EOP_Skript_2003

Seite 01

Energetische Optimierung von Prozessen (Übersicht)

Übersichten (Müller)

1. Einsparpotentiale2. Energetisch relevante Prozesse

3. Beispiel: Ammoniakprozess

Planungstechnische Methoden (Nachtrodt)

4. Material- und Energiebilanzen Optimierung von Apparaten und 5. Energieflussschemata Prozessgruppen (Müller) 6. Versorgungsmedien und -anlagen 7. Kraft-Wärme-Kopplung 12. Optimierung von Wärmetauschern 8. Wärme- und Kühlkreisläufe 13. Optimierung von Waschprozessen 9. Wärmespeicher, Kälteanlage, 14. Mehrstufenverdampfung

Wärmepumpe 15. Optimierung von Rektifikationen10. Pinchpoint-Methodik I 16. Nutzung von Turboantrieben11. Pinchpoint-Methodik II

Seite 03

Energetische Optimierung von Prozessen

Gesamtprozess/Industriebetrieb Kraft- und Wärmewirtschaft des Betriebs

(z.B. Kraft-Wärme-Kopplung)

ProzessgruppeAbwärmenutzung von ReaktionenWärmerückgewinnung (Wärmepumpen)Druckrückgewinnung (Kraftmaschinen)Zweckmäßige Kombination von TrennoperationenVerschaltung der Prozesselemente

ProzesselementeWahl der ReaktionsbedingungenFührung thermischer TrennprozesseVerringerung thermischer/hydraulischer Verluste

Seite 07

Dreistufige Verdampferanlage (Gleichstrom)

Frischdampfverbrauch sinkt umgekehrt proportional zur Stufenzahl!

Seite 10

Energetisch relevante Grundoperationen

Prozessschritt Relevante Grundop. Optimierungsmaßnahmen

Aufbereitung Zerkleinerung Benötigte spezifische OberflächeWahl des richtigen

ZerkleinerungsverfahrensGeeignete Klassierung

Chemische Reaktion Optimierung des Reaktionsumsatzes:- Wahl der beteiligten Phasen- Wahl von Temperatur und Druck- Einsatz eines Katalysators

Thermische Trennung Rektifikation Optimale ProzessführungEindampfung (z.B. Verschaltung)Kristallisation aus derLösung (Kälteerzeugung)

Konditionierung Trocknung Vorentwässerung

Seite 11

Wichtige anorganische Grundstoffe

Luft Wasser Erdgas Steinsalz Kalkstein Phosphat Schwefel Bauxit

O2 N2 H2 NH3 CO2 NaOH Cl2 CaO H2SO4

HCl Na2CO3 HNO3 H3PO4 Al(OH)3

Organische Waschmittel Düngemittel AluminiumChemie

Seite 12

Wichtige anorganische Grundstoffe (Weltproduktion 1981)

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

140.00

Was

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Calcium

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Mrd. DM

Mio t. (1981)

Seite 13

Energiebedarf wichtiger Herstellverfahren

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

Sch

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Energieerzeugung

Energieverbrauch

Seite 15

Wichtige organische Grundstoffe (Weltproduktion 1981)

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

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Xylol

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n

Mrd. $

Mio t. (1981)

Seite 16

Chemische Industrie nach Gütergruppen (Deutschland 1983)

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

Chem

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DM

Seite 17

Energieverbrauch ausgeführter Ammoniakanlagen

0

10

20

30

40

50

60

70

1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000

Jahr

Ro

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J/t

NH

3

theoretischer Verbrauch

Seite 18

Reaktionen bei der Ammoniakherstellung

Reaktion Reaktionsgleichung ∆∆∆∆HR t /°C p/bar KatalysatorkJ/mol

Primär-reformer CH4+ H2O <> CO +3 H2 205 820 30 NiO

CH4+2 H2O <> CO2+4 H2 164

Sekundär- 2 CH4+O2 => 2 CO+4 H2 -35,7 975 30 NiOreformer (+4 N2)

CO-Konv. CO+H2O <> CO2+H2 -41,2 200-300 30 Fe/Cr-Oxide

Synthese 3 H2 + N2 => 2 NH3 -88 380-550 300-500 Fe2O3, Al2O3 etc.

Seite 19

Fließbild der Ammoniakherstellung

Seite 20

Dampfsystem einer NH3-Anlage

Seite 21

Gleichgewichtskonzentration im NH3-Reaktor

Seite 02

Investitions- und Betriebskosten

Erhöhung der VerschiebungBetriebskosten ! des Optimums

nach rechts

Seite 04

Kraft-Wärme-Kopplung(Schaltungsbeispiel)

Seite 05

Druckrückgewinnung(im Waschkreislauf einer Absorber/Desorberanlage)

Seite 06

Kompressionswärmepumpe

Kondensation des Arbeitsmediums bei Tc > THeiz

Verdampfung des Arbeitsmediums bei T0 < TAbwärme

Dampf

Kondensat

Seite 08Sinnvolle Schaltungen von Prozessgruppen

(Beispiele)

Suspension GutFilter/ Trockner

Zentrifuge

Filtrat Trockenluft

Feingut

Sichter

Mahlgut Grobgut

Aufgabegut Mühle

Mahlluft

Seite 09Abwärmenutzung exothermer Reaktionen

(Beispiel)

NO-Reaktor einer Salpetersäureanlage

p ≈ 5 bar θ ≈ 900 °C

Seite 14

Wichtige organische Derivate aus Erdöl

Seite 22

Faktoren für die Wärmetauscherauslegung

Anordnung in der Anlage: Prozessdaten:Verfügbare Druckdifferenz Massenströme

Ein- und Austrittstemperaturen

Wahl des WärmeübertragertypsZuordnung Rohrseite/Mantelseite

Wärmetechnische AuslegungStrömungstechnische Auslegung

Medien :Phasenübergänge

VerschmutzungsanfälligkeitKorrosionsneigung

Seite 25

Schätzung der EckdatenGegebene Prozessdaten:

Massenstrom 1m! ; Eintrittstemperaturen ′ϑ1 , ′ϑ 2 ; Austrittstemperatur ″ϑ1

Berechnung Wärmekapazitätsströme 21 W,W !! (Wärmeaufnahmevermögen):

1p11 cmW ⋅= !!2p22 cmW ⋅= !!

″ϑ−′ϑ⋅=

′ϑ−″ϑ⋅= 222111 WWQ !!!

berechenbar: zu übertragender Wärmestrom und entweder Massenstrom 2 oder 2ϑ∆ !

Seite 34

Bauformen von Rohrbündel-WÜT

Mehrgängig mit festen Rohrplatten Mehrgängig mit Kompensator

Mehrgängig mit Schwimmkopf Bündel mit U-Rohren

Seite 37

Energiesparmöglichkeiten bei der VerdampfungProblem des Einzelverdampfers: gesamter Energieinhalt des Brüdens wird vernichtet!

Brüden hat die Siedetemperatur der Lösung, Weiterverwendung daher nur durch

1. Mehrstufigkeit 2. BrüdenkompressionAbsenkung der Siedetemperatur/ Erhöhung des Brüdendrucks/des Drucks in den Folgestufen der Kondensationstemperatur

Seite 42

Heizdampfverbrauch in Abhängigkeit von der Stufenzahl

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Stufenzahl

spez

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��

��

��

tats. Verbrauch mit Verlusten

Seite 43

Ausnutzung der Abwärmeströme

Seite 01

Energetische Optimierung von Prozessen (Übersicht)

Optimierung von Apparaten und Planungstechnische MethodenProzessgruppen (Müller) (Nachtrodt)

Material- und Energiebilanzierung Energieflussschemata

Einsparpotentiale Versorgungsmedien und -anlagen

Beispiel: Salpetersäureprozess Kraft-Wärme-Kopplung

Optimierung von Wärmetauschern Wärme- und Kühlkreisläufe

Mehrstufenverdampfung Wärmespeicher, Kälteanlage,Wärmepumpe

Optimierung von RektifikationenPinchpoint-Methodik

Seite 03

Energetische Optimierung von Prozessen

Gesamtprozess/Industriebetrieb Kraft- und Wärmewirtschaft des Betriebs

(z.B. Kraft-Wärme-Kopplung)

ProzessgruppeAbwärmenutzung von ReaktionenWärmerückgewinnung (Wärmepumpen)Druckrückgewinnung (Kraftmaschinen)Zweckmäßige Kombination von TrennoperationenVerschaltung der Prozesselemente

ProzesselementeWahl der ReaktionsbedingungenFührung thermischer TrennprozesseVerringerung thermischer/hydraulischer Verluste

Seite 07

Dreistufige Verdampferanlage (Gleichstrom)

Frischdampfverbrauch sinkt umgekehrt proportional zur Stufenzahl!

Seite 10

Energetisch relevante Grundoperationen

Prozessschritt Relevante Grundop. Optimierungsmaßnahmen

Aufbereitung Zerkleinerung Benötigte spezifische OberflächeWahl des richtigen

ZerkleinerungsverfahrensGeeignete Klassierung

Chemische Reaktion Optimierung des Reaktionsumsatzes:- Wahl der beteiligten Phasen- Wahl von Temperatur und Druck- Einsatz eines Katalysators

Thermische Trennung Rektifikation Optimale ProzessführungEindampfung (z.B. Verschaltung)Kristallisation aus derLösung (Kälteerzeugung)

Konditionierung Trocknung Vorentwässerung

Seite 13

Seite 20




Wahl des WärmeübertragertypsZuordnung Rohrseite/Mantelseite

Wärmetechnische AuslegungStrömungstechnische Auslegung

Medien :Phasenübergänge

VerschmutzungsanfälligkeitKorrosionsneigung

Seite 23

Schätzung der EckdatenGegebene Prozessdaten:

Massenstrom 1m! ; Eintrittstemperaturen ′ϑ1 , ′ϑ 2 ; Austrittstemperatur ″ϑ1

Berechnung Wärmekapazitätsströme 21 W,W !! (Wärmeaufnahmevermögen):

1p11 cmW ⋅= !!2p22 cmW ⋅= !!

″ϑ−′ϑ⋅=

′ϑ−″ϑ⋅= 222111 WWQ !!!

berechenbar: zu übertragender Wärmestrom und entweder Massenstrom 2 oder 2ϑ∆ !

Seite 32




Seite 35

Energiesparmöglichkeiten bei der VerdampfungProblem des Einzelverdampfers: gesamter Energieinhalt des Brüdens wird vernichtet!

Brüden hat die Siedetemperatur der Lösung, Weiterverwendung daher nur durch

1. Mehrstufigkeit 2. BrüdenkompressionAbsenkung der Siedetemperatur/ Erhöhung des Brüdendrucks/des Drucks in den Folgestufen der Kondensationstemperatur

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Heizdampfverbrauch in Abhängigkeit von der Stufenzahl

0

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0.4

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0.8

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1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Stufenzahl

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tats. Verbrauch mit Verlusten

Seite 40

Ausnutzung der Abwärmeströme

Seite 02

Investitions- und Betriebskosten

Erhöhung der VerschiebungBetriebskosten ! des Optimums

nach rechts

Seite 04

Kraft-Wärme-Kopplung(Schaltungsbeispiel)

Seite 05

Druckrückgewinnung(im Waschkreislauf einer Absorber/Desorberanlage)

Seite 06

Kompressionswärmepumpe

Kondensation des Arbeitsmediums bei Tc > THeiz

Verdampfung des Arbeitsmediums bei T0 < TAbwärme

Dampf

Kondensat

Seite 08Sinnvolle Schaltungen von Prozessgruppen

(Beispiele)

Suspension GutFilter/ Trockner

Zentrifuge

Filtrat Trockenluft

Feingut

Sichter

Mahlgut Grobgut

Aufgabegut Mühle

Mahlluft

Seite 09Abwärmenutzung exothermer Reaktionen

(Beispiel)

NO-Reaktor einer Salpetersäureanlage

p ≈ 5 bar θ ≈ 900 °C

Seite 11

Material- und Energiebilanzierung

BilanzraumBilanzhülle

austretendeeintretende

Materialströme

eintretende austretendeEnergieströme

Der Energiebilanzierung geht stets eine Materialbilanzierung voraus!

Seite 12

Bilanzierung von Energieströmen1. Stoffströme mit fühlbarer Wärme

ϑ⋅⋅= pcmQ !! (Celsiustemperatur !)

hmQ ⋅= !!

2. Phasenänderungen (Verdampfung, Kondensation, Schmelzen...)

.Ä.PhhmQ −∆⋅= !! (z.B. Verdampfungsenthalpie r)

3. Chemische Reaktionen

RhmQ ∆⋅= !! bzw. M

hmQ R∆⋅= !!

bei molarer Reaktionsenth.

(freiwerdende Energie/exotherme Reaktion: negatives ∆hR)

4. Verbrennungsvorgänge

uHmQ ⋅= !! bzw. uHm

Q ⋅ρ

=!!

bei Gasen mit Angabe pro Vol.-einh.

[Hu: unterer Heizwert (Verbrennungsenthalpie – Kondensationsenth.)]

5. Mechanischer Energieeintrag

6. Energieaustausch mit der Umgebung (z.B. Wärmeverluste)

Seite 14

Salpetersäureanlage (1500 t/d)

Seite 15

Reaktionen bei der NO-Erzeugung

Im Brenner bei ca. 900°C am Pt/Rh-Katalysator:

4 NH3 + 5 O2 " 4 NO + 6 H2O (93 – 98 %)

Nebenreaktionen:

4 NH3 + 4 O2 " 2 N2O + 6 H2O

(2 – 7 %)4 NH3 + 3 O2 " 2 N2 + 6 H2O

4 NH3 + 6 NO " 5 N2 + 6 H2O

Beim Abkühlen:

2 NO + O2 " 2 NO2

2 NO2 # N2O4

NO + NO2 # N2O3

Seite 16

Umsatz der NH3-Verbrennung%

100

99

98

..97

96

95

2 4 6 8 10 bar

Seite 17

Druckverhältnisse in einerSalpetersäure-Zweidruckanlage

25 bar HD-Dampf (33 % der Kompressorleistung)

20

15

(67 % der Kompressor- Leistung)

10

5

0 Luftkompressor Brenner NO-Kompressor Absorption Restgasturbine

Seite 18

Turbosatz für eineSalpetersäureanlage( Lufth/m272000V 3=! )

Seite 19

Temperaturverhältnisse in einerSalpetersäure-Zweidruckanlage

900°C

800

700

Luft- Gaskühlung NO-kompr. Komp.

600

Luft/NO-Gas Restgas Dampf/Kondensat

500 Kühlwasser Kaltwasser

HD-Dampf400

300

Luft

200 Gaskühlung Absorption

NH3

Restgas100

Brenner Kondensat

0

Seite 21

Wahl der Strömungsgeschwindigkeit

Kosten

Optimum

Wärmetauscherfläche(Investitionskosten)

Druckverlust(Betriebskosten)

Strömungsgeschwindigkeit (kritische Seite)

Seite 22Hergang einer Wärmetauscheroptimierung

Prozessdaten:Massenstrom 1

Eintrittstemperaturen

Abschätzung Austrittstemperaturen,übertragener Wärmestrom,

Massenstrom 2

Berechnung Wärmekapazitätsströme 21 W,W !!

Berechnung 2/12/1 NTU,R

Schätzung k-WertÜberschlägige WÜ-Flächenbestimmung

Festlegung Wärmetauschertyp Optimale Stromführung Strömungsgeschwindigkeiten

Schätzung der mittleren TemperaturenStoffdatenbestimmung (η, ρ, cp, λ)

Berechnung KennzahlenRe, Pr, ... → Nu

Berechnung Ak ⋅

Neubestimmung WT-Fläche

Druckverlustberechnung nein ja

OK ? $

Seite 24

Stromführungen und mittlere Temperaturen

b

aln

bam

−=ϑ∆

2

bam

+=ϑ∆

Seite 25

Bestimmung der NTU-Werte(Number of Transfer Units)

miii AkWQ ϑ∆⋅⋅=

′ϑ−″ϑ⋅= !!

im

ii

i

NTUW

Ak =ϑ∆

′ϑ−″ϑ=⋅

! ii WNTUAk !⋅=⋅

ϑ′−ϑ′ϑ ′′−ϑ′

=rittenintE.d.adifferenzTemperaturverfügbare

iStromesdesänderungTemperaturP

21

iii

j

ii W

WR

!

!=

piii cmW ⋅= !! d.h. 1

21 P

PR =

Seite 26

Seite 27

Wahl der StrömungsgeschwindigkeitRohrseitig: bei Flüssigkeiten günstige Werte von 1-2,5 m/s

viskose Flüssigkeiten deutlich wenigerzur Verschmutzung (fouling) neigendeMedien eher mehr (z.B. Kühlwasser)Gase bis ca. 20 m/s (Normaldruck)

Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeitdurch% Rohrdurchmesser d (aussen)% Wandstärke s% Anzahl rohrseitiger Durchgänge

( )2a

RohrRohr

s2d4

n

Vc

−π⋅=

!

Mantelseitig: günstige Werte schwieriger zu erreichen

Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeit:% Rohrspiegel/Rohrteilung (min 1,25)% Anzahl mantelseitiger Durchgänge% Anzahl/Abstand der Stützbleche

Seite 28 Rohrspiegel

n = 1; m = 0,0000n = 3; m = 1,1547 n = 4; m = 1,4142

Di

w p

da

n = 5; m = 2,0000 n = 7; m = 2,0000 n = 13; m = 2,0000

w2d)pd(mD aai ⋅+++⋅=

n = 19; m = 4,0000 n = 43 ; m = 6,9282

Seite 29 Berechnung derWärmeübertragungskoeffizienten

Dimensionslose Kenngrößen:

Nusseltzahl Nu = λ⋅α d

(dimensionsloser WÜ-Koeffizient)

Reynoldszahl Re = ηρ⋅⋅ dc

(Strömungskennzahl)

Prandtlzahl Pr = λη⋅pc

(Wärmetransport/Impulstransport)

WÜ bei turbulenter Strömung in glatten Rohren (Hausen-Gl.):

14,0

W

32

i42,075,0 d1Pr)180(Re037,0Nu

ηη

+⋅⋅−⋅="

Die Gleichung kann unter Verwendung des hydraulischenDurchmessers dh auch für längsdurchströmte Rohrbündelverwendet werden:

ai

2a

2i

h dnD

dnDd

⋅+⋅−

=

WÜ bei querangeströmten Rohrbündeln (Colburn-Gl.):

14,0

W

33,06,0 PrRe33,0Nu

ηη⋅⋅⋅= (c im engsten Querschnitt!)

Für Blasenverdampfung und Filmkondensation kannüberschlägig α = 7500-10000 W/m2K eingesetzt werden.

Seite 30

Bestimmung des Ak ⋅ -Wertes

22m11 A

1

A

s

A

11

Ak

⋅α+

⋅λ+

⋅α

=⋅

θ1

i

a

iam

d

dln

ddA

−⋅⋅π= "

θ1

λ

α1

α2

A1A2

θ2

Seite 31

Mehrgängige Wärmeübertrager

Seite 33

Anordnung in der Prozessanlage(Beispiele)

Kolonnenkreislauf Kühlwassersystem

Nebenleitung

Seite 34

Seite 36

Energieeinsparung durch Brüdenkompression

Seite 37Schaltungen mehrstufiger Verdampferanlagen

Seite 38

Vergleich einstufig/zweistufig

Seite 22a

Wärmetauscherbündel mitRohrplatten und Umlenkblechen

Seite 41

Bilanz einer mehrstufigen Anlage(vereinfacht)

BrüdenBrüden hm ⋅!

DD hm ⋅! VQ!

00,L hm ⋅! KD hm ⋅!

11,L hm ⋅!

VerlustBrüdenBrüden.Dicklsg.Dicklsg

DampfDampf.Dünnlsg.Dünnlsg

Qhmhm

rmhm

!!!

!!

+⋅+⋅

=⋅+⋅

1. Stufe:

( ) v1,B1,B11,L

r

KDD00,L Qhmhmhhmhm

D

!!!"#"$%

!! +⋅+⋅=−⋅+⋅

2. Stufe:

v2,B2,B22,L1,K1,B1,B1,B11,L Qhmhmhmhmhm !!!!!! +⋅+⋅=⋅−⋅+⋅

n. Stufe:

=⋅−⋅+⋅ −−−−−− 1n,K1n,B1n,B1n,B1n1n,L hmhmhm !!!

vn,Bn,Bnn,L Qhmhm !!! +⋅+⋅=Gesamtbilanz:

vKn,Bn,Bnn,LDD00,L QnHhmhmrmhm !!!!! ⋅++⋅+⋅=⋅+⋅ ∑

&'(!

&'("&"'(!

""" &""" '(!!

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StufenzahlsteWärmeverlu

v

KondensatederEnergie

K

StufeletztenderBrüdensdes

altEnergiegeh

n,Bn,B

)geringweisevergleichsmeist(LösungderferenzEnergiedif

00,Lnn,L

ieWärmeenergteeingebrach

Dampfdurch

DD QnHhm)hmhm(rm

×

⋅++⋅+⋅−⋅=⋅ ∑

Seite 42

Energieeinsparung bei Rektifikationsprozessen

60 – 80 % des Energiebedarfs chemisch-technischerBetriebe entstehen durch thermische Aufarbeitung vonReaktionsprodukten, insbesondere durch Rektifikation.

Massnahmen:

1. Sinnvolle Wahl des Rücklaufverhältnisses

2. Vorwärmung des Feedstroms

3. Absenkung des Betriebsdrucks

4. Schaffung niedriger Kolonnendruckverluste

5. Optimale Kolonnenschaltung

6. Ausnutzung des Wärmepumpenprinzips

Seite 43

Trennfaktor ααααRelative Flüchtigkeit (relative volality)

Raoult: i0ii pxp ⋅=

Dalton: GiiG pypp ⋅== ∑∑p

T = const. p01

p02

p1

p2

0 x1 x 11 x2 0

Zweistoffgemisch: )pp(yp 2111 +⋅=

0111 pxp ⋅= 0210222 p)x1(pxp ⋅−=⋅=

[ ]0210111011 p)x1(pxypx ⋅−+⋅⋅=⋅

−+⋅⋅=⋅ )x1(

p

pxy

p

px 1

02

0111

02

011

[ ])x1(xyx 1111 −+α⋅⋅=α⋅

)x1(x

xy

11

11 −+α⋅

α⋅=

Seite 44

Abhängigkeit der Trennung vom Druck

Seite 45

Verringerung der Bodenzahl mitsteigendem Trennfaktor

Seite 46

Aufbau einer Vakuumkolonne(Luftkühler als Kondensator)

Ventilbodenkolonne zur Cyclohexanon/-anol-Trennung

Seite 47

Betriebsverhalten von Kolonnenpackungen

Quelle: R. Billet, Energieeinsparung bei thermischen Trennverfahren, Hüthig-Verlag

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Pallringe (typ.) NSW-Ringe Grobgrid GewebepackungMontz A2

GewebepackungSulzer BX

Dampfbelastungsfaktor Fv = 2

Trennwirkung nt/H in 1/m

Druckverlust Dp/H in mmWS/m

spez. Druckverlust in mmWS/Trennstufe

Seite 48

Aufbau einer Packungskolonne

Seite 49

Belastungsdiagramme von Kolonnen

Bodenkolonne

Packungskolonne

Seite 23


Kosten

Optimum

Wärmetauscherfläche(Investitionskosten)

Druckverlust(Betriebskosten)


Seite 24

Hergang einer WärmetauscheroptimierungProzessdaten:

Massenstrom 1Eintrittstemperaturen

Abschätzung Austrittstemperaturen,übertragener Wärmestrom,

Massenstrom 2

Berechnung Wärmekapazitätsströme 21 W,W !!


Schätzung k-WertÜberschlägige WÜ-Flächenbestimmung


Schätzung der mittleren TemperaturenStoffdatenbestimmung (η, ρ, cp, λ)

Berechnung KennzahlenRe, Pr, ... → Nu

Berechnung Ak ⋅


Druckverlustberechnung nein ja

OK ? !

Seite 26


b

aln

bam

−=ϑ∆

2

bam

+=ϑ∆

Seite 27

Bestimmung der NTU-Werte(Number of Transfer Units)

miii AkWQ ϑ∆⋅⋅=

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im

ii

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NTUW

Ak =ϑ∆

′ϑ−″ϑ=⋅

! ii WNTUAk !⋅=⋅

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21

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21 P

PR =

Seite 28

Seite 29

Wahl der StrömungsgeschwindigkeitRohrseitig: bei Flüssigkeiten günstige Werte von 1-2,5 m/s

viskose Flüssigkeiten deutlich wenigerzur Verschmutzung (fouling) neigendeMedien eher mehr (z.B. Kühlwasser)Gase bis ca. 20 m/s (Normaldruck)

Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeitdurch" Rohrdurchmesser d (aussen)" Wandstärke s" Anzahl rohrseitiger Durchgänge

( )2a

RohrRohr

s2d4

n

Vc

−π⋅=

!


Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeit:" Rohrspiegel/Rohrteilung (min 1,25)" Anzahl mantelseitiger Durchgänge" Anzahl/Abstand der Stützbleche


n = 1; m = 0,0000n = 3; m = 1,1547 n = 4; m = 1,4142

Di

w p

da

n = 5; m = 2,0000 n = 7; m = 2,0000 n = 13; m = 2,0000


n = 19; m = 4,0000 n = 43 ; m = 6,9282

Seite 31 Berechnung derWärmeübertragungskoeffizienten




Reynoldszahl Re = ηρ⋅⋅ dc





14,0

W

32

i42,075,0 d1Pr)180(Re037,0Nu

ηη

+⋅⋅−⋅="

Die Gleichung kann unter Verwendung des hydraulischenDurchmessers dh auch für längsdurchströmte Rohrbündelverwendet werden:

ai

2a

2i

h dnD

dnDd

⋅+⋅−

=


14,0

W

33,06,0 PrRe33,0Nu

ηη⋅⋅⋅= (c im engsten Querschnitt!)

Für Blasenverdampfung und Filmkondensation kannüberschlägig α = 7500-10000 W/m2K eingesetzt werden.

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22m11 A

1

A

s

A

11

Ak

⋅α+

⋅λ+

⋅α

=⋅

θ1

i

a

iam

d

dln

ddA

−⋅⋅π= "

θ1

λ

α1

α2

A1A2

θ2

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Seite 35

Anordnung in der Prozessanlage(Beispiele)

Kolonnenkreislauf Kühlwassersystem

Nebenleitung

Seite 36

Seite 38

Energieeinsparung durch Brüdenkompression

Seite 39

Schaltungen mehrstufiger Verdampferanlagen

Seite 40

Vergleich einstufig/zweistufig

Seite 41

Bilanz einer mehrstufigen Anlage(vereinfacht)

VQ!

DD rm ⋅!

00,L hm ⋅!11,L hm ⋅!

VerlustBrüdenBrüden.Dicklsg.Dicklsg

DampfDampf.Dicklsg.Dünnlsg

Qhmhm

rmhm

!!!

!!

+⋅+⋅

=⋅+⋅

1. Stufe:

v1,B1,B11,LDD00,L Qhmhmrmhm !!!!! +⋅+⋅=⋅+⋅

2. Stufe:

v2,B2,B22,L1,B1,B11,L Qhmhmhmhm !!!!! +⋅+⋅=⋅+⋅...

n. Stufe:

vn,Bn,Bnn,L1n,B1n,B1n1n,L Qhmhmhmhm !!!!! +⋅+⋅=⋅+⋅ −−−−

Gesamtbilanz:

vn,Bn,Bnn,LDD00,L Qnhmhmrmhm !!!!! ⋅+⋅+⋅=⋅+⋅

#$%!

&#&$%!

&&& #&&& $%!!

#$%!

StufenzahlsteWärmeverlu

v

StufeletztenderBrüdensdes

altEnergiegeh

n,Bn,B

)geringweisevergleichsmeist(LösungderferenzEnergiedif

00,Lnn,L

ieWärmeenergteeingebrach

Dampfdurch

DD Qnhm)hmhm(rm

×

⋅+⋅+⋅−⋅=⋅

Seite 37 Zerlegung von Mehrstoffgemischen

Trennreihenfolge wird von teils sich widersprechenden Regeln bestimmt:

relative Flüchtigkeit bei jedem Trennschritt groß halten

in jeder Trennstufe äquimolare Kopf- und Sumpfproduktströme

Zerlegung in Richtung steigender Siedetemperaturen große Mengen zuerst abtrennen korrosive, giftige und gefährliche Substanzen zuerst abtrennen schwierige Trennungen zuletzt anordnen Stoffe mit hoher erforderlicher Reinheit zuletzt abtrennen

Wertprodukte als Kopfprodukte abziehen

Seite 38




Wahl des Wärmeübertragertyps Zuordnung Rohrseite/Mantelseite

Wärmetechnische Auslegung Strömungstechnische Auslegung

Medien : Phasenübergänge

Verschmutzungsanfälligkeit Korrosionsneigung

Seite 42

Schätzung der Eckdaten

Gegebene Prozessdaten: ′ ′Massenstrom ; Eintrittstemperaturen , ; Austrittstemperatur 1m& ϑ1 ϑ2

″ϑ1

Berechnung Wärmekapazitätsströme (Wärmeaufnahmevermögen): 21 W,W &&

1p11 cmW ⋅= && 2p22 cmW ⋅= &&

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ ″ϑ−′ϑ⋅=⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛ ′ϑ−″ϑ⋅= 222111 WWQ &&&

berechenbar: zu übertragender Wärmestrom und entweder Massenstrom 2 oder 2ϑΔ !

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Seite 34 Wahl des Rücklaufverhältnisses

hohes RV niedriges RV

Seite 35

Rektifikation mit Wärmepumpe

Seite 36

Mehrstufige Rektifikation

Seite 39


Kosten

Optimum

Wärmetauscherfläche (Investitionskosten)

Druckverlust (Betriebskosten)


Seite 40

Hergang einer Wärmetauscheroptimierung

Prozessdaten: Massenstrom 1

Eintrittstemperaturen

Abschätzung Austrittstemperaturen,

übertragener Wärmestrom, Massenstrom 2

Berechnung Wärmekapazitätsströme 21 W,W &&


Schätzung k-Wert Überschlägige WÜ-Flächenbestimmung


Schätzung der mittleren Temperaturen

Stoffdatenbestimmung (η, ρ, cp, λ)

Berechnung Kennzahlen Re, Pr, ... → Nu

Berechnung Ak ⋅


Druckverlustberechnung

nein ja OK ? ☺

Seite 41


bln

aba

m

−=ϑΔ

2

bam

+=ϑΔ

Seite 43

Bestimmung der NTU-Werte (Number of Transfer Units)

miii AkWQ ϑΔ⋅⋅=⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ ′ϑ−″ϑ⋅= &&

im

ii

i

NTUW

Ak=

ϑΔ

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ ′ϑ−″ϑ

=⋅& ii WNTUAk &⋅=⋅

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ϑ′−ϑ′ϑ′′−ϑ′



21

iii

j

ii W

WR

&

&= d.h. piii cmW ⋅= &&

1

21 P

PR =

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Rohrseitig: bei Flüssigkeiten günstige Werte von 1-2,5 m/s viskose Flüssigkeiten deutlich weniger zur Verschmutzung (fouling) neigende

Medien eher mehr (z.B. Kühlwasser) Gase bis ca. 20 m/s (Normaldruck)

Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeit durch

Rohrdurchmesser d (aussen) Wandstärke s Anzahl rohrseitiger Durchgänge

( )2a

RohrRohr

s2d4

n

Vc

−π⋅

=&


Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeit: Rohrspiegel/Rohrteilung (min 1,25) Anzahl mantelseitiger Durchgänge Anzahl/Abstand der Stützbleche


n = 1; m = 0,0000 n = 3; m = 1,1547 n = 4; m = 1,4142 Di

w p da

n = 5; m = 2,0000 n = 7; m = 2,0000

n = 13; m = 2,0000


n = 19; m = 4,0000 n = 43 ; m = 6,9282

Seite 47 Berechnung der

Wärmeübertragungskoeffizienten




Reynoldszahl Re = ηρ⋅⋅dc





14,0

W

32

i42,075,0 d1Pr)180(Re037,0Nu ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ηη

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⋅⋅−⋅=l

Die Gleichung kann unter Verwendung des hydraulischen Durchmessers dh auch für längsdurchströmte Rohrbündel verwendet werden:

ai

2a

2i

h dnD

dnDd

⋅+⋅−

=


14,0

W

33,06,0 PrRe33,0Nu ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ηη

⋅⋅⋅= (c im engsten Querschnitt!)

Für Blasenverdampfung und Filmkondensation kann überschlägig α = 7500-10000 W/m2K eingesetzt werden.

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22m11 A

1

A

s

A

11

Ak

⋅α+

⋅λ+

⋅α

=⋅

θ1

i

a

iam

d

dln

ddA

−⋅⋅π= l

A1A2

θ1 α2

α1

θ2

λ

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Anordnung in der Prozessanlage (Beispiele)

Kolonnenkreislauf Kühlwassersystem Nebenleitung

Seite 52

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