DE2951204A1

DE2951204A1 - Verfahren zur nutzung von abwaerme

Info

Publication number: DE2951204A1
Application number: DE19792951204
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl.-Ing. 8000 München Dworschak
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1979-12-19
Filing date: 1979-12-19
Publication date: 1981-06-25

Description

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

( 1034) H 79/101

Fa/fl 18.12.79

Verfahren zur Nutzung von Abwärme

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung der Abwärme eines Prozesses, in dessen Verlauf Abwärme auf mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus t- und t. zur. Verfügung steht und Wärme auf mindestens zwei davon verschiedenen Temperaturniveaus t₂ und t- benötigt wird, wobei zwi-

sehen den Temperaturniveaus die Beziehung t.< t~<t_< t. besteht, sowie eine Anwendung des Verfahrens.

Infolge zunehmender Energieverteuerung ist es von immer größerer Bedeutung, daß vorhandene Energie optimal genutzt wird. Ein bedeutender Teil der ursprünglich eingesetzten Energie bei verfahrenstechnischen Anlagen muß jedoch bisher häufig als Abwärme ungenutzt an die Umgebung verlorengegeben werden, weil er im Verlauf des Prozesses auf ein so niedriges Temperaturniveau entwertet wird, daß er nicht mehr un-

30mittelbar rekuperiert werden kann.

In solchen verfahrenstechnischen Prozessen, in denen Prozeßwärme auf mehreren Niveaus oder gleitend benötigt wird und Abwärme auf mehreren Niveaus anfällt, wie z.B. bei der 35Rohöldestillation, kann ein Teil der abzuführenden Wärme-Form. 572» 7.78

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mengen zur Vorwärmung des Einsatzes (Rohöl) verwendet werden (siehe Winnacker-Küchler, Chemische Technologie, Band 3, 1971, Seite 207).

Der nach dem 2. Hauptsatz nicht mehr unmittelbar nutzbare Teil der .abzuführenden Wärmemengen muß über Luftkühler an die Umgebung abgeführt werden. Ein diesem Wärmeverlust entsprechender Betrag an Wärme muß deshalb zum Ausgleich der Wärmebilanz zur weiteren Vorwärmung des Rohöls vor Eintritt in die Destillationskolonne in einem Ofen zugeführt werden.

Es ist ein Nachteil des vorbekannten Verfahrens, daß ein erheblicher Teil der Abwärme über Luftkühler an die Umgebung abgegeben wird, während das Rohöl durch Zufuhr von wertvoller Brennstoffwärme in einem Ofen auf die für die Destillation erforderliche Temperatur angehoben werden muß.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher jdie Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, das eine bessere Ausnutzung der in einem Prozeß anfallenden Abwärme ermöglicht, wobei teure, hochwertige Energie, die bisher beispielsweise durch Brennstoff oder Heizdampf geliefert wurde, eingespart und durch Abwärme aus dem Prozeß ersetzt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die auf dem niedrigeren Temperaturniveau t₁ anfallende Abwärme mit einer Wärmepumpe auf das Temperaturniveau t_ gehoben und dem Prozeß wieder zugeführt und die auf dem höheren Temperaturniveäu t, anfallende Abwärme auf dem Temperaturniveau t, wieder zugeführt wird.

Während bisher die Abwärme auf dem tieferen Temperaturniveau t. nicht genutzt werden konnte, da sie unterhalb der tief-35sten Nutztemperatur anfällt, ist dies nunmehr möglich, weil

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erfindungsgemäß die erforderliche Temperaturerhöhung durch Wärmezufuhr über eine Wärmepumpe bewerkstelligt wird. Der Wärmeinhalt dieser Abwärmemenge wird somit dem Prozeß wieder zugeführt. Gemäß einem weiteren Merkmal des Erfindungsgegen-Standes wird damit die auf dem Temperaturniveau t, anfallende Abwärme besser genutzt werden und zwar an der Stelle, an der die auf dem höheren Temperaturniveau t^ befindliche Nutzwärme benötigt wird.

im Gegensatz zu bisherigen Anwendungsfällen, in denen bei einem Wärmetausch zweckmäßigerweise die Temperaturdifferenz der beiden wärmetauschenden Fluide möglichst groß gewählt wird, um Wärmetauschfläche einzusparen, wird also erfindungsgemäß die Abwärme auf ein nur unwesentlich tieferes Temperaturniveau übertragen.

Durch den Einsatz der Wärmepumpe erfolgt die Erwärmung im unteren Temperaturbereich durch den Wärmeinhalt relativ "kalter" Abwärme, der Wärmeinhalt der "warmen" Abwärme steht dadurch für eine Wärmeübertragung auf einem höheren Temperaturniveau zur Verfügung, für die die "kalte" Abwärme nicht mehr ausreichen würde.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen 25Verfahrens wird nach Rückführung der auf dem Temperaturniveau t. anfallenden Abwärme auf dem Temperaturniveau t- überschüssige Abwärme dem Prozeß auf dem Temperaturniveau t~ wieder zugeführt.

30Sofern also der Wärmeinhalt der auf dem höheren Temperaturniveau t, anfallenden Abwärme größer ist als zur Bereitstellung der Nutzwärme auf dem höheren Temperaturniveau t~ erforderlich ist, wird die überschüssige Abwärme weiterhin dem Prozeß auf dem niedrigeren Temperaturniveau t- zugeführt,

35während mit der Wärmepumpe nur die dort benötigte Restwärme

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gehoben werden soll.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, wenn, wie in weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes vorgeschlagen wird, die auf dem Temperaturniveau t. anfallende Abwärme durch indirekten Wärmetausch auf das Temperaturniveau t₃ übertragen wird. Hierzu werden Wärmetauscher mit für den jeweiligen Prozeß besonders zweckmäßiger Bauart verwendet.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders gut bei der Rohöldestillation und ähnlichen Verfahren mit gleitender Wärmezufuhr und-abfuhr bzw. mehreren Abwärme- und Nutzungswärmeniveaus.

Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Hierbei zeigen:
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Figur 1 ein schematisiertes Q-t-Diagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahrensprinzip

Figur 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrensprinzips

Figur 3 ein vereinfachtes Verfahrensschema für ein Erdöldestillationsverfahren als Anwendungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren. 30

In der schematischen Darstellung in Figur 1 ist die Lage der einzelnen Temperaturniveaus dargestellt. Das Verfahren gemäß der Erfindung wird bei einem Prozeß angewandt, bei dem Abwärme auf zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus t.. und t. zur Verfügung steht. Gleichzeitig muß dem Prozeß

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Nutzwärme auf zwei anderen Temperaturniveaus t₂ und t, zugeführt werden, wobei zwischen den Temperaturniveaus die Beziehung t₁ <; t < t₃<t. besteht, t sei die Umgebungstemperatur. Die Bezeichnungen für die Temperaturen werden auch für die Figuren 2 und 3 beibehalten.

Erfindungsgemäß wird von der auf niedrigerem Temperaturniveau t. befindlichen Abwärme die Wärmemenge Q₁ durch eine Wärmepumpe auf die Temperatur t~ angehoben. Die Wärmemenge Q. auf dem Temperaturniveau t.. wird somit ausgenutzt und steht dem Prozeß auf dem Temperaturniveau t~ wieder zur Verfügung. Bei bisher bekannten Verfahren war diese Wärmemenge an die Umgebung abgegeben worden.

1,5 Der Wärmeinhalt der auf dem Temperaturniveau t. anfallenden Abwärme wird durch indirekten Wärmetausch, auf diejenige Stelle des Prozesses übertragen, an der Nutzwärme mit dem Temperaturniveau t₃ benötigt wird. Die Temperaturdifferenz zwischen t, und t. ist zwar unter Umständen relativ klein,

20es ergibt sich aus dieser Verfahrensweise jedoch der Vorteil, daß die auf höherem Temperaturniveau befindliche Nutzwärme zumindest teilweise aus Prozeßwärme zur Verfügung gestellt wird.

Die beiden Wärmeübertragungsvorgänge sind eng miteinander verknüpft. Einerseits wird das Temperaturniveau der "kälteren" Abwärme auf die Temperatur der bei t~ benötigten Nutzwärme angehoben, so daß ihr Wärmeinhalt für den Prozeß nutZ7 bar gemacht werden kann und andererseits steht dadurch die

30"wärmere" Abwärme zur Verfügung, um die auf höherem Temperaturniveau t, benötigte Nutzwärme abzugeben. Durch diese Verfahrensweise läßt sich hochwertige und kostspielige Verbrennungsenergie einsparen.

35Es sei an dieser Stelle kurz darauf hingewiesen, daß das

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erfindungsgemäße Verfahren sich in analoger Weise auch auf Prozesse übertragen läßt, bei denen Abwärme auf mehr als zwei Temperaturniveaus entsteht und Nutzwärme auf mehr als zwei Temperaturniveaus zugeführt werden muß.

Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß die Temperaturen wie in Figur 1 schematisch dargestellt, konstant sind, ebensogut können die Temperaturen gleitend sein.

W In Figur 2 ist schematisch dargestellt, wie mit Hilfe einer Wärmepumpe eine Wärmemenge Q₁ von der auf dem Temperaturniveau t.. anfallenden Abwärme auf das Temperaturniveau t- angehoben und auf einen dem Prozeß bei dieser Temperatur zuzuführenden Prozeßstrom übertragen wird. Die wärmepumpe ist im gezeigten Beispiel als geschlossener Kreislauf ausgebildet, in dem ein Fluid in einem Verdichter 1 komprimiert wi,rd, wobei es sich erwärmt, anschließend die Kompressionswärme an einen Wärmetauscher 2 an den Prozeßstrom auf den Temperaturniveau t- abgibt, über ein Ventil 3 entspannt wird und schließlich im Wärmetauscher 4 von dem Prozeßstrom auf dem Temperaturniveau t₁ Abwärme aufnimmt. Ein Prozeßstrom, der Abwärme auf dem Temperaturniveau t. enthält, gibt über einen Wärmetauscher 5 die Wärmemenge Q₄ auf einen mit der Temperatur t_ dem Prozeß zugeführten Prozeßstrom ab.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Destillation von Rohöl, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zur Anwendung kommt. Für den Erfindungsgegenstand unwesentliche Einzelheiten wurden der übersichtlicheren Darstellung wegen weggelassen.

Rohöl 6 wird bei Umgebungstemperatur der Anlage zugeführt und in einem Wärmetauscher 7 auf etwa 230⁰C vorgewärmt. Bei Bedarf kann das Rohöl zusätzlich in dem gestrichelt anForm 5729 7.78

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gedeuteten Wärmetauscher 7' angewärmt werden. Die Vorwärmtemperatur des Rohöls entspricht der Temperatur t, in der Darstellung in der Figur 1, also der auf höherem Temperaturniveau benötigten Nutzwärme. Mit der Temperatur t, wird das Rohöl in einen Ofen 8, beispielsweise einen Röhrenofen, geschickt, in der die Temperatur des Rohöls durch Zufuhr von Verbrennungswärme auf eine Temperatur von ca. 35O⁰C gebracht wird, mit der es anschließend einer mit Rektifizierböden ausgestatteten Topkolonne zugeführt wird. In der Topkolonne 9 herrschen Temperaturen etwa zwischen 350⁰C (Sumpf) und 15O⁰C (Kopf). In verschiedenen Höhen der Topkolonne 9 werden verschiedene Fraktionen 10, 11 des Rohöls abgezogen. Erfindungsgemäß wird der Wärmeinhalt dieser Seitensträne 10,11 dem Verfahren; erneut zugeführt. Der an einer tieferen Stelle abgezogene heißere Produktstrom 10 hat die Temperatur t., der weiter

oben abgezogene Produkt strom 11 die Temperatur t.., wobei t^c&^ ist. Der Wärmeinhalt O. des Seitenstroms 10 wird im Wärme-_t tauscher 10 auf das Rohöl 6 übertragen, das dabei auf die Temperatur t, angewärmt wird. Anschließend wird der Produktstrom in die Topkolonne 9 zurückgegeben.

Das benzinreiche Kopfprodukt der Topkolonne 9 wird über eine Leitung 18 in eine Stabilsäule 17 eingeführt, in der leichter siedende Bestandteile aus dem Benzin abgetrennt werden. Sumpfflüssigkeit 16 aus der Stabilsäule 17 wird bei einer Temperatur tj teilweise verdampft oberhalb des Säulensumpfes in die Stabilsäule 17 zurückgeführt. Die Temperatur t~ liegt über der Temperatur t.., aber unterhalb der Temperatur t». Die Wärmezufuhr im Reboiler 14 erfolgt jedoch nicht mehr über

30den wärmeabgebenden Seitenstrom 10, sondern es wird erfindungsgemäß die Wärmemenge Q₁ aus dem Produktstrom 11 mit Hilfe eines Wärmepumpenkreislaufs auf die Temperatur t_ angehoben und in einem Wärmetauscher 14 auf die Sumpfflüssigkeit 16 übertragen. Das Kreislauffluid der Wärmepumpe wird hierzu in einem Verdichter 13 komprimiert und dabei auf die

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Temperatur t~ erwärmt. Die Kompressionswärme wird im Wärmetauscher 14 an die Sumpfflüssigkeit 16 übertragen, die sich dabei auf t_ erwärmt. Das abgekühlte Kreislauffluid wird über ein Ventil 15 entspannt, wobei es sich auf eine Temperatur, die kleiner ist als t₁, abkühlt. In einem nachfolgenden Wärmetauscher 12 nimmt es die Wärmemenge Q₁ aus dem Produktstrom 11 auf, erwärmt sich dabei auf t.. und wird erneut verdichtet.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf das soeben beschriebene Anwendungsbeispiel beschränkt. Es kann z.B. auch bei Chemieanlagen Verwendung finden, in denen mehrere Dampfschienen mit verschiedenen Drücken vorhanden sind. Auf dem Temperaturniveau t-, soll eine derartige Schiene existieren. Wird, wie in Figur 1 dargestellt, Abwärme auf dem Temperaturniveau t₁ mit Hilfe einer Wärmepumpe auf das Temperaturniveau t- angehoben, so kann die Wärmemenge Q.- statt auf dem Temperaturniveau t_ - an die Dampfschiene auf dem Temperaturniveau t~ abgegeben werden. Die Wärme Q₄ steht dann nutzungsneutral zur Verfügung.

Auch in diesem Fall wird ein bestimmter Betrag an Verbrennungswärme eingespart, da die aus der Wärmemenge Q. zusätzlich erzeugte Dampfmenge auf irgendeine Art aus Brennstoff hätte erzeugt werden müssen.

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Claims

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Patentansprüche

Verfahren zur Nutzung der Abwärme eines Prozesses, in dessen Verlauf Abwärme auf mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus t. und t. zur Verfügung steht und Wärme auf mindestens zwei davon verschiedenen Temperaturniveaus t₂ und· t, benötigt wird, wobei zwischen den Temperaturniveaus die Beziehung ^ti^<t2^<t3^<t4 ^besteht' dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem niedrigeren Temperaturniveau t₁ anfallende Abwärme mit einer Wärmepumpe auf das Temperaturniveau t~ gehoben und dem Prozeß wieder zugeführt und die auf dem höheren Temperaturniveau t, anfallende Abwärme dem Prozeß auf dem Temperaturniveau t₃ wieder zugeführt wird.
2. Verfahren nach* Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Rückführung der auf dem Temperaturniveau t. anfal- 1enden Abwärme auf dem Temperaturniveau t, überschüs sige Abwärme dem Prozeß auf dem Temperaturniveau t₂ wieder zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Temperaturniveau t₄ anfallende Abwärme

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ORIGINAL INSPECTED

1 durch indirekten Wärmetausch auf das Temperaturniveau übertragen wird.
4. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 3 bei der Rohöldestillation.

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