DE102019210944B4

DE102019210944B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Druckaufbauen bei Hochdruckbehandlungsprozessen mittels einer Mehrzahl von Pumpen sowie Verwendung

Info

Publication number: DE102019210944B4
Application number: DE102019210944.6A
Authority: DE
Inventors: Boris Brockhaus; Peter Nünnerich; Fabian Hebel; Wilfried Knauf; Matthias Zeiger; Volker Bilke; Thomas Opfermann
Original assignee: ThyssenKrupp AG; Uhde High Pressure Technologies GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp AG; Uhde High Pressure Technologies GmbH
Priority date: 2019-07-24
Filing date: 2019-07-24
Publication date: 2022-07-07
Anticipated expiration: 2039-07-25
Also published as: DE102019210944A1

Abstract

Verfahren zum Druckaufbauen bei oder für Hochdruckbehandlungsprozesse/n, die auf einem Hochdruckniveau von beispielsweise 4.000bar oder 6.000bar durchgeführt werden, insbesondere zum Druckaufbau auf Hochdruckniveaus im Bereich von 3.000bar bis 10.000bar, insbesondere bei im Batchprozess zyklisch durchgeführten Hochdruckbehandlungsprozessen mit dem Druckaufbau-Schritt zu Beginn der Hochdruckbehandlung,wobei der Druck mittels wenigstens einer Mitteldruckpumpe (13) in Verbindung mit wenigstens einer Hochdruckpumpe (15) bis zum End-Hochdruckniveau (p2) aufgebaut und,das Verfahren zum Druckaufbauen in wenigstens zwei Phasen geregelt durchgeführt wird, wobei in einer ersten Phase bei einem ersten Volumenstrom (Q1) der Druckaufbau von einem Ausgangsdruck (p0), insbesondere Atmosphärendruck, bis zu einem Übergabedruck (p1) mittels einer ersten Teilmenge der Pumpen (13, 15) durchgeführt wird, und wobei in einer darauffolgenden zweiten Phase bei einem zweiten Volumenstrom (Q2) der weitere Druckaufbau ausgehend vom Übergabedruck (p1) mittels einer zweiten Teilmenge der Pumpen (13, 15) andauernd bis zum jeweils gewünschten End-Hochdruckniveau durchgeführt wird, und wobei die wenigstens eine Mitteldruckpumpe (13) ausschließlich in der ersten Phase als einziger Pumpentyp oder zusammen mit der wenigstens einen Hochdruckpumpe (15) eingesetzt wird und ab dem Übergabedruck inaktiv geschaltet oder vom Hochdruckbehälter (11) entkoppelt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Druckaufbauen bei oder für Hochdruckbehandlungsprozesse/n gemäß Anspruch 1, eine Verwendung wenigstens einer Mitteldruckpumpe in Verbindung mit wenigstens einer Hochdruckpumpe zum Hochdruckaufbau für wenigstens einen Hochdruckbehälter bei Hochdruckbehandlungsprozesse gemäß Anspruch 10, eine Hochdruckbehandlungsanordnung gemäß Anspruch 11, sowie eine Steuerungs-Regelungseinrichtung gemäß Anspruch 15.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Druckaufbauen bei Hochdruckbehandlungsprozessen mittels einer Mehrzahl von Pumpen, insbesondere zum zeitlich optimierten Druckaufbauen, also in Hinblick auf möglichst hohe verfahrenstechnische Effizienz. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren bzw. eine Verwendung gemäß dem Oberbegriff des jeweiligen unabhängigen bzw. nebengeordneten Anspruchs.
Die Hochdruckbehandlung von Gütern, insbesondere von Lebensmitteln (so genanntes „high pressure processing“ HPP) oder auch Halbzeugen, hat in vielen Branchen und bei vielen Anwendungen eine große Bedeutung. Insbesondere in einem Druckbereich oberhalb von 4.500bar oder gar 6.000bar können diverse vorteilhafte Verfahren durchgeführt werden, beispielsweise auch das Denaturieren pathogener Keime auf eine insbesondere auch für Vitamine, Geschmackstoffe und Textur schonende Art und Weise. Auch die Konservierung von Lebensmitteln ist eines der Interessens-Gebiete zur Anwendung dieser Technologie mit sehr breitem Anwendungsspektrum. In einigen Anwendungsfällen können sogar Druckbereiche bis oberhalb von 10.000bar von Interesse sein. In anlagen- und verfahrenstechnischer Hinsicht können diese Druckniveaus gewisse Herausforderungen mit sich bringen, insbesondere dann, wenn große Mengen von Stoffen bzw. Gütern auf möglichst effiziente Weise hochdruckbehandelt werden sollen.
Je höher das Hochdruckniveau, desto aufwändiger (zeitlich und/oder technisch und/oder hinsichtlich Kosten) ist üblicherweise das Erzeugen und Halten des Druckniveaus. Dies gilt insbesondere für reine Batch-Prozesse, also diskontinuierliche zyklische HPP-Verfahren, bei welchen das Hochdruckniveau für jede Charge bzw. für jeden Zyklus neu erzeugt werden muss. Nicht selten ist beim Batch-HPP der größte Energieanteil für das zyklische Erzeugen des Druckniveaus erforderlich. Interesse besteht daher an einem in vielerlei Hinsicht effizienten Druckaufbausystem, nicht zuletzt in energetischer Hinsicht. Insbesondere beim Druckaufbau ist ein Einsparpotential hinsichtlich wertvoller Prozesszeit eine große Motivation für Weiterentwicklungen und Kostenreduktionen bei bestehenden Prozessen sowie für ganz neue verfahrenstechnische Optionen.
EP 0 894 440 A1 beschreibt ein Verfahren zum mehrstufigen Druckaufbau, wobei der Druck auf einem gegenüber einem ersten Hochdruckniveau erhöhten zweiten Hochdruckniveau gehalten wird.
EP 1 373 737 B1 beschreibt einen bezüglich der Primärseite zweitstufigen Prozess, bei welchem eine Entspannung als Zwischenschritt vorgesehen ist, wobei ein interner Druckübersetzer zum Einsatz kommt.
WO 2007/062660 A1 beschreibt einen Prozess mit einer Druckhaltezeit, insbesondere für einen Druckbereich zwischen 85 und 1000bar.
EP 1 219 184 A2 beschreibt einen zweitstufigen Prozess mit einer Entspannung auf zumindest annähernd Umgebungsdruck als Zwischenschritt.
US 2011/0059217 A1 beschreibt einen zweitstufigen Prozess mit zwei Druckhaltephasen jeweils mit Mindest-Druckhaltezeit.
Aus der US 6640696 B2 ist eine Vorrichtung zum Hochdruckbehandeln bei einem Hochdruckniveau im Bereich von etwa 40MPa bzw. zwischen 10-150MPa bekannt geworden. Zudem wird hier beschrieben, dass eine Druckerhöhung durch eine Reduzierung der Förderrate der Druckreduzierungspumpe im Vergleich zur Förderrate der Druckpumpe ermöglicht wird. Die US 6640696 B2 beschreibt zudem eine Druckpumpe 1 bzw. eine Vielzahl von Druckpumpen, sowie eine parallel dazu geschaltene Hilfsdruckpumpe, welche eine geringere Förderrate als die Druckpumpe aufweist. Ein Förderabschnitt der Hilfsdruckpumpe ist mit der Auslassseite der Druckpumpe verbunden, um beide Förderraten miteinander zu verbinden. Die Förderrate der Hilfsdruckpumpe wird derart eingestellt, dass die Gesamtförderrate größer ist, als die Förderrate der Druckreduzierungspumpe. In der Rohrleitung wird ein hoher Druck aufrechterhalten, indem die Hilfsdruckpumpe so gesteuert wird, dass das Ausgangsmaterial einer kontinuierlichen Hochdruckverarbeitung, wie einer Druckkristallisation unterzogen wird. Demzufolge könnte die Hilfsdruckpumpe als Hochdruckpumpe und die Druckpumpe als Mitteldruckpumpe verstanden werden, die derart miteinander verschalten sind, dass der von der (Mittel)Druckpumpe aufgebaute Druck mittels der (Hoch)Hilfsdruckpumpe variiert/angepasst wird. Beide Pumpentypen arbeiten folglich in allen Phasen zusammen. Insbesondere wird die (Mittel)Druckpumpe stetig angesteuert um ein Mindestdruckniveau zu halten.
Aus der WO 2004/000451 A2 ist eine Pressvorrichtung und auf ein Verfahren zur Erzeugung eines Druckwechsels zwischen zwei Druckzuständen bekannt geworden, insbesondere einem Niederdruckzustand und einem Hochdruckzustand von mindestens 4000 bar, in einem Druckbehälter einer isostatischen Hochdruck Pressvorrichtung, in der ein flüssiges Druckmedium zur Druckerzeugung Druck verwendet wird. Eine erste Druckänderungseinrichtung dient zur Änderung des Drucks von einem von zwei Druckzuständen in einen Zwischendruckzustand, und eine zweite Druckänderungseinrichtung wird verwendet zum Ändern des Drucks von dem Zwischendruckzustand in den anderen der beiden Druckzustände.
Aus der US7537019 B2 ist ein System und ein Verfahren zum Durchführen einer schrittweisen Druckentlastung einer Hochdruckkammer über einen ausgewählten, relativ langen Zeitraum beschrieben. Mindestens zwei Ventile werden nacheinander steuerbar geöffnet und geschlossen, um eine vorbestimmte Druckmenge aus einer Hochdruckkammer abzulassen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den eingangs beschriebenen Merkmalen zur Verfügung zu stellen, womit ein Hochdruckniveau auf effiziente Weise aufgebaut werden kann, insbesondere in zeitlicher und/oder energetischer Hinsicht, insbesondere beim Batch-HPP. Insbesondere ist es Aufgabe, ein System bereitzustellen, mittels welchem ein Hochdruckniveau von mindestens 4.500bar oder mindestens 6.000bar zeitlich und möglichst auch in energetischer Hinsicht auf effiziente Weise erzeugt werden kann (minimierte Zykluszeit von Batch-Prozessen), insbesondere häufig wiederkehrend, insbesondere ausgehend von Umgebungsdruck, insbesondere Atmosphärendruck.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele werden in den Unteransprüchen aufgeführt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß insbesondere gelöst durch eine Hochdruckbehandlungsanordnung zum Druckaufbau bei oder für Hochdruckbehandlungsprozesse auf wenigstens ein/einem Hochdruckniveau, insbesondere zum Druckaufbau auf ein Hochdruckniveau von mindestens 4.500bar oder mindestens 6.000bar, insbesondere eingerichtet für im Batchprozess zyklisch durchführbare Hochdruckbehandlungsprozesse, mit:

- wenigstens einem Hochdruckbehälter;
- wenigstens einer Mitteldruckpumpe in Verbindung mit wenigstens einer Hochdruckpumpe, welche an den wenigstens einen Hochdruckbehälter gekoppelt und jeweils eingerichtet für den Druckaufbau sind,

Die erforderliche Zykluszeit bei Batch-HPP summiert sich insbesondere aus Maschinenzeit, Druckaufbauzeit, Hochdruckbehandlungszeit. Bei bisherigen Systemen entfällt in vielen Fällen allein schon ca. 35-45% der Zykluszeit allein auf die Phase des Druckaufbaus.
Im Folgenden wird der Begriff „Auswahl“ auch synonym mit dem Begriff „Teilmenge“ verwendet.
In der vorliegenden Beschreibung wird für „Hochdruck“ sowohl die deutsche Abkürzung (Hochdruck HD) als auch die englische Abkürzung (HP high pressure) verwendet.
Als „Pumpe“ kann dabei allgemein eine üblicherweise im Zusammenhang mit Hochdrucktechnik verwendete Pumpeinrichtung verstanden werden.
Insbesondere hat sich gezeigt, dass durch die Einteilung in Phasen und durch das Auswählen von Teilmengen von Pumpen ein verfahrenstechnischer optimierter Kompromiss hinsichtlich der folgenden Anforderungen erzielbar ist:

- bei niedrigeren Drücken kann eine hohe Förderrate sichergestellt werden (schneller Druckaufbau);
- eingeschlossene Luft kann schnell komprimiert werden (weitere Zeitersparnis);
- im unteren Druckbereich können energieeffiziente Pumpen eingesetzt werden;
- die benötigte Leistung kann vergleichmässigt werden (homogener Leistungsabgriff).

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist wenigstens eine Pumpe des ersten Pumpentyps als Mitteldruckpumpe ausgestaltet, insbesondere als Mitteldruckpumpe für Druckniveaus von mindestens 3.000bar, insbesondere als Mitteldruckpumpe mit direktangetriebener Hubkolbenmaschine mit Kurbeltrieb. Hierdurch kann spezifisch bzw. individualisiert in einer Phase mit vergleichsweise viel Medium eine gewünschte Pumpleistung auf besonders effiziente Weise realisiert werden.
Wenigstens zwei Pumpen des ersten Pumpentyps können als Mitteldruckpumpe ausgestaltet sein, insbesondere als Mitteldruckpumpe für Druckniveaus von mindestens 3.000bar, insbesondere als Mitteldruckpumpe mit direktangetriebener Hubkolbenmaschine mit Kurbeltrieb. Dies liefert insbesondere in der ersten Phase eine vorteilhafte Druckaufbau-Charakteristik.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist wenigstens eine Pumpe des zweiten Pumpentyps als Hochdruckpumpe ausgestaltet, insbesondere als Druckübersetzer in Ausgestaltung als Freikolbenpumpe. Hierdurch kann das Pumpen bzw. das Druckaufbauen in der zweiten Phase optimiert werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Anzahl der Mitteldruckpumpen kleiner als die Anzahl der Hochdruckpumpen, insbesondere Faktor 2 bis 6 kleiner. Hierdurch kann auch ein energieeffizienter Betrieb sichergestellt werden. In der ersten Phase werden insbesondere nur für den entsprechend niedrigeren Druckbereich optimierte Pumpen eingesetzt bzw. zugeschaltet.
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung eingerichtet zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei die Steuerungs-/Regelungseinrichtung an eine Mehrzahl von Pumpen umfassend wenigstens eine Pumpe eines ersten Pumpentyps in Ausgestaltung als Mitteldruckpumpe und umfassend eine Mehrzahl von Pumpen eines zweiten Pumpentyps in Ausgestaltung als Hochdruckpumpen gekoppelt ist, wobei die Pumpen mittels der Steuerungs-/Regelungseinrichtung jeweils zeitlich in Abhängigkeit derart voneinander regelbar sind, dass die wenigstens eine Mitteldruckpumpe ausschließlich in der ersten Phase als einziger Pumpentyp oder zusammen mit der wenigstens einen Hochdruckpumpe eingesetzt wird und ab dem Übergabedruck inaktiv geschaltet oder vom Hochdruckbehälter entkoppelt wird.. Hierdurch ergeben sich zuvor genannte Vorteile.
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Druckaufbauen bei oder für Hochdruckbehandlungsprozesse/n, die auf einem Hochdruckniveau von beispielsweise 4.000bar oder 6.000bar durchgeführt werden, insbesondere zum Druckaufbau auf Hochdruckniveaus im Bereich von 3.000bar bis 10.000bar, insbesondere bei im Batchprozess zyklisch durchgeführten Hochdruckbehandlungsprozessen mit dem Druckaufbau-Schritt zu Beginn der Hochdruckbehandlung, wobei der Druck mittels wenigstens einer Mitteldruckpumpe in Verbindung mit wenigstens einer Hochdruckpumpe bis zum End-Hochdruckniveau aufgebaut und, das Verfahren zum Druckaufbauen in wenigstens zwei Phasen geregelt durchgeführt wird, wobei in einer ersten Phase bei einem ersten Volumenstrom der Druckaufbau von einem Ausgangsdruck, insbesondere Atmosphärendruck, bis zu einem Übergabedruck mittels einer ersten Teilmenge der Pumpen durchgeführt wird, und wobei in einer darauffolgenden zweiten Phase bei einem zweiten Volumenstrom der weitere Druckaufbau ausgehend vom Übergabedruck mittels einer zweiten Teilmenge der Pumpen andauernd bis zum jeweils gewünschten End-Hochdruckniveau durchgeführt wird, und wobei die wenigstens eine Mitteldruckpumpe ausschließlich in der ersten Phase als einziger Pumpentyp oder zusammen mit der wenigstens einen Hochdruckpumpe eingesetzt wird und ab dem Übergabedruck inaktiv geschaltet oder vom Hochdruckbehälter entkoppelt wird. Hierdurch ergeben sich zuvor genannte Vorteile.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die erste Auswahl/Teilmenge zumindest zeitweise eine Anzahl von Pumpen (für die erste Phase) größer als die Anzahl der Pumpen der zweiten Teilmenge (für die zweite Phase), insbesondere mit der ersten Auswahl umfassend alle systemimmanenten (verfügbaren) Pumpen, insbesondere bei parallelem Betrieb aller systemimmanenten (verfügbaren) Pumpen. Hierdurch kann in der ersten Phase eine maximal große Zeiteinsparung realisiert werden. Bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Konzeptes kann z.B. eine Betriebsweise eingestellt werden, bei welcher von Beginn an alle Pumpen laufen. Effekt: besonders starke Zeiteinsparung.
Die Auswahl/Teilmenge kann in zeitlicher Abhängigkeit und/oder in Abhängigkeit des momentanen Druckniveaus neu definiert werden, insbesondere mittels einer/der Steuerungs-/Regelungseinrichtung, beispielsweise bezüglich vordefinierter (Hoch-)Druckschwellwerte.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die erste Teilmenge zumindest zeitweise eine Anzahl von Pumpen (für die erste Phase) kleiner (oder kleiner gleich) als die Anzahl der Pumpen der zweiten Teilmenge (für die zweite Phase), wobei die erste Teilmenge bevorzugt wenigstens eine Mitteldruckpumpe umfasst. Hierdurch kann der Einsatz der Pumpen spezifisch im optimalen Leistungsbereich erfolgen, was einerseits eine ressourcenschonende Prozesssteuerung ermöglicht, und andererseits auch eine Verwendung der Hochdruckpumpen speziell für ein vergleichsweise enges Hochdruck-Fenster begrenzen kann, so dass die Hochdruckpumpen wahlweise besonders spezifische Leistungsdaten aufweisen können. In einem Verbund von mehreren Hochdruckbehältern kann dabei auch je nach Prozess-Phase eine Verschaltung der einzelnen Pumpentypen untereinander erfolgen. Anders ausgedrückt: Pumpen eines ersten Pumpentyps, die momentan für einen ersten Hochdruckbehandlungsprozess nicht benötigt werden, können in einem zweiten Hochdruckbehandlungsprozess hinzugeschaltet werden, und vice versa.
Es hat sich gezeigt, dass das erfindungsgemäße Konzept wahlweise auch eine Priorisierung hinsichtlich energetischer Effizienz ermöglicht. Vorrangig kann dank des Zwei-Typen-Konzeptes für die Pumpen besonders gute zeitliche Effizienz sichergestellt werden. Optional kann aber bereits bei nur einer oder einigen wenigen Pumpen in der ersten Phase ein besonders effektiver Druckaufbau mit einer minimalen Anzahl von Pumpen erfolgen. Diese Variante des regelungstechnischen Konzeptes betrifft also z.B. eine Betriebsweise, bei welcher von Beginn an nur die wenigstens eine MD-Pumpe betrieben wird, und bei welcher die HD-Pumpe(n) erst beim Übergabedruck zugeschaltet werden. Effekt: besonders energieeffizienter Druckaufbau, besonders nachhaltige Verwendung der HD-Pumpen im bevorzugten Effizienzbereich.
Dieses Konzept ermöglicht dabei auch eine Homogenisierung von Leistungsspitzen. Anders ausgedrückt: Die über den gesamten Zyklus erforderliche Leistung kann zwischen den jeweiligen Phasen angeglichen werden, insbesondere auch bezüglich der Phase bis kurz vor Erreichen des End-Hochdruckniveaus. Dies kann zu einer Verringerung der erforderlichen elektrischen Anschlussleistung führen (insbesondere kostengünstigere energetische Infrastruktur). Demnach können auch Anwendungen mit hohem Energiebedarf in einem vergleichsweise schwachen Energienetz realisiert werden. Das Anwendungsspektrum wird dadurch breiter.
Die hier beschriebenen regelungstechnischen Varianten können beispielsweise auch in Abhängigkeit der (energetischen) momentanen Netzbelastung miteinander kombiniert werden, bzw. es kann von dem einen Konzept zum anderen Konzept gewechselt werden, auch während der ersten Druckaufbauphase. Dies ermöglicht eine individualisierbare Betriebsoptimierung.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird das Verfahren zum Druckaufbauen unter Einsatz wenigstens zweier Pumpentypen in den wenigsten zwei Phasen jeweils individuell geregelt, wobei in der ersten Phase wenigstens zwei Pumpentypen bei [absolut] höherem Volumenstrom eingesetzt werden (bzw. bei relativ zur zweiten Phase höherem Volumenstrom), insbesondere bei [absolut] höchstem Volumenstrom des gesamten Druckaufbaus, insbesondere unter Einsatz wenigstens einer Mitteldruckpumpe. Hierdurch kann der Prozess auch auf maximale Effizienz getrimmt werden.
Das Verfahren kann zum Druckaufbauen unter Einsatz wenigstens zweier Pumpentypen in den wenigsten zwei Phasen jeweils individuell geregelt werden, wobei in der zweiten Phase wenigstens ein Pumpentyp weniger als in der ersten Phase eingesetzt wird/werden, bei [absolut] niedrigerem Volumenstrom (bzw. bei relativ zur ersten Phase niedrigerem Volumenstrom), insbesondere ausschließlich Hochdruckpumpen. Dies ermöglicht einerseits einen ressourcenschonenden Einsatz von Energie und Material, andererseits auch ein Verschalten von Pumpleistung zwischen mehreren Hochdruckbehandlungsprozessen, die phasenversetzt zueinander ablaufen.
In der zweiten Phase kann beispielsweise ausschließlich der zweite Pumpentyp eingesetzt werden, insbesondere ausschließlich Hochdruckpumpen des Typs Druckübersetzer. Dies kann auch eine besonders nachhaltige Verwendung der Ausrüstung ermöglichen.
Das Verhältnis der Volumenströme kann dabei insbesondere durch die folgenden beispielhaften Angaben für einen exemplarischen Aufbau umfassend drei Pumpen wiedergegeben werden:

1x Mitteldruckpumpe (erster Pumpentyp) mit einer Förderleistung im Bereich von ca. 30 l/min;
2x Hochdruckpumpe (zweiter Pumpentyp) mit einer Förderleistung im Bereich von jeweils ca. 5 l/min.

Gemäß einer Ausführungsform wird das Verfahren zum Druckaufbauen unter Einsatz wenigstens zweier Pumpentypen in den wenigsten zwei Phasen jeweils individuell geregelt, wobei das Verhältnis der Anzahl der Pumpen des zweiten Pumpentyps zur Anzahl der Pumpen des ersten Pumpentyps 2, 3, 4, 5 oder 6 beträgt, insbesondere bei einer Anzahl von 1 oder 2 für den ersten Pumpentyp (insbesondere Mitteldruckpumpe). Hierdurch kann ein guter Kompromiss aus Effektivität bzw. Effizienz und anlagentechnischem Aufwand realisiert werden. Insbesondere kann mit einer vergleichsweise geringen Anzahl von Pumpen des ersten Typs ein starker Effekt hinsichtlich Zeiteinsparung erzielt werden, insbesondere weitgehend unabhängig von der Betriebsweise der Pumpen des zweiten Typs.
Das Verhältnis kann insbesondere im Bereich von 1 bis 6 liegen (1:1 bis 1:6, mit dem ersten Pumpentyp in geringerer Anzahl). Beispielsweise werden 1 bis drei (3) MD-Pumpen (erster Pumpentyp) eingesetzt. Beispielsweise werden 1 bis sechs (6) HD-Pumpen (zweiter Pumpentyp) eingesetzt.
Beispielsweise sind die Hochdruck (HD)-Pumpen mit zwei Druckübersetzern ausgerüstet. Eine HD-Pumpe könnte aber auch mit nur einem Druckübersetzer oder aber auch z.B. auch mit drei Druckübersetzern aufgebaut sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist der zeitbezogene Druckanstieg in der ersten Phase größer als in der zweiten Phase, insbesondere mindestens um den Faktor 1,5 oder 2 größer. Hierdurch kann der Prozess auch auf effiziente Weise auf ein kritisches Mindest-Hochdruckniveau gebracht werden, ab welchem weitere Schritte des Hochdruckbehandlungsprozesses initiiert werden können.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt der Übergabedruck mindestens 25% oder mindestens 35% oder mindestens 45% des gewünschten End-Hochdruckniveaus, beispielsweise 2.000bar bis 4.000bar, insbesondere 2.800bar bis 3.200bar. Hierdurch kann bereits ein Großteil der erforderlichen Pumpleistung mittels Pumpen auf besonders effiziente Weise aufgebracht werden, welche speziell für diesen vergleichsweise niedrigen Hochdruckbereich optimiert sind, insbesondere auch in energetischer Hinsicht.
Der Übergabedruck beträgt beispielsweise maximal 65% oder maximal 60% oder maximal 55% des gewünschten End-Hochdruckniveaus, beispielsweise 2.000bar bis 4.000bar, insbesondere 2.800bar bis 3.200bar.
Der Übergabedruck wird insbesondere stufenlos eingestellt, insbesondere in einem Bereich von 25% bis 85% des End-Hochdruckniveaus, insbesondere als Funktion eines/des End-Hochdruckniveaus im Bereich von 3.000bar bis 10.000bar.
Beispielsweise liegt der Übergabedruck im Bereich von 2.000bar bis 4.000bar, je nach Pumpenausführung, Volumenstrom, Größe oder Art der Anordnung. Der End-Hochdruck liegt beispielsweise im Bereich 3.000bar bis 10.000bar.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt die erste Phase mindestens 10% oder mindestens 20% oder mindestens 25% der erforderlichen gesamten Druckaufbauzeit, beispielsweise 30 bis 70 Sekunden. Hierdurch kann ein spürbarer Anteil der erforderlichen Pump-Arbeit auf besonders effiziente Weise erledigt werden. Die erste Phase beträgt beispielsweise maximal 50% oder maximal 40% oder maximal 30% der erforderlichen gesamten Druckaufbauzeit, beispielsweise 30 bis 70 Sekunden.
Gemäß einer Ausführungsform wird das Verfahren zum Druckaufbauen unter Einsatz eines ersten Pumpentyps mit [relativ] höherem Volumenstrom und unter Einsatz eines zweiten Pumpentyps mit [relativ] niedrigerem Volumenstrom geregelt, wobei die beiden Pumpentypen in wenigstens einer der Phasen, insbesondere in der ersten Phase, simultan eingesetzt werden, insbesondere in Parallelanordnung. Die Nutzung vom spezifischer Pumpentechnologie mit relativ größerer Förderleistung im vergleichsweise niedrigen Hochdruckbereich ermöglicht auch, ein vorteilhaftes (relativ hohes) Hochdruckniveau bereits nach sehr kurzer Zeit zu erreichen, wobei das End-Druckniveau dann wahlweise auch bei vergleichsweise moderater (oder bei moderaterer) Pumpleistung angefahren werden kann. Gleichwohl kann dadurch der Prozess effizienter werden. Anders ausgedrückt: Es hat sich gezeigt, dass der Hochdruckbehandlungsprozess dadurch optimiert werden kann, dass ein Übergabedruck definiert wird, ab welchem von einer ersten Pumptechnologie zu einer zweiten Pumptechnologie gewechselt wird, wobei die beiden Pumptechnologien wahlweise miteinander kombinierbar sind. Durch optimierte Pumptechnologie im unteren Hochdruckbereich kann der Prozess spürbar effizienter werden. Ein Zeitgewinn kann insbesondere in einer Anfangsphase des Druckaufbauprozesses erarbeitet werden. Wahlweise kann in der ersten Phase auch nur der erste Pumpentyp zugeschaltet sein, insbesondere zwecks energetischer Optimierung.
Gemäß einer Ausführungsform wird in der ersten Phase eine erste Förderrate eingestellt, beispielsweise im Bereich von 25 bis 100 Litern pro Minute [I/min], wobei in der zweiten Phase eine zweite Förderrate eingestellt wird, beispielsweise im Bereich von 5 bis 20 [I/min], insbesondere mit der ersten Förderrate größer Faktor 3 als der zweiten Förderrate. Hierdurch kann die Zeiteinsparung in der ersten Phase maximiert werden.
In der ersten Phase kann über den Lastzustand der Pumpen und/oder die Anzahl der aktiven Pumpen eine erste Druckaufbaugeschwindigkeit (Druckdifferenz pro Sekunde) eingestellt werden, wobei in der zweiten Phase entsprechend eine zweite Druckaufbaugeschwindigkeit eingestellt wird, insbesondere mit der ersten Druckaufbaugeschwindigkeit größer Faktor 1,5 oder 2 als der zweiten Druckaufbaugeschwindigkeit. Die Druckaufbaugeschwindigkeit kann dabei auch vergleichbar groß sein, insbesondere in einem Bereich des Druckübergabepunktes. Der Volumenstrom in der ersten Phase liegt bevorzugt um einen deutlich größeren Faktor über dem Volumenstrom in der zweiten Phase.
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch Verwendung wenigstens einer Mitteldruckpumpe in Verbindung mit wenigstens einer Hochdruck(HD)-Pumpe, insbesondere einer Mehrzahl von HD-Pumpen, zum Hochdruckaufbau für wenigstens einen Hochdruckbehälter bei Hochdruckbehandlungsprozessen, insbesondere auf Hochdruckniveaus im Bereich von 3.000bar bis 10.000bar, wobei in einer ersten Phase bei einem ersten Volumenstrom der Druckaufbau von einem Ausgangsdruck bis zu einem Übergabedruck mittels einer ersten Teilmenge der Pumpen durchgeführt wird, und wobei in einer darauffolgenden zweiten Phase bei einem zweiten Volumenstrom der weitere Druckaufbau ausgehend vom Übergabedruck mittels einer zweiten Teilmenge der Pumpen durchgeführt wird, wobei die wenigstens eine Mitteldruckpumpe ausschließlich in der ersten Phase als einziger (erster) Pumpentyp oder zusammen mit der wenigstens einen Hochdruckpumpe (zweier Pumpentyp) eingesetzt wird und ab dem Übergabedruck inaktiv geschaltet wird oder vom Hochdruckbehälter entkoppelt wird. Hierdurch ergeben sich zuvor genannte Vorteile.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung wenigstens eines Ausführungsbeispiels anhand von Zeichnungen, sowie aus den Zeichnungen selbst. Dabei zeigt

1 in schematischer Darstellung ein Verfahren zum Druckaufbauen gemäß einer Ausführungsform, im Vergleich zu einem Druckaufbauverlauf gemäß dem Stand der Technik;
2 in schematischer Darstellung eine Hochdruckbehandlungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Bei Bezugszeichen, die nicht explizit in Bezug auf eine einzelne Figur beschrieben werden, wird auf die anderen Figuren verwiesen.
Die 1 zeigt im Vergleich ein Verfahren zum Druckaufbauen gemäß einer Ausführungsform und einen mit einem herkömmlichen Verfahren erzielbaren Druckaufbauverlauf (unterer Strichlinien-Verlauf).
Ausgehend von einem Ausgangsdruck p0, insbesondere Atmosphärendruck wird bei einem ersten, relativ höheren Volumenstrom Q1 (bzw. bei einer ersten Förderleistung) der Druck p bis zu einem Übergabedruck p1 aufgebaut, insbesondere mittels einer für diesen Hochdruckbereich bis zum Übergabedruck p1 optimierten ersten Pumpentechnologie (wahlweise ausschließlich durch Mitteldruckpumpen bereitgestellt), wahlweise ausschließlich mittels der ersten Pumpentechnologie. Sofern eine möglichst geringe Prozesszeit besonders wichtig ist, können wahlweise auch direkt alle verfügbaren Pumpen eingesetzt werden, insbesondere bis zum Erreichen des Übergabedrucks p1 oder bis zu einem Druck im Bereich von mindestens 50 bis 90% des Übergabedrucks p1.
Beim Erreichen des Übergabedrucks p1, wahlweise auch in Abhängigkeit von einer Prozesszeit oder einem Übergabezeitpunkt t1, wird eine zweite Pumpentechnologie zugeschaltet (insbesondere ausschließlich durch Hochdruckpumpen bereitgestellt), wobei die zweite Pumpentechnologie für ein Hochdruckniveau größer als das Hochdruckniveau der ersten Pumpentechnologie optimiert ist. Wahlweise kann die erste Pumpentechnologie bei Erreichen des Übergabedrucks p1 (insbesondere zum Übergabezeitpunkt t1) abgeschaltet bzw. abgekoppelt werden.
Mittels der zweiten Pumpentechnologie (wahlweise auch unter Zuhilfenahme der ersten Pumpentechnologie) wird ein zweiter, niedrigerer Volumenstrom (bzw. zweite Förderleistung) Q2 eingestellt, bis ein End-Hochdruckniveau p2 erreicht wird.
Die Förderleistung bzw. der Volumenstrom Q können dabei individuell für die jeweilige Phase eingestellt werden, insbesondere auch über die Anzahl der zugeschalteten Pumpen.
Die 2 zeigt eine Hochdruckbehandlungsanordnung 100 mit einer anlagen-/verfahrenstechnisch regelbaren Anordnung 10 mit wenigstens einem Hochdruckbehälter 11, an den eine erste Pumpentechnologie 13 umfassend eine oder mehrere Pumpen eines ersten Pumpentyps, insbesondere Mitteldruckpumpen, gekoppelt ist, und ferner auch eine zweite Pumpentechnologie 15 umfassend mehrere Pumpen eines zweiten Pumpentyps, insbesondere Hochdruckpumpen, gekoppelt ist. Mittels einer Steuerungs-/Regelungseinrichtung 17 können die einzelnen Pumpen 13, 15 zeitlich aufeinander abgestimmt zu-/abgeschaltet werden.
Bezugszeichenliste

10: anlagen-/verfahrenstechnisch regelbare Anordnung
11: Hochdruckbehälter
13: Pumpe eines ersten Pumpentyps, insbesondere Mitteldruckpumpe
15: Pumpe eines zweiten Pumpentyps, insbesondere Hochdruckpumpe
17: Steuerungs-/Regelungseinrichtung
100: Hochdruckbehandlungsanordnung
p: Druck bzw. Druckniveau
p0: Ausgangsdruck, insbesondere Atmosphärendruck
p1: Übergabedruck
p2: End-Hochdruckniveau
Q: Förderleistung bzw. Volumenstrom
Q1: erster, höherer Volumenstrom (bzw. Förderleistung)
Q2: zweiter, niedrigerer Volumenstrom (bzw. Förderleistung)
t: Zeit
t1: Übergabezeitpunkt

Claims

Verfahren zum Druckaufbauen bei oder für Hochdruckbehandlungsprozesse/n, die auf einem Hochdruckniveau von beispielsweise 4.000bar oder 6.000bar durchgeführt werden, insbesondere zum Druckaufbau auf Hochdruckniveaus im Bereich von 3.000bar bis 10.000bar, insbesondere bei im Batchprozess zyklisch durchgeführten Hochdruckbehandlungsprozessen mit dem Druckaufbau-Schritt zu Beginn der Hochdruckbehandlung, wobei der Druck mittels wenigstens einer Mitteldruckpumpe (13) in Verbindung mit wenigstens einer Hochdruckpumpe (15) bis zum End-Hochdruckniveau (p2) aufgebaut und, das Verfahren zum Druckaufbauen in wenigstens zwei Phasen geregelt durchgeführt wird, wobei in einer ersten Phase bei einem ersten Volumenstrom (Q1) der Druckaufbau von einem Ausgangsdruck (p0), insbesondere Atmosphärendruck, bis zu einem Übergabedruck (p1) mittels einer ersten Teilmenge der Pumpen (13, 15) durchgeführt wird, und wobei in einer darauffolgenden zweiten Phase bei einem zweiten Volumenstrom (Q2) der weitere Druckaufbau ausgehend vom Übergabedruck (p1) mittels einer zweiten Teilmenge der Pumpen (13, 15) andauernd bis zum jeweils gewünschten End-Hochdruckniveau durchgeführt wird, und wobei die wenigstens eine Mitteldruckpumpe (13) ausschließlich in der ersten Phase als einziger Pumpentyp oder zusammen mit der wenigstens einen Hochdruckpumpe (15) eingesetzt wird und ab dem Übergabedruck inaktiv geschaltet oder vom Hochdruckbehälter (11) entkoppelt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Verfahrensanspruch, wobei die erste Teilmenge zumindest zeitweise eine Anzahl von Pumpen größer als die Anzahl der Pumpen der zweiten Teilmenge umfasst, insbesondere mit der ersten Teilmenge umfassend alle systemimmanenten Pumpen (13, 15), insbesondere bei parallelem Betrieb aller systemimmanenten Pumpen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche wobei die erste Teilmenge zumindest zeitweise eine Anzahl von Pumpen kleiner gleich als die Anzahl der Pumpen der zweiten Teilmenge umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei das Verfahren zum Druckaufbauen unter Einsatz wenigstens zweier Pumpentypen in den wenigsten zwei Phasen jeweils individuell geregelt wird, wobei in der ersten Phase wenigstens zwei Pumpentypen bei höherem Volumenstrom (Q1) eingesetzt werden, insbesondere bei höchstem Volumenstrom des gesamten Druckaufbaus, insbesondere unter Einsatz wenigstens einer Mitteldruckpumpe; und/oder wobei das Verfahren zum Druckaufbauen unter Einsatz wenigstens zweier Pumpentypen in den wenigsten zwei Phasen jeweils individuell geregelt wird, wobei in der zweiten Phase wenigstens ein Pumpentyp weniger als in der ersten Phase eingesetzt wird, bei niedrigerem Volumenstrom (Q2), insbesondere ausschließlich Hochdruckpumpen; und/oder wobei in der zweiten Phase ausschließlich der zweite Pumpentyp (15) eingesetzt wird, insbesondere ausschließlich Hochdruckpumpen des Typs Druckübersetzer.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei der zeitbezogene Druckanstieg in der ersten Phase größer eingestellt wird als in der zweiten Phase, insbesondere mindestens um den Faktor 1,5 oder 2 größer.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei der Übergabedruck (p1) mindestens 25% oder mindestens 35% oder mindestens 45% des gewünschten End-Hochdruckniveaus (p2) beträgt, beispielsweise 2.000bar bis 4.000bar, insbesondere 2.800bar bis 3.200bar; und/oder wobei der Übergabedruck (p1) maximal 65% oder maximal 60% oder maximal 55% des gewünschten End-Hochdruckniveaus beträgt, beispielsweise 2.000bar bis 4.000bar, insbesondere 2.800bar bis 3.200bar; und/oder wobei der Übergabedruck (p1) stufenlos eingestellt wird, insbesondere in einem Bereich von 25% bis 85% des End-Hochdruckniveaus, insbesondere als Funktion eines/des End-Hochdruckniveaus im Bereich von 3.000bar bis 10.000bar.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei das Verfahren zum Druckaufbauen unter Einsatz eines/des ersten Pumpentyps (13) mit höherem Volumenstrom (Q1) und unter Einsatz eines/des zweiten Pumpentyps (15) mit niedrigerem Volumenstrom (Q2) geregelt wird, wobei die beiden Pumpentypen in wenigstens einer der Phasen, insbesondere in der ersten Phase, simultan eingesetzt werden, insbesondere in Parallelanordnung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei in der ersten Phase eine erste Förderrate (Q1) eingestellt wird, und wobei in der zweiten Phase eine zweite Förderrate (Q2) eingestellt wird, insbesondere mit der ersten Förderrate größer Faktor 3 als der zweiten Förderrate.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei in der ersten Phase über den Lastzustand der Pumpen und/oder die Anzahl der aktiven Pumpen eine erste Druckaufbaugeschwindigkeit eingestellt wird, und wobei in der zweiten Phase eine zweite Druckaufbaugeschwindigkeit eingestellt wird, insbesondere mit der ersten Druckaufbaugeschwindigkeit größer Faktor 1,5 oder 2 als der zweiten Druckaufbaugeschwindigkeit.
Verwendung wenigstens einer Mitteldruckpumpe (13) in Verbindung mit wenigstens einer Hochdruckpumpe (15) zum Hochdruckaufbau für wenigstens einen Hochdruckbehälter (11) bei Hochdruckbehandlungsprozessen, insbesondere auf Hochdruckniveaus im Bereich von 3.000bar bis 10.000bar, wobei in einer ersten Phase bei einem ersten Volumenstrom (Q1) der Druckaufbau von einem Ausgangsdruck (p0) bis zu einem Übergabedruck (p1) mittels einer ersten Teilmenge der Pumpen (13, 15) durchgeführt wird, und wobei in einer darauffolgenden zweiten Phase bei einem zweiten Volumenstrom (Q2) der weitere Druckaufbau ausgehend vom Übergabedruck (p1) mittels einer zweiten Teilmenge der Pumpen (13, 15) durchgeführt wird, wobei die wenigstens eine Mitteldruckpumpe (13) ausschließlich in der ersten Phase als einziger Pumpentyp oder zusammen mit der wenigstens einen Hochdruckpumpe (15) eingesetzt wird und ab dem Übergabedruck inaktiv geschaltet wird oder vom Hochdruckbehälter (11) entkoppelt wird.
Hochdruckbehandlungsanordnung (100) zum Druckaufbau bei oder für Hochdruckbehandlungsprozesse auf wenigstens ein/einem Hochdruckniveau, insbesondere zum Druckaufbau auf ein Hochdruckniveau von mindestens 4.500bar oder mindestens 6.000bar, insbesondere eingerichtet für im Batchprozess zyklisch durchführbare Hochdruckbehandlungsprozesse, mit: - wenigstens einem Hochdruckbehälter (11); - wenigstens einer Mitteldruckpumpe (13) in Verbindung mit wenigstens einer Hochdruckpumpe (15), welche an den wenigstens einen Hochdruckbehälter gekoppelt und jeweils eingerichtet für den Druckaufbau sind, wobei die Pumpen (13, 15) individuell ansteuerbar und regelbar sind, und wobei die wenigstens eine Mitteldruckpumpe (13) eine höhere Förderleistung (Q1) aufweist, und wobei die wenigstens eine Hochdruckpumpe (15) eine niedrigere Förderleistung (Q2) aufweist, wobei alle Pumpen (13, 15) simultan zum Druckaufbau betreibbar und an den Hochdruckbehälter (11) koppelbar/gekoppelt sind, und wobei die Hochdruckpumpe als Druckübersetzer in Ausgestaltung als Freikolbenpumpe ausgestaltet ist.
Hochdruckbehandlungsanordnung nach dem vorhergehenden Vorrichtungsanspruch, wobei wenigstens eine Mitteldruckpumpe für Druckniveaus von mindestens 3.000bar ausgestaltet ist, insbesondere als Mitteldruckpumpe mit direktangetriebener Hubkolbenmaschine mit Kurbeltrieb; und/oder wobei wenigstens zwei Mitteldruckpumpen für Druckniveaus von mindestens 3.000bar ausgestaltet sind, insbesondere als Mitteldruckpumpe mit direktangetriebener Hubkolbenmaschine mit Kurbeltrieb.
Hochdruckbehandlungsanordnung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, wobei die Anzahl der Mitteldruckpumpen (13) kleiner als die Anzahl der Hochdruckpumpen (15) ist, insbesondere Faktor 2 bis 6 kleiner.
Hochdruckbehandlungsanordnung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, wobei eine erste Förderrate (Q1) Mitteldruckpumpe (13) größer ist als eine Förderrate (Q2) der Hochdruckpumpe (15), insbesondere mit der ersten Förderrate größer Faktor 3 als der zweiten Förderrate.
Steuerungs-/Regelungseinrichtung (17) eingerichtet zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei die Steuerungs-/Regelungseinrichtung an eine Mehrzahl von Pumpen umfassend wenigstens eine Pumpe (13) eines ersten Pumpentyps in Ausgestaltung als Mitteldruckpumpe und umfassend eine Mehrzahl von Pumpen (15) eines zweiten Pumpentyps in Ausgestaltung als Hochdruckpumpen gekoppelt ist, wobei die Pumpen mittels der Steuerungs-/Regelungseinrichtung (17) jeweils zeitlich in Abhängigkeit derart voneinander regelbar sind, dass die wenigstens eine Mitteldruckpumpe (13) ausschließlich in der ersten Phase als einziger Pumpentyp oder zusammen mit der wenigstens einen Hochdruckpumpe (15) eingesetzt wird und ab dem Übergabedruck inaktiv geschaltet oder vom Hochdruckbehälter (11) entkoppelt wird.