Wärmeintegration dank Brüdenkompression: Energieeffizientere Produktionsprozesse der Chemischen Industrie durch Brüdenkompression unter Nutzung von erneuerbar erzeugtem elektrischem Strom - WindaB

Abstract

Thermische Trennverfahren, wie die Rektifikation, sind zentrale Prozesse in der chemischen Industrie. Sie ermöglichen die kontinuierliche Trennung großer Stoffströme, sind jedoch sehr energieintensiv und verursachen oft über 50 % der Betriebskosten. Daher steht die Senkung des spezifischen Energieverbrauchs im Fokus aktueller Forschung. Die verstärkte Nutzung erneuerbarer Stromquellen eröffnet neue Möglichkeiten, insbesondere durch offene Wärmepumpensysteme wie die mechanische Brüdenkompression (MVR). Trotz ihres Potenzials wurde MVR bisher selten direkt an Rektifikationskolonnen eingesetzt – hohe Investitionskosten, komplexe Fertigung und Prozessrisiken erschweren die Umsetzung. Die technische und wirtschaftliche Machbarkeit hängt von Stoffeigenschaften, Prozessparametern, Kompressionstechnologie und thermischen Aspekten ab. Bestehende Anlagen bringen zusätzliche Einschränkungen mit sich. Das Projekt "WindaB" entwickelte eine Methodik zur Bewertung von MVR-Szenarien, inklusive Auswahl geeigneter Verdichter- und Wärmeübertragertechnologien. Ziel war eine Anwendung zur frühen Prüfung der technischen, ökologischen und ökonomischen Eignung von MVR. Dafür wurden Short-Cut-Methoden zur Effizienzabschätzung und Dimensionierung entwickelt sowie OPEX- und CAPEX-Modelle getestet. Die Berechnungen wurden in einer modularen Python-Anwendung mit GUI umgesetzt. Validierungen an Referenzfällen und realen Studien zeigten deutliche Energie- und CO₂-Einsparungen. Verdichter- und Wärmeübertragergrößen konnten meist plausibel abgeschätzt werden. Das Tool erkennt apparative Limitierungen und schlägt passende Maschinenkonfigurationen vor. Investitionskosten bleiben schwer abschätzbar – hier besteht weiterer Forschungsbedarf. Insgesamt ermöglicht die Entwicklung eine schnelle, datenbasierte Entscheidung über MVR-Einsatz und unterstützt bei Auslegung und Retrofit. Thermal separation processes such as multi-stage rectification are key processes in the chemical industry. They enable the continuous separation of large material flows, but are very energy-intensive and often account for over 50% of operating costs. Current research is therefore focused on reducing specific energy consumption. The increased use of renewable energy sources opens new possibilities, especially through open heat pump systems such as mechanical vapor recompression (MVR). Despite its potential, MVR has rarely been used directly in rectification columns to date – high investment costs, complex manufacturing, and process risks make implementation difficult. Technical and economic feasibility depends on material properties, process parameters, compression technology, and thermal aspects. Existing plants impose additional restrictions. The WindaB project developed a methodology for evaluating MVR scenarios, including the selection of suitable compressor and heat exchanger technologies. The aim was to create an application for early testing of the technical, ecological, and economic suitability of MVR. To this end, shortcut methods for efficiency estimation and dimensioning were developed and OPEX and CAPEX models were tested. The calculations were implemented in a modular Python application with a GUI. Validations based on reference cases and real-world studies showed significant energy and CO₂ savings. Compressor and heat exchanger dimensions could usually be estimated plausibly. The tool identifies equipment limitations and suggests suitable machine configurations. Investment costs remain difficult to estimate - further research is needed in this area. Overall, the development enables quick, data-based decisions on MVR use and supports design and retrofitting.