DE2951188A1 - Verfahren und vorrichtung zur nutzung der abwaerme verfahrenstechnischer prozesse - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur Nutzung
• 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.
• Bei zahlreichen verfahrenstechnischen Prozessen ist zur Erzeugung eines Produktes eine hohe Temperatur erforderlich.
• 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.
• 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.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß aadurch gelöst, daß die Abwärme mittels einer Wärmepumpe auf ein höheres Temperaturniveau gebracht und dem Prozeß wieder zugeführt wird.
• Erfindungsgemäß wird die Abwärme auf ein höheres Temperaturniveau gebracht, zweckmäßigerweise auf eine Temperatur, auf deren Niveau dem Prozeß Wärme zugeführt werden muß.
• Damit wird dem Endprodukt Wärme entzogen, die sonst nutzlos und unter thermischer Umweltbelastung abgegeben surde.
• 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.
• Verbunden mit der Reduzierung des Energiebedarfs ist eine Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades des Prozesses.
• 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.
• Insbesondere ist auch eine Verfahrensführung vorteilhaft, bei der die Abwärme auf das hohe Temperaturniveau der ursprünglich von außen zugeführten Wärme gebracht wird.
• 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.
• Ein einziger Verdichter dient bei dieser Verfahrensführung gleichzeitig der Rückführung eines Prozeßstroms und als Kreislaufverdichter für die Wärmepumpe.
• Besonders vorteilhaft ist es, wenn, wie weiter vorgeschlagen wird, das im Wärmepumpenkreislauf geführte Fluid durch direkten Wärmetausch mit einem Prozeßstrom erwärmt wird.
• Bei Prozessen, in denen das Reaktionsprodukt gequencht werden muß, bietet es sich in diesem Fall an, das Kreislauffluid als Quenchflüssigkeit zu verwenden.
• 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.
• Bei einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Wärmetauscher vor dem Verdichter als Quenchkühler ausgebildet.
• Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• Der erfindungsgemäße Wärmepumpenkreislauf 13, 14, 16, 17, 11, 18, 21, 22 dient bei diesem Verfahren gleichzeitig dem Recycle des überschüssigen Wasserstoffes.
• Im Quenchkühler 13 findet ein direkter Wärmetausch zwischen dem Fluid des Wärmepumpenkreislaufs, also in diesem Fall Quenchflüssigkeit, und dem Reaktionsprodukt statt.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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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Claims (6)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zur Nutzung der Abwärme von Prozessen, in deren Verlauf von außen Wärme auf hohem Temperaturniveau zugeführt wird und Abwärme auf niedrigem Temperaturniveau anfällt, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwärme mittels einer Wärmepumpe auf ein höheres Temperaturniveau gebracht und dem Prozeß wieder zugeführt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwärme auf das hohe Temperaturniveau der von außen dem Prozeß zugeführten Wärme gebracht wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmepumpe dem Recycle eines bei dem Prozeß nicht vollständig verbrauchten u,nd/oder im Überschuß vorhandenen Reaktanten dient.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das im Wärmepumpenkreislauf geführte Fluid durch direkten Wärmetausch mit einem Prozeß strom erwärmt wird.
5. 5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Reaktionsbehälter mit Vorrichtungen zur Zu- und Abführung reagierender Fluide, sowie einen Wärmepumpenkreislauf, der nacheinander einen Verdichter (6,17), einen Wärmetauscher (3,11), ein Entspannungsventil (7,21) und einen zweiten Wärmetauscher enthält, wobei der Wärmetauscher (3,11) nach dem Verdichter (6,17) einen Strömungsquerschnitt für die reagierenden Fluide und der Wärmetauscher vor dem Verdichter (6,17) einen Strömungsquerschnitt für die reagierten Fluide aufweist.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher vor dem Verdichter als Quenchkühler (13) ausgebildet ist.