasserentsalzung.
Da bei der Bürdenkompression lediglich die Kondensationstemperatur heraufgesetzt wird, wird die Destillationstemperatur nicht beeinflusst. Dies ist insbesondere bei der Destillation von Bioethanol aus Maische von großer Bedeutung. Zwar ist die Destillation von Ethanol aus Maische eines der ältesten industriellen Verfahren der Menschheitsgeschichte, allerdings spielten dabei bislang weniger energetische Aspekte eine Rolle, da das erzeugte Ethanol vorwiegend für den menschlichen Konsum gedacht war und daher in relativ überschaubaren Mengen produziert wurde. Auch spielen andere Kostenfaktoren (aufwendige Reifung, hochwertige Grundstoffe, Besteuerung) bei der Herstellung von Ethanol für den menschlichen Konsum eine sehr viel wichtigere Rolle als der Energieaufwand bei der Destillation.
Inzwischen ist jedoch Ethanol unter dem Begriff „Bioethanol" als nicht fossiler Brennstoffersatz für Ottokraftstoffe ins Gespräch gekommen. Vor dem Hintergrund der CO2-Produktion und den damit in Zusammenhang stehenden Emissionsrechten, in Bezug auf die Akzeptanz eines solchen
Kraftstoffs beim Verbraucher und überdies im Hinblick auf eine etwaige steuerliche Bevorzugung ist eine möglichst energieeffϊziente Herstellung von Bioethanol als Ottokraftstoff wünschenswert.
Hinzu kommt, dass, um gegenüber Ottokraftstoffen konkurrenzfähig zu sein, die Herstellungskosten von Bioethanol massiv gesenkt werden müssen.
Da das Ausgangsprodukt Maische ein komplexes Stoffgemisch mit verschiedenen organischen Inhaltsstoffen ist, führen hohe Temperaturen zu Foulingprozessen in der Kolonne, insbesondere, wenn letztere komplexe Boden- oder Packungsstrukturen mit engen Passagewegen aufweisen.
Gerade bei der Herstellung von Bioethanol als Ottokraftstoffersatz sind energetische und wirtschaftliche Gesichtspunkte von enorm hoher Bedeutung.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Destillation eines biologisch erzeugten Alkohols bereit zu stellen, das die Herstellung großer Mengen bei gleichzeitig verringertem Energieaufwand sowie insgesamt bei geringeren Kosten ermöglicht.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß dem vorgelegten Hauptanspruch gelöst. Die Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen an. Wertebereiche, die durch bestimmte Zahlenwerte begrenzt werden, sollen als einschließlich dieser Zahlenwerte verstanden werden.
Demnach ist ein Verfahren zur Destillation eines biologisch erzeugten Alkohols aus einer Maische vorgesehen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass für das Verfahren mindestens eine HIDiC- Kolonne verwendet wird.
Der Begriff HIDiC bedeutet „heat integrated destillation column" („Wärmeintegrierte
Destillationskolonne"). Bei diesem Kolonnentyp handelt es sich um einer Weiterentwicklung der Bürdenkompressions-Kolonne. Im Unterschied zu letzterer ist hier die Kolonne physisch in einen Abtriebs- und einen Verstärkungsteil zweigeteilt und der Kompressor ist zwischen dem Abtriebsund dem Verstärkungsteil angeordnet. Weiterhin ist jeder Boden des Verstärkungsteils über Wärmetauscher mit einem Boden des Abtriebsteils gekoppelt, so dass Wärme vom Verstärkungsteil in den Abtriebsteil fließt. Die HEDiC weist deshalb eine deutlich höhere Effizienz als eine Kolonne mit Brüdenkompression auf.
Unter dem Begriff "biologisch erzeugter Alkohol" werden all solche Alkohole subsumiert, die mit im wesentlichen biologischen Verfahren hergestellt wurden, d.h. unter Ausnutzung der Stoffwechselaktivität von Mikroorganismen wie Bakterien oder Pilzen, oder mit Hilfe von Enzymen, die aus solchen Mikroorganismen gewonnen wurden bzw. den aus solchen Mikroorganismen gewonnenen Enzymen stofflich und/oder funktionell ähneln oder entsprechen.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird einerseits der Druck im Abtriebsteil reduziert, was zu einer Verminderung der Siedetemperatur führt, während andererseits der Druck im Verstärkungsteil erhöht wird, was wiederum zu einer Erhöhung der Kondensationstemperatur führt. Dadurch wird die Temperatur im Abtriebsteil so stark reduziert, dass sie unterhalb der Temperatur im Verstärkungsteil liegt und somit ein Wärmetransport von den einzelnen Böden des Verstärkungsteils zu den jeweils gekoppelten Böden des Abtriebsteils möglich wird. Im Idealfall - und das ist abhängig von den Siedeeigenschaften der Bestandteile des zu destillierenden Stoffgemisches sowie den eingestellten Druckverhältnissen - nähern sich beide Temperaturen sehr stark an. Mit Hilfe von Wärmetauschern kann nun die Kondensationswärme auf den jeweiligen Stufen in den Abtriebsteil überführt und zur Erzeugung der erforderlichen Siedetemperatur genutzt werden.
Die Zufuhr externer Wärme wird so um ein wesentliches reduziert, was insbesondere bei der großmaßstäblichen Erzeugung von Bioethanol als Ottokraftstoffersatz eine große Rolle spielt, da hier die Energiebilanz bei der Herstellung sowohl aus steuerlichen gründen als auch bei der Verbraucherakzeptanz von großer Bedeutung ist. Hinzu kommt, dass die Herstellungskosten erheblich gesenkt werden können, was dazu beiträgt, dass der so hergestellte Bioethanol gegenüber Ottokraftstoffen konkurrenzfähig werden kann.
Der besondere Vorteil des Verfahrens in Zusammenhang mit der Destillation von Bioethanol liegt darin, dass durch das HIDiC-Verfahren geringere Destillationstemperaturen im Abtriebsteil erzielbar sind. Auf diese Weise wird die thermische Belastung von nicht-ethanolischen Bestandteilen auf ein Minimum reduziert, was wiederum zu einer Verringerung des Foulings in der Kolonne und damit zu weniger Stillständen (Reinigung) bzw. zu Kosteneinsparungen führt. Weilcrhin ist bevorzugt vorgesehen, dass es sich bei dem biologisch erzeugten Alkohol um Bioethanol handelt.
Der Begriff Bioethanol bezeichnet durch alkoholische Gärung aus Biomasse gewonnenes Ethanol. Die hierfür verantwortlichen Fermentationsprozesse, bei denen in der Regel Bäckerhefe (Saccharomyces cerevesiae) zum Einsatz kommt, sind hinlänglich bekannt.
Dabei werden biologische Polymere (in der Regel Polysaccharide wie z.B. Stärke) zunächst zu Glucose und weiter auf dem Glykolyse-Stoffwechselweg zu Pyruvat abgebaut. Pyruvat wird dann mit Hilfe der Enzyme Pyruvatdecarboxylase und Alkoholdehydrogenase zu Acetaldehyd und dann weiter zu Ethanol abgebaut, dabei wird Kohlendioxid frei. Diese letzen beiden Schritte dienen zur Regeneration von NAD+, was ansonsten bei der zur ATP-Gewinnung notwendigen Glycolyse verbraucht würde.
Als Rohstoffe kommen alle stärkehaltigen Stoffe (z.B. Getriede, Kartoffeln, Zuckerrohr, Mais, Melasse, Cassava). In Mittel- und Südamerika werden bevorzugt Zuckerrohr und Melasse verwendet, in Asien vorwiegend Cassava und in Nordamerika Mais. In Europa kommen vor allem Weizen, Roggen, Gerste, Tritikale oder Rüberzuckersaft und Zuckerrübenmelasse zum Einsatz.
Grundsätzlich kann man Ethanol aber auch durch Synthese aus Wasser und Ethen unter Zugabe von Schwefelsäure als Katalysator herstellen. Hierbei erhält man ein noch nicht hochreines Ethanolgemisch, dessen Destillation naturgemäß weniger Probleme bereitet, da das zu destillierende Substrat keinerlei Stoffe enthält, die zu Foulingprozessen in der Kolonne führen könnten.
Bioethanol kann als Treibstoff für Ottomotoren, Brennstoffzellen und Turbinen eingesetzt werden, die Kraftfahrzeuge oder Flugzeuge antreiben. Dieser Verwendung kommt in Zusammenhang mit der Verknappung der fossilen Brennstoffe sowie der Klimadiskussion als regenerativer Brennstoff eine erhöhte Bedeutung zu. Dabei wird reines Ethanol (sog. ElOO) und Mischungen aus Ethanol mit Benzin oder anderen Alkoholen (z. B. Methanol) verwendet. Insbesondere wird Bioethanol dabei in unterschiedlichen Anteilen mit Benzin gemischt, um sowohl den Benzinbedarf als auch die Umweltbelastung zu reduzieren. Das Benzin-Alkohol-Gemisch wird in den USA als Gasohol und in Brasilien als Gasolina Tipo C bezeichnet. In den USA sind die Mischungen ElO und E85, die jeweils 10 % bzw. 85 % Ethanol enthalten, verbreitet. In Brasilien haben die meisten Mischungen einen Ethanolanteil zwischen 21 % und 23 %.
Bevorzugt ist erfmdungsgemäß vorgesehen, dass in den HIDiC-Kolonnen mithilfe des bzw. der Kompressoren folgende Druckwerte eingestellt werden:
Figure imgf000008_0001
Dabei ist darauf zu achten, dass sich auch innerhalb des Auftriebs- und des Verstärkungsteils Druckgradienten aufbauen; so steigt der Druck im Abtriebsteil vom Kompressor gesehen in Richtung des Sumpfes an, während der im Verstärkunsgteil vom Kompressor gesehen in Richtung des oberen Endes abfällt (siehe Fig. 5).
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass als HIDiC-Kolonnε Boden-, Füllkörper- und/oder Packungskolonnen zum Einsatz kommen.
In Bodenkolonnen sind Sieb-, Glocken- oder Ventilböden eingebaut, über welche die Flüssigkeit strömt. Durch spezielle Schlitze oder Löcher wird der Dampf geleitet, so dass eine Sprudelschicht entsteht. Auf jedem dieser Böden stellt sich ein neues Verdampfungsgleichgewicht ein.
Füllkörperkolonnen können mit unterschiedlichen Substraten gefüllt werden. Durch die Oberflächenvergrößerung der etwa 10-40 mm großen Füllkörper werden Wärme- und Stoffaustausch optimiert und die Trennfähigkeit der Kolonne somit erhöht. Bekannte Beispiele sind der Raschig-Ring (ein Hohlzylinder), Pall-Ring, Hiflow-Ring, Intalox-Sattel, Berl-Sattel und Igel. Die Füllkörper werden regellos (als Schüttung) in die Kolonne eingebracht. Als Materialien kommen Glas, Keramik, Metall und Kunststoffe in Frage.
Strukturierte Packungen sind eine Weiterentwicklung der geordneten Füllkörper. Sie weisen eine regelmäßig geformte Struktur auf. Dadurch ist es bei Packungen möglich, Einengungen für die Gasströmung (mit erheblichem Einfluss auf den Druckverlust) zu reduzieren. Es gibt verschiedene Ausführungen von Packungen z. B. Gewebe- oder Blechpackungen. Als Material können Metall, Kunststoff, Glas und Keramik (je nach Benetzbarkeit) eingesetzt werden.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass in der HIDiC-Kolonne Heat Pipes (Wärmerohre) als Wärmetauscher zum Einsatz kommen.
Im Gegensatz hierzu kommen in aus dem Stand der Technik bekannten HIDiC-Kolonnen als Wärmetauscher zwischen Verstärkungsteil und Abtriebsteil insbesondere sogenannte „heat transfer panels" zum Einsatz. So beschreibt z.B. die EP1332781 solche Kolonnen. Ein bei dieser Art von Wärmetauschern häufig auftretendes Problem ist der zu erwartende Druckverlust in den die Panels durchströmenden Fluiden, welcher die Verwendung von zusätzlichen Pumpen notwendig macht. Letzteres fließt wiederum negativ in die Energiebilanz des Gesamtverfahrens ein.
Heat pipes bestehen hingegen aus einem hermetisch gekapselten Rohr mit je einer endständigen Wärmeübertragungsfläche für Wärmequelle und -senke, in dem ein Fluid eingeschlossen ist, das im Bereich der Wärmequelle verdampft und im Bereich der Wärmesenke kondensiert. Der an der
Quelle erzeugte Dampf des Fluids strömt an die Senke und gibt die Verdampfungswärme durch
Kondensation ab. Bei geeigneter Konstruktion der Heat pipe zirkuliert das Fluid allein durch
Schwerkraft oder durch die Kapillarwirkung eines in der Heat pipe angeordneten, geeigneten Materials, z.B. eines Dochtes. Heat pipes zeichnen sich durch eine hohe Wärmeübertragungsrate λ aus, die etwa 200 x höher ist als die von Kupfer. Sie sind antriεbslos und daher wartungsarm und verbrauchen keine Energie.
Die Verwendung von Heat pipes in Destillationskolonnen ist bereits in der EP 10253 beschrieben. Dabei wird jedoch nicht auf die spezifischen Vorteile eingegangen, die dieses Verfahren in Zusammenhang mit der Destillation von Bioethanol bietet.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass in dem erfϊndungsgemäßen Verfahren die Maische zunächst einen Vordestillationsschritt durchläuft. Sinn dieses Verfahrensschritts ist die Entfernung der leichtflüchtigen Substanzen
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass bei dem erfϊndungsgemäßen Verfahren mehrere, im Destillationsprozess hintereinander geschaltete HIDiC-Kolonnen verwendet werden. Diese können sich z.B. in Bezug auf die eingestellten Drücke und/oder Temperaturen unterscheiden.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass in einer ersten HIDiC-Kolonne in deren Verstärkungsteil ein Zwischendestillat erzeugt wird, das dem Abtriebsteil einer zweiten HEDiC-Kolonne zugeführt wird. Durch diese Verschaltung wird erreicht, dass der zweiten Kolonne keine Feststoffe zugeführt werden und deshalb dort kein Fouling auftritt.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der oder den Destillationskolonnen im Destillationsprozess mindestens ein Druckwechseladsorber nachgeschaltet ist.
Die Funktion von Druckwechseladsorbern beruht auf dem Prinzip, dass die Beladbarkeit des Adsorbens vom Druck und von der Temperatur abhängt. Man führt den Prozess so durch, dass ein zu zerlegendes Gasgemisch bei Umgebungstemperatur und erhöhtem Druck durch eine Adsorptionsmittelschüttung geleitet wird, wobei sich leicht adsorbierbare Gaskomponenten an der Oberfläche anreichern, während die gering oder gar nicht adsorbierbaren Komponenten die Schüttung passieren. Die Beladung des Adsorbens kann bis zu einem Gleichgewichtszustand erfolgen; danach ist dessen Adsorptionsvermögen erschöpft. Um den Gastrennprozess erneut durchfuhren zu können, ist die Regeneration (Desorption) des beladenen Adsorbens erforderlich, die entweder durch Temperaturanhebung oder, wie bei der Druckwechseladsorption, durch Druckabsenkung erfolgen kann. Um ein adsorptives Trennverfahren mit (quasi-) kontinuierlicher Produktlieferung aufbauen zu können, sind mindestens zwei parallel betriebene Adsorber erforderlich, von denen sich jeweils einer gerade im Adsorptionstakt befindet, während der andere zeitgleich regeneriert wird. Das Verfahren der Druckwechseladsorption basiert auf folgenden vier Teilschritten:
1) Adsorption bei hohem Druck
2) Druckabsenkung
3) Spülen mit Produktgas bei niedrigem Druck
4) Druckaufbau mit Rohgas bzw. mit Produktgas
Druckwechseladsorptionsanlagen werden in großer Zahl zur selektiven Abtrennung und Gewinnung von Gasen aus Gasgemischen und zur Gasreinigung eingesetzt.
Weiterhin ist erfindungsgemäß eine Destillationsanlage aufweisend mindestens eine HIDiC- Kolonne vorgesehen, die, dadurch gekennzeichnet ist, dass diese zur Destillation eines biologisch erzeugten Alkohols aus einer Maische verwendet wird. Ebenso ist erfindungsgemäß die Verwendung einer Destillationsanlage aufweisend mindestens eine HEDiC-Kolonne zur Destillation eines biologisch erzeugten Alkohols aus einer Maische vorgesehen.
Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird durch die im Folgenden diskutierten Zeichnungen genauer erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Beispiele nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
Dabei gelten folgende Vorabbemerkungen:
Das Symbol Pl bezeichnet einen Wärmetauscher, bei welchem 2 in Bewegung befindliche Fluide miteinander in einem Wärmeaustausch stehen. Bei dem einen Fluid handelt es sich um ein zu kühlendes oder zu heizendes Fluid (insbesondere das Destillat bzw. das Ausgangsprodukt, die Maische), während es sich bei dem anderen Fluid um das kühlende bzw. heizende Fluid handelt (insbesondere Kühlwasser oder Wasserdampf).
Das Symbol
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bezeichnet einen Kompressor, wie er z.B. zwischen Abtriebs- und Verstärkungsteil einer HEDiC-Kolonne geschaltet ist.
Das Symbol U^-J bezeichnet überdies eine ggf. regelbare Drossel im Leitungssystem.
Das Symbol X— ^ bezeichnet eine gesondert vorgesehene Heizeinrichtung.
Die Figs. 1 - 3 zeigen nacheinander eine herkömmliche Destillationsanlage (Fig. 1), eine nach dem Brüdenkompressionsverfahren arbeitende Anlage (Fig. 2) und eine Aniage nach dem HlDiC- Verfahren.
Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Destillationsanlage 10 mit einer Rektifikationskolonne 11, einer Heizeinrichtung 12 sowie einer Kühleinrichtung 13. Die beiden letzteren Vorrichtungen sind als Wärmetauscher gemäß der obigen Beschreibung ausgeführt. Der Buchstabe F bezeichnet den Rohstoffzulauf, der Buschstabe D bezeichnet die Abführung für die Dampffraktion, und der Buschstabe B bezeichnet den Ablauf für den Destillationsrückstand. Grundsätzlich kann festgestellt werden, dass in dieser Ausgestaltung die Kondensationstemperatur des Dampfes in der Kühleinrichtung 13 (auch Brüden genannt) niedriger liegt als die Siedetemperatur des Ausgangsgemisches in der Heizeinrichtung 12.
Fig. 2 zeigt eine Destillationsanlage 20 nach dem Brüdenkompressionsverfahren, mit einer Rektifikationskolonne 21, einer Wärmetauscheinrichtung 22 sowie einem im Bereich der Abfuhrung für die Dampffraktion angeordneten Kompressor 23. Durch Erhöhung des Drucks im Bereich der Dampffraktion wird deren Kondensationstemperatur heraufgesetzt, so dass sich die Kondensationstemperatur des Dampfes und die Siedetemperatur des Ausgangsgemisches annähern. Aus diesem Grund können die Kühleinrichtung für den Dampf sowie die Heizeinrichtung in einer gemeinsamen Wärmetauscheinrichtung 22 vereinigt werden. Das heißt, dass in dieser Wärmetauscheinrichtung der Dampfstrom als heizendes Fluid und der Ablauf des Destillationsrückstandes als zu heizendes Fluid fungiert. Auf diese Weise wird die Kondensationswärme zur Heizung des Abtriebsteils der Kolonne, d.h. zum Verdampfen, ausgenutzt. Hierbei wird ein Großteil der Heizenergie eingespart. Es muss jedoch Energie für das Betreiben des Kompressors aufgebracht werden. Fig. 3 zeigt eine Destillationsanlage 30 nach dem HCDiC-Verfahren, wie sie in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt wird. Die Anlage weist eine Kolonne mit einem Abtriebsteil 31a und einem Verstärkungsteil 31b auf. Der Abtriebsteil der Kolonne wird über eine Heizeinrichtung 32 geheizt, während der in dem Verstärkungsteil entstehende Dampf in einer Kühleinrichtung 33 gekühlt wird. Die beiden letzteren Vorrichtungen sind als Wärmetauscher gemäß der obigen Beschreibung ausgeführt. Zwischen Abtriebsteil 31a und Verstärkungsteil 31b ist ein Kompressor 34 geschaltet, der den Druck in dem Abtriebsteil (und damit die Siedetemperatur des Destillationsgutes) vermindert, und Druck in dem Verstärkungsteil (und damit die Kondensationstemperatur des Dampfes) erhöht; beide Temperaturen nähern sich auf diese Weise an. Abtriebsteil 31a und Verstärkungsteil 31b sind über Wärmetauscher miteinander verbunden, die z.B. in Form von Wärmerohren (heat pipes) ausgebildet sein können. Auf diese Weise wird ein Großteii der Kondensationswärme aus dem Verstärkungsteil 31b in den Abtrienbsteil 31a überführt, und der Energieeinsatz in der Heizeinrichtung 32 wird stark reduziert.
Fig. 4 gibt eine schematische Übersicht über die oben beschriebenen relativen Verhältnisse von Siede- und Kondensationstemperatur in den drei zuvor erwähnten Ausgestaltungen.
Fig. 5 zeigt das Funktionsprinzip einer großmaßstäblich implementierten Anlage zur Destillation von Bioethanol, die über zwei HIDiC-Kolonnen verfügt. Beiden Kolonnen ist eine Vordestillationskolonne vorgeschaltet, die von der Maische durchlaufen wird, und die zur Entfernung der leichtflüchtigen Substanzen dient.
Weiterhin sind den Kolonnen zwei Druckwechseladsorber (Pressure Swing Adsorber, PSA) nachgeschaltet, deren Funktion oben beschrieben ist.
Aus Fig. 5 gehen in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Destillation von Bioethanol einstellbare Druck- und Temperaturwerte hervor.
Untersuchungen der Erfinder haben überraschenderweise gezeigt, dass mit einer solchen Anordnung der Energieverbrauch des Verfahrens um ca. 30 % gegenüber herkömmlichen Methoden reduziert werden kann. So betrug das Verhältnis aus Dampfstrom (Heißdampf) zu Ethanolstrom
ή /ii. hanol
in einer projektierten Bioethanolanlage nach dem Brüdenkompressionsverfahren 2,4, während eine parallel projektierte Bioethanolanlage nach dem HCDiC-Verfahren einen Wert von 1,7 aufwies. Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und in der vorangehenden Beschreibung veranschaulicht worden und beschrieben worden ist, sollen solche Abbildungen und Beschreibungen als beispielhaft und als nicht einschränkend gelten. Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausgestaltungen beschränkt. Der Schutzbereich der Erfindung sowie etwaige Äquivalente werden in den Ansprüchen definiert.

Claims

Patentanspr üche :
I. Verfahren zur Destillation eines biologisch erzeugten Alkohols aus einer Maische, dadurch gekennzeichnet, dass für das Verfahren mindestens eine HIDiC-Kolonne verwendet wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem biologisch erzeugten Alkohol um Bioethanol handelt.
3. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als HIDiC-Kolonne Boden-, Füllkörper- und/oder Packungskolonnen zum Einsatz kommen.'
4. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der HIDiC-Kolonne Heat Pipes (Wärmerohre) als Wärmetauscher zwischen Auftriebs- und
Verstärkungsteil zum Einsatz kommen.
5. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maische zunächst einen Vordestillationsschritt durchläuft.
6. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Verfahren mehrere, im Destillationsprozess hintereinander geschaltete HIDiC-Kolonnen verwendet werden.
7. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten HIDiC-Kolonne in deren Verstärkungsteil ein Zwischendestillat erzeugt wird, das dem Abtriebsteil einer zweiten HIDiC-Kolonne zugeführt wird.
8. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder den Destillationskolonnen im Destillationsprozess mindestens ein Druckwechseladsorber nachgeschaltet ist.
9. Destillationsanlage aufweisend mindestens eine HIDiC-Kolonne, dadurch gekennzeichnet, dass diese zur Destillation eines biologisch erzeugten Alkohols aus einer Maische verwendet wird.
10. Verwendung einer Destillationsanlage aufweisend mindestens eine HIDiC-Kolonne zur Destillation eines biologisch erzeugten Alkohols aus einer Maische.
I I. Destillationsanlage gemäß Anspruch 9 bzw. Verwendung derselben gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese a) Heatpipes als Wärmetauscher zwischen Auftriebs- und Verstärkungsteil aufweist, b) zur Destillation von Bioethanol verwendet wird, c) mindestens zwei HTDiC-Kolonnen aufweist, und/oder d) mindestens ein Druckwechseladsorber aufweist.
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