DE19723566C1 - Verfahren zum Vakuumverdampfen von einem mit einem Lösungsmittel versetzten Substrat sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vakuumverdampfen von einem mit einem Lö­ sungsmittel versetzten Substrat, wobei das Substrat erwärmt und dabei das Lösungsmittel verdampft und ein Substrat-Konzentrat gebildet wird, wobei weiterhin der Lösungsmittel- Dampf kondensiert wird und wobei schließlich für die Substrat-Konzentration sowie die Lö­ sungsmittel-Dampf-Kondensation eine Wärmepumpe mit einem Kältemittelkreislauf mit Ver­ dichten sowie Verflüssigen eines Kältemittels verwendet wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Konzentrationseinrichtung mit einem Zulauf für das zu behandelnde Substrat und einer Abführung für das gewonnene Konzentrat, mit einer Kondensationseinrichtung für den gewonnenen Lösungsmittel-Dampf aus der Konzentrationseinrichtung sowie mit einer Wärmepumpeneinrichtung mit Verdichter und Verflüssiger sowie Wärmetauschern zum Konzentrieren in der Konzen­ trationseinrichtung sowie Kondensieren in der Kondensationseinrichtung.

Ausgangspunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens sind verunreinigte Flüssigkeiten mit unerwünschten Inhaltsstoffen. Das Primärziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, im Sinne einer Wertstoffrückgewinnung das Lösungsmittel zurückzugewinnen. Das erfin­ dungsgemäße Verfahren erfüllt dabei entweder die Funktion eines Verdampfers (es bleibt noch Restfeuchte übrig) oder die Funktion eines Trockners (es bleibt keine Restfeuchte übrig). Das besondere Anwendungsgebiet ist die industrielle Abwassertechnik, d. h. die Pro­ zeßwasserbehandlung im industriellen Bereich.

Aus der DE 38 31 221 A1 ist eine Vakuumdestillationsanlage mit elektrisch gesteuertem Bypass zwischen Konzentratpumpendruckleitung und Vakuumdestillationsbehälter unter Verwendung einer integrierten Wärmepumpe (Kältekreislaufanlage) bekannt. Insbesondere handelt es sich um eine Steuerung einer Konzentratpumpe zur Entleerung einer Vakuum­ destillationsanlage mit einem Wärmepumpensystem. Ein der Kondensationseinrichtungen vorgeschalteter Vorkondensator ist allerdings nicht vorgesehen.

Auch die DE 34 04 248 A1 zeigt eine Vakuumdestillationsanlage mit einer integrierten Wärmepumpe zur Trennung von Komponenten aus Abfallösungen, wobei die Kondensa­ tionswärme durch die Wärmepumpe dem Destillationsprozeß zugeführt wird, doch findet auch hier ein Vorkondensator keinen Einsatz.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat als Ausgangspunkt ein thermisches Trennverfahren durch Verdampfung, nämlich eine Vakuumverdampfung unter Verwendung einer Wärme­ pumpe. Derartige Vakuumverdampferanlagen mit integrierter Wärmepumpe (Kältekreislaufanlage) dienen dem Aufkonzentrieren von Lösungen und zur Gewinnung von Destillat unter Vakuum. Die verfahrenstechnische Besonderheit dieser Vakuumverdampfer basiert auf der Verwendung einer Kältekreislaufanlage zur Erzeugung der Verdampfungs- und Kondensationsenergien. Um ein Optimum an Energieeinsparung (und Materialeinsatz zu erreichen, werden die Anlagen im Vakuum bei ca. 50 mbar (A) betrieben. Dies entspricht einer Siedetemperatur von ca. 33°C.

Das Grundprinzip bei einem derartigen Verfahren zum Vakuumverdampfen besteht darin, daß das Substrat erwärmt und dabei das Lösungsmittel verdampft wird. Gleichzeitig bildet sich ein Substrat-Konzentrat. Der Lösungsmittel-Dampf wird kondensiert. Die Zurverfü­ gungstellung der notwendigen Energien für die Substrat-Konzentration sowie die Lösungs­ mittel-Dampf-Kondensation erfolgt mittels einer Wärmepumpe. Dabei ist ein Kältemittel­ kreislauf vorgesehen, in dem das Kältemittel verflüssigt sowie verdampft wird. Der her­ kömmliche Betrieb der Wärmepumpe hat jedoch Nachteile. So nimmt das Kältemittel wäh­ rend des Verdichtungsprozesses Fremdenergie in Form von Antriebsleistung des Motors, Reibungswärme, Verdichtungswärme etc. auf. Deshalb stehen auf der Heizseite des Käl­ temittelkreislaufs ca. 30% mehr Leistung zur Verfügung als auf der Kaltseite. Aufgrund der Energiebilanz kann jedoch dem Medium nur die Energiemenge zugeführt werden, die auch wieder in der Kondensationsstufe entzogen werden kann. Deshalb müssen diese 30% Mehrleistung anderweitig wieder dem System entnommen werden. Diese Energieabführung erfolgt bei dem bekannten Verfahren mittels eines Restverflüssigers. Dies ist mit hohen Energieverlusten verbunden. Im übrigen muß bei dem zuvor beschriebenen Prozeß der Verdichter nach der Kälteleistung ausgewählt werden. Der entscheidende Nachteil bei dem bekannten Verfahren liegt somit in der Überschußenergie, welche ungenutzt vernichtet wird.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Va­ kuumverdampfen von einem mit einem Lösungsmittel versetzten Substrat mit einer verbes­ serten Energiebilanz zu schaffen; weiterhin soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens geschaffen werden.

Als technische Lösung wird mit der Erfindung verfahrensmäßig vorgeschlagen, daß vor dem eigentlichen Kodensieren des Lösungsmittel-Dampfes der Lösungsmittel-Dampf vorkondensiert wird.

Indem erfindungsgemäß im Sinne einer zwischengekühlten Wärmepumpe der Lö­ sungsmittel-Dampf vorkondensiert wird, wird insgesamt die Energiebilanz des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zum bekannten gattungsgemäßen Verfahren deutlich verbessert. Die Grundidee besteht dabei darin, daß die überschüssige Energie nicht dem Kältekreislauf sondern der Prozeßseite entzogen wird. Dies geschieht erfin­ dungsgemäß mittels eine Vorkondensators, welcher der eigentlichen Kondensationsstufe vorgeschaltet ist. Der Wasserdampf aus der Konzentrationsstufe gibt hier die vom Kälte­ mittelkompressor zusätzlich aufgenommene Energie an das Kühlwasser des Vorkonden­ sators ab, so daß die Kälteleistung des Wärmepumpensystems ausreicht, den übrigen Dampfanteil zu verflüssigen. Der bisher notwendige Restverflüssiger im Wärmepumpen­ kreislauf wird nicht mehr benötigt. Der Verdichter wird dabei so gewählt, daß die Heizlei­ stung der früheren Kälteleistung entspricht. Dies hat zur Folge, daß ein wesentlich kleinerer Verdichter mit einer entsprechend geringeren Antriebsleistung eingesetzt werden kann. Insgesamt wird erfindungsgemäß die Überschußenergie ausgenutzt, welche meistens un­ genutzt vernichtet wird. Daraus resultiert ein energetisch besserer Gesamtwirkungsgrad von 10 bis 50% mit einer höheren Destillatleistung sowie einer niedrigeren Leistungsaufnahme. Weiterhin ergeben sich Einsparungen in den Investitionskosten sowie in den Betriebsko­ sten.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens schlägt vor, daß zum Vorkonden­ sieren ein separater Kältemittelkreislauf verwendet wird. Die im seperaten Kältemittelkreis­ lauf gewonnene Energie kann weiter genutzt werden.

Bei Vakuumverdampferanlagen werden oftmals Vakuumverdampfer eingesetzt, welche als Wasserstrahl-Vakuumpumpe ausgebildet sind. Damit das Vakuum aufrechterhalten wird, muß das Umlaufwasser als Treibmedium permanent gekühlt werden. Bisher ist es so, daß eine zusätzliche Kleinkälteanlage zur Kühlung des Treibmediums eingesetzt wird. Die Fol­ gen sind erhöhte Investitionskosten, ein höherer Gesamtenergiebedarf, mehr Bauteile so­ wie eine höherer Aufwand für die Steuerung.

Eine weitere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens schlägt schließlich vor, daß zum Ansaugen des zu behandelnden Substrats ein gekühltes Vakuumsystem verwendet wird, wobei zum Kühlen des Vakuumsystems gleichzeitig das Kältemittel des Kälte­ mittelkreislaufs der Wärmepumpe verwendet wird. Der Wärmetauscher des Wärmepum­ pensystems besitzt somit zwei Funktionen und reduziert dadurch insgesamt den Energie­ bedarf. So dient der Wärmetauscher nicht nur der Kondensation des Lösungsmittel- Dampfes, sondern gleichzeitig auch der Kühlung des Treibwassers zur Vakuumerzeugung, und zwar eingesetzt in einem Vakuumverdampfer, dessen thermische Energieversorgung mittels einer Wärmepumpe (Kältekreislaufanlage) realisiert wird. Das Prinzip ist auch geeig­ net für Vakuumverdampferanlagen mit externer Energieversorgung (Dampf, Heißwasser, Wärmeträger) sowie Kühlwasser oder Sole. Die Vorteile liegen somit in einem energetisch besseren Gesamtwirkungsgrad von 10 bis 30% mit höherer Destillatleistung und niedriger Leistungsaufnahme. Weiterhin verringert sich der Materialeinsatz sowie der Steue­ rungseinsatz. Außerdem werden Investitionskosten sowie Betriebskosten eingespart. Zu­ guterletzt erhöht sich noch die Anlagensicherheit.

Als technische Lösung wird mit der Erfindung zur Durchführung des Verfahrens vor­ richtungsmäßig vorgeschlagen, daß der Kondensationseinrichtung ein Vorkondensator vorgeschaltet ist.

Die Vorteile einer derartigen Vakuumverdampferanlage mit Wärmepumpe sind bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dargelegt worden. Zu­ sammengefaßt liegen die Vorteile im wesentlichen darin, daß die überschüssige Energie des Verdichters nicht dem Kältekreislauf sondern der Prozeßseite entzogen wird, so daß insbesondere ein Restverflüssiger im Kältekreislauf nicht mehr notwendig ist.

Vorzugsweise ist dabei der Vorkondensator unabhängig von der Wärmepumpeneinrichtung ausgebildet. Dies bedeutet, daß die gewonnene Energie einer weiteren Nutzung zugeführt werden kann.

Eine weitere Weiterbildung schlägt vor, daß der Vorkondensator als Rohrbündel- Wärmetauscher ausgebildet ist. Die Rohrbündel des Wärmetauschers werden dabei von dem Kühlwasser durchströmt, so daß der Wasserdampf aus der Konzentrationsstufe die vom Kältemittelkompressor zusätzlich aufgenommene Energie an das Kühlwasser des Vor­ kondensators abgibt.

Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens schlägt vor, daß eine Wasserstrahl-Vakuumeinrichtung mit Treibwasserkühlung zum Ansaugen des zu behandelnden Substrats vorgesehen ist, wobei die Kühleinrichtung für das Treibwasser an dem Wärmetauscher der Kondensationseinrichtung angeschlossen ist. Die Vorteile dieser Weiterbildung sind bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dar­ gelegt worden und bestehen im wesentlichen darin, daß zur Verbesserungs des Gesamt­ wirkungsgrades der Wärmetauscher der Kondensationseinrichtung zwei Funktionen über­ nimmt, nämlich zum einen die Kondensation des Lösungsmittel-Dampfes sowie zum ande­ ren die Kühlung des Treibwassers der Wasserstrahl-Vakuumeinrichtung. In Ergänzung zu den bereits genannten Vorteilen im Zusammenhang mit dem Verfahren ist noch zu nennen, daß das Kältemittel einen zusätzlichen Energieeintrag erfährt und es somit zu einer besse­ ren Verdampfung des Kältemittels kommt. Konkret wird die Verdampfungstemperatur und somit der Verdampfungsdruck des Kältemittels durch diese Doppelfunktion so deutlich hochtransferiert, daß eine Wirkungsgradverbesserung von 10 bis 30% die Folge ist.

In einer konstruktiven Ausbildung des Wärmetauschers wird vorgeschlagen, daß er einen zusätzlichen Doppelmantel für das Treibwasser aufweist. Ein derartiger Doppelmantel läßt sich bei einem herkömmlichen Wärmetauscher problemlos anbringen. Voraussetzung ist nur, daß der Außenmantel des Wärmetauschers von dem Kühlmittel beaufschlagt wird und somit das im Doppelmantel fließende Treibwasser seine Wärme an das Kühlmittel abgeben kann.

Schließlich wird in einer Weiterbildung vorgeschlagen, daß der Wärmetauscher ein Rohr­ bündelwärmetauscher ist. Dies bedeutet, daß in den Rohren der zu kondensierende Lö­ sungsmittel-Dampf fließt, während der Zwischenraum zwischen den Rohren von dem Kühlmittel ausgefüllt ist.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vakuumverdampferanlage wird nachfol­ gend anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt:

Fig. 1 Ein Verfahrensschema der Vakuumverdampferanlage nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 der zum Verfahrensschema in Fig. 1 gehörige Kreisprozeß;

Fig. 3 ein Verfahrensschema der erfindungsgemäßen Vakuumver­ dampferanlage;

Fig. 4 der zum Verfahrensschema in Fig. 3 gehörige Kreisprozeß;

Fig. 5 eine Ansicht - teilweise im Schnitt - des Wärmetauschers der Kodensationseinrichtung;

Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie VI-VI in Fig. 5 durch den Wärmetauscher.

In den Fig. 1 und 2 soll anhand einer aus dem Stand der Technik bekannten Anlage das Grundprinzip einer Vakuumverdampferanlage mit Wärmepumpenbetrieb erläutert werden. In den Fig. 3 bis 6 wird dann die erfindungsgemäße Vakuumverdampferanlage mit Wärme­ pumpenbetrieb erläutert.

Die Vakuumverdampferanlage in Fig. 1 zeigt eine Konzentrationseinrichtung 1 einer Kon­ zentrationsstufe mit einem entsprechenden Behälter. In der Konzentrationseinrichtung 1 mündet eine Zulauf 2 für das zu behandelnde Substrat. Bei diesem Substrat handelt es sich um ein verunreinigtes Lösungsmittel (insbesondere Wasser) mit unverwünschten Inhalts­ stoffen. Weiterhin weist die Konzentrationseinrichtung 1 eine Abführung 3 mit einer Pumpe 4 für das erzeugte Substrat-Konzentrat auf.

Weiterhin weist die Vakuumverdampferanlage eine Kondensationseinrichtung 5 einer Kon­ densationsstufe ebenfalls mit einem Behälter auf.

An die Konzentrationseinrichtung 5 angeschlossen ist eine Wasserstrahl-Vakuum­ einrichtung 6, an die wiederum eine Abführung 7 für das Destillat aus der Kondensations­ einrichtung 5 angeschlossen ist.

Die Konzentrationseinrichtung 1 und die Kondensationseinrichtung 5 sind durch ein Brü­ denrohr 8 miteinander verbunden.

Schließlich weist die Vakuumverdampferanlage noch eine Wärmepumpeneinrichtung 9 auf. Dieses Wärmepumpensystem verbindet die Konzentrationseinrichtung 1 energetisch mit der Kondensationseinrichtung 5. Die Wärmepumpeneinrichtung 9 besitzt einen Verdichter 10, einen Restverflüssiger 11 in Form eines Luftkondensators sowie ein Expansionsventil 12. Außerdem sind in der Konzentrationseinrichtung 1 sowie in der Wärmepum­ peneinrichtung 9 jeweils ein schematisch angedeuteter Wärmetauscher 13, 14 angeordnet.

Die Funktionsweise der Vakuumverdampferanlage in Fig. 1 ist wie folgt, wobei der stattfin­ dende Kreisprozeß anhand von Fig. 2 (Mollier-h lg p-Diagramm) erläutert wird:

Grundsätzlich dient die Vakuumverdampferanlage mit integrierter Wärmepumpe (Kältekreislaufanlage) zum Aufkonzentrieren von Lösungen und zur Gewinnung von Destil­ lat unter Vakuum. Die verfahrenstechnische Besonderheit der Vakuumverdampferanlage basiert auf der Verwendung einer Kältekreislaufanlage mit der Wärmepumpeneinrichtung 9 zur Erzeugung der Verdampfungs- und Kondensationsenergien. Um ein Optimum an Ener­ gieeinsparung (und Materialeinsatz) zu erreichen, werden die Anlagen im Vakuum bei ca. 50 mbar (A) mittels der Wasserstrahl-Vakuumeinrichtung 6 betrieben. Dies entspricht einer Siedetemperatur von 33°C.

Das zu behandelnde Substrat wird über den Zulauf 2 niveaugesteuert in die Konzen­ trationseinrichtung 1 gesaugt. Der dafür erforderliche Unterdruck wird von der Was­ serstrahl-Vakuumeinrichtung 6 erzeugt, welche aus einer Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe und einem geschlossenen Kühlwasserkreislauf besteht.

In einem Rohrschlangen-Wärmetauscher 13 in der Konzentrationseinrichtung 1 gibt das überhitzte gasförmige Kältemittel der Wärmepumpeneinrichtung 9 seine Kon­ densationsenergie innerhalb der Konzentrationseinrichtung 1 an das zu behandelnde Substrat ab. Dabei wird das Substrat erwärmt, und ein Teil des Lösungsmittels (Wasser) verdampft. Das Substrat wird so bis zu einer noch fließfähigen Konsistenz über eine Dichte- oder Leitfähigkeitssteuerung aufkonzentriert. Der Austrag des Substrat-Konzentrates erfolgt diskontinuierlich oder kontinuierlich über die Abführung 3 mittels einer niveaugesteuerten Pumpe 4 in Form einer Druckluftmembranpumpe.

Der Lösungsmittel-Dampf strömt über das Brüdenrohr 8 in die Kondensationseinrichtung 5. Dort wird der Lösungsmittel-Dampf kondensiert, indem das entspannte und dabei abge­ kühlte flüssige Kältemittel in dem Rohrbündel-Wärmetauscher 14 verdampft. Das anfallen­ de Destillat (Kondensat) wird niveaugesteuert abgeführt.

In beiden Wärmetauschern 13, 14 findet somit nur ein Austausch von Verdampfungs- und Kondensationsenergien statt. Dies bedeutet, daß die aufgewendete Verdampfungsenergie beim Kondensieren wieder zurückgewonnen wird. Der autarke Betrieb dieser Anlage erfor­ dert außer einem Stromanschluß keinen weiteren Anschluß eines Energieträgers. Der spe­ zifische Energiebedarf liegt bei nur etwa 120 Wh/l Destillat. Nur zum Vergleich: Herkömmli­ che Eindampfanlagen benötigen zum Verdampfen und Kondensieren über 1.300 Wh/l De­ stillat. Durch diesen Anlagentyp ist im Gegensatz zu herkömmlichen Brüdenverdichteranla­ gen oder anderen aufwendigen Eindampfanlagen eine sehr schonendes Eindampfen von empfindlichen Produkten bei sehr guter Destillatqualität kostengünstig möglich.

Der Kreisprozeß soll anhand von Fig. 2 näher beschrieben werden:

h1-h2 Verdichterleistung

Der Verdichter 10 verdichtet das gasförmige, angesaugte Käl­ temittel auf Verflüssigungsdruck und erfährt dabei eine leichte Überhitzung. Dies ist die zusätzlich zugeführte Energie, und zwar meistens in Form von elektrischer Energie für den Ver­ dichter 10.

h2-h3 Kondensationsleistung

Das überhitzte Kältemittel auf der Hochdruckseite konden­ siert/verflüssigt im Prozeßverdampfer in der Konzentrationsein­ richtung 1 in dem Wärmetauscher 13 zum Teil, indem das Kältemittel den wesentlichen Teil seiner Kondensationsenergie an das Substrat in der Konzentrationseinrichtung 1 abgibt, welches dabei selber zum Teil verdampft.

h3-h4 Restverflüssigung

Das Kältemittel wird im Restverflüssiger 11 restverflüssigt und um wenige Kelvin unterkühlt, um zu gewährleisten, daß das Kältemittel vor dem Expansionsventil 12 vollständig flüssig ist. Das Kältemittel muß dabei aus Funktionsgründen des Expan­ sionsventils 12 vor diesem ganz verflüssigt sein. Um dies zu erreichen, wird der Restverflüssiger 11, überlicherweise ein Luftkondensator, verwendet. Dieser regelt meist drehzahlab­ hängig den Kondensationsdruck. Die Energieabfuhr des Rest­ verflüssigers 11 beträgt in der Regel die zugeführte elektrische Energie des Verdichters 10 sowie weitere kleine Energiemen­ gen, welche durch den nichtisentropen Verdichtungsablauf entstehen.

h4-h5 Expansion

Das flüssige Kältemittel wird im Expansionsventil 12 entspannt, damit es bei einem niedrigeren Druck und somit auch niedrige­ rer Verdampfungstemperatur wieder Energie aufnehmen kann.

h5-h1 Verdampfungsleistung (Kälteleistung)

Das Kältemittel verdampft in der Kondensationseinrichtung 5 mit dem Prozeßkondensator, indem es seine Verdampfungse­ nergie an das Medium in der Kondensationsstufe abgibt, wel­ ches dabei selber kondensiert. In der Kondensationseinrich­ tung 5 wird somit der Lösungsmittel-Dampf in einem Rohrbün­ del-Wärmetauscher 14 kondensiert, indem das Kältemittel ver­ dampft wird.
Der Wärmepumpenkreislauf ist damit geschlossen.

Das Kältemittel nimmt somit während des Verdichtungsprozesses (h1-h2) Fremdenergie in Form von Antriebsleistung des Motors, Reibungswärme, Verdichtungswärme etc. auf. Auf­ grund dieser Tatsache stehen auf der Heizseite (h2-h3-h4) des Kältekreislaufes ca. 30% mehr Leistung zur Verfügung als auf der Kaltseite (h5-h1). Dem Medium kann nur die Energiemenge zugeführt werden, die auch wieder in der Kondensationsstufe der Konden­ sationseinrichtung 5 aufgrund der Energiebilanz entzogen werden kann. Deshalb müssen diese 30% Mehrleistung anderweitig dem System entnommen, d. h. mit dem Restverflüssi­ ger 11 abgeführt werden. Bei dem zuvor beschriebenen Prozeß muß der Verdichter 10 nach der Kälteleistung (h5-h1) ausgewählt werden.

Beispiel

Die Anlage soll eine Leistung von 42 KW benötigen.
Kälteleistung: 42 KW
Antriebsleistung: 11 KW
Heizleistung: 53,4 KW

Destillatleistung ca. 62,5 l/h (was einem spezifischen Energiebedarf von 183 Wh/l ent­ spricht).

Da für den Heizprozeß nur 42 KW genutzt werden können, müssen die 11,4 KW Antriebs­ leistung über den Restverflüssiger 11 abgeführt werden.

Die erfindungsgemäße Vakuumverdampferanlage der Fig. 3 bis 6 unterscheidet sich in fol­ genden Punkten von der Vakuumverdampferanlage der Fig. 1 und 2 des Standes der Technik:

Die Kondensationseinrichtung 5 weist einen Vorkondensator 15 auf, in dem das Brüdenrohr 8 mündet. Dieser Vorkondensator 15 ist als Rohrbündel-Wärmetauscher ausgeführt und wird von Kühlwasser durchströmt. Der Restverflüssiger 11 der Wärmepumpeneinrichtung 9 ist nicht mehr vorhanden, da nicht mehr notwendig.

In den Fig. 5 und 6 ist der Wärmetauscher 14 im Detail dargestellt. Der Wärmetauscher 14 ist als vertikaler Rohrbündel-Wärmetauscher 14 mit einem zusätzlichen Doppelmantel 16 ausgeführt.

Die erfindungsgemäße Vakuumverdampferanlage mit Wärmepumpenbetrieb der Fig. 3 bis 6 funktioniert wie folgt:

Bei diesem neuen Prinzip wird die überschüssige Energie, welche durch den Verdichter 10 eingebracht wird, nicht dem Kältekreislauf der Wärmepumpeneinrichtung 9 sondern der Prozeßseite entzogen. Dies geschieht über den Vorkondensator 15, welcher der eigentli­ chen Kondensationseinrichtung 5 vorgeschaltet ist. Der Vorkondensator 15 ist als Rohrbün­ del-Wärmetauscher ausgeführt und wird von Kühlwasser durchströmt. Der Lösungsmittel- Dampf aus der Konzentrationseinrichtung 1 gibt hier die vom Verdichter 10 zusätzlich auf­ genommene Energie an das Kühlwasser ab, so daß die Kälteleistung des Wärmepumpen­ systems ausreicht, den übrigen Dampfanteil zu verflüssigen. Der Restverflüssiger 11 wird nicht mehr benötigt.

Der zugehörige Kreisprozeß soll anhand des Diagramms der Fig. 4 beschrieben werden:

h1-h2 Verdichterleistung

Das gasförmige Kältemittel wird mittels des Verdichters 10 auf Verflüssigungsdruck verdichtet und überhitzt dabei. Damit wird in der Regel in Form von elektrischer Energie zusätzliche Energie mittels des Verdichters 10 in das Wärmepumpen­ system eingespeist.

h2-h3 Kondensationsleistung

Das Kältemittel verflüssigt im Prozeßverdampfer, indem es seine Verflüssigungsenergie in der Konzentrationseinrichtung 1 an das zu behandelnde Substrat abgibt, welches dabei sel­ ber verdampft. Das Kühlmittel wird dabei restverflüssigt und um wenige Kelvin unterkühlt, um zu gewährleisten, daß das Kühlmittel vor dem Expansionsventil 12 vollständig flüssig ist.

h3-h4 Expansion

Das Kühlmittel wird im Expansionsventil 12 entspannt, damit es bei niedrigerem Druck dann auf einem niedrigeren Tempera­ turniveau wieder Energie aufnehmen kann.

h4-h1 Verdampfungsleistung

Das Kühlmittel verdampft im Prozeßkondensator der Konden­ sationseinrichtung 5, indem es seine Verdampfungsenergie in dieser Kondensationseinrichtung 5 an das Medium abgibt, welches dabei selber kondensiert.
Der Kreislauf ist geschlossen.

Dem Kühlmittel-Verdampfer der Kondensationseinrichtung 5 (Prozeßkondensator) ist erfin­ dungsgemäß ein weiterer Prozeßkondensator, nämlich der Vorkondensator 15 vorgeschal­ tet, in dem die Energiedifferenz zwischen Verdampfungs- und Kälteleistung dem Medium Dampf entzogen wird. Somit ist die Bilanzierung von Verdampfungs- und Kondensationse­ nergien wieder korrekt 1 : 1.

Der Verdichter wird so gewählt, daß die Heizleistung der früheren Kälteleistung entspricht. Dies hat zur Folge, daß ein wesentlich kleinerer Verdichter mit einer entsprechend geringe­ ren Antriebsleistung eingesetzt werden kann.

Beispiel

Die Vakuumverdampferanlage möge eine Leistung von 42 KW benötigen.
Kälteleistung: 36 KW
Antriebsleistung: 9,0 KW
Heizleistung: 45,0 KW

Trotz der geringeren Antriebsleistung des Verdichters im Vergleich z. B. aus dem Stand der Technik stehen 3 KW Mehrleistung für den Verdampfungsprozeß zur Verfügung.

Die Destillatleistung beträgt ca. 67 l/h. Die entspricht einem spezifischen Energiebedarf von 134 Wh/l.

Dies bedeutet einen Einsparung von ca. 18% an Energie. Bei dem Aufkonzentrieren von Medien mit deutlichen Siedepunktserhöhungen kann die Einsparung auch leicht bei 50% liegen.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher 14 der Kondensationseinrichtung 5 funktioniert wie folgt:

Wie zuvor bereits erwähnt, ist der Wärmetauscher 14 als vertikaler Rohrbündel- Wärmetauscher mit einem zusätzlichen Doppelmantel 16 ausgeführt. Der Lösungsmittel- Dampf aus dem Brüdenrohr 8 tritt in die Rohre 17 des Rohrbündel-Wärmetauschers 14 ein und kondensiert an der Rohrinnenwandung. Das um die Rohre 17 befindliche flüssige Käl­ temittel nimmt die freiwerdende Kondensationsenergie des Lösungsmittel-Dampfes auf, indem es bei diesem Vorgang selber verdampft. Die Temperaturen der beiden Medien blei­ ben dabei weitestgehend konstant.

In dem außenliegenden Doppelmantel 16 des Wärmetauschers 14 wird ein Wasserstrom umgewälzt, der an die Wasserstrahlvakuumeinrichtung 6 angeschlossen ist und als Treib­ medium für die Wasserstrahlvakuumpumpe verwendet wird. Damit das Vakuum aufrechter­ halten wird, muß nämlich in der Wasserstrahlvakuumeinrichtung 6 das Umlaufwasser des Treibmediums permanent gekühlt werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch realisiert, daß das Kältemittel der Wärmepumpeneinrichtung 9 als Kühlmedium für das Treibwasser verwendet wird. Dies hat zur Folge, daß das Kältemittel einen zusätzlichen Energieeintrag erfährt und es somit zu einer besserem Verdampfung des Kältemittels kommt. Die Ver­ dampfungstemperatur und somit der Verdampfungsdruck des Kältemittels wird durch diese Maßnahme so deutlich hochtransferiert, daß eine Wirkungsgradverbesserung von 10 bis 30 % die Folge ist.

Bezugszeichenliste

1

Konzentrationseinrichtung

2

Zulauf

3

Abführung

4

Pumpe

5

Kondensationseinrichtung

6

Wasserstrahl-Vakuumeinrichtung

7

Abführung

8

Brüdenrohr

9

Wärmepumpeneinrichtung

10

Verdichter

11

Restverflüssiger

12

Expansionsventil

13

Wärmetauscher

14

Wärmetauscher

15

Vorkondensator

16

Doppelmantel

17

Rohr

Claims (9)

1. Verfahren zum Vakuumverdampfen von einem mit einem Lösungsmitte) versetzten Substrat,
wobei das Substrat erwärmt und dabei das Lösungsmittel verdampft und ein Substrat- Konzentrat gebildet wird,
wobei weiterhin der Lösungsmittel-Dampf kondensiert wird und
wobei schließlich für die Substrat-Konzentration sowie die Lösungsmittel-Dampf Kondensation eine Wärmepumpe mit einem Kältemittelkreislauf mit Verdichten sowie Verflüssigen eines Kältemittels verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem eigentlichen Kondensieren des Lösungsmittel-Dampfes der Lösungsmittel- Dampf vorkondensiert wird.

2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vorkondensieren ein separater Kältemittelkreislauf verwendet wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ansaugen des zu behandelnden Substrats ein gekühltes Vakuumsystem ver­ wendet wird, wobei zum Kühlen des Vakuumsystems gleichzeitig das Kältemittel des Kälte­ mittelkreislaufs der Wärmepumpe verwendet wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
mit einer Konzentrationseinrichtung (1) mit einem Zulauf (2) für das zu behandelnde Substrat und einer Abführung (3) für das gewonnene Konzentrat,
mit einer Kondensationseinrichtung (5) für den gewonnenen Lösungsmittel-Dampf aus der Konzentrationseinrichtung (1)
sowie mit einer Wärmepumpeneinrichtung (9) mit Verdichter (10) und Verflüssiger sowie Wärmetauschem (13, 14) zum Konzentrieren in der Konzentrationseinrichtung (1) sowie Kondensieren in der Kondensationseinrichtung (5), dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensationseinrichtung (5) ein Vorkondensator (15) vorgeschaltet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkondensator (15) unabhängig von der Wärmepumpeneinrichtung (9) aus­ gebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkondensator (15) als Rohrbündel-Wärmetauscher ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wasserstrahl-Vakuumeinrichtung (6) mit Treibwasserkühlung zum Ansaugen des zu behandelnden Substrats vorgesehen ist, wobei die Kühleinrichtung für das Treibwasser an dem Wärmetauscher (14) der Kon­ densationseinrichtung (5) angeschlossen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (14) einen zusätzlichen Doppelmantel (16) für das Treibwas­ ser aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher ein Rohrbündel-Wärmetauscher ist.