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Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Eindampfen eines flüssigen Produkts, bzw. zur Konzentrierung eines flüssigen Mediums.
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Um Eindampfanlagen wirtschaftlich betreiben zu können, sind sie in der Regel mehrstufig ausgebildet und können wenigstens zwei produktseitig in Reihe geschaltete Verdampferanordnungen umfassen, von denen eine erste Verdampferanordnung das Produkt vorkonzentriert und eine zweite Verdampferanordnung das vorkonzentrierte Produkt weiter aufkonzentriert. Jede der beiden Verdampferanordnungen kann hierbei mehrere Verdampferstufen umfassen, die ihrerseits für den Produktstrom in Reihe geschaltet sind.
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Für den Konzentrationsprozess muss die Produktflüssigkeit erwärmt werden. Es ist hierbei üblich, den bei der Verdampfung der Produktflüssigkeit entstehenden Produktdampf zum Beheizen der Verdampferstufen auszunutzen. Um den Druck und/oder die Temperatur des Produktdampfs auf ein für diesen Zweck geeignetes Niveau anzuheben, werden Verdichterstufen eingesetzt, die den Produktdampf komprimieren. Geeignet sind z. B. elektrisch angetriebene, mechanische Verdichter oder aber mit zusätzlichem Treibdampf betriebene thermische Strahlverdichter. Mechanische Verdichter eignen sich insbesondere für Anwendungsfälle, bei welchen der Druck des Produktdampfs nur wenig erhöht werden soll oder aber wenn Verdampferstufen für die Verdampfung von Produkten beheizt werden sollen, deren Siedepunkt sich bei der Verdampfung nur wenig erhöht, wie dies z. B. bei Vorverdampfern der Fall ist. Thermische Strahlverdichter hingegen erlauben bei hinreichend hohem Treibdampfdruck auch Druckdifferenzen, die höher sind als die mit einem mechanischen Verdichter erreichbaren Druckdifferenzen. Die Wahl des Verdichtertyps hängt in der Regel von den Energieressourcen und deren Kostenbewertung ab. Steht kostengünstig Elektrizität zur Verfügung, so können mechanische Verdichter bevorzugt sein, während bei zur Verfügung stehendem kostengünstigen Frischdampf ein thermischer Strahlverdichter bevorzugt sein kann.
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Es ist ferner bekannt, bei hohem, gewünschten Eindampfverhältnis, d. h. hohem Quotienten aus Trockenstoffgehalt des Konzentrats zu Trockenstoffgehalt der Dünnlösung sowohl einem mechanischen Verdichter als auch einen thermischen Strahlverdichter gemeinsam einzusetzen. Bei herkömmlichen Anlagen dieser Art wird jedoch jeder Verdichtertyp für sich gesondert und unabhängig vom anderen Verdichtertyp genutzt. So ist es bei herkömmlichen Anlagen bekannt, die Beheizung eines Vorverdampfers durch einen mechanischen Verdichter zu unterstützen, nachdem bei dem Vorverdampfer in der Regel gute Wärmeübertragungsverhältnisse herrschen und der Siedepunkt des Produkts nur wenig erhöht wird. Bei einem Endverdampfer hingegen muss mit hoher Siedepunktserhöhung und hoher Viskosität und damit niedrigem Wärmedurchgangskoeffizienten des Produkts gerechnet werden, sodass bei herkömmlichen Anlagen ein thermischer Strahlverdichter eingesetzt wird oder der Endverdampfer mit Frischdampf direkt beheizt wird.
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Die Energieeffizienz herkömmlicher Anlagen zum Eindampfen eines flüssigen Produkts ist nicht optimal, selbst wenn in mehreren Verdampferanordnungen entstehender Produktdampf sowohl in mechanischen Verdichtern als auch thermischen Strahlverdichtern für die Beheizung der Verdampferanordnungen komprimiert wird. Insbesondere hat sich gezeigt, dass thermische Strahlverdichter vergleichsweise viel Treibdampf benötigen, was sich nachteilig auf die Energieeffizienz der Anlage auswirkt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, die Energieeffizienz einer Anlage zum Eindampfen bzw. Konzentrieren eines flüssigen Produkts zu verbessern.
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Die Erfindung geht aus von einer Anlage zum Eindampfen eines flüssigen Produkts, mit wenigstens zwei produktseitig in Reihe geschalteten Verdampferanordnungen, von denen eine erste Verdampferanordnung das Produkt vorkonzentriert und eine zweite Verdampferanordnung das vorkonzentrierte Produkt weiter aufkonzentriert und mit wenigstens zwei Verdichterstufen, von denen jede bei der Konzentrierung des Produkts entstehenden Produktdampf verdichtet und den verdichteten Produktdampf an wenigstens eine der Verdampferanordnungen zu deren Beheizung abgibt, wobei wenigstens eine erste der Verdichterstufen als mechanischer Verdichter und wenigstens eine zweite der Verdichterstufen als durch Treibdampf betriebener thermischer Strahlverdichter ausgebildet ist.
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Die erfindungsgemäße Verbesserung ist dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Strahlverdichter Produktdampf der zweiten Verdampferanordnung verdichtet und an den mechanischen Verdichter abgibt und dass der mechanische Verdichter Produktdampf der ersten Verdampferanordnung und aus dem thermischen Strahlverdichter zugeführten, verdichteten Produktdampf der zweiten Verdampferanordnung gemeinsam verdichtet und an die erste und die zweite Verdampferanordnung zu deren Beheizung abgibt.
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Der mechanische Verdichter verdichtet also nicht nur den Produktdampf der ersten, das Produkt vorkonzentrierenden Verdampferanordnung, sondern auch den mittels des thermischen Strahlverdichters verdichteten Produktdampf der zweiten Verdampferanordnung einschließlich des Treibdampfs des thermischen Strahlverdichters. Auf diese Weise kann der Treibdampfverbrauch gering gehalten werden und dennoch wird das Energieniveau auf einem für beide Verdampferanordnungen hinsichtlich Druck und Temperatur geeigneten Niveau gehalten. Der Gesamtenergieverbrauch der Anlage kann auf diese Weise deutlich verringert werden.
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Die Anlage umfasst zweckmäßiger Weise lediglich zwei Verdampferanordnungen, die aber ihrerseits jeweils mehrstufig ausgebildet sein können. In einer ersten Ausgestaltung kann wenigstens eine der Verdampferanordnungen eine Verdampferstufe mit wenigstens zwei gemeinsam beheizten, produktseitig in Reihe geschalteten Produktverdampferkammern aufweisen, um die Abmessungen der Verdampferanordnung in handhabbaren Größen zu halten. Zweckmäßiger Weise sind beide Verdampferanordnungen jeweils für sich in dieser Weise ausgebildet. Von Vorteil ist, dass die Anlage bei einer solchen Ausgestaltung mit einem einzigen mechanischen Verdichter und/oder einem einzigen thermischen Strahlverdichter auskommt, selbst wenn jeder dieser Verdichter mehrere in Reihe zueinander geschaltete Stufen umfasst. Als energetisch günstig hat es sich in diesem Zusammenhang erwiesen, wenn die erste Verdampferanordnung wenigstens eine als Fallfilmverdampfer ausgebildete Verdampferstufe und/oder die zweite Verdampferanordnung wenigstens eine als Zwangsumlaufverdampfer ausgebildete Verdampferstufe aufweist.
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In einer anderen Ausgestaltung können die erste und/oder die zweite Verdampferanordnung wenigstens zwei voneinander gesondert beheizbare Verdampferstufen umfassen. Im Fall der ersten Verdampferanordnung ist jede dieser Verdampferstufen der ersten Verdampferanordnung gesondert einer von wenigstens zwei mechanischen Verdichtern zugeordnet, der den Produktdampf dieser Verdampferstufe zusammen mit verdichtetem Produktdampf der zweiten Verdampferanordnung gemeinsam verdichtet und dieser zugeordneten Verdampferstufe sowie der zweiten Verdampferanordnung zu deren Beheizung zuführt.
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Die zweite Verdampferanordnung kann, wie vorangegangen erläutert, eine einzelne Verdampferstufe, gegebenenfalls eine einzelne jedoch mehrkammerige Verdampferstufe umfassen, deren thermischer Strahlverdichter den Produktdampf dieser zweiten Verdampferanordnung verdichtet und anteilig auf die wenigstens zwei mechanischen Verdichter verteilt.
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Auch die zweite Verdampferanordnung kann wenigstens zwei voneinander beheizbare Verdampferstufen umfassen und jede dieser Verdampferstufen kann gesondert einer von wenigstens zwei thermischen Strahlverdichtern zugeordnet sein, der Produktdampf dieser Verdampferstufe verdichtet und dem wenigstens einem mechanischen Verdichter zur gemeinsamen Verdichtung mit Produktdampf der ersten Verdampferanordnung zuführt. Umfasst die erste Verdampferanordnung wie vorangegangen erläutert mehrere Verdampferstufen und mehrere mechanische Verdichter, so wird der in den einzelnen thermischen Strahlverdichtern verdichtete Produktdampf jeweils gesonderten mechanischen Verdichtern zugeführt.
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Der den thermischen Strahlverdichter treibende Treibdampf beeinflusst den Dampfdurchsatz in der zweiten Verdampferanordnung. Zweckmäßiger Weise wird deshalb ein Anteil des Produktdampfs der zweiten Verdampferanordnung einer Kondensationsstufe zugeführt, in der dieser Anteil des Produktdampfs kondensiert. Das Kondensat kann dem Produktzulauf der ersten Verdampferanordnung zugefügt werden.
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Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn der thermische Strahlverdichter mit Frischdampf als Treibdampf betrieben wird. Der Frischdampf kann in einer Startphase der Anlage der ersten Verdampferanordnung zur Anfangsbeheizung zugeführt werden.
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Die erfindungsgemäße Anlage kann zum Eindampfen einer Vielzahl flüssiger Medien, z. B. Glucose oder gleichen eingesetzt werden. Auf Grund ihrer günstigen Energiebilanz kann die Anlage aber insbesondere auch zur Reinigung von Abwasserströmen, welche z. B. bei der Stärke- oder Alkoholproduktion anfallen eingesetzt werden. Beim Eindampfen des Abwassers wird der Verschmutzungsanteil in der relativ kleinen Konzentratmenge angereichert, was die Entsorgung des Schmutzanteils erleichtert.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt:
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1 ein schematisches Blockschaltbild einer zweistufigen Anlage zum Eindampfen eines flüssigen Produkts und
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2 ein schematisches Blockschaltbild einer vierstufigen Anlage.
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1 zeigt in einem schematischen Blockschaltbild eine Anlage zum Eindampfen eines flüssigen Produkts, bei dem es sich beispielsweise um Glucose, aber auch um verschmutztes Abwasser oder dergleichen handeln kann. Im Falle von Abwasser kann das gereinigte Wasser als Kondensat wiedergewonnen werden, während der Schmutzanteil in bereits konzentrierter Form als Konzentrat anfällt.
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Die Anlage umfasst zwei produktseitig in Reihe geschaltete Verdampferanordnungen 1, 3, von denen die im Produktweg erste Verdampferanordnung 1 das bei 5 zugeführte, zu konzentrierende Produkt über einen Pufferbehälter 7 und eine Pumpe 9 aufnimmt und in vorkonzentrierter Form über eine Leitung 11 und eine Zwischenförderpumpe 13 an die zweite, das vorkonzentrierte Produkt weiter aufkonzentrierende Verdampferanordnung 3 abgibt. Eine an die zweite Verdampferanordnung 3 angeschlossene Pumpe 15 trägt das Konzentrat aus und gibt es bei 17 ab.
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Die Verdampferanordnung 1 umfasst einen Fallfilmverdampfer 19 mit zwei produktseitig in Reihe geschalteten Produktverdampferkammern 21, 23, die in nachfolgend noch näher erläuterter Weise durch einen gemeinsamen Heizweg beheizt werden. Das zu konzentrierende flüssige Produkt wird über die Pumpe 9 und eine Leitung 25 dem Kopf der ersten Produktverdampferkammer 21 zugeführt. Eine Zirkulationspumpe 27 fördert das Produkt vom Sumpfbereich der ersten Produktverdampferkammer 21 in den Kopfbereich der zweiten Produktverdampferkammer 23, aus deren Sumpfbereich das vorkonzentrierte Produkt über die Leitung 11 und die Zwischenförderpumpe 13 der zweiten Verdampferanordnung 3 zur weiteren Aufkonzentrierung zugeführt wird.
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Die zweite Verdampferanordnung 3 umfasst einen Zwangsumlaufverdampfer 29, der entsprechend dem Fallfilmverdampfer 19 zur Verringerung seiner Abmessungen gleichfalls zwei produktseitig in Reihe geschaltete Produktverdampferkammern 31, 33 umfasst, die über einen gemeinsamen Heizweg beheizt werden. Das von der Zwischenförderpumpe 13 abgegebene vorkonzentrierte Produkt wird dem Sumpfbereich der im Produktweg ersten Produktverdampferkammer 31 mittels einer Zirkulationspumpe 35 zugeführt, die das aufzukonzentrierende Produkt von einem im Kopfbereich der beiden Produktverdampferkammern 31, 33 angeordneten Entspannungsbehälter 37 bzw. Abscheider zum Sumpfbereich der ersten Produktverdampferkammer 31 fördert und so durch die erste Produktverdampferkammer 31 zirkulieren lässt.
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Auch der zweiten Produktverdampferkammer 33 ist ein Zirkulationskreislauf mit einer Zirkulationspumpe 39 zugeordnet, die das aufkonzentrierte Produkt aus dem Kopfbereich der zweiten Produktverdampferkammer 33 abzieht und deren Sumpfbereich zur Zirkulation durch diese Kammer zuführt. Ein interner Überlauf verbindet die erste Produktverdampferkammer 31 mit der zweiten Produktverdampferkammer 33. Die das Konzentrat aus der zweiten Verdampferanordnung 3 abziehende Pumpe 15 ist an den Zirkulationskreislauf der zweiten Produktverdampferkammer angeschlossen.
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Zur Optimierung der Energiebilanz wird die Energie des beim Verdampfungsvorgang entstehenden Produktdampfs mit ausgenutzt. Der Druck und die Temperatur des Produktdampfs wird nachfolgend in noch näher erläuterter Weise mittels eines mechanischen Verdichters 43 und eines thermischen Strahlverdichters 45 auf ein für die Beheizung der Verdampferanordnungen 1, 3 geeignetes Niveau gebracht. Der mechanische Verdichter 43 wird zweckmäßiger Weise elektromotorisch angetrieben, kann jedoch auch mit einem Gasmotor oder Verbrennungsmotor oder einer Dampfturbine gekoppelt sein. Der thermische Strahlverdichter 45 erhält seinen Treibdampf aus einer Frischdampfquelle 47 über eine Treibdampfleitung 49.
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Die Saugseite des mechanischen Verdichters 43 ist über eine Leitung 51 an die Produktdampfseite eines Abscheiders 53 des Fallfilmverdampfers 19 angeschlossen. Der Abscheider 53 trennt in üblicher Weise den im Fallfilmverdampfer 19 anfallenden Produktdampf von Konzentrat, welches bei 55 über die Leitung 11 abläuft. Die Druckseite des mechanischen Verdichters 43 führt den verdichteten Produktdampf über eine Leitung 57 dem Heizweg des Fallfilmverdampfers 19 zu, auf dem der verdichtete Produktdampf Kondensationswärme an das hierbei verdampfende Produkt abgibt. Das Kondensat des Produktdampfs wird über eine Leitung 59 einem Kondensat-Sammelbehälter 61 zugeführt. Eine Förderpumpe 63 fördert das Kondensat aus dem Kondensat-Sammelbehälter 61 zu einem Kondensatauslass 65.
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Die thermische Strahlpumpe 45 ist mit ihrem Saugeingang über eine Leitung 67 an dem Produktdampfauslass des Entspannungsbehälters 37 der zweiten Verdampferanordnung 3 angeschlossen, während die Druckseite des Strahlverdichters 45 über eine Leitung 69 mit der Saugseite des mechanischen Verdichters 43 verbunden ist. Der mechanische Verdichter 43 verdichtet damit sowohl den über die Leitung 51 zugeführten Produktdampf der Verdampferanordnung 1 als auch den mittels des Strahlverdichters 45 verdichteten Produktdampf der Verdampferanordnung 3 und zwar einschließlich des Treibdampfanteils des Strahlverdichters 45. Die Druckseite des mechanischen Verdichters 43 ist über eine Leitung 71 auch mit dem Heizweg des Zwangsumlaufverdampfers 29 verbunden, sodass der von dem mechanischen Verdichter 43 verdichtete Produktdampf einschließlich des Treibdampfanteils des Strahlverdichters 45 beide Verdampferanordnungen 1, 3 gemeinsam und parallel zueinander beheizt. Das im Heizweg des Zwangsumlaufverdampfers 29 anfallende Produktdampfkondensat wird über eine Leitung 73 gleichfalls dem Kondensatsammelbehälter 61 zugeführt.
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Da der im Strahlverdichter 45 verdichtete Produktdampf der Verdampferanordnung 3 in dem mechanischen Verdichter 43 nachverdichtet wird, kommt die Anlage mit vergleichsweise wenig Treibdampf aus und dennoch wird ein für die Beheizung der Verdampferanordnungen 1, 3 hinreichendes Druck- und Temperaturniveau erreicht.
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Der zusammen mit dem Produktdampf verdichtete Treibdampf des Strahlverdichters 45 kann zu einem Dampfüberschuss im Heizweg der Verdampferanordnungen 1, 3 und insbesondere der zweiten Verdampferanordnung 3 führen. An den Dampfweg, hier die den Produktdampfauslass des Zwangsumlaufverdampfers 29 mit der Saugseite des Strahlverdichters 45 verbindenden Leitung 67 ist über eine Leitung 75 ein bei 77 an ein Kühlwassersystem angeschlossener Kondensator 79 angeschlossen, der überschüssigen Produktdampf kondensiert und das Kondensat an einen Kondensat-Sammelbehälter 81 abgibt. Eine Pumpe 83 fördert das Kondensat aus dem Kondensat-Sammelbehälter 81 zu einem Kondensatauslass 85.
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Das an den Auslässen 65, 85 anfallende Kondensat kann insgesamt aus der Anlage abgeführt werden, oder aber, wie bei 87 angedeutet über den Produkt-Pufferbehälter 7 erneut in den Eindampfprozess eingespeist werden.
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Für den Start des Eindampfprozesses müssen die Verdampferanordnungen 1, 3 auf Betriebstemperatur gebracht werden. Hierzu wird zweckmäßiger Weise der im stationären Betrieb als Treibdampf ausgenutzte Frischdampf der Quelle 47 ausgenutzt. In der Startphase wird der Frischdampf über eine Leitung 89 dem Heizweg des Fallfilmverdampfers 19 zugeführt, bis dessen Betriebstemperatur erreicht ist und auf den stationären Betrieb übergegangen werden kann.
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Die anhand der 1 erläuterte Anlage umfasst zwei Verdampferanordnungen mit je einer einzigen Verdampferstufe. Im Folgenden wird eine Anlage zum Eindampfen eines flüssigen Produkts beschrieben, bei welcher jede der beiden Verdampferanordnungen zwei gesonderte Verdampferstufen umfasst. Gleichwirkende Komponenten sind mit den Bezugszahlen der 1 bezeichnet und zur Unterscheidung mit dem Buchstaben a versehen. Zur Erläuterung des Aufbaus und der Wirkungsweise wird auf die Beschreibung der 1 Bezug genommen.
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Die das bei 5a zugeführte flüssige Produkt vorkonzentrierende erste Verdampferanordnung 1a umfasst zwei voneinander gesonderte Verdampferstufen 19a auch hier wiederum in Form von Fallfilmverdampfern mit jeweils zugeordneten Zirkulationspumpen 27a, die das zu konzentrierende Produkt durch die Verdampferstufen 19a zirkulieren lassen. Die beiden Verdampferstufen 19a sind produktseitig in Reihe geschaltet, wobei die Verdampferstufen 19a über eine Leitung 89 miteinander verbunden sind.
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Auch die zweite Verdampferanordnung 3a umfasst zwei voneinander gesonderte Verdampferstufen 29a, die im vorliegenden Fall ebenfalls als Fallfilmverdampfer ausgebildet sind. Es versteht sich, dass es sich aber auch hier um Zwangsumlaufverdampfer handeln kann. Das aufzukonzentrierende Produkt wird mittels Zirkulationspumpen 35a im Kreislauf durch die Verdampferstufen 29a geführt. Die Verdampferstufen 29a sind über eine Leitung 91 produktseitig in Reihe geschaltet. Das in der Verdampferanordnung 1a vorkonzentrierte Produkt wird über eine Leitung 93 der Verdampferanordnung 3a zugeführt. Es versteht sich, dass in die Leitung 93 gegebenenfalls eine Zwischenförderpumpe geschaltet sein kann. Das Produktkonzentrat wird bei 17a abgegeben, gegebenenfalls auch hier über eine Förderpumpe.
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Jeder der Verdampferstufen 19a ist gesondert ein mechanischer Verdichter 43a zugeordnet, der den über eine Leitung 51a aus dem Abscheider 53a der zugeordneten Verdampferstufe 19a zugeführten Produktdampf zusammen mit dem über eine Leitung 69a aus je einem thermischen Strahlverdichter 45a zugeführten verdichteten Produktdampf verdichtet. Es versteht sich, dass anstelle von zwei getrennten mechanischen Verdichtern 43a auch ein einzelner mechanischer Verdichter 43a eingesetzt werden kann, welcher dann beide Verdampfer 19a parallel beheizt. Jeder der Strahlverdichter 45a ist hierzu über eine Leitung 67a mit einem Produktdampfauslass eines der Verdampferstufe 29a zugeordneten Abscheiders 37a bzw. Entspannungsbehälters verbunden. Als Treibdampf wird bei 47a zugeführter Frischdampf genutzt, der gleichfalls in dem mechanischen Verdichter 43a verdichtet wird. Die Druckseite jedes der mechanischen Verdichter 43a ist über eine Leitung 57a bzw. eine Leitung 71a mit dem Heizweg der jeweils zugeordneten Verdampferstufen 19a, 29a verbunden. Das im Heizweg entstehende Kondensat wird in üblicher, jedoch nicht dargestellter Weise abgeführt. Überschüssiger Produktdampf der beiden Verdampferstufen 29a der Verdampferanordnung 3a wird über eine den Verdampferstufen 29a gemeinsame Leitung 75a einem bei 77a an ein Kühlwassersystem angeschlossenen Kondensator 79a zugeführt. Das Kondensat des Kondensators 79a ist bei 85a verfügbar.
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In der Ausführungsform der 2 ist je ein mechanischer Verdichter 43a und je ein thermischer Strahlverdichter 45a je einem Paar von Verdampferstufen 19a, 29a der beiden Verdampferanordnungen 1a, 3a zugeordnet. Die Verdampferanordnungen 1a, 3a haben in diesem Fall die gleiche Anzahl von Verdampferstufen. Es versteht sich, dass die Zahl der Verdampferstufen der Verdampferanordnung 1a von der Zahl der Verdampferstufen der Verdampferanordnung 3a abweichen kann. In diesem Fall sind einer oder mehrere mechanische Verdichter oder einer oder mehrere thermische Strahlverdichter jeweils mehreren Verdampferstufen zugeordnet, deren Heizwege parallel an den dann gemeinsamen Verdichter angeschlossen sind.
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Es versteht sich, dass auch bei der Anlage gemäß 2 die Verdampferstufen 19a der ersten Verdampferanordnung 1a in einer Startphase der Anlage anfänglich mit Frischdampf beheizt werden können.
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Auch die anhand von 2 erläuterte Anlage einschließlich ihrer Varianten lässt sich allgemein zur Aufkonzentrierung flüssiger Produkte einsetzen, aber auch hier für die Reinigung von Abwasser, das in gereinigter Form als Kondensat wiedergewonnen wird, während der Schmutzanteil als Konzentrat abgeführt werden kann.
