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Verfahren und Vorrichtung zur Nutzung
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der Abwärme verfahrenstechnischer Prozesse Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Nutzung der Abwärme von Prozessen, in deren Verlauf von außen
Wärme auf hohem Temperaturniveau zugeführt wird und Abwärme auf niedrigem Temperaturniveau
anfällt und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Bei zahlreichen verfahrenstechnischen Prozessen ist zur Erzeugung
eines Produktes eine hohe Temperatur erforderlich.
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Zur Aufrechterhaltung des Prozesses bzw. zur Erzeugung der hohen Temperatur
muß dem Prozeß ständig eine bestimmte Wärmemenge zugeführt werden. Bei anderen,
exothermen, Prozessen darf die Exothermie aus reaktionskinetischen Gründen oder
aus Gründen der Produktreinheit nicht zur Erhöhung der Temperatur der Produkte benutzt
werden, so daß während des Prozesses Energie abgeführt werden muß. In beiden Fällen
sollen die fertigen Produkte bei Temperaturen abgegeben werden, die wesentlich unterhalb
der Prozeßtemperatur liegen, beispialsweise bei Umgebungstemperatur. Dazu werden
die Produkte nach bisherigen Verfahren durch Kühlmittel wie Luft oder Wasser gekühlt,
wobei die Kühlmittel die Prozeßwärme bei einer relativ tiefen mittleren Temperatur
aufnehmen
und somit die Umwelt the..nisch belasten. Darüber hinaus wird auf diese Weise ein
Teil der dem Prozeß zugeführten Wärme nutzlos vernichtet. Bei einigen Verfahren
wird ein Teil der Prozeßwärme rekuperativ oder regenerativ zur Vorerhitzung eines
Prozeßteilnehmers verwendet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln,
mit dem der Energiebedarf der obengenannten Prozesse reduziert und gleichzeitig
eine thermische Belastung der Umwelt vermieden werden kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß aadurch gelöst, daß die Abwärme mittels
einer Wärmepumpe auf ein höheres Temperaturniveau gebracht und dem Prozeß wieder
zugeführt wird.
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Erfindungsgemäß wird die Abwärme auf ein höheres Temperaturniveau
gebracht, zweckmäßigerweise auf eine Temperatur, auf deren Niveau dem Prozeß Wärme
zugeführt werden muß.
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Damit wird dem Endprodukt Wärme entzogen, die sonst nutzlos und unter
thermischer Umweltbelastung abgegeben surde.
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Neben der Vermeidung thermischer Umweltbelastung erweist sich das
erfindungsgemäße Verfahren als wirtschaftlich vorteilhaft, da dem Prozeß eine um
die Menge der von der Wärmepumpe produzierten Wärmemenge geringere Wärmemenge zugeführt
werden muß, somit also Energie eingespart werden kann.
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Verbunden mit der Reduzierung des Energiebedarfs ist eine Erhöhung
des thermischen Wirkungsgrades des Prozesses.
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Der Erfindungsgegenstand ist nicht ausschließlich auf endotherme Prozesse
beschränkt, sondern läßt sich überraschenderweise auch mit Vorteil auf exotherme
Prozesse übertragen, und zwar auf Prozesse, deren Exothermie beispielsweise aus
reaktionskinetischen Gründen nicht auf die Reaktionsprodukte
übertragen
werden aarf und bei denen daher während des Prozess ; Energie abgeführt werden muß.
Die Endprodukte liegen hier auf niedrigerem Temperaturniveau als die Ausgangsprodukte
vor und werden erfindungsgemäß mit Hilfe einer Wärmepumpe auf ein höheres Temperaturniveau
zurückgebracht.
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Insbesondere ist auch eine Verfahrensführung vorteilhaft, bei der
die Abwärme auf das hohe Temperaturniveau der ursprünglich von außen zugeführten
Wärme gebracht wird.
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Es erweist sich als günstig, wenn in Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes
die Wärmepumpe dem Recycle eines bei dem Prozeß nicht vollständig verbrauchten und/oder
im Überschuß vorhandenen Reaktanten dient. Ein Reaktionsteilnehmer, der eine Reaktion
unverändert durchläuft, wird hierbei von den anderen Beaktionsprodukten abgetrennt
und dem Wärmepumpenkreislauf zugeführt. Zusammen mit dem Kreislauffluid wird dieser
Reaktionsteilnehmer dann verdichtet und an geeigneter Stelle von dem Kreislauffluid
abgetrennt und den Reaktionsausgangsprodukten zugemischt.
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Ein einziger Verdichter dient bei dieser Verfahrensführung gleichzeitig
der Rückführung eines Prozeßstroms und als Kreislaufverdichter für die Wärmepumpe.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn, wie weiter vorgeschlagen wird,
das im Wärmepumpenkreislauf geführte Fluid durch direkten Wärmetausch mit einem
Prozeßstrom erwärmt wird.
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Bei Prozessen, in denen das Reaktionsprodukt gequencht werden muß,
bietet es sich in diesem Fall an, das Kreislauffluid als Quenchflüssigkeit zu verwenden.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
enthält zweckmäßigerweise einen Reaktionsbehälter mit Vorrichtungen zur Zu- und
Abführung reagierender
und reagierter Fluide, sowie einen Zärmepumpenkreislauf,
der nacheinander einen Verdichter, einen Wärmetauscher, ein Entspannungsventil und
einen zweiten Wärmetauscher enthält, wobei der Wärmetauscher nach dem Verdichter
einen Strömungsquerschnitt für die reagierenden Fluide und der Wärmetauscher vor
dem Verdichter einen Strömungsquerschnitt für die reagierten Fluide aufweist.
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Bei einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist der Wärmetauscher vor dem Verdichter als Quenchkühler ausgebildet.
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Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden anhand von
schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.
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Hierbei zeigen: Figur 1 ein Fluß diagramm für ein Verfahren zur isothermen
Methanolsynthese Figur 2 ein Fluß diagramm für ein Verfahren zur Hydrierung von
schwerem Heizöl.
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Die Methanolsynthese ist ein exothermer Prozeß, der nach der Reaktionsgleichung
2 H2 + CO g CH3 OH abläuft. Die Reaktion findet in einem mit einer Katalysatorschüttung
gefüllten Reaktor 1 (Figur 1) statt.
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Das im wesentlichen H2 und CO enthaltende Ausgangsgasgemisch wird
bei 1 zugeführt und in Wärmetauschern 2, 3 im Wärmetausch mit Produkt-Methanol vorgewärmt
und mit dem Fluid eines im folgenden noch ausführlicher beschriebenen Wärmepumpenkreislaufs
auf Reaktionstemperatur erwärmt (etwa 3000C). Mit dieser Temperatur wird das Gasgemisch
in einen Reaktor 4 geleitet, der eine Katalysatorschüttung
enthält.
In Anwesnnheit des Katalysators findet die Umwandlung on H3 und CO in Methanol statt,
wobei Wärme frei wird.
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Das Methanol-Produkt wird über Leitung 5 aus dem Reaktor 4 abgezogen,
wobei ein Teil seines Wärmeinhalts im Wärmetauscher 2 an das Ausgangsgasgemisch
übertragen wird.
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Der Prozeß wäre, so wie er bis jetzt geschildert wurde, thermisch
autark. Aus reaktionskinetischen Gründen (Unterdrückung unerwünschter Nebenreaktionen,
Wärmeempfindlichkeit des Katalysators) wird jedoch die Temperatur am Reaktoraustritt
gleich hoch gehalten wie am Eintritt oder wegen der günstigeren Gleichgewichtslage
sogar noch niedriger eingestellt. Typisch ist eine Temperatur in der Größenordnung
von etwa 2800C. Um die Reaktionswärme abführen zu können, ist der Reaktor beispielsweise
als Rohrreaktor ausgebildet, wobei das reagierende Gas in den Rohren und im Außenraum
um die Rohre Wasser mit etwa 2200C geführt ist, das durch die Aufnahme der Reaktionswärme
isotherm verdampft wird.
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Weder mit dem im isothermen Reaktor produzierten Hochdruckdampf noch
mit dem Methanol-Produkt läßt sich somit die erforderliche Eintrittstemperatur erzeugen,
da das Temperaturniveau dieser Fluide zu tief liegt.
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Erfindungsgemäß wird nun der im Reaktor 4 erzeugte Dampf mit Hilfe
einer Wärmepumpe auf eine höhere Temperatur gebracht. Hierzu wird der Dampf im Kreislauf
geführt und zunächst in einem Verdichter 6 verdichtet, wobei sich seine Temperatur
auf 3500C erhöht. Diese Temperatur reicht aus, um im nachfolgenden Wärmetauscher
3 das Ausgangsgemisch auf die erforderliche Eintrittstemperatur am Reaktor 4 von
3000C zu erzeugen. Nach dem Wärmetausch wird der Dampf über ein Ventil 7 entspannt
und in flüssiger Form einem Kessel 8 zugeführt. Das Wasser aus dem Kessel 8, das
eine
Temperatur von 2200C hat, wird erneut dem Kühlquerschnitt des
Reaktors 4 zugeführt. Erfindungsgemäß ist also ein Wärmepumpenkreislauf zur Beheizung
des Ausgangsgasgemisches vorgesehen, wobei die Wärmepumpe mit dem Überschußdampf
aus der exothermen Reaktion betrieben wird.
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Als nächstes Beispiel wird anhand von Figur 2 ein Verfahren zur Hydrierung
von schwerem Heizöl beschrieben. Bei 10 wird ein Gemisch von Ol mit schwefligen
Verunreinigungen und Wasserstoff mit Umgebungstemperatur zugeführt. Das Gemisch
wird im Wärmetauscher 11 auf etwa 3000C erwärmt und mit dieser Temperatur in einen
Reaktor 12 geleitet, der eine Schüttung aus Katalysatormaterial enthält. Im Reaktor
12 verbindet sich der im Ol enthaltene Schwefel mit dem Wasserstoff zu Schwefelwasserstoff.
Diese Reaktion ist exotherm, so daß am Ausgang des Reaktors eine Temperatur von
etwa 3500C herrscht. Um unerwünschte weitere Reaktionen zu verhindern, wird das
Produkt, das neben oeldampf und Schwefelwasserstoff bei der Reaktion nicht verbrauchten
überschüssigen Wasserstoff enthält, in einen Quenchkühler 13 geleitet, in den eine
kalte Flüssigkeit eingesprüht wird. In dem Quenchkühler 13 wird die Temperatur des
Produkts schlagartig auf etwa 2500 abgesenkt. Nach einer Abtrennung der leichten
Bestandteile (H2 und H2S) in einem Abscheider 14 wird das Heizöl bei 15 entnommen.
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Nach der unumgänglichen Abkühlung im Quenchkühler 13 reicht die Temperatur
des Produktes nicht mehr aus, um das Ausgangsgasgemisch auf die erforderliche Reaktionstemperatur
von ca. 3000C zu bringen. Erfindungsgemäß wird mit Hilfe einer Wärmepumpe die Temperatur
des Produktes angehoben, sodaß es zur Aufheizung des Ausgangsgasgemisches herangezogen
werden kann. Hierzu wird das über den Kopf des Abscheiders 14 abziehende Gas 16,
das im wesentlichen H2, H,S und Wasser- oder oeldampf enthält, je nachdem ob mit
Wasser
oder öl gequencht wurde, in einem Verdichter 17 komp imiert, nachdem vorher in einer
nicht dargestellten Reinigungsstufe der Schwefelwasserstoff abgetrennt worden ist.
Durch die Verdichtung erhöht sich die Temperatur des verbleibenden Wasserstoff-Dampf-Gemisches
auf 3500. Sein Wärmeinhalt wird im Wärmetauscher 11 an das Ausgangsgasgemisch übertragen,
das nunmehr auf die erforderliche Temperatur von 300QC gebracht werden kann. Gleichzeitig
sinkt die Temperatur des Wasserstoff-Dampf-Gemisches auf etwa 50°C. Gegebenenfalls
wird die Temperatur in einem zusätzlichen Hilfskühler 23 weiter abgesenkt. Nun wird
das Gemisch in einen Abscheider 18 geleitet, von dessen Kopf gasförmiger Wasserstoff
abgezogen (Leitung 19) und bei 20 mit dem Ausgangsgasgemisch vereinigt wird. Die
schwerer siedende Quenchflüssigkeit (Ol oder Wasser) wird aus dem Sumpf des Abscheiders
18 entnommen, über ein Ventil 21 entspannt und mit Hilfe einer Pumpe 22 dem Quenchkühler
13 zugeführt.
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Der erfindungsgemäße Wärmepumpenkreislauf 13, 14, 16, 17, 11, 18,
21, 22 dient bei diesem Verfahren gleichzeitig dem Recycle des überschüssigen Wasserstoffes.
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Im Quenchkühler 13 findet ein direkter Wärmetausch zwischen dem Fluid
des Wärmepumpenkreislaufs, also in diesem Fall Quenchflüssigkeit, und dem Reaktionsprodukt
statt.
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Ein weiteres Beispiel ist die Herstellung von Formaldehyd aus Methanol;
Formaldehyd kann durch Oxidation von Methanol nach der Gleichung CH3OH + 1 ~ CH2O
+ H,O gewonnen werden.
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2 Dazu wird zum Beispiel Methanol und Luft erhitzt, der Methanoldampf
und die heiße Luft in abgemessenen Mengen gemischt und bei Temperaturen zwischen
z.B. 3500C bis 4500C einem Methanolkonverter, z.B. einem Röhrenofen, zu-
geleitet.
Der heiße gemischte Methclol-Luft-Strom wird dann über einen erhitzten Katalysator
(z.B. Silber- oder Metalloxide) geführt, wobei etwa 90 bis 95 % des Methanols umgesetzt
werden. Die den Reaktor mit hoher Temperatur (bis zu 6500C) verlassenden Gase werden
über ein Rohrbündel geleitet, in dem die Reaktionswärme durch verdampfendes Wasser
rasch abgeführt wird. Die auf ca. 1000C gekühlten Gase werden schließlich mit Wasser
ausgewaschen, wobei eine wäBrige Formaldehylösung gewonnen und z.B. bei einer Temperatur
von ca. 300C gehalten wird.
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Das verdampfende Kühlwasser nimmt die Wärme der Reaktionsgase bei
relativ niedrigiger Temperatur auf und belastet hierdurch die Umwelt. Darüber hinaus
wird ein Teil der zur Erhitzung von Luft und Methanol dem Prozeß zugeführten Wärme
vernichtet.
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Erfindungsgemäß werden die heißen Reaktionsgase einer Wärmepumpe zugeführt,
die den Gasen Reaktionswärme entzieht und diese auf eine einstellbare Temperatur
kühlt.Andererseits wird die Abwärme durch die Wärmepumpe auf die hohe Temperatur
von 3500C bis 4500C erhitzt, mit der Methanol und Luft in den Methanolkonverter
eingeführt werden. Somit kann die gesamte Reaktionswärme ohne Umweltbelastung genutzt
und zudem der thermische Wirkungsgrad durch weiteren Export von Energieträger auf
hohem Temperaturniveau weiter erhöht werden.
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Als leztes Beispiel wird die Gewinnung von Roheisen aus Eisenerzen
in einem Hochofen beschrieben: Beim üblichen Blashochofen wird die Schmelz- und
Reduktionswärme durch Verbrennung von Hochofenkoks mit Hilfe von eingeblasener Verbrennungsluft
erzeugt, die in Winderhitzern vorgewärmt worden ist. Winderhitzer arbeiten
meist
nach dem Reaenerativprinzip, wobei die bei der Reduktior reaktion im Hochofen entstehenden
heißen Gichtgasen nach einer Reinigungsstufe zur Aufheizung des Winderhitzers dienen.
Die Gichtgase werden hierzu z.B. in einem Brennschacht verbrannt, wobei das Gittermauerwerk
des Winderhitzers erhitzt wird. Die verbrannten Gichtgas verlassen den Winderhitzer
mit einer im Vergleich zur Umgebungstemperatur hohen Temperatur.
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Erfindungsgemäß wird auch der Wärmeinhalt dieser Abgase genutzt. Mittels
einer Wärmepumpe wird die anfallende Abwärme auf ein höheres Temperaturniveau gebracht
und dem ektionsprozeß an geeigneter Stelle wieder zugeführt, beispielsweise im Wärmetausch
mit vorerwärmter Verbrennungsluft. Die Erhöhung der Temperatur der Verbrennungsluft
stellt eine Möglichkeit dar, die (Leistung eines Hochofens zu steigern, bzw. den
Bedarf an Koks, der einen sehr teuren Einsatzstoff darstellt, zu reduzieren.
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