Wärmerückgewinnung & -einsparung
Energierückgewinnung für Verdampfer- und Rektifikationsanlagen
Für Verdampfer- und Rektifikationsanlagen im Industriemaßstab ist die Berücksichtigung der Möglichkeiten zur Energieminimierung von zentraler Bedeutung. corosys hat hierzu langjährige Erfahrung und suksessive aufgebautes und erweitertes Know-How, das wir sehr gerne mit Ihnen spezifisch für Ihren Prozess anwenden.
Dazu gehören klassische Methoden zur Nutzung heißer und kalter Stoffströme, die beispielsweise im Rahmen einer Pinchanalyse untersucht werden können, sowie die Optimierung des Rektifikationskolonne hinsichtlich Trennstufen und erforderlichem Rücklaufverhältnis.
Vorwiegend für reine Verdampferprozesse, zum Teil aber auch für Rektifikationsprozesse wie der Bioethanolrektifikation, können – je nach Größe der Anlage, spezifischen Energiekosten, etc. – die nachfolgenden Energieeinsparungskonzepte realisiert werden. Die Konzepte werden am Beispiel von Fallfilmverdampferanlagen dargestellt, für die die Energieeinsparungen am häufigsten eingesetzt werden.
Mechanische Brüdenkompression (MVR)
Bei der mechanischen Brüdenverdichtung werden die Dämpfe durch einen elektrisch betriebenen Kompressor verdichtet und wieder zur Beheizung des Verdampfers verwendet. Als Wärmepumpen kommen je nach Anwendung (Siedepunktserhöhung, Wärmeübertragung) ein- oder zweistufige Turboventilatoren oder Turbokompressoren zum Einsatz.
Dabei wird der in den industriellen Prozessen anfallende Prozessdampf (Dampf) mit einem Radialventilator (mechanischer Dampfkompressor, MBV) auf eine höhere Temperatur und damit auf ein höheres Energieniveau angehoben und anschließend als frischer Heizdampf dem Prozess wieder zugeführt. Die im Dampf enthaltene Energie geht dabei nicht verloren, lediglich die zur Temperaturerhöhung erforderliche Energie muss zusätzlich in Form von Strom aufgebracht werden. Neben dem geminderten Verbrauch fossiler Brennstoffe und damit Heizdampf werden dadurch die CO2-Emissionen erheblich gesenkt.
Die spezifische Energieverbrauchsminderung mit einer mechanischen Brüdenkompression ist insbesondere bei sehr großen abzudampfenden Mengen sehr wirtschaftlich und zuverlässig.
Thermische Brüdenkompression (TVR)
Die thermische Dampfkompression (TVR) baut auf dem gleichen Prinzip wie die mechanische Alternative auf, nutzt aber nur einen Teil des entstehenden Dampfes zur Beheizung des Systems.
Die Kompression des Dampfes zur Wärmerückgewinnung erfolgt in einer Dampfstrahlpumpe. Diese ist in der Regel für einen bestimmten Betriebspunkt ausgelegt und arbeitet nach dem Strahlpumpenprinzip. Für den Betrieb eines thermischen Dampfverdichters wird eine bestimmte Dampfmenge, der sogenannte Treibdampf, benötigt. Die daraus resultierende Energieeinsparung entspricht in vielen Fällen in etwa einer zusätzlichen Verdampferstufe.
Der Hauptvorteil der thermischen Brüdenverdichtung ist somit der verringerte Dampfverbrauch bei moderaten Investitionskosten, die geringer sind als die einer zusätzlichen Verdampferstufe.
Mehrstufige Verdampferanlagen (MEE)
Bei mehrstufigen Eindampfanlagen werden die Brüden aus dem Produkt zur Erwärmung des nachgeschalteten Verdampfungseffektes genutzt, so dass der Dampfverbrauch entsprechend reduziert wird.
Unter Berücksichtigung der Wärmebilanz eines einstufigen Verdampfers ist der Wärmeinhalt (Enthalpie) des verdampften Dampfes ungefähr gleich dem Wärmeeintrag auf der Heizseite. Im üblichen Fall der Wasserverdampfung wird bei 1 kg/h Frischdampf etwa 1 kg/h Dampf erzeugt, da die spezifischen Verdampfungswärmewerte auf der Heiz- und Produktseite etwa gleich sind. Wird die durch Primärenergie erzeugte Dampfmenge in einem zweiten Verdampfer als Heizdampf genutzt, reduziert sich der Energieverbrauch des Gesamtsystems um etwa 50%. Dieses Prinzip kann über weitere Effekte fortgeführt werden, um noch mehr Energie einzusparen.
Die maximal zulässige Erwärmungstemperatur des ersten Effekts und die niedrigste Siedetemperatur des letzten Effekts bilden eine Gesamttemperaturdifferenz, die auf die einzelnen Verdampfer aufgeteilt werden kann. Folglich nimmt die Temperaturdifferenz pro Effekt mit zunehmender Anzahl von Verdampfern ab.
Aus diesem Grund müssen die Heizflächen der Einzelverdampfer entsprechend größer dimensioniert werden, um die erforderliche Verdampfungsrate zu erreichen, jedoch mit einer geringeren Temperaturdifferenz (∆T). Eine erste Annäherung zeigt, dass die Gesamtheizfläche aller Verdampfer proportional zur Anzahl der Verdampfer zunimmt. Folglich steigen die Investitionskosten, während die eingesparte Energiemenge immer geringer wird. Hierfür ist ein Optimum mit dem Kunden auszuarbeiten.
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