CH460815A - Verfahren und Vorrichtung zur Ausnutzung von Wärme aus industriellen Anlagen und Anwendung des Verfahrens - Google Patents

Description

      Verfahren    und     Vorrichtung    zur Ausnutzung von Wärme aus industriellen     Anlagen     und     Anwendung    des     Verfahrens            Diee        Erfindung    betrifft ein Verfahren und eine Vor  richtung zur     Ausnutzung    von     Wärme    aus industriellen  Produktionsanlagen, vorzugsweise aus Syntheseanlagen  oder     Destillations-    bzw.

       Rektifikationsanlagen,    in denen  die     wieder        nutzbar    zu machende Wärme mit einem  Temperaturniveau von 40     bis    150  C     anfällt,    zur mecha  nischen bzw. elektrischen     Energieerzeugung    und eine  Anwendung des Verfahrens.  



  Zur Ausnutzung von Abwärme sind     verschi dene          Verfahren    bekannt, bei denen zur Abführung der Wärme  eines behandelten Stoffes ein     flüssiges,    als Wärmeträger  dienendes Medium im Wärmetausch mit dem zu kühlen  den Stoff verdampft und an anderer Stelle wieder kon  densiert wird. Das bei der Kondensation verflüssigte,  die Wärme     übertragende    Medium, führt man     wieder    an  den     Ort    der Verdampfung zurück. Bei solchen     Kreis-          laufverfahren    findet die Verdampfung     und        Kondensation     bei gleichen Temperatur- bzw. Druckniveau statt.

   Fer  ner sind Anordnungen bekannt, bei denen die aus einer  Anlage verfügbare Abwärme zum Betrieb eines     nach     dem     Absorptions-Kältemaschinen-Prinzip    wirkenden  Kreislaufes     eingesetzt    wird.     Bekannt        sind        weiterhin     Kreisprozesse, die die Aufgabe lösen, Abwärme mit.  einem Temperaturniveau über 100  C durch Verdamp  fen von Wasser und     Einsetzen    des Wasserdampfes in  Entspannungsmaschinen zur Energiegewinnung wieder  nutzbar zu machen. Der entspannte Wasserdampf wird  nach der     Kondensation    dem     Abhitzekessel    zur erneuten  Verdampfung wieder zugeführt.

   Die letztgenannten  Kreisprozesse sind jedoch nur wirtschaftlich, wenn die  Abwärme mit einem Temperaturniveau grösser als  150  C anfällt.  



  Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu  grunde, verfügbare     Abwärme    aus     industriellen        Anlagen,          vorzugsweise    aus Syntheseanlagen,     Destillations-    und       Rektifikationsanlagen    mit dem     bisher    nicht oder nur  höchst unwirtschaftlich zu nutzenden     Temperaturniveau       von     höchstens    150 bis 4.0<I>'</I> C zur Erzeugung elektrischer  bzw. mechanischer Energie einzusetzen;

   in     gewissen     Fällen kann diese rückgewonnene Energie sofort wieder       in    der die Abwärme     liefernden    Anlage verwendet wer  den. Diese Aufgabe wird     erfindungsgemäss    dadurch ge  löst, dass     ein    unter 150  C verdampfendes Kreislauf  mittel unter     Wärmetausch    mit der die Abwärme liefern  den Anlage im Kreislauf geführt, wobei das Kreislauf  mittel verdampft     und    über eine     Entspannungsmaschine     unter     Energiegewinnung        bis    auf     ein        Druckniveau    ent  spannt wird,

   bei dem das Kreislaufmittel bei Kühlung  durch Wasser oder Luft von Umgebungstemperatur kon  densiert und das verflüssigte     Kreislaufmittel        unter     Druckerhöhung wieder auf das seinem     Verdampfungs-          druck    entsprechende Temperaturniveau angehoben wird.  



  Gegenstand der Erfindung ist ferner     .eine    Einrich  tung     zur    Ausführung dieses Verfahrens, welche dadurch  gekennzeichnet ist, dass     die    die Abwärme aufnehmender  Elemente, wie z. B. Wärmetauscher oder     Kondensato-          r2n,        sekundärseitig    als Verdampfer in einen     Kreislauf     geschaltet sind, wobei diesen     Verdampfern    eine     ein-          oder    mehrstufige, das Kreislaufmittel unter     Verdamp-          fungsdruck    aufnehmende Turbine nachgeschaltet ist,

   in  der das Kreislaufmittel unter Arbeitsleistung bis auf  den     Verflüssigungsdruck    entspannt und     in    einem nach  folgenden     Kondensator    unter Wärmetausch mit Luft  oder Wasser bei 20 bis 35  C verflüssigt wird und dass       dem.    Kondensator ein Speicher nachgeordnet ist, hinter  dem das Kreislaufmittel mit einer     Druckerhöhungs-          pumpe    wieder auf das Druckniveau des Verdampfers  gebracht wird.  



  Als Kreislaufmittel kann z. B.     Difluordichlormethan     verwendet werden, das z. B. bei 70  C und 19     ata    ver  dampft. Dieses     Kreislaufmittel    wird zweckmässig     in     einer Turbine unter Abgabe elektrischer Leistung     bis     auf 7,6     ata    entsprechend 30  C entspannt. In diesem  Zustand kondensiert das Kreislaufmittel bei einem      Wärmetausch mit Flusswasser bzw.     atmosphärischer     Luft. Als     Wärmetauscher    kommen hierfür     insbesondere     sogenannte Verdunstungskondensatoren in Betracht.

   Für  die     Energiegewinnung        ist    bei gegebener nutzbarer     En-          thalpiedifferenz        in    der Turbine     ein    hoher Gewichts  durchsatz des     Kreislaufmittels    erforderlich. Das bedeu  tet, dass nur Medien mit     verhältnismässig    niedriger     Ver-          dampfungswärme        wirtschaftlich    einsetzbar sind. Diese  Forderung     wird    für Temperaturen der     Abwärme    unter  100  C, z.

   B. von     Difluordichlormethan        und        Oktafluor-          cyclobutan,    für Temperaturen etwa im Bereich von  100 bis 150  C z. B. von     Methylenchlorid    erfüllt.  



  Mit besonderem Vorteil lässt sich das     Verfahren    zur       Ausnutzung    von Wärme bei Anlagen zur Herstellung  von     Kunststoffen        und    ihrer     Vorprodukte        einsetzen,    da  es sich hier meist um     exotherme    Prozesse handelt,     bei     denen vielfach     grosse    Wärmemengen bei einem Tempe  raturniveau unter 150  C anfallen, wobei gleichzeitig  der Eigenbedarf an     elektrischer    Energie bzw. mechani  scher     Leistung,    z.

   B. zum Antrieb von     Verdichtern,     grösseren Pumpeneinheiten und anderen     Hilfsmaschinen,     relativ hoch ist. In diesem Falle kann die über die Ver  wertung der Abwärme über den     Kreislaufprozess        mit     dem Kreislaufmittel gewonnene Energie in der     Anlagre     direkt weiter verwendet werden, was zu einer ausser  ordentlich wirtschaftlichen     Betriebsweise    solcher An  lagen führt.  



  Der Einsatz des Verfahrens bringt ferner in Kom  bination mit     Destillations-    und     Rektifikationskolonnen     wesentliche technische     und    wirtschaftliche Vorteile. Es  sind z. B. aufgrund des     guten    Wärmeübergangs zwischen  den Produktdämpfen und dem verdampfenden Kreis  laufmittel     in    den Kondensatoren der Kolonnen nur       kleine        Wärmeaustauschflächen    erforderlich.

   Solche klei  nen     Wärmeaustauschflächen    ermöglichen es, selbst bei  Kolonnen mit hohen     Rücklaufverhältnissen    und ent  sprechend grossen Dampfmengen sowie den bei der  Destillation üblichen     Temperaturdifferenzen    noch so  genannte Kopfkondensatoren zur Produktkondensation       einzusetzen.        In    einer solchen     Destillations-    oder     Rektifi-          kationsanlage    werden die durch kondensierende Pro  duktdämpfe verdampften     Kreislaufmittelmengen    unter  Abgabe von Energie     in    einer Turbine     entspannt,

          die          Kältemitteldämpfe    im Wärmetausch     mit    Flusswasser  oder atmosphärischer Luft kondensiert und das ver  flüssigte Mittel mittels     einer        Druckerhöhungspumpe     den Kondensatoren der     Destillations-    bzw.     Rektifika-          tionskolonne    wieder zugeführt.  



  Die Anwendung dieses     Verfahrens        gewährleistet        pro-          duktseitig    den betrieblichen Vorteil des geringen Druck  verlustes in den Kondensatoren bei Vakuumkolonnen,  ermöglicht durch die Verwendung von     raumsparenden     Kondensatoren am Kopf der Kolonnen.  



  Um die aus der     jeweiligen    Anlage anfallende Ab  wärme auf die     günstigste    Weise     auszunutzen,    ferner um  in den     Wärmeaustauschern    zwischen den zu kühlenden  bzw. zu     kondensierenden    Produkten und dem verdamp  fenden     Kreislaufmittel    eine für den     Wärmetausch        wirt-          schaftlich    sinnvolle     Temperaturdifferenz    zu haben,     ist     es zweckmässig, als wärmeabgebende     Austauschfläche     mehrere     einzelne    Apparate oder Apparategruppen vor  zusehen.

   Durch die     jeweilige    Produkttemperatur vor  gegeben,     ist    jeweils die günstigste     Verdampfungstempe-          ratur    des     Kreislaufmittels        für    jeden dieser Apparate oder  Apparategruppen festzulegen.

   Es werden insbesondere       verdampfungsseitig    die     Kreislaufmittelverdampfer    in  Gruppen nach     sinnvollen        Verdampfungstemperaturen       bzw.     nach    den entsprechenden     Verdampfungsdrücken     zusammengefasst und die     Dämpfe,    über     mehrere    der  Apparate- bzw.     Gruppenzahl    entsprechende getrennte       Dampfleitungen    die entsprechenden Druckstufen einer  mehrstufigen Turbine zur     Gewinnung    von Energie an  geschlossen.

   Die     mit    verschiedenen Drücken an den  entsprechenden Stellen in die Turbine eingespeisten  Dampfmengen werden in der Turbine auf einen solchen  gemeinsamen Kondensationsdruck entspannt, der ihre  Kondensation im Wärmetausch mit einem     Kühlmedium     von Umgebungstemperatur, wie z. B. Flusswasser oder  Luft, erlaubt. Über     Druckerhöhungspumpen    wird das  flüssige     Kreislaufmittel    wieder auf die den einzelnen       Verdampfergruppen    entsprechenden Drücke gebracht.  



  Gegenstand der     Erfindung        ist    weiterhin eine An  wendung des     erfindungsgemässen    Verfahrens in Verbin  dung mit einer Anlage zur Herstellung von     Caprolactam.     



  Nachfolgend     wird    die Erfindung anhand der Zeich  nung     beispielsweise    näher erläutert.  



  Die nachfolgenden in Verbindung mit     Fig.    1 genann  ten Daten sind auf     Difluordichlormethan    als     verwende-          tes    Kreislaufmittel bezogen. Die     Zweiweg-Wärmeaus-          tauscher    1 und 2     sind    primär     als    Produkt-Kondensatoren  von     Rektifikationskolonnen    in einer Anlage zur Erzeu  gung eines chemischen Produktes eingefügt.

   Im Kreis  lauf wirken diese     Wärmeaustauscher    als Verdampfer  mit unterschiedlichem     Druckniveau.    In den Wärme  tauscher 1 treten die Produktdämpfe     mit    einer Tempe  ratur von 60  C ein und kondensieren bei 50  C ent  sprechend einem Zustand des     Kreislaufmittels    von  12,4     ata    auf der sekundären Seite des     Wärmeaustau-          schers.    Der     Wärmeaustauscher    2 nimmt Produktdämpfe  von 80  C auf;

       ihre    Kondensationstemperatur liegt bei  70  C entsprechend 19     ata        Kreislaufmittelzustand.    In  einem praktisch     ausgeführten        Beispiel    betrugen die über  die     Wärmeaustauscher    1 und 2 abgeführten Wärme  mengen 16 Mio. bzw. 14 Mio.

       kcal/h.    In der Turbine  3 wurden     hierbei    die ihr getrennt zugeführten Dämpfe  des     Kreislaufmittels        bis    auf 7,6     ata    entsprechend 30  C       entspannt.    Dabei gab der Generator 4 eine     Leistung    von  2500     kW    ab.

   Die     Difluordichlormethandämpfe    werden  im Kondensator 5     unter    Wärmetausch mit Luft bei Um  gebungstemperatur wieder     verflüssigt,    sodann dem     Sam-          melbehälter    6 zugeführt,

       mittels    der Pumpen 7 und 8  wieder auf das Druckniveau der     @im    Kreislauf als Ver  dampfer wirkenden     Wärmetauscher    1 und 2 angehoben  und in diese     zurückgeführt.    Je nach der Betriebsweise       dieses        Kreislaufes    ist     zuweilen        eine        Überheizung    der       Kreislaufmitteldämpfe    in den Wärmetauschern 1 und 2  zweckmässig,

   um auf dem     weiteren    Weg der Dämpfe  durch die Turbine 3     an        dieser    Stelle nicht in das     Nass-          dampfgebiet    zu kommen.  



  Ein weiteres, sehr     wirtschaftlich        einzusetzendes          Kreislaufmittel    zur     Ausführung    des     Verfahrens        ist     z.

   B.     Oktafluorcyclobutan,    dessen     Verdampfungswärme          wesentlich    niedriger als die von     Difluordichlormethan          ist.    Ferner ist im Dampfbereich die     Enthalpiedifferenz     von     Oktafluorcyclobutan    noch grösser, so dass sich  gegenüber der Verwendung von     Difluordichlormethan     für das oben     erwähnte        Ausführungsbeispiel    der     Gewinn     an mechanischer Energie um etwa 60ö steigern lässt.  



  In der     Fig.    2     ist    ein anderes     Beispiel    für den     Kreis-          lauf    wiedergegeben. Die angegebenen Daten     beziehen     sich auf die Verwendung von     Methylenchlorid        als        Kreis-          laufmittel,    das eine     Verdampfungswärme    von etwa  80     kcal/kg    besitzt.

        In den Wärmetauscher 1 treten primärseitig die aus  zunützende Abwärme     liefernde    Dämpfe     einer    Produk  tionsanlage mit     einer        Temperatur    von etwa 90  C     ein.     Diese Temperatur entspricht sekundärseitig einem Zu  stand des     Methylenchlorids    von 5,5     ata.    Die -dem  Wärmetauscher 1 zugeführte Wärmemenge möge 10  Mio.     kcal/h    betragen.

   Unter     gleichzeitiger    Kondensation  der Produktdämpfe verdampft das     Kreislaufmittel    im  Wärmetauscher 1 und     seine    Dämpfe werden in der  Turbine 3 bis auf 1     ata    entsprechend einer     Verflüssi-          gungstemperatur    von etwa 30  C entspannt.

   Die am  Generator 4 verfügbare Leistung beträgt     dann    etwa  1200     kWh.    Anschliessend werden die Kreislaufmittel  dämpfe im Kondensator 5 unter     Wärmetausch    mit Luft  oder Wasser,     gegebenenfalls    auch unter Einsatz von       Verdunstungskondensatoren,    bei etwa 30  C wieder ver  flüssigt, sodann dem Sammelbehälter 6 zugeführt und       mittels    der Pumpe 7 wieder auf das Druckniveau des  im Kreislauf als Verdampfer wirkenden     Wärmictauschers     1     angehoben    und in diesen zurückgeführt.  



  Aus einer     Anlage    zur Herstellung von     Caprolactam     aus     Cyclohexan    fallen bei der     Trennung    von     Cyclohexan,          Cyclohexanol    und     Cyclohexanon    durch Destillation  18 Mio.     kcal/h        Kondensationswärme    bei einer mittleren  Kondensationstemperatur von     tk    = 90  an. Die     Destil-          lationskolonnen    werden hierfür meist     unter    Vakuum be  trieben.

   In dieser Produktionsanlage erhält jede Kolonne  einen Produktkondensator 1 und     einige    Kolonnen     einen          Kondensatkühler    2 entsprechend dem in der Zeichnung  wiedergegebenen Schaltbild. Der auf die     Klemmenlei-          stung    des Generators 4 bezogene     Wirkungsgrad    beträgt  etwa 11 %.

   Daraus folgt, dass von der verfügbaren Kon  densationswärme bei     einer        Kondensationstemperatur    der       Kreislaufmitteldämpfe    von 30  C etwa 2 Mio.     kcal/h     bzw. 2300     kWh/h        elektrische    Energie zurückgewonnen  werden. Mit dieser Energie kann der Eigenbedarf der  Produktionsanlage     praktisch    gedeckt werden.  



  Das     Verfahren    kann auch mit zwei die wieder  zugewinnende Abwärme     abgebenden    Wärmetauschern  1 und 2 betrieben werden, die - wie in     Fig.    2     in    strich  punktierter Linie     dargestellt    -     hintereinander    geschaltet  sind.

   Das     Kreislaufmittel    wird dann nach der Erhöhung       seines    Druckes nicht sofort     bis    auf die     Verdampfungs-          temperatur    erwärmt, für die     im    Wärmetauscher 1  Wärme hinreichenden Temperaturniveaus bereitgestellt       ist,    sondern zunächst im Wärmetauscher 2 vorgewärmt.  Für den Wärmetauscher 2 kann z. B. Abwärme von  etwa 60  C eingesetzt werden, die     in    der gleichen oder       einer    anderen     Produktionsanlage    noch verfügbar     ist.     



  Die     letztgenannte        Betriebsweise        ist    dann besonders  wirtschaftlich,     wenn    das als Kreislaufmittel verwendete       Methylenchlorid    auf dem Weg von der Pumpe 7     zum     Wärmetauscher 1 bzw. zwei     hintereinandergeschalteten     Wärmetauschern 1     und    2 noch für     Kühlzwecke    ein  gesetzt wird, d. h. dauernd oder     zweitweise    durch den in       strichpunktierter        Linie    dargestellten Wärmetauscher 8  geführt wird, in dem ein anderer Produktstrom gekühlt  bzw.

   kondensiert     wird.  

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren zur Ausnutzung von Wärme aus indu striellen Produktionsanlagen, vorzugsweise aus Synthese anlagen oder Destillations- bzw. Rektifikationsanlagen, in denen die wieder nutzbar zu machende Wärme mit einem Temperaturniveau von 40 bis 150 C anfällt, zur mechanischen bzw.

   elektrischen .Energieerzeugung, dadurch gekennzeichnet, dass ein unter 150 C ver dampfendes Kreislaufmittel unter Wärmetausch mit der die Wärme liefernden Anlage im Kreislauf geführt, wo bei das Kreislaufmittel verdampft und über eine Ent spannungsmaschine unter Energiegewinnung bis auf ein Druckniveau entspannt wird, bei dem das Kreislauf mittel bei Kühlung durch Wasser oder Luft von Um gebungstemperatur kondensiert und das verflüssigte Kreislaufmittel unter Druckerhöhung wieder auf das seinem Verdampfungsdruck entsprechende Temperatur niveau angehoben wird. Il.

   Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die die Abwärme aus der Produktionsanlage aufnehmenden Elemente (l, 2) sekundärseitig als Verdampfer in einen Kreislauf geschaltet sind, wobei diesen Verdampfern eine ein- oder mehrstufige, das Kreislaufmittel unter Verdampfungsdruck aufnehmende Turbine nachgeschal tet ist,

   in der das Kreislaufmittel unter Arbeitsleistung bis auf den Verflüssigungsdruck entspannt und in einem nachfolgenden Kondensator unter Wärmeaustausch mit Luft oder Wasser bei 20 bis 35 C verflüssigt wird und dass dem Kondensator (5) ein Speicher (6) nachgeordnet ist, hinter dem das Kreislaufmittel wieder auf das Druckniveau des Verdampfers gebracht wird. III. Anwendung des Verfahrens nach Patentan spruch I in Verbindung mit einer Anlage zur Herstel lung von Caprolaetam. UNTERANSPRÜCHE 1.

   Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch ge kennzeichnet, dass als verdampfbare Kreislaufmittel Flüssigkeiten mit spezifischen Verdampfungswärmen von 50 bis 100 kcal/kg bei Verdampfungstemperaturen zwischen 60 und 150 C verwendet werden. 2. Einrichtung nach Patentanspruch II, dadurch ge kennzeichnet, dass die die Abwärme aus der Produk tionsanlage aufnehmenden (Elemente als Kondensatoren ausgebildet sind. 3.

   Einrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei hintereinandergeschaltete Wärmetauscher (1, 2) aufweist, von denen der nach geschaltete Wärmetauscher (1) das Kreislaufmittel ver dampft und der vorgeschaltete Wärmetauscher (2) Wärme von gegenüber der Verdampfungstemperatur geringerem Tempeaturniveau bereitstellt, mit dem das Kreislaufmittel vorgewärmt wird. 4.

   Einrichtung nach Patentanspruch 1I, bei der die Abwärme aus der Produktionsanlage in zwei oder mehr unter 150 C liegenden Temperaturstufen anfällt, da durch gekennzeichnet, dass sie derart ausgebildet ist, dass für jede Temperaturstufe je ein Wärmeaustauscher als Verdampfer bzw.

   je eine Verdampfergruppe (1, 2) in den Kreislauf geschaltet ist und dass das darin ver dampfte Kreislaufmittel mit den den unterschiedlichen Temperaturstufen entsprechenden Drücken den ent sprechenden Druckstufen einer mehrstufigen Turbine (3) getrennt zugeführt und nach der gemeinsamen Kon densation und Speicherung mittels einer den Druck- und Temperaturstufen entsprechenden Anzahl von Druckerhöhungspumpen (7, 8) wieder auf das Druck niveau der Verdampfer bzw. Verdampfergruppen (1, 2) angehoben wird. S.

   Einrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass sie derart ausgebildet ist, dass das Kreislaufmittel auf dem Wege von der Druckerhöhungs- pumpe (7) zum als Verdampfer wirkenden Wärme tauscher (1) bzw. zwei Wärmetauschern (1 und 2) durch einen Wärmetauscher (8) geführt wird, in dem es einen Produktstrom kühlt bzw. kondensiert.