Die Pinch-Methode zur Analyse eines Prozesses auf minimalen Heizmittel- und Kühlmittelbedarf

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1 Die Pinch-Methode zur Analyse eines Prozesses auf minimalen Heizmittel- und Kühlmittelbedarf Die Pinch-Methode ist eine thermodynamische Methode zum Auffinden des optimalen Energieversorgungssystems für jeden Prozess. Die Prozessströme werden durch Angabe ihrer Anfangs- und Endtemperaturen sowie des Produktes aus spezifischer Wärme und ihres Massenstromes oder ihrer Verdampfungs-, bzw. Kondensationsleistung, sowie einer Wärmeübergangszahl charakterisiert. Die Prozessströme werden im Temperatur-Energiefluss-Diagramm dargestellt (Abb ). Ströme, die erwärmt werden sollen, werden dabei als "kalte", Ströme, die abgekühlt werden müssen, als "heiße" Ströme bezeichnet. Die Einzelströme werden zu einer heißen und einer kalten Summenkurve addiert. Diese Summenkurven ("Composite Curves") stellen den kumulierten Kühlbedarf und den kumulierten Heizbedarf des Prozesses auf den jeweiligen Temperaturniveaus dar, sie bilden den Prozess also praktisch als einen einzigen "Superwärmetauscher" ab. Die Summenkurven lassen sich entlang der Energiefluss-Achse beliebig verschieben. Der Unterschied zwischen den beiden Kurven auf der Temperaturachse zeigt die für den Wärmetausch zur Verfügung stehende Temperaturdifferenz. Am Pinch-Punkt nähern sich die beiden Summenkurven bis auf die minimale Temperaturdifferenz. Wie in Abbildung gezeigt, stellt der Bereich, in dem sich beide Kurven überlappen, den Bereich dar, in dem Wärme im Prozess rückgewonnen werden kann, indem sie durch Wärmetausch von heißen Strömen an die kalten Ströme übertragen wird. Die restliche Erwärmung der kalten Ströme muss mit heißen Betriebsmitteln (Heizdampf, Wärmeträgeröl, Direktheizung) und die übrige Abkühlung der heißen Ströme muss mit kalten Betriebsmitteln (Kühlwasser, Kältemittel) durchgeführt werden. Der Pinch teilt den Prozess in ein Gebiet über dem Pinch, das mit einer Wärmequelle von außen im Gleichgewicht steht und in ein Gebiet unter dem Pinch, das mit einer äußeren Wärmesenke im Gleichgewicht steht. Über dem Pinch darf keine Wärme vom Prozess nach außen abgeführt werden, da dies zusätzlichen Heizbedarf zur Folge hätte; unter dem Pinch darf keine Wärme von außen zugeführt werden, da dies zusätzlichen Bedarf an Kühlung verursachen würde. Die so erhaltenen Werte für den Betriebsmittelbedarf stellen die für eine vorgegebene minimale Temperaturdifferenz thermodynamisch minimal möglichen Werte dar. Die Flächen der benötigten Wärmetauscher werden im Wärmerückgewinnungsbereich unter Annahme von idealem Gegenstrom und ohne Berücksichtigung realer Einschränkungen der Kombinierbarkeit der Ströme, wie sie durch die Korrosivität einzelner Ströme oder aus regelund sicherheitstechnischen Überlegungen entstehen können, abschnittsweise mit den K- Werten der Ströme und den mittleren logarithmischen Temperaturdifferenzen aus den Wärmeleistungen ermittelt. Ähnlich werden die Wärmetauscherflächen im Heiz- und im Kühlbereich errechnet.

2 Der Pinch ist der Punkt, an dem sich die beiden Summenkurven bis auf die minimale Temperaturdifferenz nähern. Die minimale Temperaturdifferenz am Pinch bestimmt so die Größe des Wärmerückgewinnungsbereichs und die minimalen Betriebsmittelverbräuche. Die Kosten des Wärmetauschernetzwerkes setzen sich aus den Kosten für die Betriebsmittel und den Kosten für die Wärmetauscher zusammen. Die optimale Größe der minimalen Temperaturdifferenz wird durch die Minimierung der annualisierten Gesamtkosten des Kostenziels bestimmt. Die minimalen Betriebsmittelverbräuche und die errechneten Wärmetauscherflächen dienen dem Anlagenplaner bei einer Neuplanung dann als thermodynamisch begründetes Ziel beim Entwurf des Wärmetauschernetzwerkes. Im Fall eines Retrofits geht man ähnlich vor: Dabei gilt es aber meist auch vorhandene Wärmetauscherflächen so einzusetzen, dass der Flächenwirkungsgrad verbessert wird. Der Wärmebedarf und der Kühlbedarf eines Prozesses auf den verschiedenen Temperaturniveaus von außen (aus den Betriebsmitteln), das ist die Differenz zwischen der Wärmeleistung der heißen und der kalten Summenkurve bei der jeweiligen Temperatur unter Berücksichtigung der minimalen Temperaturdifferenz, lässt sich in Form der sogenannten Grand Composite Curve darstellen. Die Grand Composite Curve wird folgendermaßen konstruiert: Man verschiebt die heiße Summenkurve um ½ ΔTmin nach unten und die kalte Summenkurve um ½ ΔTmin nach oben. Am Pinch treffen sich jetzt die Summenkurven. Dann liest man die zur jeweiligen Temperatur gehörende Enthalpiestromdifferenz zwischen heißer und kalter Summenkurve ab und überträgt sie in den GCC-Graphen. Der Entwurf des Wärmetauschernetzwerkes setzt am Pinch an. Unter Beachtung von drei Entwurfsregeln am Pinch, die gewährleisten sollen, dass das Potential zur internen Wärmerückgewinnung optimal ausgenützt wird und der sogenannten "Abhakheuristik" (Linnhoff, 1982) lassen sich Wärmetauschernetzwerke entwerfen, die diesen Zielen sehr nahe kommen. In diesen Netzwerken lässt sich dann durch gezielte Vereinfachungen ("Methode der Loops und Paths") die Zahl der Wärmetauschereinheiten verringern. So entstehen möglichst kostengünstige Netzwerke unter Inkaufnahme eines gewissen Mehrbedarfs an Betriebsmitteln. Mit der Pinchmethode lässt sich leicht zeigen, wie durch Prozessmodifikationen der Betriebsmittelbedarf eines Prozesses verringert werden kann: Wenn durch Änderungen der einzelnen Prozessschritte - über dem Pinch die Wärmeleistung der heißen Ströme vergrößert oder die Leistung der kalten Ströme vermindert, oder - unter dem Pinch die Wärmeleistung der kalten Ströme vergrößert oder die Leistung der heißen Ströme vermindert werden kann,

3 ohne den Pinch zu verschieben, vermindert sich der Betriebsmittelverbrauch des Prozesses. Die Pinchmethode und die auf ihr aufbauenden Strategien zum Entwurf von Wärmetauschernetzwerken werden in deutscher Sprache von Ferner (1991) umfassend beschrieben. Die Beurteilung der Möglichkeiten der Verbesserung des Wärmetauschernetzwerkes durch Wärmeintegration muss immer vor Überlegungen zur Integration von Wärmepumpen erfolgen. Maßnahmen zur Wärmeintegration sind praktisch immer wirtschaftlicher als Projekte mit Wärmepumpen (Ferner, 1991; Fonyo und Meszaros, 1988). Wie können nun Wärmepumpen in Beziehung zum Prozess und zum Utility-System arbeiten? Ranade entwarf 1988 folgende Einteilung: Er unterschied Wärmepumpen, - die Wärme aus dem Prozess aufnehmen und Wärme in den Prozess abgeben (Prozess- Prozeß-Wärmepumpen), - die Wärme aus dem Prozess aufnehmen und ins Utilitysystem abgeben (Prozess-Utility- Wärmepumpen), - die Wärme aus dem Utilitysystem aufnehmen und in den Prozess abgeben (Utility- Prozess-Wärmepumpen), - die ins Utilitysystem integriert sind (Utility-Utility-Wärmepumpen). Der thermodynamisch richtige Arbeitsbereich einer Wärmepumpe relativ zum Pinch lässt sich mit den folgenden Überlegungen angeben: Die Abbildung zeigt am Beispiel einer Kompressionswärmepumpe die Auswirkungen einer Prozess-Prozess-Wärmepumpe im Prozess. Der Prozess wird dabei als Wärmeflusskaskade mit den Wärmeflüssen dargestellt. stellt den Zufluss an Heizwärme, die Wärmeabfuhr an das Kühlwasser dar. Eine gut integrierte Wärmepumpe (mit der Antriebsleistung W) muss über den Pinch arbeiten. Sie verringert dann sowohl den Kühlbedarf (um die Wärmemenge ) als auch den Heizbedarf des Prozesses (um die Wärmemenge + W). Eine Integration vollständig über dem Pinch wäre nur eine andere Form der Zufuhr eines heißen Betriebsmittels; die Integration vollständig unter dem Pinch würde letztendlich die Abgabe der Antriebsenergie an das Kühlwasser bedeuten.

4 Die dem Prozess zugeführte Wärme muss wie jedes heiße Betriebsmittel über dem Pinch zugeführt werden, die aus dem Prozess entnommene Wärme muss wie jedes kalte Betriebsmittel unter dem Pinch abgeführt werden. Um thermodynamisch richtig in den Prozess integriert zu arbeiten, muss eine Wärmepumpe also - heißen Strömen unter dem Pinch Wärme entziehen und - kalten Strömen über dem Pinch Wärme zuführen. Prozess-Prozess-Wärmepumpen müssen, sollen sie korrekt integriert sein, um den Pinch herum arbeiten. So kann - zumindest im Prinzip, jeder Wärmepumpentyp arbeiten. Dadurch sparen diese Wärmepumpen sowohl heiße als auch kalte Betriebsmittel. Utility-Utility- Wärmepumpen arbeiten im Prozessdampfnetz. Sie können dort erforderlich sein, wo durch Prozessänderungen plötzlich ein etwas höheres Dampfdruckniveau als bisher erforderlich ist und dieses nicht durch Kraft-Wärme-Kopplung erzeugt werden kann. Prozess-Utility- Wärmepumpen entnehmen dem Prozess überschüssige Wärme unter dem Pinch und erzeugen daraus Dampf. Sie sparen dann das heiße Betriebsmittel. Eine Utility-Prozess-Wärmepumpe darf nur über dem Pinch verwendet werden. Sie steht dann in direkter Konkurrenz zu Dampf aus einer Kraft-Wärme-Kopplung. Composite Curve Grand Composite Curve Abb : Die Darstellung eines Prozesses als Composite Curve und als Grand Composite Curve (Linnhoff, 1982)

5 Abb : Integration einer Kompressionswärmepumpe in den Prozess (Linnhoff,1982) Abb : Geglättete Grand Composite Curve

6 Welche Wärmeleistungen kann nun eine Wärmepumpe dem Prozess auf den verschiedenen Temperaturniveaus zuführen und welche Wärmemengen kann sie aus dem Prozess auf welchen Temperaturniveaus abführen, ohne den Pinch zu verletzen? Diese Frage lässt sich mit dem Quellen-Senken-Profil des Prozesses, der Grand Composite Curve beantworten. Dabei muss die sogenannte "Geglättete Grand Composite Curve" (GCC) verwendet werden. Bei dieser Kurve werden die Bereiche der GCC, in denen sich die GCC über ein Energiefluss- Maximum herum überlappt, abgeschnitten (Pendyala, 1990). In diesen Bereichen kann Wärme im Prozess ausgetauscht werden. Diese interne Nutzung von Abwärme durch Wärmetausch ist billiger als eine Wärmepumpe und daher praktisch immer einer Wärmepumpe vorzuziehen. Die Leistungen, die man für bestimmte Temperaturniveaus der GCC entnehmen kann, stellen - unter dem Pinch die Maximalleistung für die Wärmeaufnahme durch eine Wärmepumpe mit einer um verminderten Wärmequellentemperatur und - über dem Pinch die Maximalleistung für die Wärmeabgabe durch eine Wärmepumpe mit einer um erhöhten Wärmesenkentemperatur dar, wenn man davon ausgeht, dass für die Wärmepumpe das gleiche gilt wie für das Wärmetauschernetzwerk. Wenn man diese Leistungen überschreitet, würde man dadurch einen sogenannten "Utility- Pinch" erzeugen. Bei größerer Wärmezufuhr über dem Pinch würde das bedeuten, dass die Wärmemenge, die den neuen Pinch bewirkt, nutzlos über den alten, für den Prozess lokalisierten, Pinch transferiert und ins Kühlwasser abgegeben wird. Zu großer Wärmeentzug unter dem Pinch müsste durch Zufuhr von heißem Betriebsmittel ausgeglichen werden. Dies bedeutet wiederum vermehrten Betriebsmittelaufwand. Hervorgehoben werden muss noch, dass die Analyse der GCC die oberen Grenzwerte für die möglichen Wärmeleistungen liefert. Das Wärmepotential wird meist in Form des Wärmeinhaltes von mehreren Strömen vorhanden sein. Diese Ströme werden aus verschiedensten Gründen (Korrosivität, Regelbarkeit, Betriebssicherheit) nicht immer zusammen in einer Wärmepumpe verwendet werden können. Es kann aber auch ein Strom, dessen Leistung größer ist als die zulässige, vorhanden sein. Dieser Strom müsste dann entweder gesplittet werden oder er kann nur in einem Temperaturbereich für die Wärmepumpe verwendet werden. Pendyala (1990) schlägt vor, in den Fällen, in denen nur ein Teil der Wärmeleistung eines Stromes verwendet werden kann, diese Leistung immer dem Gesamtstrom in einem Temperaturbereich möglichst knapp unter dem Pinch zu entziehen. Die tatsächlich verwendbaren Wärmeleistungen müssen dann mit einer genaueren Charakterisierung der einzelnen Ströme ermittelt werden. Meist wird nur ein Strom, möglichst der Strom mit der höchsten Leistung (Strom mit Phasenänderung) als Wärmequelle oder Wärmesenke vorgesehen (Wallin, 1990). Die tatsächlich verwendbare Leistung kann deutlich unter der Leistung liegen, die man mit der GCC ermittelt.

7 Wenn man die verschiedenen Arten von Wärmepumpen im T--Diagramm zeichnet, erhält man die sogenannten "Charakteristiken" von Wärmepumpen. Als Kriterium für die Anwendbarkeit von Wärmepumpen für einen Prozess wird nun von verschiedenen Autoren vorgeschlagen, dass sich die Profile von Wärmepumpe und Prozess möglichst ähneln sollen (Benstead, 1990; Wallin, 1990). Daraus lässt sich ableiten, dass - Brüdenverdichter für Prozesse mit möglichst flachen, horizontalen Ästen der GCC beiderseits des Pinch mit einer Temperaturdifferenz von höchstens 20 bis 30 C und großen Wärmeleistungen geeignet sind, - geschlossene Kompressionswärmepumpen für Prozesse mit möglichst flachen, horizontalen GCC-Ästen beiderseits des Pinch in Frage kommen, - Gasmotoren sich als Kompressorantrieb anbieten, wenn der Wärmeinhalt ihres Abgases und des Kühlwassers genutzt werden kann (das ist der Fall, wenn der Prozesspinch unter 90 C liegt und der heiße Abgasstrom zur Beheizung eines kalten Prozessstroms in Frage kommt), - Kompressionswärmepumpen mit Lösungskreislauf und Kompressionswärmepumpen mit nicht-azeotropen Gemischen, sowie mehrstufige Wärmepumpen für steilere Äste der GCC hohes Potential haben, - Absorptionswärmetransformatoren sich für möglichst flache Äste der GCC anbieten, am erfolgversprechendsten, wo der Ast über dem Pinch die halbe Leistung benötigt, wie sie der Ast unter dem Pinch zur Verfügung stellen kann, - Absorptionswärmepumpen sich für flache Äste der GCC eignen, wobei der Ast über dem Pinch die doppelte Leistung benötigt, wie sie der Ast unter dem Pinch abgeben kann. Dann kann der Prozessenergiebedarf zu einem großen Teil mit einer Wärmepumpe gedeckt werden. Referenzen: Mit diesem Ansatz wurden folgende Betriebe untersucht: - Propylenaufarbeitung der ÖMV - Ethanolabsolutierung für Andritz AG - Steirische Tierkadaververwertungs- Ges.m. b. H. - Maleinsäureanhydridanlage der Chemie Linz - Die Kürbiskernröstung und pressung der Pelzmann GmbH