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5 Verfahrensanalyse und Bewertung 120 Q Q Destillat Kraftstoffzufuhr Rückstand Destillat Kraftstoffzufuhr Rückstand Q Q Destillat Kraftstoffzufuhr Rückstand Destillat Kraftstoffzufuhr Rückstand Abb. 5-2: Mögliche Anordnungen von Wärmetauschern zur Wärmerückgewinnung aus dem Destillat- und dem Rückstandsstrom Der Energieaufwand für die destillative Abtrennung sowie die Potentiale zur Wärmerückgewinnung wurden mit dem Programm Pro/2 modelliert. Da Mitteldestillate aus mehreren Tausend unterschiedlichen Kohlenwasserstoffen bestehen, wird der Berechnung ein Modellkraftstoff zu Grunde gelegt. Dieser setzt sich aus 25 Kohlenwasserstoffverbindungen zusammen und spiegelt mit einem Siedebereich zwischen 137°C und 326°C eine leichte Dieselfraktion wieder [146]. Der Kraftstoff ist mit den relevanten Stoffdaten der Einzelverbindungen hinterlegt. Dazu gehören der Siedepunkt sowie die temperaturabhängigen Werte für die Wärmekapazität und die Verdampfungsenthalpie. In Abhängigkeit von der Anordnung der Wärmetauscher kann daraus der Energieaufwand zur Verdampfung des Destillates sowie die Auswirkung der Wärmerückgewinnung in den Wärmetauschern berechnet werden. Zusätzlich sind die Wärmeverluste im Verdampfer zu berücksichtigen. Dazu wird angenommen, dass der Verdampfer mit einem mikroporösen Dämmstoff der Firma Microtherm mit einer Wandstärke von biso= 2,5 cm ummantelt wird. Die Verlustwärme ergibt sich aus der Oberfläche des Verdampfers AV, der Differenz aus der Wandtemperatur TWand und der Umgebungstemperatur TU sowie dem Wärmedurchgangskoeffizienten k der Isolierung: Verlust TT Q k A (5-1) Wand U Der Wärmedurchgangskoeffizient ergibt sich für die zylinderförmige Geometrie zu 1 1 d 1 d 2biso 1 d ln k 2 d d 2b A iso mit d: Durchmesser des Verdampfers L iso (5-2)
5.1 Prozess 1: Destillative Abtrennung und Adsorption A 1W 2 m K : Der Wärmeübergangskoeffizient zwischen der Wand und der Isolierung wird als sehr groß angenommen, L 6, 5W 2 m K : Wärmeübergangskoeffizient zwischen Isolierung und Luft nach DIN EN ISO 6949 [147]. iso 0, 02W mK : Wärmleitfähigkeit der Isolierung [148]. Zusammen mit den Energieaufwendungen zur Verdampfung und der Berücksichtigung der Wärmetauscherkonfiguration ergibt sich mit der Verlustwärme der Verlauf der insgesamt aufzubringenden Wärmemenge in Abhängigkeit vom Destillatanteil (siehe Abb. 5-3) Qzu / (W / kg Destillat) 1000 800 600 400 200 0 0,1 0,3 0,5 0,7 Destillatanteil / (kgDestillat/ kgFeed) Abb. 5-3: Energieaufwand zur destillativen Abtrennung einer leichten Teilfraktion für einen Modelldieselkraftstoff in Anhängigkeit vom Destillatanteil und der Anordnung der eingesetzten Wärmetauscher zur Wärmerückgewinnung Bevor der Destillatanteil verdampft wird, muss der vollständige zugeführte Kraftstoff auf die erforderliche Siedetemperatur erhitzt werden. Um die für den Reformer erforderliche Destillatmenge zu erzielen steigt die Kraftstoffmenge, die der destillativen Abtrennung zugeführt werden muss, mit sinkendem Destillatmassenanteil xD gemäß der Funktion 1/xD. Der erforderliche Energiebedarf nimmt entsprechend zu. Ohne den Einsatz eines Wärmetauschers zur Wärmerückgewinnung (Konfiguration 0) beträgt der zuzuführende Wärmestrom 637 W für xD = 0,3 und bereits 1638 W für xD= 0,1. Insbesondere bei geringen Destillatmassenanteilen kann die notwendige Wärmezufuhr durch den Einsatz von Wärmetauschern zur Wärmerückgewinnung stark reduziert werden. Die höchste Absenkung des Energiebedarfs ist möglich, wenn der Feedstrom mit zwei Wärmetauschern zunächst mit dem Rückstand und anschließend mit dem Destillatstrom vorgewärmt wird (3). Die umgekehrte Anordnung der Wärmetauscher ist nicht sinnvoll, da bei identischem apparativem Aufwand eine niedrigere Temperatur des Feedstroms erreicht wird (4). Wird nur ein Wärmetauscher eingesetzt, um 121
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Destillat<br />
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Destillat<br />
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Destillat<br />
Kraftstoffzufuhr<br />
Rückstand<br />
Abb. 5-2: Mögliche Anordnungen von Wärmetauschern zur Wärmerückgewinnung aus<br />
dem Destillat- und dem Rückstandsstrom<br />
Der Energieaufwand für die destillative Abtrennung sowie die Potentiale zur Wärmerückgewinnung<br />
wurden mit dem Programm Pro/2 modelliert. Da Mitteldestillate aus mehreren Tausend<br />
unterschiedlichen Kohlenwasserstoffen bestehen, wird der Berechnung ein Modellkraftstoff<br />
zu Grunde gelegt. Dieser setzt sich aus 25 Kohlenwasserstoffverbindungen<br />
zusammen und spiegelt mit einem Siedebereich zwischen 137°C und 326°C eine leichte<br />
Dieselfraktion wieder [146]. Der Kraftstoff ist mit den relevanten Stoffdaten der Einzelverbindungen<br />
hinterlegt. Dazu gehören der Siedepunkt sowie die temperaturabhängigen Werte für<br />
die Wärmekapazität und die Verdampfungsenthalpie. In Abhängigkeit von der Anordnung der<br />
Wärmetauscher kann daraus der Energieaufwand zur Verdampfung des Destillates sowie<br />
die Auswirkung der Wärmerückgewinnung in den Wärmetauschern berechnet werden.<br />
Zusätzlich sind die Wärmeverluste im Verdampfer zu berücksichtigen. Dazu wird angenommen,<br />
dass der Verdampfer mit einem mikroporösen Dämmstoff der Firma Microtherm mit<br />
einer Wandstärke von biso= 2,5 cm ummantelt wird. Die Verlustwärme ergibt sich aus der<br />
Oberfläche des Verdampfers AV, der Differenz aus der Wandtemperatur TWand und der Umgebungstemperatur<br />
TU sowie dem Wärmedurchgangskoeffizienten k der Isolierung:<br />
Verlust<br />
TT Q k A <br />
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Der Wärmedurchgangskoeffizient ergibt sich für die zylinderförmige Geometrie zu<br />
1 1 d 1 d 2biso<br />
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mit d: Durchmesser des Verdampfers<br />
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