成果報告書詳細
管理番号20110000001043
タイトル平成21年度成果報告書 エコイノベーション推進事業「石油化学業界における革新的エネルギー変換に関する探索研究」
公開日2011/7/2
報告書年度2009 - 2009
委託先名国立大学法人名古屋大学 三井化学株式会社
プロジェクト番号P07026
部署名研究開発推進部
和文要約石油化学産業でのエネルギー消費量は化学産業の中の53%を占めているものの,石油化学業界のエネルギー効率は世界最高レベルにあるため,革新的な省エネルギー技術開発が喫緊の課題となっている.石油化学工業協会の省エネルギー調査により,共通的な省エネルギー技術開発は石油化学プロセスで排出される100 ℃以下の低エクセルギーの熱を,回収・エネルギー変換・利用することが唯一の方策であるとの結論に至った.そこで,各石油化学製品プラントから排出される熱を,各プラントで冷熱に変換可能な分散型で小型設備の開発を行うことと目的として,臭化リチウム水溶液による吸収式ヒートポンプの高性能化を目指した評価試験を行った.本研究では,1)熱伝達ならびに比表面積が大きいプレート型熱交換器を吸収器および再生器として利用し,プレート表面を液膜で流下させることで水蒸気吸収や蒸発促進を図る,2)吸収液に吸着剤を混入した吸収液分散吸着剤スラリーとすることで,吸着剤のLiBr吸脱着効果により溶液濃度低下を抑制し,水蒸気吸収性能を高く維持する方式を提案した.このような効果を利用した吸収式ヒートポンプの性能を定量的に評価するために必要な吸着性能試験を行い,最適な吸着剤を選定した.また,プレート熱交換器の伝熱プレート表面に吸収液スラリーを液膜で流下させたときの熱伝達係数を計測した.また,分散型の小型システムを構築するためには,製造プロセス毎の排熱温度,排熱量と周辺での必要なエネルギーのバランスが重要であり,石油化学工業協会の会員企業を対象に必要な排熱量バランスの調査を行った.本研究での実施項目と得られた結果は以下の通りである.:1.吸着剤の吸着性能評価試験とキャラクタリゼーション:吸着剤として,活性炭および各種ゼオライトを選び,LiBr水溶液に分散させたときのLiBr吸着平衡計測を行った.いずれの吸着剤においても,吸着量は水溶液濃度に対してほぼ1次線形的に増加し,その比例定数である吸着パラメータは,活性炭で1.5,ゼオライトの最大値では4程度の値が得られた.また,ゼオライト分散スラリーの粘度計測を行い,分散濃度の影響を明らかにした.さらにゼオライト分散スラリー中では,LiBrの過飽和状態でゼオライト微粒子周りにLiBrの微細結晶が生成することが明らかとなり,このときのスラリー粘度および粒度分布の計測を行った. 2.プレート熱交換器の伝熱評価試験:再生器を模擬して,プレート表面を吸収液/ゼオライトスラリーが液膜状で流下するときの熱伝達係数の計測を行った.熱伝達係数の値は,流量の増大に伴い大きくなり,分散濃度0.05 kg-zeolite/kg-solution,流量48kg/sで700 W/(m^2・K)程度の大きさであったが,粘度の増大によりゼオライト分散しない吸収液のみの場合に比べ低下する傾向が見られた.これらのデータに基づき理論解析を行ったところ,吸収液を吸着剤分散スラリー化することにより,ヒートポンプ出力が7~8%向上することが示された.また,過飽和LiBr微細結晶スラリーを利用した場合には,吸収器内全体にわたって吸収液濃度をほぼ一定に保持することができるため,出力が理論上最大約3倍に増大することが試算された. 3.石油化学産業でのエネルギーバランス調査:石油化学工業協会の会員企業を対象に,主要化学製品製造プラントで使用されるエネルギー量ならびに排熱量を温度レベルごとに調査を行った.排温水については基準温度30 ℃,排ガスについては基準温度80 ℃としたとき,排熱の総量は製造時に使用される蒸気由来のエネルギーの74%に及び,排温水基準温度を60 ℃とすると,製造工程の蒸気由来エネルギーの6%に相当していた.このようなエネルギーバランスから,温排水で30~100 ℃,排ガスで80~50 ℃のエネルギー再生技術の開発・導入が省エネルギーの極めて高いポテンシャルとなることが明らかとなった.
英文要約Petrochemical industry consumes 53 % of total energy in chemical industry. As the energy utilization efficiency in the field of Japanese petrochemistry has been advanced to the best level in the world, innovative energy conservation technology should be developed to reduce furthermore consumption of primary energy sources. In Japan Petrochemical Industry Association, it has been pointed out that energy recovery of heat with lower exergy than 373 K level is the only prompt measure for energy conservation applicable in common to the member companies. The present research aims to perform the R&D on compact facility for converting exhaust heat from each chemical production plant into refrigeration energy with notably high performance on site. Actually the attention was paid to innovative absorption heat pump in a lithium bromide-water system, which will be advanced by two factors proposed as; 1) plate type heat exchanger with higher heat transfer and larger surface area per unit volume than conventional ones is applied to the absorber and the generator, and both vapor absorption and evaporation are enhanced over a LiBr solution film flowing down on the plate surface, 2) a slurry of adsorbent dispersed into a LiBr solution are employed to prevent the solution concentration diluted and/or to maintain the absorption ability of vapor by the effect of adsorption and desorption of LiBr. In this work, fundamental evaluation on adsorption performance of several adsorbents and heat transfer of LiBr solution/adsorbent slurry film flowing on the plate surface was examined to characterize the most adaptable adsorbent and to confirm quantitatively the innovative performance of the absorption heat pump system proposed here. To make it clear the possibility and the capacity of introduction of those heat pump systems to the petrochemical industry and the effectiveness of energy conservation, in addition, energy balance of consumed heat and exhaust heat in every temperature level was investigated in each production process through the questionnaire survey to the member companied of Japan Petrochemical Industry Association. The main terms of the present implementation and the results are as follows:
1. Examination of adsorption performance and characterization of adsorbents: The adsorption equilibrium in LiBr solution was determined for activated carbon and several sorts of zeolite. The adsorption amount for every adsorbent tested could be given by a linear correlation against the LiBr concentration in the solution, and the adsorption parameter defined by the proportional constant was 1.5 for activated carbon and up to 4 for zeolite. It was noticed that slurry of LiBr fine particles was formed by the crystal growth around zeolite particles if the solution became in the state of supersaturation beyond the solubility by cooling down of the solution. Hence the viscosity of the slurry and the particle size distribution were also measured.
2. Heat transfer evaluation of plate type heat exchanger: Overall heat transfer coefficient was measured in the generator mode when solution/zeolite slurry film was flowing along the surface of a plate. The heat transfer coefficient lifted with the flow rate of the slurry, and the magnitude achieved at app. 700 W/(m^2・K) for the flow rate 48x10-6 kg/s of the slurry with zeolite suspension concentration 0.05 kg-zaolite/kg-solution and solution concentration 55.9 wt%. However, the heat transfer coefficient was lower than the case for homogeneous solution without slurry due to the effect of viscosity elevation. The performance of the absorption heat pump proposed was analyzed theoretically based on the fundamental data determined in the above. The refrigeration output of 280 K was improved up to 7 - 8 % only by dispersing adsorbent powder into the solution for 1 m^2 in the plate surface area. If LiBr fine particle slurry of supersaturated solution were applied to an alternative absorption solution as pointed outin the
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