WO2008034798A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung einer kälteenergie in einem polykondensationsprozess - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur erzeugung einer kälteenergie in einem polykondensationsprozess Download PDF

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Theodor JÜRGENS
Girma Makonnen
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Oerlikon Textile Gmbh & Co. Kg
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    • Y02A30/274—Relating to heating, ventilation or air conditioning [HVAC] technologies using waste energy, e.g. from internal combustion engine

Definitions

  • the invention relates to a method for generating a cooling energy in a polycondensation process and to an apparatus for carrying out the method.
  • polyesters in particular the production of polyester by the so-called polycondensation.
  • the desired macromolecules are formed in several reaction stages from low molecular weight, reactive molecules, the so-called monomers with elimination of simply constructed molecules.
  • dicarboxylic acids and polyhydric alcohols such as ethanediol used.
  • the polycondensation is characterized by the fact that in the chemical reactions by-products such as water, alcohol, etc. incurred.
  • the by-products are removed in the form of superheated vapors and fed to a process column for multi-stage thermal separation.
  • all solids and high boilers can be separated and removed via a column bottom, preferably back to one of the reaction stages.
  • the low boilers and the water in the form of waste water vapor are derived as top product from the process column.
  • Similar polycondensation processes use other monomers, such as butanediol or propanediol, instead of ethylene glycol.
  • the end products in this case are not polyethylene terephthalates but polybutylene terephthalates or polytrimethylene terephthalates.
  • Another object of the invention is to provide a method and a device for generating a cooling energy in a polycondensation process, which is particularly useful for downstream processes.
  • the object of the invention is achieved by a method having the features of claim 1 and by a device having the features of claim 9.
  • the invention has the particular advantage that the waste heat produced by the by-products is utilized in terms of process technology. Such waste heat is usually used for heating purposes.
  • the invention offers an opposite possibility of use, in which the waste heat is converted into a cooling energy.
  • the heat energy released during the condensation of the wastewater vapor is absorbed by a heat transfer medium and fed to a cold generator with a thermal compressor.
  • the thermal compressor can be as drive of the refrigerator by operate the waste heat recovered from the by-product. The heat energy is thus converted within the refrigerator and provided as a refrigeration energy.
  • the converted by the heat energy in the cold generator cooling energy is supplied to a cooling medium.
  • the cooling medium is preferably guided in a cooling circuit, in which the cooling medium can make the stored cooling energy at a predetermined "point" effect.
  • the refrigeration energy provided can be used within the polycondensation process or in upstream or downstream processes.
  • the development of the invention is particularly advantageous, in which the cooling circuit is coupled to an air conditioning device that provides a conditioned air.
  • the cooling energy is supplied via the cooling circuit and the cooling medium of the air conditioning to cool an air.
  • a further preferred variant of the invention is given by the fact that the cooling energy or a part of the cooling energy is supplied via the cooling medium to a process cooler for cooling a process medium.
  • the process cooler could directly cool a guide shell of a godet, on which a fiber strand is guided and cooled.
  • the process cooler can be integrated particularly advantageously directly in a wastewater treatment device in order to be able to carry out the cooling of the wastewater in preparation for reverse osmosis.
  • the heat transfer medium used to transport the thermal energy is conducted in a heat carrier circuit which continuously flows through the condenser and the thermal compressor. This allows the heat energy accumulating during the condensation of the waste water vapor to be continuously conducted to the thermal compressor of the cold generator.
  • the erfmdungswashe method and the inventive device are characterized in particular by a very low demand for electrical e-energy and a reliable and continuous availability of converted from the waste heat refrigerant energy.
  • the device comprises at least one capacitor which is connected via a steam line to a process column of a polycondensation process, wherein a used within the condenser for condensing the waste water vapor heat transfer medium is connected via a heat pipe with a thermal compressor of a refrigerator in order within the heat conduction, the heat transfer medium for delivering heat energy to the thermal compressor
  • the device according to the invention is preferably designed such that the cold generator is coupled to a cooling circuit or to a plurality of cooling circuits, into which a cooling medium transponding the cooling energy is guided.
  • the cold generator is coupled to a cooling circuit or to a plurality of cooling circuits, into which a cooling medium transponding the cooling energy is guided.
  • the cooling circuit is coupled to an air conditioning device that provides a conditioned air.
  • the combination with a melt spinning device is advantageous in which the glue device is coupled to a cooling device in order to use the provided conditioned air for cooling extruded fiber strands.
  • the process cooler integrated within a wastewater treatment device can be operated via the cooling circuit.
  • a feed pump and a surge tank is preferably arranged in the refrigerant line, so that the heat transfer and the heat release in the thermal compressor are continuously executable.
  • FIG. 1 symbolic structure of a first exemplary embodiment of the device according to the invention for carrying out the method according to the invention
  • Fig. 2 and Fig. 3 symbolic structure of further embodiments of the device according to the invention
  • a first embodiment of a device according to the invention for carrying out the method according to the invention is shown schematically.
  • the exemplary embodiment shows a process column 1 which is connected via a feed line 2 to a reactor of a polycondensation plant, not shown here.
  • process brines are supplied to the process column 1, which contain a plurality of by-products occurring in the polycondensation.
  • the process column 1 which is constructed, for example, as a rectification column in several stages, thermal separation takes place at the process vapors in order to remove as much as possible of all solids and high-boiling components of the process vapors from the wastewater vapor which is by-produced in large quantities and from the low-boiling substances to separate.
  • the solids and high boilers are discharged in the lower area in the column bottom via a connected bottom line 3 and preferably recycled to the polycondensation process.
  • the bottom line 3 could open directly into a reactor.
  • the sewage steam and the therein contained other by-products such as alcohols are discharged at the top of the process column 1 via a steam line 4.
  • the steam line 4 connects the process column 1 with a condenser 5.
  • the wastewater is discharged via a sewer line 6 from the condenser 5.
  • the wastewater can then be fed to a sewage treatment plant or treated directly in a wastewater treatment.
  • the condenser 5 is connected via a hot pipe 7 to a thermal compressor 10 of a cold generator 9.
  • Hot tubing 7 the heat transfer medium, which is guided within the capacitor 5, for example, by double-walled plates, the thermal compressor 10 is supplied, which forms the drive of the cold generator 9.
  • the cold generator 9 which is also called Absorbtions Koltemaschine, in addition to the thermal compressor 10, a condenser 14 and an evaporator 15, wherein within the condenser 14, a refrigerant circulating in the cold generator 9 is liquefied to subsequently evaporate in the evaporator 15, whereby the efficiency occurs and cold energy is provided.
  • the vaporous refrigerant is then returned to the thermal compressor 10.
  • the thermal compressor 10 is based on the Absorbtionskin two pairs of substances, wherein in addition to the refrigerant, an absorbent is performed.
  • an absorber 12 the refrigerant is absorbed by the absorbent.
  • the concentrated with the refrigerant absorbent is conveyed via a pump 13 within the thermal compressor 10 to a digester 11.
  • the cooker 11 is thermally coupled to the hot pipe 7, so that from the Capacitor 5 dissipated heat energy is supplied to the digester 11.
  • the refrigerant is expelled from the absorbent and flows in vapor form to the Verfiüssiger 14.
  • the refrigerant circuit is set within the refrigerator 9 in motion.
  • the substance pairs within the refrigerator 9 can be used for example by water as a refrigerant and a lithium bromide as a solvent. However, it is also possible to use ammonia as the refrigerant and water as the absorbent.
  • the evaporator 15 of the cold generator 9 is thermally preferably coupled to a cooling circuit 16, in which a fiiespunes cooling medium, for example, a water is performed.
  • a fiiespunes cooling medium for example, a water
  • the cooling medium supplied to the evaporator 15 is cooled by release of heat energy.
  • the cooled cooling medium is discharged within the cooling circuit 16 for further use.
  • the return line is provided via a cold pipe 8, so that the hot pipe 7 and the cold pipe 8 are joined together to form a heat carrier circuit 32.
  • the heat transfer circuit 32 penetrates the condenser 5 and is also thermally connected to the digester 11.
  • FIG. 2 schematically shows a further exemplary embodiment of a device according to the invention for carrying out the method according to the invention.
  • the embodiment is essentially identical to the aforementioned embodiment, so that reference is made to the above description at this point and because of avoiding repetition, only the differences will be explained.
  • the heat transfer medium circuit 32 is expanded between the condenser 5 and the cold generator 9 by a surge tank 30 and a feed pump 31, which are integrated in the cold line 8. This ensures a continuous flow of the heat transfer medium within the heat carrier circuit 32, so that the heat energy released by the condenser 5 can be fed continuously to the thermal compressor.
  • the cooling circuit 16 is arranged between the cold generator 9 and an air conditioning device 17. Via the cooling circuit 16, the cooling energy provided by the cold generator 9 is supplied to the air conditioning device 17 to produce a conditioned air.
  • the air conditioning device 17 is connected via air conditioning duct 29 with a cooling device 18.
  • the cooling device is associated with a spinning device 19, wherein the cooling device 18 is arranged below a spinning head 20.
  • the spinning head 20 a polymer melt, for example, fed directly fed from the polycondensation polyester and extruded into a plurality of strand-like fiber strands 21.
  • the fiber strands 21, which are brought together, for example, to form a multifilament yarn or to towed fibers, are cooled below the spinning head 20 by a cooling air of the cooling device 18.
  • the cooling air used in the cooling device 18 for cooling the fiber strands 21 is provided by the air conditioning device 17.
  • the exemplary embodiment of the device according to the invention shown in FIG. 2 is thus particularly suitable for use in so-called direct spinning mills, in which the polycondensation of, for example, a polyester is combined directly with a melt spinning device for polyester fibers.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of the device according to the invention for carrying out the method according to the invention.
  • the embodiment of FIG. 3 is substantially identical to the embodiment of FIG. 2, so that only the differences will be explained at this point. Otherwise, reference is made to the above descriptions to Fig. 2.
  • the condenser 5 is connected via the sewer line 6 with a wastewater treatment device 22.
  • the wastewater treatment device 22 has a plurality of process units in order to separate the water in several stages from the by-products.
  • a stripping column 24, a process cooler 23 and a filtration unit 25 are arranged behind one another in the direction of flow of the wastewater.
  • the volatiles such as acetaldehyde, are separated from the effluent.
  • the wastewater is brought into contact with a gas stream in order to drive off the volatile constituents from the wastewater phase into the gas phase.
  • the gas stream charged with the volatile constituents can be removed from the stripping column 24 via a discharge line 28.1 and fed, for example, to a combustion process in a heat transfer furnace in order to utilize the combustion energy present in the gas stream.
  • the gas, oil, coal, etc. heat As a result, the furnace requires less primary energy.
  • a further cooling step is preferably interposed prior to the initiation of the waste water in the stripper column 24 to cool the waste water at temperatures in the range of 60 to 70 0 C.
  • a filtration unit 25 is provided, in which microfiltration or reverse osmosis are carried out for the treatment of the water.
  • the wastewater has a temperature as low as possible in the range below 40 ° C.
  • the filtration unit 25 is preceded by a process cooler 23.
  • the process cooler 23 is preferably formed by a liquid / liquid cooler, the process cooler 23 being coupled to the cold generator 9 via a second cooling circuit 16.
  • the thermal energy obtained in condensing the waste steam is indirectly returned to the process after conversion into a cooling energy by the further cooling of the waste water in the process cooler 23 by the cold energy generated in the refrigerator 9 vonstatten.
  • the separated during the reverse osmosis components such as glycol are discharged via a discharge line 28.2.
  • a discharge line 28.2 it is also possible to supply the bleed stream from the filtration unit 25 to a combustion process in a heat transfer furnace.
  • the filtered at the end of the reverse osmosis pure water can be directly via a water pipe 26 a nebulizer 27, which depending on the amount and other consumers could be supplied with pure water via the water line 26.
  • the atomizer 27 is in this embodiment with the
  • climate device 17 combined to moisten, for example, the cooling air used for cooling fiber strands.
  • the air conditioning device 17 is coupled to the cold generator 9 with a first cooling circuit 16.1.
  • a plurality of cooling circuits 16.1 and 16.2 are simultaneously supplied with cooling technology by the cold generator 9 in parallel.
  • the embodiment according to FIG. 3 is particularly suitable for combining in a polycondensation plant a connected direct spinning mill and a directly integrated wastewater treatment device.
  • the processes can be connected to each other in a cost-effective and environmentally friendly manner, with the required cooling energies being converted from the thermal energy released by the wastewater vapor condensation.
  • the combination and networking of all these processes not only results in a saving of investment costs, but also a great saving in energy, water and monomers.
  • the exemplary embodiments of the device according to the invention for carrying out the method according to the invention shown in FIGS. 2 and 3 are exemplary in their design and in their application for the use of cooling energy. Basically, the converted cooling energy can also be used in other areas and sub-processes.
  • the erfmdungswashe method and apparatus of the invention thus extends to all known polycondensation process for the preparation of polymers such.
  • the combination with a wastewater treatment advantageously to fractionate the wastewater from the polycondensation tion largely as pure as possible, so that the partial flows are used in various plant segments meaningfully, thereby saving energy and raw materials.
  • the erfmdungswashe method and the inventive device can thus also be advantageous with systems for further processing of the polymers combine, such. B. with a direct spinning mill for the production of threads or staple fibers.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Kälteenergie in einem Polykondensationsprozess, bei welchen der Polykondensationsprozess ein Nebenprodukt in Form von Abwasserdampf erzeugt und bei welchen der Abwasserdampf durch eine Kondensation zu einem Abwasser überführt wird. Die während der Kondensation des Abwasserdampfes frei werdende Wärmeenergie wird durch ein Wärmeträgermedium aufgenommen und einem Kälteerzeuger mit einem thermischen Verdichter zugeführt und zu der Kälteenergie umgewandelt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung einer Kälteenergie in einem Polykon- densationsprozess
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Kälteenergie in einem Polykondensationsprozess sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Es ist allgemein bekannt, dass die Herstellung von Kunststoffen insbesondere die Herstellung von Polyester durch die sogenannte Polykondensation erfolgt. Hierbei werden in mehreren Reaktionsstufen aus niedermolekularen, reaktionsfähigen Molekülen, den sogenannten Monomeren unter Abspaltung einfach gebauter Moleküle die gewünschten Makromoleküle gebildet. So wird bei der Polykondensation von Polyester als Monomere Dicarbonsäuren und mehrwertige Alkohole wie beispielsweise Ethandiol eingesetzt. Die Polykondensation ist dadurch geprägt, dass bei den chemischen Reaktionen Nebenprodukte wie Wasser, Alkohol usw. anfallen. So werden nach einer Esterreaktion in einem Reaktor die Nebenprodukte in Form überhitzter Brüden abgeleitet und einer Prozess-Kolonne zur mehrstufigen thermischen Stofftrennung zugeführt. Dabei lassen sich alle Feststoffe und Hochsieder abtrennen und über einen Kolonnensumpf abführen, vorzugsweise zurück zu einer der Reaktionsstufen. Demgegenüber werden die Leichtsieder sowie das Wasser in Form von Abwasserdampf als Kopfprodukt aus der Prozesskolonne abgeleitet. Ähnliche Polykondensationsprozesse verwenden anstelle von Äthylen-Glykol andere Monomere wie Butanediol oder Propandiol. Die Endprodukte sind in diesem Fall nicht Polyäthylen-Terephtalate sonder Polybutylene- Terephtalate oder Polytrimethylen-Terephtalate.
Im Hinblick auf eine möglichst vollständige Nutzung der Nebenprodukte ist aus der DE 195 16 886 Al bekannt, dass die aus der Prozesskolonne als Kopfprodukt abgeführter Brüden durch weitere Trennverfahren derart behandelt werden, dass ein unbelastetes Wasser sowie eine Rückgewinnung von Diolen möglich ist. Hierzu wird der Brüden zunächst durch einen Kondensator verflüssigt, um anschlie- ßend in einer Abwasseraufbereitungseinrichtung in mehreren Prozessstufen gereinigt zu werden. Das bekannte Verfahren und die bekannte Vorrichtung ermöglichen zwar einerseits eine hohe Stoffausnutzung der bei der Polykondensation anfallenden Nebenprodukte, jedoch andererseits werden zusätzliche Energien benö- tigt, um die Trennverfahren zur Gewinnung der Basisstoffe ausführen zu können. So lässt sich beispielsweise das Abwasser in einer Umkehrosmose nur dann wirtschaftlich behandeln, wenn das Abwasser zuvor eine möglichst niedrige Temperatur aufweist. Hierzu sind somit zusätzliche Kälteenergien erforderlich.
Demgemäß ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Kälteenergie in einem Polykondensationsprozess zu schaffen, bei welchen möglichst wenige zusätzliche Energiequellen genutzt werden.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Kälteenergie in einem Polykondensations-Prozess bereitzustellen, das insbesondere auch für nachgeordnete Prozesse nutzbar ist.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach An- spruch 9 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale und Merkmalskombinationen der jeweiligen Unteransprüche gegeben.
Die Erfindung besitzt den besonderen Vorteil, dass die mit den Nebenprodukten anfallende Abwärme prozesstechnisch nutzbar gemacht wird. Derartige Abwärme wird üblicherweise für Heizzwecke genutzt. Demgegenüber bietet die Erfindung eine gegenteilige Nutzungsmöglichkeit, in dem die Abwärme in eine Kälteenergie umgewandelt wird. Hierzu wird die während der Kondensation des Abwasser- dampfes frei werdende Wärmeenergie durch ein Wärmeträgermedium aufgenommen und einem Kälteerzeuger mit einem thermischen Verdichter zugeführt. Somit lässt sich der thermische Verdichter als Antrieb des Kälteerzeugers durch die aus dem Nebenprodukt gewonnene Abwärme betreiben. Die Wärmeenergie wird somit innerhalb des Kälteerzeugers umgewandelt und als eine Kälteenergie bereitgestellt.
Zur Ausnutzung der Kälteenergie ist es besonders vorteilhaft, wenn die durch die Wärmeenergie in dem Kälteerzeuger umgewandelte Kälteenergie einem Kühlmedium zugeführt wird. Dabei wird das Kühlmedium bevorzugt in einem Kühlkreislauf geführt, in welchem das Kühlmedium die gespeicherte Kälteenergie an vorbestimmter "Stelle" wirksam werden lassen kann.
Grundsätzlich lässt sich die bereitgestellte Kälteenergie innerhalb des Polykon- densationsprozesses oder in vor- oder nachgeordnete Prozesse nutzen. So ist die Weiterbildung der Erfindung besonders vorteilhaft, bei welcher der Kühlkreislauf mit einer Klimaeinrichtung gekoppelt ist, die eine konditionierte Luft bereitstellt. In diesem Fall wird die Kälteenergie über den Kühlkreislauf und dem Kühlmedium der Klimaeinrichtung zur Abkühlung einer Luft zugeführt.
Insbesondere bei sogenannten Direktspinnereien, bei welcher die durch die PoIy- kondensation hergestellte Polymerschmelze unmittelbar einem Schmelzspinnpro- zess zugeführt wird, in welchem eine Vielzahl von Fasersträngen extrudiert werden lässt sich diese Weiterbildung der Erfindung besonders vorteilhaft anwenden und nutzen. So lässt sich die zum Abkühlen extrudierten Faserstränge erforderliche Kälteenergie unmittelbar aus der Abwärme des vorgeschalteten Polykonden- sationsprozesses erzeugen.
Eine weitere bevorzugte Variante der Erfindung ist dadurch gegeben, dass die Kälteenergie oder ein Teil der Kälteenergie über das Kühlmedium einem Prozesskühler zur Abkühlung eines Prozessmediums zugeführt wird. So könnte der Prozesskühler beispielsweise bei einem nachgeordneten Schmelzspinnprozess unmit- telbar einen Führungsmantel einer Galette kühlen, an dem ein Faserstrang geführt und gekühlt wird. Besonders vorteilhaft lässt sich der Prozesskühler jedoch unmittelbar in einer Abwasserreinigungseinrichtung integrieren, um die Abkühlung des Abwassers zur Vorbereitung einer Umkehrosmose ausführen zu können.
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass nach Reinigung des Abwassers gewonnene Reinwasser unmittelbar einem Zerstäuber zur Konditionierung und / oder Reinigung einer zum Abkühlen der extrudierten Faserstränge genutzten Kühlluft zuzuführen. Damit wäre eine hohe Ausnutzung der Kälteenergie sowohl zur Bereitstellung einer Kühlluft als auch zur Befeuchtung der Kühlluft nutzbar. Zudem kann das aufbereitete Abwasser unmittelbar als Reinwasser dem Prozess wieder zugeführt werden.
Um eine kontinuierliche Bereitstellung der Kälteenergie zu ermöglichen, wird das zum Transport der Wärmeenergie eingesetzte Wärmeträgermedium in einem Wärmeträgerkreislauf geführt, der den Kondensator und den thermischen Verdichter kontinuierlich durchströmt. Damit lässt sich die während der Kondensation des Abwasserdampfes anfallende Wärmeenergie kontinuierlich dem thermischen Verdichter des Kälteerzeugers zu führen.
Das erfmdungsgemäße Verfahren sowie die erfmdungsgemäße Vorrichtung zeichnen sich insbesondere durch einen sehr geringen Bedarf an elektrischer E- nergie sowie eine zuverlässige und kontinuierliche Verfügbarkeit der aus der Abwärme umgewandelten Kälteenergie aus.
Zur Durchführung des erfmdungsgemäßen Verfahrens weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zumindest einen Kondensator auf, der über eine Dampfleitung mit einer Prozesskolonne eines Polykondensationsprozesses verbunden ist, wobei ein innerhalb des Kondensators zur Kondensation des Abwasserdampfes genutztes Wärmeträgermedium über eine Wärmeleitung mit einem thermischen Verdichter eines Kälteerzeugers verbunden ist, um innerhalb der Wärmeleitung das Wärmeträgermedium zur Abgabe einer Wärmeenergie dem thermischen Verdichter zuzu-
- A - führen. Der über den thermischen Verdichter angetriebene Kälteerzeuger führt sodann zur Erzeugung und Bereitstellung einer Kälteenergie.
Zur Nutzung der Kälteenergie wird die erfmdungsgemäße Vorrichtung bevorzugt derart ausgebildet, so das der Kälteerzeuger mit einem Kühlkreislauf oder mit mehreren Kühlkreisläufen gekoppelt ist, in welchen ein die Kälteenergie transpondierendes Kühlmedium geführt ist. Insoweit lassen sich beliebige Einrichtungen, in den ein über ein Kühlkreislauf abgegebene Kälteenergie benötigt wird, vorteilhaft kühlen.
Als besonders bevorzugt wird die Weiterbildung der erfmdungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen, bei welcher der Kühlkreislauf mit einer Klimaeinrichtung gekoppelt ist, die eine konditionierte Luft bereitstellt. Insbesondere ist dabei die Kombination mit einer Schmelzspinneinrichtung vorteilhaft, bei welcher die KIi- maeinrichtung mit einer Kühleinrichtung gekoppelt ist, um die bereitgestellte konditionierte Luft zum Abkühlen von extrudierten Fasersträngen zu nutzen.
Es ist jedoch auch möglich, den Kühlkreislauf oder einen weiteren mit dem Kälteerzeuger gekoppelten Kühlkreislauf unmittelbar mit einem Prozesskühler zu kop- peln, der zur Abkühlung eines Prozessmediums vorgesehen ist.
So lässt sich vorteilhaft der innerhalb einer Abwasserreinigungseinrichtung integrierte Prozesskühler über den Kühlkreislauf betreiben.
Zur Kopplung des Kälteerzeugers mit dem Kondensator wird des Weiteren vorgeschlagen, zwischen dem thermischen Verdichter und dem Kondensator ein Wärmeträgerkreislauf zu schalten, so dass das Wärmeträgermedium über die Wärmeleitung vom Kondensator zum thermischen Verdichter und über eine Kälteleitung zurück vom thermischen Verdichter zum Kondensator geführt wird.
Zur kontinuierlichen Durchströmung des Wärmekreislaufes ist vorzugsweise in der Kälteleitung eine Förderpumpe sowie ein Ausgleichsbehälter angeordnet, so dass der Wärmetransport und die Wärmeabgabe in dem thermischen Verdichter kontinuierlich ausfuhrbar sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger Ausfuhrungsbeispiele der erfin- dungsgemäßen Vorrichtung unter Hinweis auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
Es stellen dar:
Fig. 1 symbolischer Aufbau eines ersten Ausfuhrungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens Fig. 2 und Fig. 3 symbolischer Aufbau weiterer Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung
In Fig. 1 ist schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Das Ausführungsbeispiel zeigt eine Prozesskolonne 1 , die über eine Zulaufleitung 2 mit einem hier nicht dargestellten Reaktor einer Polykondensationsanlage verbunden ist. Über die Zulaufleitung 2 werden der Prozesskolonne 1 Prozessbrüden zugeführt, die mehrere bei der Polykondensation auftretende Nebenprodukte enthalten. Innerhalb der Prozesskolonne 1, die beispielsweise als Rektifikationsko- lonne in mehreren Stufen aufgebaut ist, führt an den Prozessbrüden eine thermische Stofftrennung durch, um so möglichst alle Feststoffe und hochsiedenden Bestandteile der Prozessbrüden von den in großen Mengen als Nebenprodukt anfallenden Abwasserdampfund von den leicht siedenden Stoffen zu trennen. Die Feststoffe und Hochsieder werden im unteren Bereich im Kolonnensumpf über eine angeschlossene Sumpfleitung 3 abgeführt und vorzugsweise dem Polykon- densationsprozess rückgeführt. Hierzu könnte beispielsweise die Sumpfleitung 3 unmittelbar in einen Reaktor einmünden. Der Abwasserdampf sowie die darin enthaltenen anderen Nebenprodukte wie beispielsweise Alkohole werden am Kopfende der Prozesskolonne 1 über eine Dampfleitung 4 abgeführt.
Die Dampfleitung 4 verbindet die Prozesskolonne 1 mit einem Kondensator 5. Der Kondensator 5, der beispielsweise als ein Plattenwärmeübertrager ausgebildet sein könnte, wird von einem Wärmeträgermedium beispielsweise ein Wasser durchströmt, das innerhalb des Kondensators 5 zu einer Abkühlung des Abwasserdampfes führt und den aus mehr als etwa 98 % Wasser bestehenden Dampf zu einem Abwasser verflüssigt. Das Abwasser wird über eine Abwasserleitung 6 aus dem Kondensator 5 abgeleitet. Das Abwasser lässt sich dann einer Kläranlage zuführen oder unmittelbar in einer Abwasseraufbereitung weiterbehandeln.
Zur Abfuhr der durch die Kondensation frei werdenden Wärmeenergie innerhalb des Kondensators 5 ist der Kondensator 5 über eine Warmrohrleitung 7 mit einem thermischen Verdichter 10 eines Kälteerzeugers 9 verbunden. Innerhalb der
Warmrohrleitung 7 wird das Wärmeträgermedium, das innerhalb des Kondensators 5 beispielsweise durch doppelwandige Platten geführt wird, dem thermischen Verdichter 10 zugeführt, der den Antrieb des Kälteerzeugers 9 bildet. Der Kälteerzeuger 9, der auch das Absorbtionskältemaschine bezeichnet wird, weist neben dem thermischen Verdichter 10 einen Verflüssiger 14 und einen Verdampfer 15 auf, wobei innerhalb des Verflüssigers 14 ein im Kälteerzeuger 9 zirkulierendes Kältemittel verflüssigt wird, um anschließend in dem Verdampfer 15 zu verdampfen, wodurch der Nutzeffekt eintritt und Kälteenergie bereitgestellt wird. Das dampfförmige Kältemittel wird sodann dem thermischen Verdichter 10 zurückge- führt.
Der thermische Verdichter 10 basiert auf dem Absorbtionsprinzip zweier Stoffpaare, wobei neben dem Kältemittel ein Absorbtionsmittel geführt wird. In einem Absorber 12 wird das Kältemittel von dem Absorbtionsmittel absorbiert. Das mit dem Kältemittel konzentrierte Absorbtionsmittel wird über eine Pumpe 13 innerhalb des thermischen Verdichters 10 zu einem Kocher 11 gefördert. Der Kocher 11 ist wärmetechnisch mit der Warmrohrleitung 7 gekoppelt, so dass die aus dem Kondensator 5 abgeführte Wärmeenergie dem Kocher 11 zugeführt wird. Durch die Zufuhr der Wärmeenergie wird das Kältemittel aus dem Absorbtionsmittel herausgetrieben und strömt dampfförmig dem Verfiüssiger 14 zu. Dadurch wird der Kältemittel- Kreislauf innerhalb des Kälteerzeugers 9 in Gang gesetzt. Die Stoffpaare innerhalb des Kälteerzeugers 9 können beispielsweise durch Wasser als Kältemittel und ein Lithiumbromid als Lösungsmittel genutzt werden. Es ist jedoch auch möglich, als Kältemittel ein Ammoniak und als Absorbtionsmittel Wasser zu verwenden.
Der Verdampfer 15 des Kälteerzeugers 9 wird wärmetechnisch vorzugsweise mit einem Kühlkreislauf 16 gekoppelt, in welchem ein fiiesfähiges Kühlmedium beispielsweise ein Wasser geführt ist. Dabei wird das dem Verdampfer 15 zugeführte Kühlmedium durch Abgabe von Wärmeenergie abgekühlt. Das gekühlte Kühlmedium wird innerhalb des Kühlkreislaufes 16 zur weiteren Nutzung abgeleitet.
Um den Kondensator 5 und den thermischen Verdichter 10 kontinuierlich mit dem Wärmeträgermedium zu durchströmen, ist der Rücklauf über eine Kaltrohr- leitung 8 vorgesehen, so dass die Warmrohrleitung 7 und die Kaltrohrleitung 8 zu einem Wärmeträgerkreislauf 32 zusammengefügt sind. Der Wärmeträgerkreislauf 32 durchdringt den Kondensator 5 und ist ebenfalls wärmetechnisch mit dem Kocher 11 verbunden.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfmdungsgemäßen Vorrichtung wird der kontaminierte Abwasserdampf mit einer Temperatur von ca. 1010C dem Kondensator 5 zugeführt. Die Kondensation des Abwasserdampfes führt zu einem Abwasser, das eine Temperatur im Bereich von 95 bis 99 0C annimmt. Zu diesem Zweck wurde dem Kondensator 5 ein Wasser als Wärmeträgermedium mit einer Eingangstemperatur von ca. 87°C und einer Ausgangstemperatur von ca. 92°C zugeführt. Somit konnte dem thermischen Verdichter des Kälteerzeugers ein Warmwasser mit einer Temperatur im Bereich von über 900C zugeführt werden, um den Kältemittelkreislauf in dem Kälteerzeuger 9 zu aktivieren. In Fig. 2 ist schematisch ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Das Ausführungsbeispiel ist im Wesentlichen identisch zu dem vorgenannten Ausfüh- rungsbeispiel, so dass an dieser Stelle Bezug zu der vorgenannten Beschreibung genommen wird und aufgrund von Vermeidung von Wiederholungen nur die Unterschiede erläutert werden.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Wärmeträgerkreislauf 32 zwischen dem Kondensator 5 und dem Kälteerzeuger 9 durch einen Ausgleichsbehälter 30 und einer Förderpumpe 31 erweitert, die in der Kälte leitung 8 integriert sind. Damit lässt sich ein kontinuierlicher Fluss des Wärmeträgermediums innerhalb des Wärmeträgerkreislaufes 32 gewährleisten, so dass die von dem Kondensator 5 abgegebene Wärmeenergie kontinuierlich dem thermischen Ver- dichter zuführbar ist.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kühlkreislauf 16 zwischen dem Kälteerzeuger 9 und einer Klimaeinrichtung 17 angeordnet. Über den Kühlkreislauf 16 wird die durch den Kälteerzeuger 9 bereitgestellte Kälteenergie die der Klimaeinrichtung 17 zugeführt, um eine konditionierte Luft zu erzeugen. Die Klimaeinrichtung 17 ist über Klimakanal 29 mit einer Kühleinrichtung 18 verbunden. Die Kühleinrichtung ist einer Spinneinrichtung 19 zugeordnet, wobei die Kühleinrichtung 18 unterhalb eines Spinnkopfes 20 angeordnet ist. Hierbei wird dem Spinnkopf 20 eine Polymerschmelze beispielsweise ein direkt aus der Polykondensation zugeführtes Polyester zugeführt und zu einer Vielzahl von strangförmigen Fasersträngen 21 extrudiert. Die Faserstränge 21, die beispielsweise zu einem multifilen Faden oder zu Spinnkabeln zusammengeführt werden, werden unterhalb des Spinnkopfes 20 durch eine Kühlluft der Kühleinrichtung 18 abgekühlt. Die in der Kühleinrichtung 18 genutzt Kühlluft zur Abkühlung der Faserstränge 21 wird durch die Klimaeinrichtung 17 bereitgestellt. Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist somit besonders geeignet, um in sogenannten Direktspinnereien, bei welchen die Polykondensation beispielsweise eines Polyesters unmittelbar mit einer Schmelzspinnvorrichtung für Fasern aus Polyester kombiniert ist.
Grundsätzlich besteht jedoch auch die Möglichkeit, durch die Klimaanlage eine Raumluft zur Verfügung zu stellen, wie sie beispielsweise in Spinnereien genutzt wird. So lassen sich auch bei räumlichen Trennungen zwischen der Polykondensation und einer Schmelzspinneinrichtung derartige energetische Verknüpfungen vorteilhaft nutzen.
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfmdungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist im Wesentlichen identisch zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2, so dass an dieser Stelle nur die Unterschiede erläutert werden. Ansonsten wird zu den vorgenannten Beschreibungen zu der Fig. 2 Bezug genommen.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kondensator 5 über die Abwasserleitung 6 mit einer Abwasserreinigungseinrichtung 22 verbunden. Zur Reinigung des Abwassers weist die Abwasserreinigungseinrichtung 22 mehrere Prozessaggregate auf, um das Wasser in mehreren Stufen von den Nebenprodukten zu trennen. In dem Ausführungsbeispiel ist in Fliesrichtung des Abwassers eine Stripperkolonne 24, ein Prozesskühler 23 und eine Filtrationseinheit 25 hin- tereinander angeordnet. Innerhalb der Stripperkolonne 24 werden die flüchtigen Bestandteile wie beispielsweise Acetaldehyd aus dem Abwasser getrennt. Hierbei wird das Abwasser mit einem Gasstrom in Kontakt gebracht, um die flüchtigen Bestandteile aus der Abwasserphase in die Gasphase auszutreiben. Der mit den flüchtigen Bestandteilen belastete Gasstrom lässt sich aus der Stripperkolonne 24 über eine Ablassleitung 28.1 abführen und beispielsweise einem Verbrennungs- prozess in einem Wärmeträgerofen zuführen, um die in dem Gasstrom vorhandene Verbrennungsenergie zu nutzen. Der mit Gas, Öl, Kohle, etc. betriebene Wär- meträgerofen benötigt demzufolge weniger Primärenergie. Vor Einleitung des Abwassers in die Stripperkolonne 24 ist vorzugsweise eine weitere Kühlstufe zwischengeschaltet, um das Abwasser auf Temperaturen im Bereich von 60 bis 700C abzukühlen.
Zur weiteren Reinigung des Abwassers ist eine Filtrationseinheit 25 vorgesehen, in welcher Mikrofiltrationen bzw. Umkehrosmosen zur Aufbereitung des Wassers ausgeführt werden. Um die bei der Filtration durch entsprechende Membranen zu filtrierenden Verunreinigungsmoleküle zurückzuhalten, ist es erforderlich, dass das Abwasser eine möglichst niedrige Temperatur im Bereich von unterhalb 400C aufweist. Hierzu ist der Filtrationseinheit 25 ein Prozesskühler 23 vorgeschaltet. Der Prozesskühler 23 ist vorzugsweise durch einen Flüssigkeit / Flüssigkeitskühler gebildet, wobei der Prozesskühler 23 über einen zweiten Kühlkreislauf 16.2 mit dem Kälteerzeuger 9 gekoppelt ist. Somit wird die beim Kondensieren des Abwasserdampfes gewonnene Wärmeenergie nach Umwandlung in eine Kälteenergie dem Prozess indirekt zurückgeführt, indem die weitere Abkühlung des Abwassers in dem Prozesskühler 23 durch die in dem Kälteerzeuger 9 erzeugte Kälteenergie vonstatten geht.
Die während der Umkehrosmose herausgetrennten Bestandteile wie beispielsweise Glykol werden über eine Ablassleitung 28.2 abgeführt. Hierbei besteht die Möglichkeit, den Ablassstrom aus der Filtrationseinheit 25 ebenfalls einem Verbrennungsprozess in einem Wärmeträgerofen zuzuführen. Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Nebenprodukte, die im Polykondensationspro- zess nutzbar sind, zurückzuführen.
Das am Ende der Umkehrosmose filtrierte Reinwasser lässt sich über eine Wasserleitung 26 unmittelbar einem Zerstäuber 27 zuführen, wobei je nach Menge auch weitere Verbraucher mit Reinwasser über die Wasserleitung 26 versorgt werden könnten. Der Zerstäuber 27 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit der
Klimaeinrichtung 17 kombiniert, um beispielsweise die zum Abkühlen von Fasersträngen genutzte Kühlluft zu befeuchten. Zur Konditionierung der Kühlluft ist die Klimaeinrichtung 17 mit einem ersten Kühlkreislauf 16.1 mit dem Kälteerzeuger 9 gekoppelt. Somit werden gleich mehrere Kühlkreisläufe 16.1 und 16.2 parallel durch den Kälteerzeuger 9 kältetech- nisch versorgt.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist besonders geeignet, um in einer Polykon- densationsanlage eine angeschlossene Direktspinnerei und eine unmittelbar integrierte Abwasserreinigungseinrichtung zu kombinieren. Hierbei lassen sich die Prozesse kostengünstig und umweltfreundlich miteinander verbinden, wobei die erforderlichen Kälteenergien aus der durch die Abwasserdampfkondensation freiwerdende Wärmeenergie umgewandelt wird. Die Kombination und Vernetzung all dieser Prozesse ergibt nicht nur eine Einsparung an Investitionskosten, sondern auch eine große Einsparung an Energie, Wasser und Monomeren.
Die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiele der erfmdungsgemä- ßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in ihrem Aufbau und in ihrer Anwendung zur Nutzung der Kälteenergie beispielhaft. Grundsätzlich lässt sich die umgewandelte Kälteenergie auch in anderen Berei- chen und Teilprozessen nutzen.
Das erfmdungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung erstreckt sich somit auf alle bekannten Polykondensationsverfahren zur Herstellung von Polymeren wie z. B. PET, PBT. Insbesondere ist hierbei die Kombination mit einer Abwasseraufbereitung, vorteilhaft um das Abwasser aus der Polykondensa- tion weitgehendst in möglichst reine Stoffe zu fraktionieren, so dass die Teilströme in verschiedenen Anlagensegmenten sinnvoll eingesetzt werden, um dadurch Energie und Rohstoffe einzusparen.
Das erfmdungsgemäße Verfahren und die erfmdungsgemäße Vorrichtung lassen sich somit auch vorteilhaft mit Anlagen zur Weiterverarbeitung der Polymere kombinieren, wie z. B. mit einer Direktspinnerei zur Herstellung von Fäden oder Stapelfasern.
Bezugszeichenliste
1 Prozesskolonne
2 Zulaufleitung 3 Sumpfleitung
4 Dampfleitung
5 Kondensator
6 Abwasserleitung
7 Warmrohrleitung 8 Kaltrohrleitung
9 Kälteerzeuger
10 Thermischer Verdichter
11 Kocher
12 Absorber 13 Pumpe
14 Verflüssiger
15 Verdampfer 16, 16.1, 16.2 Kühlkreislauf
17 Klimaeinrichtung 18 Kühleinrichtung
19 Spinneinrichtung
20 Spinnkopf
21 Faserstränge
22 Abwasserreinigungseinrichtung 23 Prozesskühler
24 Stripperkolonne
25 Filtrationseinheit
26 Wasserleitung
27 Zerstäuber 28.1, 28.2 Ablassleitung
29 Klimakanal
30 Ausgleichsbehälter
31 Förderpumpe
32 Wärmeträgerkreislauf

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erzeugung einer Kälteenergie in einem Polykondensations- Prozess, bei welchem der Polykondensations-Prozess ein Nebenprodukt in Form von Abwasserdampf erzeugt und bei welchem der Abwasserdampf durch eine Kondensation zu einem Abwasser überführt wird, wobei die bei der Kondensation des Abwasserdampfes frei werdende Wärmeenergie durch ein Wärmeträgermedium aufgenommen und einem Kälteerzeuger mit einem thermischen Verdichter zugeführt und zu Kälteenergie umgewandelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Wärmeenergie in dem Kälteerzeuger umgewandelte Kälteenergie einem Kühlmedium zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kälteenergie über das Kühlmedium einer Klimaeinrichtung zur Konditionierung einer Luft zugeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die konditionierte Luft der Klimaeinrichtung einem Schmelzspinnprozess zur Abkühlung extrudierter Faserstränge zugeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kälteenergie oder ein Teil der Kälteenergie über das Kühlmedium einem Prozesskühler zur Abkühlung eines Prozessmediums zugeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozesskühler zur Abkühlung des Abwasser einer Abwasserreinigungseinrichtung eingesetzt wird, in welcher das Abwasser von Fremdstoffen befreit wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus dem Abwasser entstandenes Reinwasser einem Zerstäuber zur Konditionierung einer zum Abkühlen der extrudierten Faserstränge genutzte Kühlluft zugeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium zum Transport der Wärmeenergie in einem Wärmeträgerkreislauf geführt wird, der einen Kondensator und den thermischen Verdichter durchströmt.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit zumindest einem Kondensator (5), welcher mit einem Einlass über eine Dampfleitung (4) mit einer Prozesskolonne (1) in einer Polykondensations- anlage verbunden ist und welcher mit einem Auslass mit einer Abwasserleitung (6) gekoppelt ist, wobei der Kondensator (5) über eine Warmrohrleitung (7) mit einem thermischen Verdichter (10) eines Kälteerzeugers (9) verbunden ist, wobei innerhalb der Warmrohrleitung (7) ein Wärmeträger- medium zur Abgabe einer Wärmeenergie geführt ist und wobei der Kälteerzeuger (9) die aus der Wärmeenergie umgewandelte Kälteenergie bereitstellt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kälteerzeuger (9) mit einem Kühlkreislauf (16) oder mit mehreren Kühlkreisläufen (16.1, 16.2) gekoppelt ist, in welchem ein Kühlmedium zur Aufnahme und Abgabe der Kälteenergie geführt ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf (16) mit einer Klimaeinrichtung (17) gekoppelt, die eine konditionierte Luft bereitstellt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Klimaeinrichtung (17) mit einer Kühleinrichtung (18) zur Abkühlung von extrudierten Fasersträngen (21) in einem Schmelzspinnprozess (19) verbunden ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf (16) oder ein weiterer mit dem Kälteerzeuger gekoppelter Kühlkreislauf (16.2) mit einem Prozesskühler (23) gekoppelt ist, der zur Abkühlung eines Prozessmediums vorgesehen ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozesskühler (23) einer Abwasserreinigungseinrichtung (22) zur Ab- kühlung des Abwassers zugeordnet ist, in welcher Abwasserreinigungseinrichtung (22) das Abwasser von Fremdstoffen befreit wird.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwasserreinigungseinrichtung (22) über eine Wasserleitung (26) für ein Reinwasser mit einem Zerstäuber (27) verbunden ist, welcher Zerstäuber (27) der Klimaeinrichtung (17) zur Befeuchtung der Luft zugeordnet ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (5) und der thermische Verdichter (10) durch eine KaIt- rohrleitung (8) zu einem Wärmeträgerkreislauf (32) verbunden sind, wobei der Kondensator (5) und der thermische Verdichter (10) von dem Wärmeträgermedium durchströmt sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kaltrohrleitung (8) des Wärmetragerkreislaufs (32) eine Förderpumpe (31) und ein Ausgleichsbehälter (30) angeordnet sind.
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