WO2023161122A1 - Verfahren und abtrennvorrichtung zum abtrennen von wasser aus einem kohlenhydrat-wasser-gemisch - Google Patents

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WO2023161122A1
WO2023161122A1 PCT/EP2023/053908 EP2023053908W WO2023161122A1 WO 2023161122 A1 WO2023161122 A1 WO 2023161122A1 EP 2023053908 W EP2023053908 W EP 2023053908W WO 2023161122 A1 WO2023161122 A1 WO 2023161122A1
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heat
separation unit
carbohydrate
unit
separation
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PCT/EP2023/053908
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Nicolai Zenns
Frieder LORENZ
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Südzucker AG
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C13—SUGAR INDUSTRY
    • C13B—PRODUCTION OF SUCROSE; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • C13B30/00—Crystallisation; Crystallising apparatus; Separating crystals from mother liquors ; Evaporating or boiling sugar juice
    • C13B30/002—Evaporating or boiling sugar juice
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D9/00—Crystallisation
    • B01D9/0018—Evaporation of components of the mixture to be separated
    • B01D9/0022—Evaporation of components of the mixture to be separated by reducing pressure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D9/00—Crystallisation
    • B01D9/0018—Evaporation of components of the mixture to be separated
    • B01D9/0031—Evaporation of components of the mixture to be separated by heating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D9/00—Crystallisation
    • B01D9/0059—General arrangements of crystallisation plant, e.g. flow sheets
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C13—SUGAR INDUSTRY
    • C13B—PRODUCTION OF SUCROSE; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • C13B30/00—Crystallisation; Crystallising apparatus; Separating crystals from mother liquors ; Evaporating or boiling sugar juice
    • C13B30/02—Crystallisation; Crystallising apparatus
    • C13B30/022—Continuous processes, apparatus therefor

Definitions

  • the invention relates to a method and a separating device for separating water from a carbohydrate-water mixture.
  • such a mixture is introduced into at least one separation unit, useful heat being fed to the separation unit on a high-temperature side, by means of which the water is thermally separated.
  • the at least one separation unit also has a low-temperature side on which secondary thermal energy is dissipated.
  • recycling heat can be taken from the thermal secondary energy, which is fed back on the high-temperature side at least as part of the useful heat.
  • a heat pump can be provided. If an adsorption heat pump or an absorption heat pump is used, this leads to a limitation of the available temperature range and/or entails problems with regard to the efficiency and controllability of the process.
  • the invention is therefore based on the object of creating a method and a separating device for separating water from a carbohydrate-water mixture, the disadvantages mentioned not occurring.
  • the object is achieved in particular by creating a method for separating water from a carbohydrate-water mixture, the carbohydrate-water mixture being introduced into at least one separation unit in which water is separated from the carbohydrate-water mixture, wherein useful heat is supplied to the at least one separation unit on a high-temperature side in order to thermally separate the water from the carbohydrate-water mixture, secondary thermal energy being removed from the at least one separation unit on a low-temperature side, recycling heat being removed from the secondary thermal energy on the low-temperature side, and wherein the recycling heat is fed back to the high-temperature side at a temperature level of greater than 100° C. at least as part of the useful heat by means of a compression heat pump having a closed working medium circuit.
  • the recycling heat is advantageously returned from the low-temperature side to the high-temperature side, without a material flow being returned at the same time; Rather, the high-temperature side is purely thermotechnically, ie thermally, connected to the low-temperature side by a flow of heat, but remains materially separate from the low-temperature side with regard to the recirculation of the recycling heat.
  • This advantageously avoids mixing of different material flows, in particular mixing of different condensate qualities or even a heating medium with the product.
  • the use of a compression heat pump with a closed working medium circuit also allows a comparatively high temperature level of more than 100° C. on the high-temperature side.
  • a compression heat pump also has a high level of efficiency, in particular in comparison to an adsorption or absorption heat pump.
  • such a compression heat pump has very good controllability, particularly in partial load operation, by varying the compressor speed.
  • a compression heat pump having a closed working medium circuit is understood to mean, in particular, a thermotechnical device that executes a thermotechnical cycle process that is also referred to as counterclockwise.
  • the compression heat pump - in particular in the specified order along a flow direction of the working medium in the closed working medium circuit - has an expansion valve or a throttle for expanding the working medium, a first working medium heat exchanger, in particular a working medium evaporator, at least one working medium compressor or compressor, and a second working medium heat exchanger, in particular a working medium condenser.
  • the compression heat pump is in particular a high-temperature heat pump or a maximum-temperature heat pump.
  • the working media circuit has a refrigerant as the working medium, in particular a hydrofluoroolefin or a hydrochlorofluoroolefin, in particular (Z)-1,3,3,3-tetrafluoropropene, (E)-1,3,3,3-tetrafluoropropene, 1,1, 2,2,3-pentafluoropropane, (Z)-l-chloro-3,3,3-trifluoropropene, (E)-l-chloro-3,3,3-trifluoropropene, (Z)-l-chloro-2, 3,3,3-tetrafluoropropene, (E)-l-chloro-2,3,3,3-tetrafluoropropene, (Z)-l,l,l,4,4,4-hexafluoro-2-butene, 1, 1,1,3,3-pentafluorobutane, dodecafluoro-2-methylpentan-3-one, isobut
  • the working medium compressor or compressor is in particular a mechanical compressor or compressor, in particular a reciprocating compressor, screw compressor or turbo compressor.
  • the amount of working media circulated in the working media circuit per unit of time and thus the recirculated heat flow can be adjusted in particular by suitably controlling the working media compressor or compressor, in particular by varying the speed of the working media compressor or compressor.
  • the fact that the recycling heat is fed back to the high-temperature side at a temperature level greater than 100° C. means in particular that the condensation temperature of the working medium is greater than 100° C. during operation of the compression heat pump.
  • the useful heat of the high-temperature side is supplied as thermal primary energy.
  • the useful heat is supplied to the high-temperature side—in particular directly—by means of a heating medium, in particular by means of heating steam.
  • the separation unit has at least one heating surface, preferably a plurality of heating surfaces, which is acted upon by the heating medium on one side of the heating medium and is in thermal contact, in particular in physical contact, with the carbohydrate-water mixture on a product side facing away from the heating medium side.
  • the useful heat is supplied to the high-temperature side by overheating the carbohydrate-water mixture.
  • the separating unit in this case has an evaporation space in which water can be evaporated—particularly abruptly or suddenly—from the superheated carbohydrate/water mixture, particularly in the form of a formation of flash steam.
  • the carbohydrate-water mixture is overheated in particular upstream of the evaporation space, ie before the carbohydrate-water mixture enters the evaporation space.
  • there is a pressure in the evaporation space that is lower than the pressure that prevails upstream of the evaporation space at the point at which the carbohydrate-water mixture is overheated.
  • downstream of a first element means here and in the following in general that a so-called second element is arranged along a flow or flow direction in front of the first element, i.e. of a test element moving - possibly imaginary - along the flow or flow direction first - before the first element - is reached.
  • downstream of a first element means that a second element so designated is downstream of the first along a direction of flow or flow Element is arranged, so the test element later - after the first element - is reached.
  • a separation unit is understood to mean, in particular, a device—also referred to as an evaporation or crystallization stage—which is set up in such a way that the device, in particular in the device, can be used to separate water from a carbohydrate-water mixture .
  • the separation unit has at least one heating surface, preferably a plurality of heating surfaces, wherein the at least one heating surface is set up so that the heating medium can be applied to one heating medium side of the at least one heating surface, and to a product side of the product side facing away from the heating medium side at least one heating surface with the carbohydrate-water mixture in thermal contact, in particular in touching contact to be brought.
  • a separation unit can be designed in particular as a falling film evaporator.
  • the separation unit has an evaporation chamber, which is arranged and set up in such a way that in the evaporation chamber - in particular abrupt or sudden - evaporation of water from the superheated carbohydrate-water mixture, in particular in the form of flash -Steam, can be done.
  • an overheating device is provided upstream of the evaporation space, which is set up to overheat the carbohydrate-water mixture before it enters the evaporation space.
  • a separating device has in particular at least one such separating unit, in particular a plurality of such separating units.
  • the separation units are arranged one behind the other with respect to a heat flow on the one hand and a product flow of the carbohydrate-water mixture on the other hand, ie in particular arranged in series or connected in series.
  • the sequence of the separation units with regard to the heat flow on the one hand and with regard to the product flow on the other hand corresponds.
  • the sequence of the separation units with regard to the heat flow to differ from the sequence of the separation units with regard to the product flow.
  • the order in relation to the product flow prefferably be in the opposite direction to the order in relation of the heat flow.
  • the separating device has only separating units, each with at least one heating surface. In another embodiment, the separating device has only separating units, each with an evaporation space. In yet another embodiment, the separating device has at least one separating unit with at least one heating surface and at least one further separating unit with an evaporation space.
  • separating water from a carbohydrate-water mixture is understood in particular to mean that water is removed or expelled from the carbohydrate-water mixture, with a water content of the carbohydrate-water mixture being reduced and a carbohydrate Proportion of the carbohydrate-water mixture is increased.
  • a product stream of the carbohydrate-water mixture is divided into a first part-product stream, which has a concentrated carbohydrate-water mixture with an increased carbohydrate content, and a second part-product stream, which only contains water or a diluted carbohydrate-water Mixture with increased water content.
  • a product stream of the carbohydrate-water mixture is divided into a first part-product stream containing crystallized carbohydrate and a second part-product stream containing only water or a diluted carbohydrate-water mixture with an increased water content. Separation is thus understood to mean, in particular, concentration by evaporation or crystallization.
  • thermal separation is understood to mean, in particular, separation by supplying heat, with the water being removed from the carbohydrate-water mixture due to the heat supplied.
  • the water is separated from the carbohydrate-water mixture by expelling the water--in particular by evaporation, in the form of water vapor--and/or by crystallizing a carbohydrate out of the carbohydrate-water mixture.
  • the resulting partial product stream which consists at least essentially of water - possibly with entrained portions of carbohydrate - is also referred to as vapor.
  • a Steam produced by condensate, or also steam containing alcohol referred to as vapor.
  • the essential component of the vapor is an alcohol.
  • useful heat means heat or, synonymously, thermal energy, which is supplied to the at least one separation unit—in particular as thermal primary energy—in order to thermally separate the water from the carbohydrate/water mixture.
  • thermal secondary energy is understood to mean in particular heat or, synonymously, thermal energy, which is discharged from the at least one separation unit on the low-temperature side.
  • the secondary thermal energy embodied in the separated water is removed, in particular in the form of steam, in particular in the form of vapor.
  • thermal secondary energy can also be removed in the form of a condensate, in which case in particular the recycling heat can also be taken from a condensate of a separation unit, in particular a condensate of a vapor or a condensate of a heating medium. It is possible that the recycling heat is taken directly from the condensate. However, it is also possible for the condensate to first be fed to another heat sink and for the recycling heat then to be taken from the remaining residual heat of the condensate.
  • recycling heat is understood to mean in particular that proportion of the thermal secondary energy which is removed on the low-temperature side and returned to the high-temperature side by means of the compression heat pump.
  • additional heat is generated by the compression heat pump, which is referred to as heat pump heat, with the recycling heat being fed back to the high-temperature side at least as part of the useful heat, increased by the heat pump heat.
  • the recycling heat increased by the heat pump heat is sufficient to separate the water from the carbohydrate/water mixture.
  • the useful heat consists of the recycling heat increased by the heat pump heat.
  • the useful heat includes heat provided elsewhere in addition to the recycling heat increased by the heat pump heat, which heat is also referred to as additional heat.
  • the additional heat is always used in special configurations fed exclusively on the high-temperature side of the at least one separation unit; In particular, it is - on the hot side of the working medium circuit - added to the recycling heat increased by the heat pump heat.
  • no additional heat is introduced into the first working medium heat exchanger, that is to say in particular no additional heat is fed in on the cold side of the working medium circuit. It is energetically advantageous to introduce additional heat exclusively on the high-temperature side or the hot side of the working medium circuit, since in this way an increased evaporation of working medium in the first working medium heat exchanger, which would otherwise be highly disadvantageous in terms of energy economy, and thus at the same time an increase in the electrical and/or mechanical energy requirement for Compression of the working medium is avoided. Such an embodiment would be particularly disadvantageous in connection with the material separation, discussed below, of a heating mass flow on the one hand and the working media circuit on the other.
  • the recycling heat consists only of thermal secondary energy that arises during the thermal separation of water from the carbohydrate-water mixture.
  • the recycling heat consists of an amount of heat that is removed from a waste flow of the at least one separation unit, in particular from a mixture of waste flows of several separation units that are thermally connected in parallel and/or connected in series along a heat flow.
  • the recycling heat differs in particular from optionally additionally supplied externally supplied amounts of heat which do not have their origin as thermal secondary energy arising during the separation of water from the carbohydrate-water mixture.
  • such external amounts of heat can be embodied by steam from a boiler house, or they can be in the form of electrical energy, in particular from the public network and/or from own production, in particular an own combined heat and power plant. It is advantageously possible in the manner described here to provide a separating device with the lowest possible drive energy requirement for the compression heat pump and to keep a circulating volume flow in the working media circuit and the associated dimensioning of the component parts of the working media circuit low.
  • the carbohydrate-water mixture is selected from a group consisting of: a sucrose-containing medium, in particular a sucrose-containing solution or a sucrose-containing suspension, in particular thin juice or thick juice for sucrose production, sucrose syrup, an isomaltulose-containing medium, in particular an isomaltulose-containing solution or an isomaltulose-containing suspension, stillage from organic alcohol production, an alcohol-water solution, in particular an organic alcohol-water solution , a sugar alcohol-water medium, especially a sugar alcohol-water solution or a sugar alcohol-water suspension, a starch-containing medium, especially a starch-containing solution or suspension, and moisture-containing crop pieces, especially sugar beet cossettes or chicory roots.
  • a sucrose-containing medium in particular a sucrose-containing solution or a sucrose-containing suspension, in particular thin juice or thick juice for sucrose production
  • sucrose syrup an isomaltulose-containing medium, in particular an isomaltulose-containing solution or an isomal
  • a thin juice is generally understood to mean a carbohydrate-water mixture with a lower dry matter content and a thick juice means a corresponding carbohydrate-water mixture with a higher dry matter content.
  • the dry matter content of the thick juice is higher than the dry matter content of the thin juice, and vice versa.
  • a thin juice means a sucrose solution with a lower dry matter content and a thick juice means a sucrose solution with a higher dry matter content.
  • a thin juice in particular with a dry matter content of 10% to 25%, is preferably concentrated to form a thick juice with a dry matter content of 65% to 80%.
  • a desired supersaturation is set or achieved in a crystallization process as part of the method by separating off water.
  • a sugar is crystallized out of a sugar solution as part of the process.
  • sucrose is crystallized out of an aqueous sucrose solution, in particular a thick juice.
  • isomaltulose is crystallized out of an aqueous isomaltulose solution, in particular a thick juice.
  • a rectification process is carried out as part of the process by separating off water.
  • sugar beet pulp and/or products from bioethanol production are dried in a dry matter range of 30% to 95%.
  • a plurality of separation units is used to separate the water from the carbohydrate-water mixture.
  • the separation units are thermally connected to each other and arranged in series along a heat flow, the recycle heat of the thermal secondary energy is taken out on the low-temperature side of a downstream separation unit of the plurality of separation units and supplied to the high-temperature side of an upstream separation unit of the plurality of separation units by means of the compression heat pump.
  • the upstream separation unit is located upstream of the downstream separation unit along the heat flow.
  • the downstream separation unit is arranged downstream of the upstream separation unit along the heat flow.
  • the separation units are arranged one behind the other in series along a temperature gradient and are thermally connected to one another.
  • upstream of a first element means that a so-called second element is arranged along the temperature gradient at a higher temperature level than the first element.
  • downstream of a first element means that a second element so designated is arranged along the temperature gradient at a lower temperature level than the first element.
  • the low-temperature side of a separating unit is in each case thermally connected—apart from the last separating unit in the row—to the high-temperature side of a separating unit immediately following along the heat flow.
  • at least one separation unit has at least two partial separation units which are arranged parallel to one another with regard to the heat flow, that is to say in particular at the same temperature level.
  • the at least two partial separation units are preferably arranged in series or in series, ie one behind the other, with respect to the product stream.
  • the separation units are additionally arranged one behind the other in a row along a pressure gradient.
  • the pressure gradient has the same sign as the temperature gradient.
  • a pressure prevailing in the separation units falls along the row of separation units in the same direction in which the temperature in the separation units also falls.
  • the recycling heat is in particular not returned to the same separation unit from which it was taken from the thermal secondary energy, but rather returned counter to the flow of heat by at least one separation unit, in particular a plurality of separation units.
  • the compression heat pump advantageously raises the temperature level of the recycling heat, in particular when the heat pump heat is supplied, with the recycling heat being fed back counter to the temperature gradient at the same time.
  • the recycling heat of the secondary thermal energy is taken from a separation unit of the plurality of separation units that is last along the heat flow - in particular from the last separation unit in the series of separation units along the temperature gradient, i.e. the separation unit with the lowest temperature level - and the High-temperature side of a along the heat flow first separation unit of the plurality of separation units - in particular along the temperature gradient first separation unit in the series of separation units, that is, the separation unit with the highest temperature level - is supplied.
  • the useful heat is supplied to the at least one separation unit via a heating medium.
  • the useful heat of the at least one separation unit is supplied via steam, also referred to as heating steam, in particular steam, as the heating medium.
  • the useful heat of a separation unit does not include recycle heat.
  • the useful heat of a separation unit includes, in addition to heat provided elsewhere, ie additional heat - embodied for example by steam from a boiler house - the recycling heat, in particular increased by the heat pump heat.
  • the useful heat consists of the recycling heat increased in particular by the heat pump heat; This means in particular that the useful heat only includes the sum of the recycling heat and the heat pump heat.
  • the recycling heat - increased in particular by the heat from the heat pump - is supplied to the high-temperature side of the separation unit, embodied by a vapor which is generated using the recycling heat from a condensate of the same separation unit that is produced during separation from the heating medium - in particular from the same vapor.
  • the useful heat is used to heat, in particular to overheat, the carbohydrate-water mixture upstream of an evaporation space of the at least one separation unit.
  • water evaporates from the heated, in particular overheated, carbohydrate-water mixture in the evaporation chamber, particularly when it enters the evaporation chamber, which is also referred to as the formation of flash steam.
  • the pressure in the evaporation space is lower than the pressure at the point where the carbohydrate-water mixture is heated upstream of the evaporation space.
  • the carbohydrate-water mixture is heated, in particular overheated, upstream of the separation unit.
  • a superheating device that is set up to heat, in particular to superheat, the carbohydrate-water mixture upstream of the evaporation space is not itself part of the separation unit and rather is arranged upstream of the separation unit.
  • the useful heat of the separation unit is embodied by the carbohydrate-water mixture that is heated, in particular superheated, and is supplied upstream of the separation unit.
  • the carbohydrate-water mixture is heated, in particular overheated, in the separation unit upstream of the evaporation chamber.
  • the superheating device is part of the separation unit and is arranged in the separation unit upstream of the evaporation space.
  • the useful heat is supplied to the carbohydrate-water mixture--either upstream of the separation unit or in the separation unit--in particular via a heat transport medium or heating medium, in particular water, steam or a thermal oil.
  • the useful heat consists of the recycling heat increased in particular by the heat pump heat.
  • the useful heat of a separation unit does not include any recycle heat.
  • the useful heat of a separation unit includes, in addition to heat provided elsewhere, ie additional heat, - embodied for example by steam from a boiler house - the recycling heat, in particular increased by the heat pump heat.
  • the recycling heat is withdrawn from a waste stream carrying away the water separated from the carbohydrate-water mixture.
  • dissipated heat embodied in the waste stream is returned to the high-temperature side of the separation unit or another separation unit, as a result of which the method proposed here is very efficient.
  • a material separation of the low-temperature side from the high-temperature side is achieved by means of the compression heat pump, whereby not part of the waste flow itself is returned, but only the recycling heat removed from the waste flow.
  • the low temperature side and the The high-temperature side are therefore connected to one another only thermally, via a heat flow, with regard to the recirculation of the recycling heat, but are materially separated from one another.
  • a mass flow is understood to mean, in particular, a mass flow which comprises at least the water separated from the carbohydrate-water mixture in the separation unit, possibly plus entrained components of the carbohydrate-water mixture.
  • the waste stream in the separation unit is steam formed from the carbohydrate-water mixture, moist air, in particular hot air, or in particular vapor.
  • the mass flow can also be a condensate.
  • the mass flow is at least partially fed directly to the first working medium heat exchanger—in particular the working medium evaporator—of the compression heat pump. In this way, the recycling heat can be taken from the mass flow directly in the first working medium heat exchanger.
  • the recycling heat from the mass flow is conveyed to the first working medium heat exchanger—in particular the working medium evaporator—via a first heat transport device.
  • This allows in particular a spatial separation between the mass flow and the first working medium heat exchanger or the compression heat pump as a whole.
  • the condensate is fed at least partially directly to the first working medium heat exchanger in a first embodiment, or for the recycling heat extracted from the condensate to be used in a second embodiment is fed to the first working medium heat exchanger mediated via a heat transport device.
  • a heat transport device is understood to mean a device that is set up to transport heat from a first location to another, second location that is at a distance from the first location.
  • the heat transport device can in particular have at least one heat transport element, for example in the simplest configuration an ingot or rod made of a thermally conductive material.
  • the heat transport device has in particular at least one heat pipe, also referred to as a heat pipe.
  • the heat transport device has at least one pipeline and/or a fitting, in particular at least one heat distributor.
  • the heat transport device has at least one heat transport medium circuit, in particular with a liquid heat transport medium, with water or a heat transfer oil, for example, being provided as the heat transport medium.
  • the heat transitions in the heat transport medium cycle can include phase transitions or be designed as sensitive heat transitions, ie without phase transitions.
  • the heat transport device has a flue gas heat exchanger or consists of a flue gas heat exchanger.
  • the recycling heat is fed to a heating mass flow which is fed to the at least one separation unit on the high-temperature side in order to thermally separate the water from the carbohydrate-water mixture.
  • a heating mass flow is understood to mean a heat-carrying mass flow.
  • the fact that the recycling heat is supplied to the heating mass flow means in particular that the thermal energy of the heating mass flow is increased by the recycling heat—in particular additionally by the heat pump heat.
  • the heating mass flow is different from the working medium of the compression heat pump, in particular materially separate from it.
  • the heating mass flow does not contain the working medium of the compression heat pump; in particular, the heating mass flow does not consist of the working medium of the compression heat pump.
  • the heating mass flow is materially separated from the working medium of the compression heat pump and only thermally connected to the working medium.
  • the heating mass flow is the mass flow of a heating medium that is used to heat the carbohydrate-water mixture.
  • a heating medium that is used to heat the carbohydrate-water mixture.
  • steam in particular steam, or air, in particular hot air, or a heat transport medium
  • the heating mass flow is the mass flow of the carbohydrate-water mixture itself.
  • the recycle heat is used in particular to heat or preheat, in particular to superheat, the carbohydrate-water mixture.
  • the carbohydrate-water mixture is then introduced into an evaporation chamber of the separation unit, where water suddenly evaporates from the carbohydrate-water mixture—in particular as so-called flash steam.
  • At least a partial heating mass flow of the heating mass flow is guided upstream of the separation unit through the second working medium heat exchanger—in particular the working medium condenser—of the compression heat pump. In this way, the recycling heat can be supplied to the heating mass flow directly from the second working medium heat exchanger.
  • the entire heating mass flow is conducted upstream of the separation unit through the second working medium heat exchanger; in particular, the carbohydrate-water mixture is passed directly through the second working media heat exchanger.
  • the recycling heat is supplied to the heating mass flow from the second working medium heat exchanger—in particular the working medium condenser—via a second heat transport device. This allows in particular a spatial separation between the heating mass flow and the second working medium heat exchanger or the compression heat pump as a whole.
  • an evaporation unit is used as the at least one separation unit.
  • a crystallization unit is used as the at least one separation unit.
  • At least one evaporation unit - as at least one first separation unit - and at least one crystallization unit - as at least one second separation unit - are used as the at least one separation unit, with secondary thermal energy being removed from the at least one evaporation unit, recycling heat which is fed back to the at least one evaporation unit by means of a first compression heat pump, and wherein thermal secondary energy of the at least one crystallization unit is taken from recycling heat, which is fed back to the at least one crystallization unit by means of a second compression heat pump.
  • the process can advantageously be conducted in such a way that the initially introduced amount of heat is used as completely as possible in the process itself.
  • the temperature level for the evaporation can be lowered, in particular - for example for a sucrose solution - from conventional 130 °C to 135 °C in the initial separation stage to around 120 °C, so that the thermal effect in particular is reduced and thus the risk of Discoloration of the resulting thick juice is reduced.
  • a sufficient amount of heat in particular in the form of vapors, can easily be provided for use in the first compression heat pump.
  • the thermal decoupling of the various processes allows the temperature for the crystallization to be raised so that this can also be carried out under particularly favorable conditions.
  • the (vapour) temperature for the crystallization can be raised, in particular - for example for sucrose crystallization - from conventionally about 60 ° C at 0.2 bar absolute to about 65 ° C at 0.25 bar absolute, which advantageously the Crystallization rate can be increased in particular to their maximum.
  • a space/time yield in the sugar house can be increased.
  • the total amount of heating steam to be supplied from the boiler house can advantageously be significantly reduced.
  • the heating steam temperature for the crystallization can be selected independently of the design of the evaporation and can even be above 110 °C.
  • a speed of the working medium compressor of the first compression heat pump is varied in order to set the temperature level for the evaporation.
  • the speed of the working medium compressor of the first compression heat pump is varied in order to set a dry substance content of the concentrated carbohydrate-water mixture, ie the resulting thick juice.
  • the speed of the working medium compressor of the first compression heat pump is selected such that the temperature level for the evaporation in the initial separation stage is approximately 120°C.
  • a speed of the working medium compressor of the second compression heat pump is varied in order to set the temperature level for the crystallization.
  • the speed of the working medium compressor of the first compression heat pump is varied in order to set supersaturation of the carbohydrate-water mixture for the crystallization.
  • the speed of the working medium compressor of the second compression heat pump is selected such that the temperature level for crystallization is approximately 65° C. at 0.25 bar absolute.
  • the determining parameter for the temperature selection in the at least one evaporation unit is no longer the crystallization, but rather the target temperature to be reached in the juice warming. Adjusted wiring of the evaporation units reduces the required heating steam temperatures, which also reduces the equivalent heat exposure time.
  • the increased space/time yield in at least one crystallization unit (“sugar house”) is achieved on the one hand by the improved mass transfer to the crystal and on the other hand by an increase in the temperature differences due to higher initial temperatures of the magma in the cooling crystallization.
  • the separating device has a plurality of evaporation units and exactly one crystallization unit.
  • the at least one crystallization unit is a carbohydrate-water mixture from the at least one Evaporation unit is supplied.
  • the carbohydrate-water mixture is first concentrated or thickened in the at least one evaporation unit, with a thick juice being produced in particular from a thin juice, with a carbohydrate contained in the concentrated carbohydrate-water mixture then being crystallized in the at least one crystallization unit , the carbohydrate being precipitated in particular from the thick juice.
  • sucrose or isomaltulose is crystallized out of the concentrated carbohydrate-water mixture or thick juice, in particular a sugar solution.
  • the crystallization unit and the evaporation unit are connected directly to one another via a product stream of the carbohydrate-water mixture. This allows in particular a continuous process control.
  • the crystallization unit and the evaporation unit are separated from one another with respect to the product stream by an intermediate store for the carbohydrate-water mixture.
  • the intermediate storage of the in particular concentrated or thickened carbohydrate-water mixture advantageously allows the various processes to be carried out independently of one another, in particular in a demand-controlled manner.
  • the at least one evaporation unit and the at least one crystallization unit are operated thermally separately from one another. This in particular allows thermal separation of the various processes from one another, combined with the advantages already explained.
  • waste heat from the at least one evaporation unit in particular embodied by a vapor from the at least one evaporation unit, to be used as a heat source for the second compression heat pump.
  • the compression heat pump is driven electrically.
  • the reuse of waste heat as recycling heat with the simultaneous supply of mechanically generated heat pump heat via an electric drive advantageously enables significant substitution and thus reduction, if necessary even avoidance of useful heat initially fed into the process, generated thermally, in particular by burning fossil fuels.
  • an amount of steam initially fed into the process from a boiler house can be reduced - if necessary, in particular depending on the process, even reduced to zero - or the same amount of steam initially fed in from the boiler house can be significantly more efficient, in particular for the separation of a larger amount of water from the carbohydrate-water mixture, in particular for processing a larger quantity of carbohydrate-water mixture.
  • significant costs can be saved, but not least, significant carbon dioxide emissions can be saved. Thus, a significant decarbonization of the process can be achieved.
  • the compression heat pump is driven with electrical energy from renewable sources.
  • the method proposed here has significantly lower carbon dioxide emissions than conventional methods for separating water from a carbohydrate/water mixture.
  • heat provided thermally from fossil fuels is effectively replaced by heat provided mechanically via the electrically driven working medium compressor, which ultimately results from regenerative sources.
  • the compression heat pump is driven with electrical energy, which is at least partially provided by a generator that is drivingly connected to a heat engine, in particular an internal combustion engine, in particular a gas turbine.
  • the compression heat pump is driven mechanically by a heat engine, in particular an internal combustion engine, in particular a gas turbine, in particular mediated via a gear.
  • a heat engine in particular an internal combustion engine, in particular a gas turbine, in particular mediated via a gear.
  • the internal combustion engine in particular the gas turbine, is operated with biogas or another fuel gas from a regenerative source, so that in this case too, significant carbon dioxide emissions are effectively saved and decarbonization effects are thus achieved.
  • waste heat from the heat engine is used as additional heat, i.e. additionally fed into the useful heat or used as part of the useful heat, i.e. in particular fed to the heating mass flow.
  • an evaporation unit is used as at least a first separation unit and a crystallization unit is used as at least a second separation unit, with secondary thermal energy being removed from the crystallization unit for recycling heat, which is fed back to the crystallization unit by means of a compression heat pump, with the compression heat pump directly and/or indirectly means in particular electrically and/or mechanically, is driven by a heat engine, with waste heat from the heat engine - in particular via a third heat transport device - being used as additional heat for the evaporation unit, i.e. additionally fed into the useful heat supplied to the evaporation unit or used as part of the useful heat, that means, in particular, that it is fed to the heating mass flow fed to the evaporation unit.
  • waste heat from the heat engine is used in a corresponding manner as additional heat for the crystallization unit, in particular via the third heat transport device or a fourth heat transport device.
  • an evaporation unit is used as at least one first separation unit, with secondary thermal energy being removed from the evaporation unit for recycling heat, which is fed back to the evaporation unit by means of a first compression heat pump, with a crystallization unit being used as at least a second separation unit, with secondary thermal energy from the crystallization unit being recycled heat is removed, which is fed back to the crystallization unit by means of a second compression heat pump, with the second compression heat pump being driven directly and/or indirectly, i.e.
  • waste heat from the heat engine - in particular via a third heat transport device - used as additional heat for the evaporation unit ie additionally fed into the useful heat fed to the evaporation unit or used as part of the useful heat, ie in particular fed to the heating mass flow fed to the evaporation unit.
  • the crystallization unit is a crystallization unit of a sugar factory, in particular set up for saccharose crystallization.
  • the evaporation unit is a device in the sugar factory for evaporating juice.
  • a plurality of separation units are operated as the at least one separation unit, with a waste stream being removed from each separation unit of the plurality of separation units, with at least one of the waste streams being used as a heat source for a further process.
  • heat comprised by the different mass flows can thus be used efficiently for other processes, for example for heating factory rooms or other industrial, chemical, biological and/or food technology processes--in particular in the same factory or plant.
  • At least one of the waste streams can be used as a heat source for preheating the carbohydrate-water mixture, in particular before the carbohydrate-water mixture enters a flow direction of the carbohydrate-water mixture - i.e. along the defined by the product stream Order - first separation unit of the plurality of separation units.
  • the useful heat supplied to the high-temperature side consists of the recycling heat increased by the heat pump heat of the compression heat pump.
  • the useful heat also includes additional heat in addition to the recycling heat increased by the heat pump heat of the compression heat pump, the additional heat being supplied - in particular exclusively - on the high-temperature side of the at least one separation unit, in particular on a hot side of the working medium circuit.
  • the object is also achieved by creating a separation device for separating water from a carbohydrate-water mixture, which has at least one separation unit, the at least one separation unit having a product inlet for introducing the ti
  • Carbohydrate-water mixture in the separation unit and a product outlet for discharging a partially dehydrated carbohydrate-water mixture the separation unit being set up to separate water from the carbohydrate-water mixture, the at least one separation unit having a useful heat input on a high-temperature side for the supply of useful heat - as primary thermal energy - and on a low-temperature side has a secondary energy outlet for dissipating secondary thermal energy, the separation device having a compression heat pump with a closed working media circuit and being set up to extract recycling heat from the thermal secondary energy discharged via the secondary energy outlet and the recycling heat using the compression heat pump to return the useful heat input on the high-temperature side at a temperature level of more than 100 °C.
  • the separation device there are in particular the advantages that have already been explained in connection with the method.
  • the separating device is set up to carry out a method according to the invention or a method according to one or more of the embodiments described above.
  • the separating device or elements of the separating device have at least one feature already explained above in connection with the separating device or an element of the separating device, or a combination of these features.
  • the useful heat input and the secondary energy output are arranged on the same spatial-geometric side of the at least one separation unit.
  • the useful heat input and the secondary energy output are arranged on different, in particular opposite, spatial-geometric sides of the at least one separation unit.
  • the heating medium and the product can be conducted in countercurrent, while in the other configuration the heating medium and the product have the same flow directions at least in regions within the separation unit.
  • the terms “high-temperature side” and “low-temperature side” do not necessarily describe different spatial-geometric sides of a partition unit, but are to be understood merely in terms of thermal technology. They can, in certain configurations, be on the same spatial-geometric side or, in certain other configurations, be assigned to different spatial-geometric sides of a partition unit.
  • the product inlet and the useful heat inlet of the at least one separation unit are spatially and/or fluidically separated from one another.
  • the useful heat input is set up in order to introduce the useful heat, embodied by a heating medium as the heating mass flow, into the separation unit, the heating medium being in particular steam, in particular steam, air, in particular hot air, a heat transport medium, or an in particular from a heating condensate, that is, a condensate formed from the heating medium, which is vapors generated by the separation unit having useful heat input, that is, from the same separation unit.
  • the product input is identical to the useful heat input, in which case the useful heat embodied by the carbohydrate-water mixture itself is introduced into the separating unit as the heating mass flow.
  • the carbohydrate-water mixture is heated in an overheating device of the separating device, in particular overheated, and it is then introduced into an evaporation chamber of the separating unit, where - in particular suddenly - water evaporates from the carbohydrate-water mixture, which is also known as a flash called steam.
  • the separating device has a plurality of separating units. In one embodiment, the separating device exclusively has such separating units in which the product input is spatially and/or fluidically separated from the useful heat input. In another embodiment, the separating device exclusively has such separating units in which the product input is identical to the useful heat input. In yet another embodiment, the separating device has at least one first separating unit, in which the product input is separated spatially and/or in terms of flow from the useful heat input, the separating device also having at least one second separating unit, in which the product input is identical to the useful heat input.
  • the separating device has only separating units, each with at least one heating surface. In another embodiment, the separating device only separation units, each with an evaporation space. In yet another embodiment, the separating device has at least one separating unit with at least one heating surface and at least one further separating unit with an evaporation chamber.
  • the secondary energy output is set up, in particular, to supply the thermal secondary energy in the form of steam, in particular water vapor, in particular a vapor formed from the carbohydrate-water mixture, or in the form of hot air, and/or in the form of a condensate, in particular one from the vapor which is formed from the carbohydrate-water mixture, condensate formed or the heating condensate to dissipate.
  • the separation device is set up to feed the recycling heat back to the useful heat input of the same separation unit on its high-temperature side.
  • the separation device is set up to feed the recycling heat back to the useful heat input of a separation unit other than that separation unit from whose secondary energy output the recycling heat originates, on the high-temperature side.
  • the separation device is set up to extract the recycling heat from a separation unit downstream along a heat flow through the separation device comprising a plurality of separation units and to supply it to a separation unit upstream along the heat flow.
  • the separating device has a plurality of separating units which are thermally connected to one another and arranged one behind the other in a row along a heat flow—in particular along a temperature gradient, and preferably additionally along a pressure gradient.
  • the separation device is configured to extract the recycling heat of the secondary thermal energy on the low-temperature side of a downstream separation unit of the plurality of separation units and to supply it to the high-temperature side of an upstream separation unit of the plurality of separation units by means of the compression heat pump, the upstream separation unit being arranged upstream of the downstream separation unit along the heat flow is.
  • the downstream separation unit is a last separation unit of the plurality of separation units along the heat flow
  • the upstream separation unit is a first separation unit of the plurality of separation units along the heat flow.
  • the secondary energy outlet is set up to discharge from the separation unit a waste stream carrying away the water separated from the carbohydrate-water mixture, in particular in the form of steam, in particular steam, in particular a vapor, or in the form of air, in particular moist hot air, and/or or in the form of a condensate.
  • the secondary energy output is fluidically connected to the first working medium heat exchanger, in particular the working medium evaporator, of the compression heat pump, so that the recycling heat can be removed from the waste flow directly in the first working medium heat exchanger and used to evaporate the working medium.
  • the separating device has a first heat transport device which is arranged and set up to thermally connect the waste flow to the first working medium heat exchanger, in particular the working medium evaporator.
  • the useful heat input or - in particular if the product input is identical to the useful heat input - the product input is fluidically connected to the second working medium heat exchanger, in particular the working medium condenser, of the compression heat pump, so that the recycling heat - in particular increased by the heat pump heat - At least a partial heating mass flow of the heating mass flow can be supplied upstream of the useful heat input or the product input directly in the second working medium heat exchanger, where it is released in particular as condensation heat of the working medium.
  • the separating device has a second heat transport device, which is arranged and set up to thermally connect the useful heat input or the product input, and thus the heating mass flow, to the second working medium heat exchanger, in particular the working medium condenser.
  • the separation device has an evaporation unit as the at least one separation unit.
  • the separation device has a crystallization unit as the at least one separation unit.
  • the separating device has at least one evaporation unit as the at least one separating unit - as at least one first separating unit - and at least one crystallization unit - as at least one second separating unit -, the separating device being set up to extract recycling heat from thermal secondary energy of the at least one evaporation unit , and to feed the recycling heat back to the at least one evaporation unit by means of a first compression heat pump.
  • the separation device is also set up to remove recycling heat from secondary thermal energy of the at least one crystallization unit and to feed the recycling heat back to the at least one crystallization unit by means of a second compression heat pump.
  • the disconnection device has the first compression heat pump on the one hand and the second compression heat pump on the other, ie in particular two compression heat pumps.
  • the separating device has a plurality of evaporation units and exactly one crystallization unit.
  • the at least one crystallization unit is fluidically connected - in particular via a product line - to the at least one evaporation unit, so that the crystallization unit can be fed a carbohydrate-water mixture from the at least one evaporation unit directly via the fluidic connection for crystallization.
  • the separating device has an intermediate store into which the carbohydrate-water mixture emerging from the at least one evaporation unit can be stored, wherein the carbohydrate-water mixture can be removed from the intermediate store and fed to the at least one crystallization unit for crystallization.
  • the at least one evaporation unit and the at least one crystallization unit are fluidically separated from one another or at least not directly connected to one another, with a mass transport of the carbohydrate-water mixture from the Evaporation unit is provided to the crystallization unit only mediated via the interim storage facility.
  • the separation device is set up to operate the at least one evaporation unit and the at least one crystallization unit, in particular the first compression heat pump and the second compression heat pump, thermally separately from one another.
  • the separation device is set up to use waste heat from the at least one evaporation unit as a heat source for the second compression heat pump.
  • the separating device has a thermal connection - in particular in the form of a vapor line - between the at least one evaporation unit and the second compression heat pump, in particular the first working medium heat exchanger, in particular the working medium evaporator of the second compression heat pump.
  • the compression heat pump has an electrical machine, in particular an electric motor, as a drive for the working medium compressor.
  • the compression heat pump is set up to be operated with electrical energy from renewable sources.
  • the compression heat pump is set up to be operated using electrical energy that is provided by a generator that is drivingly connected to a heat engine, in particular an internal combustion engine, in particular a gas turbine.
  • a generator that is drivingly connected to a heat engine, in particular an internal combustion engine, in particular a gas turbine.
  • the disconnection device has such a generator and the heat engine drivingly connected to it, the generator being electrically connected to the electric motor of the compression heat pump.
  • the compression heat pump is drivingly connected to the heat engine—preferably mediated via a gear.
  • the heat engine is designed as an internal combustion engine, in particular as a gas turbine, and is preferably set up to be operated with biogas or another fuel gas from regenerative sources.
  • the separation device has a third heat transport device that is set up to supply waste heat from the heat engine to the high-temperature side of the at least one separation unit as additional heat, i.e. to additionally feed it into the useful heat or to use it as part of the useful heat, i.e. to transfer the waste heat in particular to the supply heating mass flow.
  • the separating device has an evaporation unit as at least a first separating unit and a crystallization unit as at least a second separating unit, as well as a compression heat pump, by means of which secondary thermal energy is removed from the crystallization unit for recycling heat, which is fed back to the crystallization unit, with the compression heat pump being used directly and/or or indirectly, i.e. in particular electrically and/or mechanically, by a heat engine, the separation device being set up to use waste heat from the heat engine - in particular via a third heat transport device - as additional heat for the evaporation unit, i.e.
  • the separating device is set up to use waste heat from the heat engine—in particular via the third heat transport device or a fourth heat transport device—in a corresponding manner as additional heat for the crystallization unit.
  • the separating device has an evaporation unit as at least one first separating unit, and a first compression heat pump, by means of which secondary thermal energy of the evaporation unit is used to remove recycling heat, which is fed back to the evaporation unit, the separating device having a crystallization unit as at least one second separating unit, and a second compression heat pump, by means of which recycling heat is removed from the secondary thermal energy of the crystallization unit and fed back to the crystallization unit, the second compression heat pump being driven directly and/or indirectly, i.e.
  • the separation device is set up to use waste heat from the heat engine - in particular via a third heat transport device - as additional heat for the evaporation unit, that is, in addition to the evaporation unit to feed in useful heat supplied or to use it as part of the useful heat, that is to say in particular to supply it to the heating mass flow supplied to the evaporation unit.
  • the separating device is set up to use waste heat from the heat engine—in particular via the third heat transport device or a fourth heat transport device—in a corresponding manner as additional heat for the crystallization unit.
  • the crystallization unit is a crystallization unit of a sugar factory, in particular set up for saccharose crystallization.
  • the evaporation unit is a device in the sugar factory for evaporating juice.
  • the separating device has a plurality of separating units, with each separating unit of the plurality of separating units being assigned a waste stream discharge line which is thermally connected to at least one other process, so that at least one of the waste streams of the separating units is used as a heat source for a further process can be.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a method and a separating device for separating water from a carbohydrate/water mixture
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a method and a separating device for separating water from a carbohydrate/water mixture
  • FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of a method and a separating device for separating water from a carbohydrate/water mixture
  • FIG. 4 shows a fourth exemplary embodiment of a method and a separating device for separating water from a carbohydrate/water mixture
  • FIG. 5 shows a fifth exemplary embodiment of a method and a separating device for separating water from a carbohydrate/water mixture.
  • variable x A specific separation unit or Thermal separation stage, on the low-temperature side of which recycling heat is removed, is denoted by the variable x, which can assume values from 1 to n, where n is the total number of separation units included in a separation device under consideration and integrated into a common heat flow.
  • B x The thermal secondary energy removed on the low-temperature side of the separation unit x, embodied in particular by a vapor, is denoted by B x .
  • a heating condensate of separation unit x is denoted by K x .i.
  • a product condensate of the separation unit x is denoted by K x .
  • the useful heat B xy comprising at least part of the recycling heat removed from the separation unit x and recirculated by y stages is generally fed to the separation unit x ⁇ +1 .
  • a heating condensate K xy , a vapor B xy +i and a product condensate K xy +i occur in this separation unit x +1 .
  • Useful heat is supplied to the separation unit x in the form of a vapor B x -i; there falls a heating condensate K x .i and a vapor B x .
  • the product condensate of the vapor B x is referred to as K x .
  • the invention integrates a closed, left-handed heat pump cycle process in which a vapor B x is condensed as a heat source in order to feed a heating steam B xy for heating to a heating element of an upstream stage xy.
  • the heat provided by the working media circuit on the high-pressure side is transferred in the working media condenser to a condensate stream from stage x- +1 (K xy ), which leads to its evaporation.
  • stage x- +1 K xy
  • This additionally generated amount of heating steam B xy is supplied to the heating element of the stage.
  • the heat fed back from stage x to stage x- +1 brings about a change in evaporation capacity. This can be influenced by the amount of working medium circulated in the compression heat pump.
  • the closed heat pump circuit increases the energy content of the vapor B x from the separation stage x using mechanical energy to the exergetic level of a vapor quality that precedes by y stages and is therefore exergetically higher.
  • the heating element of stage x-y+1 which is heated by the heating steam B xy , can also have different quality requirements for the heat transfer medium of the heating steam compared to the heat source, which represents the energy content of the vapor B x , since in the closed heat pump circuit only an energy and no mass transport takes place from the heat source B x to the heat sink B xy .
  • any form of a liquid heat source - in particular a condensate K x - from any utilization stage x can also be used, in which the heat is transferred by cooling the liquid.
  • FIG. 1 now shows a first exemplary embodiment of a method and a separating device 1 for separating water from a carbohydrate-water mixture.
  • the separation device 1 has a separation unit 3 which in turn has a product inlet 5 for introducing the carbohydrate-water mixture 4 into the separation unit 3 and a product outlet 7 for discharging a partially dewatered carbohydrate-water mixture 4 .
  • the separation unit 3 is set up to separate water from the carbohydrate-water mixture.
  • the separation unit 3 has a useful heat input 11 on a high-temperature side 9 for the supply of useful heat and a secondary energy output 15 for dissipating thermal secondary energy on a low-temperature side 13 .
  • the separating device 1 has a compression heat pump 17 with a closed working medium circuit 19 and is set up to extract recycling heat from the thermal secondary energy discharged via the secondary energy outlet 15 and to transfer the recycling heat to the useful heat inlet 11 on the high-temperature side 9 by means of the compression heat pump 17 at a temperature level of greater than 100 °C to be supplied again.
  • the first embodiment of the separating device 1 is arranged to separate water from moisture-containing crop pieces as the carbohydrate-water mixture 4, in particular sugar beet cossettes or chicory roots.
  • the separating device 1 is set up for drying chips in a sugar factory.
  • the first exemplary embodiment of the separating device 1 also has a device upstream of the separating unit 3 along a product stream of the carbohydrate-water mixture 4 drying stage 21 on; however, this can also be omitted in another exemplary embodiment and is therefore optional.
  • the compression heat pump 17 has - in particular in the specified order along a flow direction of a working medium in the closed working medium circuit 19 - an expansion valve 23 for expanding the working medium, a first working medium heat exchanger 25, in particular a working medium evaporator 27, a working medium compressor 29, here two working fluid compressors 29 connected in parallel in terms of flow, and a second working fluid heat exchanger 31, in particular a working fluid condenser 33.
  • the useful heat of the separating unit 3 is supplied via a heating medium 34 , here via supply air 35 .
  • the recycling heat is withdrawn from a waste stream 37, in this case waste air 39, which removes the water separated from the carbohydrate-water mixture.
  • the mass flow 37 is in this case fed directly to the first working medium heat exchanger 25, that is to say the working medium evaporator 27, in order to remove the recycling heat.
  • the recycling heat from the mass flow 37 is conveyed to the first working medium heat exchanger 25 via a first heat transport device.
  • the recycling heat is fed to a heating mass flow, here the mass flow of the heating medium 34, i.e. the supply air 35, with the heating mass flow being fed to the separation unit 3 on its high-temperature side 9 in order to thermally separate the water from the carbohydrate-water mixture 4.
  • the recycling heat is conveyed to the heating mass flow, i.e. in the first exemplary embodiment the supply air 35, from the second working medium heat exchanger 31, in particular the working medium condenser 33, via a heat transport device 41, here to distinguish it from the above-mentioned first heat transport device as the second heat transport device 41 designated supplied.
  • the second heat transport device 41 has a heat transport medium circuit 43, in particular with a liquid heat transport medium, it being possible for water or a heat transfer oil, for example, to be provided as the heat transport medium.
  • the heat transport medium circuit 43 comprises a third heat exchanger 45, through which the heat transport medium flows on the one hand and the heating medium on the other hand, with the recycling heat - increased in particular by the heat pumps - being transferred to the Heating medium 34 is transferred.
  • the compression heat pump 17, in particular the working medium compressor 29, are each driven by an electric machine 44, in particular an electric motor, in the first exemplary embodiment shown here. They are preferably driven with electrical energy from regenerative sources.
  • heat otherwise provided from chemical energy, in particular by burning fossil fuels can thus be replaced by mechanically generated heat, in particular using electrical energy—in particular from regenerative sources—mechanically generated heat.
  • the useful heat supplied during operation of the separation unit 3 preferably consists entirely of the recycling heat—increased by the heat pump heat. No further supply of heat is then required while the disconnecting device 1 is in operation.
  • External heat for example by means of an electric air heater, can be supplied to start up the separating device 1 - in particular as additional heat - in particular on the high-temperature side 9 and thus also on the hot side of the working media circuit 19 - until there is one in the mass flow 37 for removal sufficient amount of heat is available from recycling heat in self-sufficient operation.
  • the crop pieces are fed to the separating device 1 with a mass flow of 45 t/h at a dry matter content of 32%.
  • a mass flow of 20 t/h of crop pieces with a dry matter content of 70% results, which enters the separation unit 3 via the product inlet 5.
  • a mass flow of 138,000 m 3 /h supply air 35 is introduced into the separation unit 7 via the useful heat input 11, the supply air 35 having previously been in the third heat exchanger 45 from 7 °C with a relative humidity of 77% to 100 °C with a relative humidity is heated by 0.8%.
  • a mass flow of 16 t/h of crop pieces with a dry matter content of 90% is discharged from the product outlet 7 .
  • the mass flow 37 has a temperature of 30° C. and a relative humidity of 99.9%.
  • the waste stream 37 After passing through the first working medium heat exchanger 25 with the release of the recycling heat, the waste stream 37 still has a temperature of 25° C. with a relative humidity of 99.9%.
  • the electrical output of the working media - compressor 29, in particular the electrical machines 44, is 2 MW in total - preferably 1 MW per working media - heat exchanger 29.
  • the heat transport medium in the heat transport medium circuit 43 preferably has a temperature of 105 °C everywhere along the heat transport medium circuit 43 during operation and is evaporated in the second working medium heat exchanger 31, with condensation heat being extracted from the working medium and fed to the heat transport medium as evaporation heat becomes.
  • the heat transport medium is condensed in the third heat exchanger 45, heat of condensation being extracted from it and fed to the heating medium 34.
  • sensitive heat transfers without phase transitions of the heat transfer medium are also possible, in particular if the heat transfer medium is designed as heat transfer oil.
  • the thermal secondary energy is correspondingly denoted by Bi.
  • Fig. 2 shows a second embodiment of a method and a separating device 1 for separating water from a carbohydrate-water mixture 4.
  • the second exemplary embodiment of the separating device 1 is set up to separate water from a sucrose-containing solution, in particular from thin juice for the production of sucrose.
  • the separating device 1 according to the second embodiment is designed as an evaporation station of a sugar factory.
  • the separation device 1 according to the second exemplary embodiment has a plurality of separation units 3, here in particular four separation units 3, which are thermally connected to one another and arranged in series along a heat flow, in particular along a temperature gradient and along a pressure gradient.
  • the temperature and the pressure are highest in a first separating unit 3.1, with both the pressure and the temperature along the row of separating units 3 via a second separating unit 3.2 and a third separating unit 3.3 up to a fourth Remove separation unit 3.4 so that the temperature and pressure in the fourth separation unit 3.4 are lowest.
  • the separation units 3 are designed as evaporation units.
  • the useful heat is first supplied to the first separation unit 3.1 via a heating medium 34, in this case heating steam 48, in particular steam, which in particular includes boiler house heating steam 49 coming partially from a boiler house 47.
  • the recycling heat is taken from the secondary thermal energy on the low-temperature side 13 of a downstream separation unit 3 of the plurality of separation units 3, here specifically a fourth low-temperature side 13.4 of the fourth separation unit 3.4, and is transferred by means of the compression heat pump 17 to the high-temperature side 9 of an upstream separation unit 3 of the plurality of separation units 3, here specifically a first high-temperature side 9.1 of the first separation unit 3.1; according to the above, the first, upstream separation unit 3.1 is arranged along the heat flow upstream of the fourth, downstream separation unit 3.4.
  • the recycling heat of the secondary thermal energy is taken from the last separation unit 3.4 of the plurality of separation units 3 along the heat flow and fed to the high-temperature side 9.1 of the first separation unit 3.1 of the plurality of separation units 3 along the heat flow.
  • the recycling heat is supplied to the heating mass flow of the heating medium 34 , here the boiler house heating steam 49 , from the second working medium heat exchanger 31 of the compression heat pump 17 .
  • the separation units 3 each have at least one heating surface 51, preferably a plurality of heating surfaces 51, which are connected to the heating steam 48 are acted upon and on a product side 55 facing away from the heating medium side 53 are in thermal contact with the carbohydrate-water mixture 4, in particular in touching contact.
  • the at least one heating surface 51 of the first separation unit 3.1 is acted upon by the heating medium 34, which condenses on the heating surface 51 to form a heating condensate 57 and gives off the heat of condensation to the carbohydrate/water mixture 4.
  • the resulting heating condensate 57 of the first separation unit 1 is fed at least in part - in particular by means of the second heat transport device 41 - to the second working medium heat exchanger 31 of the compression heat pump 17, in which it is again evaporated and then fed to the boiler house heating steam 49 as recycling steam 59 .
  • the heating steam 48 fed to the first separation unit 3.1 thus comprises partly the boiler house heating steam 49 flowing in from the boiler house 47 and partly the recycling steam 59 formed from the heating condensate 57.
  • the partial heating mass flow in the form of the recycling steam 59 formed from the heating condensate 57 in the second working medium heat exchanger 31 is then combined with the remaining heating mass flow, and the entire heating mass flow is fed to the first high-temperature side 9.1 of the first separation unit 3.1.
  • the heating condensate 57 is preferably initially collected in a collection container 61 .
  • a dividing device 63 which can in particular be designed as a pump or as a valve, preferably specifies which proportion of the heating condensate 57 is fed to the second working medium heat exchanger 31.
  • the remaining portion of the heating condensate 57 that is not fed to the second working medium heat exchanger 31 is preferably fed—particularly after cooling in a cooler 65—to a feedwater tank 67 of a steam generator of the boiler house 47 (not shown).
  • the recycling heat is withdrawn from the waste stream 37, here a vapour, which is removed from the carbohydrate-water mixture 4 in the fourth separation unit 3.4 .
  • the vapor is condensed into a product condensate 69, which finally - in particular for further use as a heat source in others processes - is discharged.
  • the compression heat pump 17 provides material separation of the fourth low-temperature side 13.4 of the fourth separating unit 3.4 from the first high-temperature side 9.1 of the first separating unit 3.1, with these only being thermally connected to one another via the compression heat pump 17. In this way, mixing of the product condensate 69 with the heating condensate 57 is advantageously avoided.
  • a vapor is produced by separating the water from the carbohydrate-water mixture 4.
  • the first vapor from the first separation unit 3.1 by Bi the second vapor from the second separation unit 3.2 by B2
  • the fourth vapor from the fourth separation unit 3.4 with /N the fourth vapor B4 being the waste stream 37.
  • the separation units 3 following the first separation unit 3.1 are each heated by the vapor of the immediately preceding separation unit 3—the heating medium carrying useful heat.
  • the thermal secondary energy of an immediately preceding separation unit 3 is therefore at the same time at least partly the useful heat of the immediately following separation unit 3.
  • a condensate is produced in each of the separation units 3, with the condensates analogous to the designation of the vapors as Ko, Ki, K2, and K3 be designated.
  • the second to fourth condensates Ki, K2, and Kj are respectively product condensates of the separation unit 3.1, 3.2, 3.3, which correspond in the designation according to the index, and heating condensates of the immediately following separation unit 3.2, 3.3, 3.4 with around 1 elevated index.
  • the first condensate Ko occurring at the first separation unit 3.1 is the heating condensate 57.
  • a fifth condensate K4 of the fourth vapor B4 is the product condensate 69.
  • the condensates Ko, Ki, K2, Ks, K4 are each collected in collection containers 61 and finally - in particular for further use as a heat source in other processes - discharged.
  • the vapors B1, B2 and Bs are preferably used proportionately for preheating the carbohydrate-water mixture 4 in heaters 71, in addition to heating the immediately following separation unit 3 in each case. Furthermore, they are preferably proportionately - condensed in the collecting containers 61 and correspondingly discharged as condensate - in particular to a remaining proportion.
  • the fourth vapor B4 is preferably used proportionately for further heat applications, for example for juice purification, especially raw juice, or for diffusion.
  • the separating device 1 is preferably operated in such a way that no portion of the fourth vapor B4 that needs to be recooled remains while the compression heat pump 17 is in operation.
  • the first working medium heat exchanger 25 as a heat sink provides the driving force for the process.
  • a portion to be re-cooled remains—in particular when the separating device 1 is started up or shut down—this is preferably fed to a cooling tower 73 in order to provide sufficient driving force for the evaporation process.
  • the supply line to the cooling tower 73 can in particular be opened or closed as required via a valve device 75 .
  • the valve device 75 is closed during continuous operation and can be opened in particular to start up the separation device 1 and in particular can remain open until the compression heat pump 17 can completely remove the remaining waste heat of the fourth vapor B4 apart from the further heat uses.
  • a waste stream 37 in the form of the respective vapor Bi, B2, Bj, B4 is removed from each separation unit 3 of the plurality of separation units 3, with at least one of the waste streams 37, in particular each waste stream 37, being used as a heat source for a further process.
  • the product flow of the carbohydrate-water mixture 4 is designed parallel and in the same direction as the heat flow:
  • the carbohydrate-water mixture 4 first flows into the first separation unit 3.1 as thin juice and then runs through the second separation unit 3.2, the third separation unit 3.3 and finally the fourth separation unit 3.4, which it then leaves concentrated as thick juice.
  • the exemplary embodiment of the separation device 1 shown here is operated with the following parameters: 525 t/h of thin juice with a dry substance content of 18% are fed to the first separation unit 3.1 as the carbohydrate-water mixture 4, with the evaporation process taking place in the four separation units 3 is conducted in such a way that a mass flow of 124 t/h thick juice with a dry matter content of 72% results from the fourth separation unit 3.4.
  • a mass flow of 100 t/h of heating steam is emitted would have to be fed to the boiler house 47 at a temperature level of 130 °C to 135 °C, the separation device 1 shown here with its only four separation units 3 only receives a mass flow of 41 t/h boiler house heating steam 49 from the boiler house 47 at a temperature level of 120 °C at 1.96 bar absolute.
  • the energy for generating the recycling steam 59 is taken from the mass flow 37 and thus the fourth vapor B4 in the first working medium heat exchanger 25, which has a total mass flow of 93.5 t/h at a temperature of 95 °C and a pressure of 0.84 bar absolute, of which 56.5 t/h are fed to the first working medium heat exchanger 25 and 37 t/h to the further heat uses.
  • the energy comes from electrical power, with which the working media compressors 29 are operated, here a total of 6 MW.
  • Fig. 3 shows a third embodiment of a method and a separating device 1 for separating water from a carbohydrate-water mixture 4.
  • the fourth embodiment of the separating device 1 is set up to crystallize sucrose from thick juice or syrup by water from the thick juice or syrup is separated.
  • the separating device 1 according to the third embodiment is designed as a crystallization unit of a sugar factory.
  • the separating device 1 has exactly one separating unit 3 designed as a crystallization unit.
  • the useful heat consists in any case during operation of the recycling heat - increased by the heat pump heat - so that the energy required for the operation of the separation device 1, at least during operation, consists exclusively of the electrical power supplied to the working medium compressors 29, here 8 MW, originates.
  • heating steam in particular as additional heat, can be fed in in a manner not explicitly shown here via a steam valve 77 until the thermal secondary energy available on the low-temperature side 13 is sufficient for the autonomous operation of the separating device 1 .
  • the recycling steam 59 is generated directly from the heating condensate 57 in the second working medium heat exchanger 31 .
  • the recycling steam 59 therefore condenses on the heating surface 51 of the separation unit 3 to form the heating condensate 57 and gives off condensation heat to the carbohydrate-water mixture 4, and the heating condensate 57 in turn becomes the recycling steam 59 in the second working medium heat exchanger 31 evaporated.
  • the temperature preferably remains at least approximately constant along this cycle, an energy exchange or heat flow only takes place in the form of condensation heat in the separation unit 3 - with evaporation of water from the carbohydrate-water mixture 4 - and evaporation heat in the second working medium heat exchanger 31 - with condensation of the working medium - instead.
  • the entire heating mass flow is guided through the second working medium heat exchanger 31, where the heating mass flow absorbs the recycling heat—increased by the heat pump heat—by converting the heating condensate 57 into the recycling steam 59.
  • the heating mass flow is then fed to the high-temperature side 9 of the separation unit 3 in the form of the recycling steam 59 .
  • the recycling heat is removed from part of the waste stream 37 occurring as vapors in the first working medium heat exchanger 25 .
  • the resulting product condensate 69 is preferably used to preheat raw juice from the sugar factory.
  • Another part of the waste stream 37 is preferably used for the direct heating of thick juice and/or raw juice, with the vapor initially being shown in a first cooling tower 73.1
  • Pre-condenser is condensed, in which case the resulting condensate-cooling water mixture of the corresponding heat sink, that is, the thick juice warming and / or raw juice warming, is supplied.
  • the valve device 75 is preferably closed during operation, but can be opened in particular to start up the separating device 1 in order to supply heat that has not been removed to a second cooling tower 73.2.
  • the separation unit 3 is supplied with a mass flow of 51 t/h of recycling steam 59 at 102° C. and 1.09 bar absolute.
  • the mass flow 37 is 36 t/h and leaves the separation unit 3 at a temperature of 65° C. and an absolute pressure of 0.25 bar.
  • the first working medium heat exchanger 25 it still has a temperature of 60°C.
  • the separating device 1 has at least one evaporation unit as at least one first separating unit, in particular the four separating units 3 of the second exemplary embodiment, and additionally as at least one second separation unit at least one crystallization unit, in particular the separation unit 3 of the third embodiment.
  • recycling heat is extracted from the thermal secondary energy of the at least one evaporation unit, which is fed back to the at least one evaporation unit by means of a first compression heat pump, wherein at the same time recycling heat is extracted from the secondary thermal energy of the at least one crystallization unit, which is fed back to the at least one crystallization unit by means of a second compression heat pump .
  • the at least one crystallization unit is supplied with the carbohydrate-water mixture 4 from the at least one evaporation unit—directly or via an intermediate store—that is to say in particular the thick juice.
  • the at least one evaporation unit and the at least one crystallization unit, in particular the first Compression heat pump and the second compression heat pump are operated thermally separated from each other.
  • Fig. 4 shows a fourth embodiment of a method and a separating device 1 for separating water from a carbohydrate-water mixture 4.
  • the fourth embodiment of the separating device 1 is set up to separate water from a starchy medium as the carbohydrate-water mixture 4 .
  • the separating device 1 is set up as an evaporation station of a starch factory.
  • the separation device 1 has a plurality of separation units 3, here in particular four separation units 3, which are thermally connected to one another and arranged in series along a heat flow, in particular along a temperature gradient and along a pressure gradient.
  • the temperature and the pressure are highest in a first separating unit 3.1, with both the pressure and the temperature along the row of separating units 3 via a second separating unit 3.2 and a third separating unit 3.3 up to a fourth Remove separation unit 3.4 so that the temperature and pressure in the fourth separation unit 3.4 are lowest.
  • the separation units 3 are designed as evaporation units in the fourth exemplary embodiment as well.
  • the recycling steam 59 is generated directly from a heating condensate 57 in the second working medium heat exchanger 31 .
  • the recycling steam 59 condenses on the heating surface 51 of the first separation unit 3.1 to form the heating condensate 57 and gives off Heat of condensation to the carbohydrate-water mixture 4, and the heating condensate 57 is in turn evaporated in the second working medium heat exchanger 31 to form the recycling steam 59.
  • the temperature preferably remains at least approximately constant along this circuit.
  • the entire heating mass flow, and in particular for start-up a partial heating mass flow, is conducted through the second working medium heat exchanger 31 in the form of the heating condensate 57, where this heating mass flow absorbs the recycling heat - increased by the heat pump heat . Thereafter, the heating mass flow in the form of the recycling steam 59 is supplied to the first high-temperature side 9.1 of the first separation unit 3.1--possibly after a combination with the remaining heating mass flow of the additional heat when starting up.
  • the heating condensate 57 is preferably initially collected in a collection container 61 .
  • the recycling heat is extracted from the waste stream 37, here a vapour, removing the water separated from the carbohydrate-water mixture 4 in the fourth separation unit 3.4, with the waste stream 37 being fed at least partially directly to the first working medium heat exchanger 25 of the compression heat pump 17.
  • the vapor is condensed to form a product condensate 69, which is finally discharged—particularly for further use as a heat source in other processes.
  • the compression heat pump 17 provides a material separation of the fourth low-temperature side 13.4 of the fourth separating unit 3.4 from the first high-temperature side 9.1 of the first separating unit 3.1, with these only being thermally connected to one another via the compression heat pump 17. In this way, mixing of the product condensate 69 with the heating condensate 57 is advantageously avoided.
  • a vapor is produced by separating the water from the carbohydrate-water mixture 4.
  • the first vapor from the first separation unit 3.1 by Bi the second vapor from the second separation unit 3.2 by B2
  • third vapor from the third separation unit 3.3 as Bj the fourth vapor from the fourth separation unit 3.4 with B4, the fourth vapor B4 being the waste stream 37.
  • the first separation unit 3.1 following separation units 3 are each through the vapors of the immediately preceding separation unit 3 heated.
  • a condensate is produced in each of the separation units 3, the condensates being referred to as Ko, Ki, K2 and Ks, analogously to the designation of the vapors.
  • the second to fourth condensates Ki, K2, and Ks are each simultaneously product condensates of the separation unit 3.1, 3.2, 3.3 with the same designation according to the index and heating condensates of the immediately following separation unit 3.2, 3.3, 3.4 with around 1 elevated index.
  • the first condensate Ko occurring at the first separation unit 3.1 is the heating condensate 57.
  • a fifth condensate K4 of the fourth vapor B4 is the product condensate 69.
  • the second vapor B2 is used proportionately for preheating the carbohydrate/water mixture 4 in a first heater 71.1.
  • the heating steam 48 is used proportionately in a second heater 71.2 for intermediate heating of the carbohydrate-water mixture 4.
  • the separating device 1 is preferably operated in such a way that during operation of the compression heat pump 17 a proportion of 2.9 t/h of the fourth vapor B4 remains to be recooled, in particular since there are no other consumers or heat sinks in this exemplary embodiment.
  • This portion to be re-cooled is preferably fed to a cooling tower 73, in particular in order to provide sufficient driving force for the evaporation process to achieve the desired dry matter content.
  • the supply line to the cooling tower 73 can in particular be opened or closed as required via a valve device 75 .
  • the product flow of the carbohydrate-water mixture 4 is not designed along the heat flow: the carbohydrate-water mixture 4 first flows into the third separation unit 3.3 and then runs through the fourth separation unit 3.4 in the order given, the second separation unit 3.2 and finally the first separation unit 3.1, which it then leaves in concentrated form. Between the fourth separation unit 3.4 and the second separation unit 3.2, the carbohydrate-water mixture 4 is intermediately heated by means of a proportion of the second vapor B2 in the first heater 71.1. Between the second separating unit 3.2 and the first separating unit 3.1, the carbohydrate-water mixture 4 is intermediately heated by means of a portion of the heating steam 48 in the second heater 71.2. In particular, the sequence of the separation units 3 along the product stream and the heater 71 ensures that the carbohydrate-water mixture 4 remains sufficiently free-flowing when it is concentrated.
  • the third separation unit 3.3 is supplied with 43 t/h of syrup with a dry matter content of 32% as the carbohydrate-water mixture 4, with the evaporation process taking place in the four separation units 3 is conducted in such a way that a mass flow of 17 t/h of concentrated syrup with a dry substance content of 81% results from the first separation unit 3.1.
  • the first working media heat exchanger 25 are performed.
  • the remaining 2.9 t/h are supplied to the cooling tower 73, in particular via the valve device 75.
  • Fig. 5 shows a fifth embodiment of a method and a separating device 1 for separating water from a carbohydrate-water mixture 4.
  • the fifth embodiment of the separating device 1 is set up to separate water from a stillage from bio-alcohol production as the carbohydrate-water -separate mixture 4.
  • the separating device 1 has a plurality of separating units 3, here in particular four separating units 3, with at least the first three separating units 3.1, 3.2 and 3.3 being thermally connected to one another.
  • These three separation units 3.1, 3.2, 3.3 are arranged in series along a heat flow, in particular along a temperature gradient and along a pressure gradient.
  • the temperature and the pressure are highest in a first separating unit 3.1, with both the pressure and the temperature decreasing along the row of separating units 3 via the second separating unit 3.2 to the third separating unit 3.3, so that the Temperature and pressure in the third separation unit 3.3 are lowest.
  • the fourth separation unit 3.4 is separated from the heat flow of the other separation units 3 and heated separately, in particular by means of boiler house heating steam 49 as a carrier of useful heat from a boiler house 47.
  • One of these fourth separation unit 3.4 The associated waste flow 37, which is therefore referred to as the fourth waste flow 37.4, is at least for the most part discharged to a cooling tower 73 in the exemplary embodiment shown here, but can at least partially also be fed to the first working medium heat exchanger 25, so that this fourth waste flow 37.4 then receives recycling heat for the Operation of the other separation units 3 can be seen. In this way, the fourth separation unit 3.4 is then thermally connected to the remaining separation units 3.
  • the separation units 3 are designed as evaporation units in the fifth exemplary embodiment as well.
  • only recycling heat in the form of recycling steam 59 is supplied as useful heat during operation of the separating device 1 of the first separating unit 3.1 on its first high-temperature side 9.1.
  • the first, second and third separation unit 3.1, 3.2, 3.3 each have an evaporation chamber 79 which is arranged and set up in such a way that in the evaporation chamber 79 an - in particular abrupt or sudden - evaporation of water from the superheated carbohydrate-water mixture 4 , in particular in the form of flash vapor formation.
  • the first, second and third separation units 3.1, 3.2, 3.3 each have an overheating device 81, which is set up to overheat the carbohydrate-water mixture 4 before it enters the respective evaporation chamber 79 a pressure that is lower than the pressure that prevails upstream of the respective evaporation space 79--in particular in the respectively associated overheating device 81.
  • the useful heat is thus supplied to the respective high-temperature side 9 by overheating the carbohydrate-water mixture 4 .
  • the recycle steam 59 is at least partially fed—to a first proportion—to the first superheating device 81.1 of the first separation unit 3.1, where it condenses so that its heat of condensation is used to superheat the carbohydrate-water mixture 4.
  • a heating condensate 57 that arises in this way is conducted into the second working medium heat exchanger 31 of the compression heat pump 17 and there evaporates, which in turn produces the recycle vapor 59 .
  • a second portion of the recycling steam 59 is preferably used in a first additional superheater 83.1 of the first separation unit 3.1 for superheating the carbohydrate-water mixture 4.
  • a third portion of the recycling steam 59 is preferably used in a second additional superheater 83.2 of the second separation unit 3.2 for superheating the carbohydrate-water mixture 4.
  • the heating mass flow consists of the mass flow of the carbohydrate-water mixture 4 itself, with the recycling heat - increased by the heat pump heat - being supplied to the heating mass flow from the second working medium heat exchanger 31 via the second heat transport device 41.
  • the second heat transport device 41 comprises the heating condensate 57 upstream of the second working medium heat exchanger 31 and the recycling steam 59 formed therein downstream of the second working medium heat exchanger 31 as the heat transport medium.
  • the recycling heat is transferred in particular to the third waste stream 37.3, here a vapor, which removes the water separated from the carbohydrate-water mixture 4 in the third separation unit 3.3, here a vapor, and/or - depending on the heat requirement or specific design - the fourth waste stream 37.4, also a vapor, withdrawn, wherein at least one of the mass flows 37.3, 37.4 is at least partially supplied directly to the first working medium heat exchanger 25 of the compression heat pump 17.
  • the corresponding vapor is condensed to form a product condensate 69, which is finally discharged—in particular for further use as a heat source in other processes.
  • the separating units 3 following the first separating unit 3.1 - in particular their respective overheating devices 81 - are each produced by the respective useful heat leading vapors of the immediately preceding separation unit 3 heated.
  • a condensate is produced in each of the separation units 3 in the overheating device 81, the condensates being referred to as Ko, Ki and K2, analogously to the designation of the vapors.
  • the second and third condensate Ki and K2 are product condensates of the separation unit 3.1, 3.2 with the same designation according to the index and heating condensates of the immediately following separation unit 3.2, 3.3 with the index increased by 1.
  • a third condensate K of the third vapor B is part of the product condensate 69.
  • a proportion of the third and fourth mass flows 37.3, 37.4 to be re-cooled is preferably fed to the cooling tower 73. This proportion can be adjusted in accordance with requirements via a valve device 75 in particular.
  • the product flow of the carbohydrate-water mixture 4 is at least partially designed counter to the heat flow: the carbohydrate-water mixture 4 first flows into the fourth separation unit 3.4 and then runs through the third separation unit 3.3 in the order given , the second separation unit 3.2 and finally the first separation unit 3.1, which then leaves it concentrated. In particular, this ensures that the carbohydrate-water mixture 4 remains sufficiently flowable when it is concentrated.
  • a predetermined proportion of the concentrated carbohydrate-water mixture 4 emerging from the evaporation chambers 79 of the first to third separation units 3 is returned to the respective separation units 3 via the respective superheating device 81; the remaining portion is fed to the separation unit 3 following along the product stream.
  • the fourth separation unit 3.4 is supplied with 83 t/h stillage with a dry matter content of 15% as the carbohydrate-water mixture 4, with the evaporation process taking place in the four separation units 3 is conducted in such a way that a mass flow of 31 t/h of concentrated stillage with a dry substance content of 39% results from the first separation unit 3.1.
  • the fourth separation unit 3.4 is supplied with 39 t/h of boiler house heating steam 49 at a temperature level of 94° C. at 0.79 bar absolute.
  • the fourth mass flow 37.4 falls with a mass flow of 41.7 t/h at 46 °C and a pressure of 0.1 bar absolute.
  • the third vapor Bs occurs with a mass flow of 3.7 t/h at a temperature level of 46 °C and a pressure of 0.1 bar absolute.
  • the first working medium heat exchanger 25 is supplied with 3.8 t/h, in particular the third mass flow 37.3, and to a small extent of 0.1 t/h the fourth mass flow 37.4.
  • the remaining 41.6 t/h of the fourth waste stream 37.4 are supplied to the cooling tower 73—in particular via the valve device 75.
  • the power consumption of the working media compressor 29 is 1.4 MW.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtrennen von Wasser aus einem Kohlenhydrat-Wasser- Gemisch (4), wobei ˗ das Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch (4) in mindestens eine Abtrennungseinheit (3) eingebracht wird, in der Wasser aus dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch (4) abgetrennt wird, wobei ˗ der mindestens einen Abtrennungseinheit (3) auf einer Hochtemperaturseite (9) Nutzwärme zugeführt wird, um das Wasser thermisch aus dem Kohlenhydrat-Wasser- Gemisch (4) abzutrennen, wobei ˗ von der mindestens einen Abtrennungseinheit (3) auf einer Niedertemperaturseite (13) thermische Sekundärenergie abgeführt wird, wobei ˗ auf der Niedertemperaturseite (13) der thermischen Sekundärenergie Rezyklierungswärme entnommen wird, und wobei ˗ die Rezyklierungswärme mittels einer einen geschlossenen Arbeitsmedienkreislauf (19) aufweisenden Kompressionswärmepumpe (17) der Hochtemperaturseite (9) auf einem Temperaturniveau von größer 100 °C zumindest als Teil der Nutzwärme wieder zugeführt wird.

Description

BESCHREIBUNG
Verfahren und Abtrennvorrichtung zum Abtrennen von Wasser aus einem
Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Abtrennvorrichtung zum Abtrennen von Wasser aus einem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch.
Um Wasser aus einem wasserhaltigen Gemisch abzutrennen, wird ein solches Gemisch in mindestens eine Abtrennungseinheit eingebracht, wobei der Abtrennungseinheit auf einer Hochtemperaturseite Nutzwärme zugeführt wird, mittels der das Wasser thermisch abgetrennt wird. Die mindestens eine Abtrennungseinheit weist außerdem eine Niedertemperaturseite auf, auf der thermische Sekundärenergie abgeführt wird. Um den Prozess effizient zu gestalten, kann der thermischen Sekundärenergie Rezyklierungswärme entnommen werden, die auf der Hochtemperaturseite zumindest als Teil der Nutzwärme wieder zugeführt wird. Um das Temperaturniveau der Rezyklierungswärme zu erhöhen, kann eine Wärmepumpe vorgesehen sein. Wird dabei eine Adsorptionswärmepumpe oder eine Absorptionswärmepumpe eingesetzt, führt dies insbesondere nachteilig zu einer Beschränkung des zur Verfügung stehenden Temperaturbereichs und/oder bringt Probleme bezüglich der Effizienz sowie der Regelbarkeit des Prozesses mit sich. Wird ein auf der Niedertemperaturseite einer Abtrennungseinheit austretendes dampfförmiges Medium komprimiert und direkt einer Hochtemperaturseite derselben oder einer anderen Abtrennungseinheit wieder zugeführt, beispielsweise in Form einer sogenannten Brüdenkompression, führt dies nachteilig zu einer Vermischung verschiedener Stoffströme, insbesondere einer Vermischung verschiedener Kondensatqualitäten oder sogar gegebenenfalls einer Vermischung eines Heizmediums mit dem Produkt. Außerdem besteht bei dieser Ausgestaltung die Gefahr eines Tropfeneintrags in ein für die Kompression des Mediums vorgesehenes Verdichterlaufrad, was ein nicht unerhebliches Betriebsrisiko für den Verdichter darstellt. Soll die Rezyklierungswärme über eine Mehrzahl diskreter Abtrennstufen zurückgeführt werden, bedarf es bei dieser Ausgestaltung außerdem einer mehrstufigen Anordnung seriell geschalteter Kompressoren, wodurch das Ausfallrisiko der gesamten Abtrennvorrichtung hoch ist, da die Rückführung der Rezyklierungswärme schon bei Ausfall eines einzelnen Kompressors der mehrstufigen Anordnung nicht mehr gewährleistet ist. Weiterhin hängt die Baugröße der Kompressoren vom spezifischen Volumen des zu verdichtenden Mediums ab, wobei dies gerade im Unterdruckbereich zu konstruktiven Problemen führt.
Die Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Abtrennvorrichtung zum Abtrennen von Wasser aus einem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Abtrennen von Wasser aus einem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch geschaffen wird, wobei das Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch in mindestens eine Abtrennungseinheit eingebracht wird, in der Wasser aus dem Kohlenhydrat- Wasser-Gemisch abgetrennt wird, wobei der mindestens einen Abtrennungseinheit auf einer Hochtemperaturseite Nutzwärme zugeführt wird, um das Wasser thermisch aus dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch abzutrennen, wobei von der mindestens einen Abtrennungseinheit auf einer Niedertemperaturseite thermische Sekundärenergie abgeführt wird, wobei der thermischen Sekundärenergie auf der Niedertemperaturseite Rezyklierungswärme entnommen wird, und wobei die Rezyklierungswärme mittels einer einen geschlossenen Arbeitsmedienkreislauf aufweisenden Kompressionswärmepumpe der Hochtemperaturseite auf einem Temperaturniveau von größer 100 °C zumindest als Teil der Nutzwärme wieder zugeführt wird. Durch die Verwendung einer Kompressionswärmepumpe, die einen geschlossenen Arbeitsmedienkreislauf aufweist, wird die Rezyklierungswärme vorteilhaft von der Niedertemperaturseite auf die Hochtemperaturseite zurückgeführt, ohne dass zugleich ein Stoffstrom zurückgeführt wird; vielmehr wird die Hochtemperaturseite rein wärmetechnisch, das heißt thermisch, durch einen Wärmestrom, mit der Niedertemperaturseite verbunden, bleibt j edoch bezüglich der Rückführung der Rezyklierungswärme stofflich von der Niedertemperaturseite getrennt. Dadurch wird vorteilhaft eine Vermischung verschiedener Stoffströme, insbesondere eine Vermischung verschiedener Kondensatqualitäten oder sogar eines Heizmediums mit dem Produkt vermieden. Das Risiko eines Tropfeneintrags in ein Verdichterlaufrad entfällt völlig, und der zurückgeführte Wärmestrom kann auf einfache Weise über die in der Kompressionswärmepumpe umgewälzte Arbeitsmedienmenge beeinflusst werden, wobei es insbesondere bei mehrstufiger Rückführung der Rezyklierungswärme keiner seriellen Verschaltung einer Mehrzahl an Kompressoren bedarf. Somit ist das Betriebsrisiko einer mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren betriebenen Abtrennvorrichtung gering. Vorteilhaft erlaubt weiterhin die Verwendung einer Kompressionswärmepumpe mit geschlossenem Arbeitsmedienkreislauf ein vergleichsweise hohes Temperaturniveau von mehr als 100 °C auf der Hochtemperaturseite. Insbesondere bei einer Temperatur von mehr als 100 °C weist eine solche Kompressionswärmepumpe im Übrigen insbesondere im Vergleich zu einer Adsorptions- oder Absorptionswärmepumpe eine hohe Effizienz auf. Außerdem weist eine solche Kompressionswärmepumpe insbesondere im Teillastbetrieb eine sehr gute Regelbarkeit mittels einer Variation der Kompressordrehzahl auf.
Unter einer einen geschlossenen Arbeitsmedienkreislauf aufweisenden Kompressionswärmepumpe wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere eine wärmetechnische Vorrichtung verstanden, die einen auch als linksdrehend bezeichneten wärmetechnischen Kreisprozess ausführt. Insbesondere weist die Kompressionswärmepumpe - insbesondere in der angegebenen Reihenfolge entlang einer Strömungsrichtung des Arbeitsmediums in dem geschlossenen Arbeitsmedienkreislauf - ein Expansionsventil oder eine Drossel zur Entspannung des Arbeitsmediums, einen ersten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager, insbesondere einen Arbeitsmedien-Verdampfer, mindestens einen Arbeitsmedien-Verdichter oder Kompressor, und einen zweiten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager, insbesondere einen Arbeitsmedien-Kondensator auf. Die Kompressionswärmepumpe ist insbesondere eine Hochtemperatur-Wärmepumpe oder eine Höchsttemperatur-Wärmepumpe. Der Arbeitsmedienkreislauf weist als Arbeitsmedium insbesondere ein Kältemittel auf, insbesondere ein Hydrofluorolefm oder ein Hydrochlorfluorolefin, insbesondere (Z)-1,3,3,3-Tetrafluorpropen, (E)-1,3,3,3-Tetrafhiorpropen, 1,1,2,2,3-Pentafhiorpropan, (Z)-l-chlor-3,3,3-Trifluorpropen, (E)- l-chlor-3,3,3-Trifhiorpropen, (Z)-l-chlor-2,3,3,3-Tetrafhiorpropen, (E)-l-chlor-2,3,3,3- Tetrafluorpropen, (Z)-l,l,l,4,4,4-Hexafluor-2-buten, 1,1,1,3,3-Pentafluorbutan, Dodecafluor-2- methylpentan-3-on, Isobutan, Butan, oder n-Pentan. Der Arbeitsmedien-Verdichter oder Kompressor ist insbesondere ein mechanischer Verdichter oder Kompressor, insbesondere ein Hubkolbenverdichter, Schraubenverdichter oder Turboverdichter. Die in dem Arbeitsmedienkreislauf pro Zeiteinheit umgewälzte Arbeitsmedienmenge und somit der zurückgeführte Wärmestrom kann insbesondere durch geeignete Ansteuerung des Arbeitsmedien- Verdichters oder Kompressors, insbesondere durch Variation der Drehzahl des Arbeitsmedien- Verdichters oder Kompressors, eingestellt werden. Dass die Rezyklierungswärme der Hochtemperaturseite auf einem Temperaturniveau von größer 100 °C wieder zugeführt wird, bedeutet im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere, dass die Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums im Betrieb der Kompressionswärmepumpe größer ist als 100 °C.
Insbesondere wird die Nutzwärme der Hochtemperaturseite als thermische Primärenergie zugeführt.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Nutzwärme der Hochtemperaturseite - insbesondere direkt - mittels eines Heizmediums, insbesondere mittels Heizdampf, zugeführt wird. Insbesondere weist die Abtrennungseinheit mindestens eine Heizfläche, vorzugsweise eine Mehrzahl an Heizflächen, auf, die auf einer Heizmedienseite mit dem Heizmedium beaufschlagt wird und auf einer der Heizmedienseite abgewandten Produktseite mit dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch in thermischem Kontakt, insbesondere in berührendem Kontakt, ist.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist alternativ oder zusätzlich vorgesehen, dass die Nutzwärme der Hochtemperaturseite zugeführt wird, indem das Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch überhitzt wird. Insbesondere weist die Abtrennungseinheit in diesem Fall einen Verdampfungsraum auf, in dem eine - insbesondere schlagartige oder plötzliche - Verdampfung von Wasser aus dem überhitzten Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch, insbesondere in Form einer Bildung von Flash-Dampf, erfolgen kann. Die Überhitzung des Kohlenhydrat-Wasser-Gemischs erfolgt insbesondere stromaufwärts des Verdampfungsraums, das heißt bevor das Kohlenhydrat- Wasser-Gemisch in den Verdampfungsraum eintritt. Insbesondere herrscht in dem Verdampfungsraum ein Druck, der geringer ist als der Druck, der stromaufwärts des Verdampfungsraums an der Stelle herrscht, in welcher das Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch überhitzt wird.
Der Begriff „stromaufwärts eines ersten Elements“ bedeutet hier und im Folgenden allgemein, dass ein so bezeichnetes zweites Element entlang einer Fluß- oder Strömungsrichtung vor dem ersten Element angeordnet ist, also von einem sich entlang der Fluß- oder Strömungsrichtung bewegenden - gegebenenfalls gedachten - Testelement zuerst - vor dem ersten Element - erreicht wird. Entsprechend bedeutet der Begriff „stromabwärts eines ersten Elements“, dass ein so bezeichnetes zweites Element entlang einer Fluß- oder Strömungsrichtung hinter dem ersten Element angeordnet ist, also von dem Testelement später - nach dem ersten Element - erreicht wird.
Im Kontext der vorliegenden technischen Lehre wird unter einer Abtrennungseinheit insbesondere eine - auch als Verdampfungs- oder Kristallisationsstufe bezeichnete - Vorrichtung verstanden, die derart eingerichtet ist, dass mit der Vorrichtung, insbesondere in der Vorrichtung, Wasser aus einem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch abgetrennt werden kann.
Gemäß einer Ausgestaltung weist die Abtrennungseinheit mindestens eine Heizfläche, vorzugsweise eine Mehrzahl an Heizflächen, auf, wobei die mindestens eine Heizfläche eingerichtet ist, um auf einer Heizmedienseite der mindestens einen Heizfläche mit dem Heizmedium beaufschlagt zu werden, und um auf einer der Heizmedienseite abgewandten Produktseite der mindestens einen Heizfläche mit dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch in thermischen Kontakt, insbesondere in berührenden Kontakt, gebracht zu werden. Eine solche Abtrennungseinheit kann insbesondere als Fallfilmverdampfer ausgebildet sein.
Alternativ oder zusätzlich weist die Abtrennungseinheit gemäß einer Ausgestaltung einen Verdampfungsraum auf, der derart angeordnet und eingerichtet ist, dass in dem Verdampfungsraum eine - insbesondere schlagartige oder plötzliche - Verdampfung von Wasser aus dem überhitzten Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch, insbesondere in Form einer Bildung von Flash-Dampf, erfolgen kann. In einer Ausführungsform der Abtrennungseinheit ist stromaufwärts des Verdampfungsraums eine Überhitzungsvorrichtung vorgesehen, die eingerichtet ist zur Überhitzung des Kohlenhydrat-Wasser-Gemischs vor dessen Eintritt in den Verdampfungsraum.
Eine Abtrennvorrichtung weist im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere mindestens eine solche Abtrennungseinheit, insbesondere eine Mehrzahl solcher Abtrennungseinheiten auf. Die Abtrennungseinheiten sind dabei bezüglich eines Wärmestroms einerseits und eines Produktstroms des Kohlenhydrat-Wasser-Gemischs andererseits strömungstechnisch hintereinander angeordnet, das heißt insbesondere seriell angeordnet oder in Reihe geschaltet. Dabei ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass die Reihenfolge der Abtrennungseinheiten bezüglich des Wärmestroms einerseits und bezüglich des Produktstroms andererseits übereinstimmt. Es ist aber in einer anderen Ausführungsform auch möglich, dass sich die Reihenfolge der Abtrennungseinheiten bezüglich des Wärmestroms von der Reihenfolge der Abtrennungseinheiten bezüglich des Produktstroms unterscheidet. Insbesondere ist es möglich, dass die Reihenfolge bezüglich des Produktstroms gegenläufig ist zu der Reihenfolge bezüglich des Wärmestroms. Es ist aber gemäß einer wieder anderen Ausführungsform auch möglich dass zumindest kein einfacher Zusammenhang zwischen der Reihenfolge bezüglich des Wärmestroms einerseits und der Reihenfolge bezüglich des Produktstroms andererseits besteht.
In einer Ausführungsform weist die Abtrennvorrichtung nur Abtrennungseinheiten mit jeweils mindestens einer Heizfläche auf. In einer anderen Ausführungsform weist die Abtrennvorrichtung nur Abtrennungseinheiten mit jeweils einem Verdampfungsraum auf. In wieder einer anderen Ausführungsform weist die Abtrennvorrichtung mindestens eine Abtrennungseinheit mit mindestens einer Heizfläche und mindestens eine weitere Abtrennungseinheit mit einem Verdampfungsraum auf.
Unter einem Abtrennen von Wasser aus einem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere verstanden, dass Wasser aus dem Kohlenhydrat- Wasser-Gemisch entzogen oder ausgetrieben wird, wobei ein Wasseranteil des Kohlenhydrat- Wasser-Gemischs erniedrigt und ein Kohlenhydrat-Anteil des Kohlenhydrat-Wasser-Gemischs erhöht wird. Insbesondere wird ein Produktstrom des Kohlenhydrat-Wasser-Gemischs aufgeteilt in einen ersten Teil-Produktstrom, der ein aufkonzentriertes Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch mit erhöhtem Kohlenhydrat-Anteil aufweist, und einen zweiten Teil-Produktstrom, der lediglich Wasser oder ein verdünntes Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch mit erhöhtem Wasser-Anteil aufweist. Alternativ oder zusätzlich wird ein Produktstrom des Kohlenhydrat-Wasser-Gemischs aufgeteilt in einen ersten Teil-Produktstrom, der auskristallisiertes Kohlenhydrat aufweist, und einen zweiten Teil-Produktstrom, der lediglich Wasser oder ein verdünntes Kohlenhydrat-Wasser- Gemisch mit erhöhtem Wasser-Anteil aufweist. Unter einem Abtrennen wird somit insbesondere ein Aufkonzentrieren durch Verdampfen, oder eine Kristallisation verstanden.
Unter einem thermischen Abtrennen wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere ein Abtrennen durch Wärmezufuhr verstanden, wobei das Wasser dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch aufgrund der zugeführten Wärme entzogen wird. Insbesondere wird in einer Ausführungsform das Wasser aus dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch abgetrennt, indem das Wasser - insbesondere durch Verdampfen, in Form von Wasserdampf - ausgetrieben wird, und/oder indem ein Kohlenhydrat aus dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch auskristallisiert wird. Der dabei entstehende Teil-Produktstrom, der zumindest im Wesentlichen aus Wasser besteht - gegebenenfalls mit mitgerissenen Anteilen an Kohlenhydrat -, wird auch als Brüden bezeichnet. Auch in einem weiteren Sinn wird im Folgenden teilweise ein insbesondere aus einem Kondensat erzeugter Dampf, oder auch ein alkoholhaltiger Dampf, als Brüden bezeichnet. Insbesondere in der Ethanolproduktion ist der wesentliche Bestandteil des Brüdens ein Alkohol.
Unter Nutzwärme wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre Wärme oder synonym thermische Energie verstanden, die der mindestens einen Abtrennungseinheit - insbesondere als thermische Primärenergie - zugeführt wird, um das Wasser thermisch aus dem Kohlenhydrat- Wasser-Gemisch abzutrennen.
Unter thermischer Sekundärenergie wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere Wärme oder synonym thermische Energie verstanden, die auf der Niedertemperaturseite von der mindestens einen Abtrennungseinheit abgeführt wird. Insbesondere wird die thermische Sekundärenergie verkörpert in dem abgetrennten Wasser abgeführt, insbesondere in Form von Wasserdampf, insbesondere in Form des Brüdens. Thermische Sekundärenergie kann aber auch in Form eines Kondensats abgeführt werden, wobei insbesondere die Rezyklierungswärme auch einem Kondensat einer Abtrennungseinheit entnommen werden kann, insbesondere einem Kondensat eines Brüdens oder einem Kondensat eines Heizmediums. Dabei ist es möglich, dass die Rezyklierungswärme direkt dem Kondensat entnommen wird. Es ist aber auch möglich, dass das Kondensat zunächst einer anderen Wärmesenke zugeführt und die Rezyklierungswärme danach der verbleibenden Restwärme des Kondensats entnommen wird.
Unter Rezyklierungswärme wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere derjenige Anteil der thermischen Sekundärenergie verstanden, der auf der Niedertemperaturseite entnommen und mittels der Kompressionswärmepumpe zu der Hochtemperaturseite zurückgeführt wird. Insbesondere wird durch die Kompressionswärmepumpe zusätzliche Wärme erzeugt, die als Wärmepumpen-Wärme bezeichnet wird, wobei die Rezyklierungswärme vermehrt um die Wärmepumpen-Wärme der Hochtemperaturseite zumindest als Teil der Nutzwärme wieder zugeführt wird.
In bestimmten Ausgestaltungen reicht zumindest im laufenden Betrieb die um die Wärmepumpen- Wärme vermehrte Rezyklierungswärme aus, um das Wasser aus dem Kohlenhydrat-Wasser- Gemisch abzutrennen. In diesen Fällen besteht die Nutzwärme aus der um die Wärmepumpen- Wärme vermehrten Rezyklierungswärme. In anderen Ausgestaltungen, oder zum Anfahren einer Abtrennvorrichtung, umfasst die Nutzwärme zusätzlich zu der um die Wärmepumpen-Wärme vermehrten Rezyklierungswärme anderweitig bereitgestellte Wärme, die auch als Zusatzwärme bezeichnet wird. In diesen Fällen wird die Zusatzwärme in besonderen Ausgestaltungen stets ausschließlich auf der Hochtemperaturseite der mindestens einen Abtrennungseinheit zugeführt; insbesondere wird sie - auf der heißen Seite des Arbeitsmedienkreislaufs - zu der um die Wärmepumpen-Wärme vermehrten Rezyklierungswärme addiert. Insbesondere wird keine Zusatzwärme in den ersten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager eingebracht, das heißt insbesondere wird keine Zusatzwärme auf der kalten Seite des Arbeitsmedienkreislaufs eingespeist. Es ist energetisch vorteilhaft, Zusatzwärme ausschließlich auf der Hochtemperaturseite beziehungsweise der heißen Seite des Arbeitsmedienkreislaufs einzubringen, da auf diese Weise eine andernfalls energiewirtschaftlich hochgradig nachteilige vermehrte Verdampfung von Arbeitsmedium in dem ersten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager und damit zugleich eine Erhöhung des elektrischen und/oder mechanischen Energiebedarfs zur Verdichtung des Arbeitsmediums vermieden wird. Eine solche Ausgestaltung wäre besonders nachteilig in Zusammenhang mit der unten diskutierten stofflichen Trennung eines Heizmassenstroms einerseits und des Arb eitsmedi enkrei sl aufs andererseits .
Insbesondere besteht die Rezyklierungswärme lediglich aus thermischer Sekundärenergie, die bei der thermischen Abtrennung von Wasser aus dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch entsteht. Insbesondere besteht die Rezyklierungswärme aus einer Wärmemenge, die aus einem Abmassenstrom der mindestens einen Abtrennungseinheit, insbesondere aus einer Mischung von Abmassenströmen mehrerer zueinenander wärmetechnisch parallel geschalteter und/oder entlang eines Wärmestroms in Reihe geschalteter Abtrennungseinheiten, entnommen wird. Die Rezyklierungswärme ist insbesondere verschieden von optional zusätzlich extern zugeführten Wärmemengen, die ihren Ursprung nicht als bei der Abtrennung von Wasser aus dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch entstehender thermischer Sekundärenergie haben. Insbesondere können solche externen Wärmemengen verkörpert sein durch Dampf aus einem Kesselhaus, oder sie können in Form von elektrischer Energie vorliegen, insbesondere aus dem öffentlichen Netz und/oder aus eigener Produktion, insbesondere einer eigenen Kraftwärmekopplungs-Anlage. Vorteilhaft ist es auf die hier beschriebene Weise möglich, eine Abtrennvorrichtung mit einem geringstmöglichen Antriebsenergiebedarf für die Kompressionswärmepumpe bereitzustellen, und einen zirkulierenden Volumenstrom im Arbeitsmedienkreislauf und die damit einhergehende Dimensionierung der Bauteilkomponenten des Arbeitsmedienkreislaufs gering zu halten.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kohlenhydrat-Wasser- Gemisch ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einem saccharose-haltigen Medium, insbesondere einer saccharose-haltigen Lösung oder eine saccharose-haltigen Suspension, insbesondere Dünnsaft oder Dicksaft zur Saccharoseherstellung, Saccharosesirup, einem isomaltulose-haltigen Medium, insbesondere einer isomaltulose-haltigen Lösung oder einer isomaltulose-haltigen Suspension, einer Schlempe aus der Bioalkohol-Produktion, einer Alkohol- Wasser-Lösung, insbesondere einer Bioalkohol-Wasser-Lösung, einem Zuckeralkohol-Wasser- Medium, insbesondere einer Zuckeralkohol -Wasser-Lösung oder einer Zuckeralkohol-Wasser- Suspension, einem stärke-haltigen Medium, insbesondere einer stärke-haltigen Lösung oder einer stärke-haltigen Suspension, und feuchtigkeitshaltigen Feldfrucht- Stücken, insbesondere Zuckerrübenschnitzeln oder Chicoreewurzeln.
Im Folgenden wird unter einem Dünnsaft im Allgemeinen ein Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch mit niedrigerem Trockensubstanz-Gehalt und unter einem Dicksaft ein entsprechendes Kohlenhydrat- Wasser-Gemisch mit höherem Trockensubstanz-Gehalt verstanden. Dabei ist der Trockensubstanz-Gehalt des Dicksafts höher als der Trockensubstanz-Gehalt des Dünnsafts, und umgekehrt. Im Speziellen, das heißt wo dies ausdrücklich angegeben ist oder sich aus dem Kontext ergibt, wird unter einem Dünnsaft eine Saccharose-Lösung mit niedrigerem Trockensubstanz- Gehalt und unter einem Dicksaft eine Saccharose-Lösung mit höherem Trockensubstanz-Gehalt verstanden.
Insbesondere wird im Rahmen des Verfahrens bevorzugt ein Dünnsaft, insbesondere mit einem Trockensubstanz-Gehalt von 10 % bis 25 % aufkonzentriert zu einem Dicksaft mit einem Trockensubstanz-Gehalt von 65 % bis 80 %. Alternativ oder zusätzlich wird im Rahmen des Verfahrens durch Abtrennen von Wasser eine gewünschte Übersättigung bei einem Kristallisationsprozess eingestellt oder erreicht. Insbesondere wird im Rahmen des Verfahrens aus einer Zuckerlösung ein Zucker auskristallisiert. Insbesondere wird in einer Ausgestaltung aus einer wässrigen Saccharoselösung, insbesondere einem Dicksaft, Saccharose auskristallisiert. In einer anderen Ausgestaltung wird aus einer wässrigen Isomaltuloselösung, insbesondere einem Dicksaft, Isomaltulose auskristallisiert. Alternativ oder zusätzlich wird im Rahmen des Verfahrens durch Abtrennen von Wasser ein Rektifikationsprozess durchgeführt. Alternativ oder zusätzlich werden im Rahmen des Verfahrens Zuckerrübenschnitzel und/oder Produkte der Bioethanolproduktion in einem Trockensubstanz-Bereich von 30 % bis 95 % getrocknet.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zum Abtrennen des Wassers aus dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch eine Mehrzahl an Abtrennungseinheiten verwendet wird. Die Abtrennungseinheiten sind thermisch miteinander verbunden und entlang eines Wärmestroms hintereinander in Reihe angeordnet, wobei die Rezyklierungswärme der thermischen Sekundärenergie auf der Niedertemperaturseite einer stromabwärtigen Abtrennungseinheit der Mehrzahl an Abtrennungseinheiten entnommen und mittels der Kompressionswärmepumpe der Hochtemperaturseite einer stromaufwärtigen Abtrennungseinheit der Mehrzahl an Abtrennungseinheiten zugeführt wird. Die stromaufwärtige Abtrennungseinheit ist entlang des Wärmestroms stromaufwärts der stromabwärtigen Abtrennungseinheit angeordnet. Entsprechend ist die stromabwärtige Abtrennungseinheit entlang des Wärmestroms stromabwärts der stromaufwärtigen Abtrennungseinheit angeordnet.
Insbesondere sind die Abtrennungseinheiten entlang eines Temperaturgradienten geordnet hintereinander in Reihe angeordnet und thermisch miteinander verbunden. Der Begriff „stromaufwärts eines ersten Elements“ bedeutet dabei, dass ein so bezeichnetes zweites Element entlang des Temperaturgradienten auf einem höheren Temperaturniveau angeordnet ist als das erste Element. Entsprechend bedeutet der Begriff „stromabwärts eines ersten Elements“, dass ein so bezeichnetes zweites Element entlang des Temperaturgradienten auf einem niedrigeren Temperaturniveau angeordnet ist als das erste Element.
Insbesondere ist jeweils die Niedertemperaturseite einer Abtrennungseinheit - bis auf die letzte Abtrennungseinheit der Reihe - mit der Hochtemperaturseite einer entlang des Wärmestroms unmittelbar nachfolgenden Abtrennungseinheit thermisch verbunden. Entsprechend ist jeweils die Hochtemperaturseite einer Abtrennungseinheit - bis auf die erste Abtrennungseinheit der Reihe - mit der Niedertemperaturseite einer entlang des Wärmestroms unmittelbar vorausgehenden Abtrennungseinheit thermisch verbunden. In einer Ausgestaltung weist zumindest eine Abtrennungseinheit mindestens zwei Teil-Abtrennungseinheiten auf, die bezüglich des Wärmestroms parallel zueinander, das heißt insbesondere auf einem selben Temperaturniveau, angeordnet sind. Vorzugsweise sind die mindestens zwei Teil-Abtrennungseinheiten bezüglich des Produktstroms miteinander in Reihe oder seriell, das heißt hintereinander, angeordnet.
Insbesondere sind die Abtrennungseinheiten zusätzlich entlang eines Druckgradienten geordnet hintereinander in Reihe angeordnet. Insbesondere weist dabei der Druckgradient dasselbe Vorzeichen auf wie der Temperaturgradient. Insbesondere fällt ein in den Abtrennungseinheiten herrschender Druck entlang der Reihe der Abtrennungseinheiten in derselben Richtung ab, in der auch die Temperatur in den Abtrennungseinheiten abfällt.
Die Rezyklierungswärme wird in einer Ausführungsform insbesondere nicht derselben Abtrennungseinheit wieder zugeführt, deren thermischer Sekundärenergie sie entnommen ist, sondern vielmehr entgegen dem Wärmestrom um mindestens eine Abtrennungseinheit, insbesondere eine Mehrzahl an Abtrennungseinheiten, zurückgeführt. Durch die Kompressionswärmepumpe wird dabei - insbesondere unter Zufuhr der Wärmepumpen-Wärme - vorteilhaft das Temperaturniveau der Rezyklierungswärme angehoben, wobei die Rezyklierungswärme zugleich entgegen des Temperaturgradienten zurückgeführt wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rezyklierungswärme der thermischen Sekundärenergie einer entlang des Wärmestroms letzten Abtrennungseinheit der Mehrzahl an Abtrennungseinheiten - insbesondere der entlang des Temperaturgradienten letzten Abtrennungseinheit in der Reihe der Abtrennungseinheiten, das heißt der Abtrennungseinheit mit dem niedrigsten Temperatumiveau - entnommen und der Hochtemperaturseite einer entlang des Wärmestroms ersten Abtrennungseinheit der Mehrzahl an Abtrennungseinheiten - insbesondere der entlang des Temperaturgradienten ersten Abtrennungseinheit in der Reihe der Abtrennungseinheiten, das heißt der Abtrennungseinheit mit dem höchsten Temperaturniveau - zugeführt wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Nutzwärme der mindestens einen Abtrennungseinheit über ein Heizmedium zugeführt wird. Insbesondere wird die Nutzwärme der mindestens einen Abtrennungseinheit über Dampf, auch als Heizdampf bezeichnet, insbesondere Wasserdampf, als dem Heizmedium zugeführt. Es ist möglich, dass die Nutzwärme einer Abtrennungseinheit keine Rezyklierungswärme umfasst. Alternativ umfasst die Nutzwärme einer Abtrennungseinheit zusätzlich zu anderweitig bereitgestellter Wärme, das heißt Zusatzwärme, - beispielsweise verkörpert durch Dampf aus einem Kesselhaus - die Rezyklierungswärme, insbesondere vermehrt um die Wärmepumpen-Wärme. Weiter alternativ besteht die Nutzwärme aus der insbesondere um die Wärmepumpen-Wärme vermehrten Rezyklierungswärme; das bedeutet insbesondere, dass die Nutzwärme ausschließlich die Summe aus Rezyklierungswärme und der Wärmepumpen-Wärme umfasst. Insbesondere wird die - insbesondere um die Wärmepumpen-Wärme vermehrte - Rezyklierungswärme der Hochtemperaturseite der Abtrennungseinheit verkörpert durch einen Brüden zugeführt, der unter Einsatz der Rezyklierungswärme aus einem beim Abtrennen aus dem Heizmedium - insbesondere aus demselben Brüden - entstandenen Kondensat derselben Abtrennungseinheit erzeugt wird.
Alternativ ist vorgesehen, dass die Nutzwärme verwendet wird, um das Kohlenhydrat-Wasser- Gemisch stromaufwärts eines Verdampfungsraums der mindestens einen Abtrennungseinheit zu erwärmen, insbesondere zu überhitzen. In dieser Ausgestaltung verdampft Wasser aus dem erwärmten, insbesondere überhitzten Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch in dem Verdampfungsraum, insbesondere bei seinem Eintritt in den Verdampfungsraum, was auch als Bildung von Flash- Dampf bezeichnet wird. Insbesondere ist dabei der Druck in dem Verdampfungsraum geringer als der Druck am Ort der Erwärmung des Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch stromaufwärts des Verdampfungsraums. Gemäß einer Ausgestaltung wird das Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch stromaufwärts der Abtrennungseinheit erwärmt, insbesondere überhitzt. In diesem Fall ist eine Überhitzungsvorrichtung, die eingerichtet ist, um das Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch stromaufwärts des Verdampfungsraums zu erwärmen, insbesondere zu überhitzen, nicht selbst Teil der Abtrennungseinheit und vielmehr stromaufwärts der Abtrennungseinheit angeordnet. Gemäß dieser Ausgestaltung wird somit die Nutzwärme der Abtrennungseinheit verkörpert durch das stromaufwärts der Abtrennungseinheit erwärmte, insbesondere überhitzte Kohlenhydrat- Wasser-Gemisch zugeführt. Gemäß einer anderen Ausgestaltung wird das Kohlenhydrat-Wasser- Gemisch in der Abtrennungseinheit stromaufwärts des Verdampfungsraums erwärmt, insbesondere überhitzt. In diesem Fall ist die Überhitzungsvorrichtung Teil der Abtrennungseinheit und in der Abtrennungseinheit stromaufwärts des Verdampfungsraums angeordnet. Die Nutzwärme wird dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch - entweder stromaufwärts der Abtrennungseinheit oder in der Abtrennungseinheit - insbesondere über ein Wärmetransportmedium oder Heizmedium, insbesondere Wasser, Dampf oder ein Wärmeträgeröl, zugeführt. Insbesondere besteht die Nutzwärme aus der insbesondere um die Wärmepumpen- Wärme vermehrten Rezyklierungswärme. Alternativ ist es möglich, dass die Nutzwärme einer Abtrennungseinheit keine Rezyklierungswärme umfasst. Weiter alternativ umfasst die Nutzwärme einer Abtrennungseinheit zusätzlich zu anderweitig bereitgestellter Wärme, das heißt Zusatzwärme, - beispielsweise verkörpert durch Dampf aus einem Kesselhaus - die Rezyklierungswärme, insbesondere vermehrt um die Wärmepumpen-Wärme.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rezyklierungswärme einem das aus dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch abgetrennte Wasser abführenden Abmassenstrom entzogen wird. Somit wird vorteilhaft auf der Niedertemperaturseite einer Abtrennungseinheit in dem Abmassenstrom verkörperte abgeführte Wärme auf die Hochtemperaturseite der Abtrennungseinheit oder einer anderen Abtrennungseinheit zurückgeführt, wodurch das hier vorgeschlagene Verfahren sehr effizient ist. Zugleich wird mittels der Kompressionswärmepumpe eine stoffliche Trennung der Niedertemperaturseite von der Hochtemperaturseite erreicht, wobei nämlich nicht ein Teil des Abmassenstroms selbst zurückgeführt wird, sondern lediglich die dem Abmassenstrom entnommene Rezyklierungswärme. Die Niedertemperaturseite und die Hochtemperaturseite sind somit bezüglich der Rückführung der Rezyklierungswärme lediglich thermisch, über einen Wärmestrom, miteinander verbunden, jedoch stofflich voneinander getrennt.
Unter einem Abmassenstrom wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre insbesondere ein Massenstrom verstanden, der zumindest das in der Abtrennungseinheit aus dem Kohlenhydrat- Wasser-Gemisch abgetrennte Wasser umfasst, gegebenenfalls zuzüglich von mitgerissenen Bestandteilen des Kohlenhydrat-Wasser-Gemischs. Insbesondere ist der Abmassenstrom in der Abtrennungseinheit aus dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch gebildeter Dampf, feuchte Luft, insbesondere Heißluft, oder insbesondere ein Brüden. Der Abmassenstrom kann aber auch ein Kondensat sein.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Abmassenstrom zumindest teilweise unmittelbar dem ersten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager - insbesondere dem Arbeitsmedien- Verdampfer - der Kompressionswärmepumpe zugeführt wird. Auf diese Weise kann die Rezyklierungswärme dem Abmassenstrom direkt in dem ersten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager entnommen werden.
In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Rezyklierungswärme aus dem Abmassenstrom dem ersten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager - insbesondere dem Arbeitsmedien- Verdampfer - vermittelt über eine erste Wärmetransportvorrichtung zugeführt wird. Dies erlaubt insbesondere eine räumliche Trennung zwischen dem Abmassenstrom und dem ersten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager oder auch insgesamt der Kompressionswärmepumpe.
Wenn die Rezyklierungswärme einem Kondensat entnommen wird, das kein Abmassenstrom ist, ist es auch in diesem Fall möglich, dass das Kondensat in einer ersten Ausgestaltung zumindest teilweise unmittelbar dem ersten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager zugeführt wird, oder dass in einer zweiten Ausgestaltung die dem Kondensat entnommene Rezyklierungswärme dem ersten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager vermittelt über eine Wärmetransportvorrichtung zugeführt wird.
Unter einer Wärmetransportvorrichtung wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre eine Vorrichtung verstanden, die eingerichtet ist, um Wärme von einem ersten Ort zu einem anderen, von dem ersten Ort beabstandeten zweiten Ort zu transportieren. Die Wärmetransportvorrichtung kann insbesondere mindestens ein Wärmetransportelement, beispielsweise in der einfachsten Ausgestaltung einen Barren oder Stab aus einem wärmeleitenden Material aufweisen. In komplexerer Ausgestaltung weist die Wärmetransportvorrichtung insbesondere mindestens ein Wärmerohr, auch als Heatpipe bezeichnet, auf. Alternativ oder zusätzlich weist die Wärmetransportvorrichtung wenigstens eine Rohrleitung und/oder eine Armatur, insbesondere mindestens einen Wärmeverteiler, auf. Alternativ oder zusätzlich weist die Wärmetransportvorrichtung mindestens einen Wärmetransportmedien-Kreislauf auf, insbesondere mit einem flüssigen Wärmetransportmedium, wobei als Wärmetransportmedium beispielsweise Wasser oder ein Wärmeträgeröl vorgesehen sein kann. Die Wärmeübergänge in dem Wärmetransportmedien-Kreislauf können Phasenübergänge umfassen oder als sensible Wärmeübergänge, das heißt ohne Phasenübergang, ausgestaltet sein. Alternativ oder zusätzlich weist die Wärmetransportvorrichtung einen Rauchgas-Wärmeübertrager auf oder besteht aus einem Rauchgas-Wärmeübertrager.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rezyklierungswärme einem Heizmassenstrom zugeführt wird, der der mindestens einen Abtrennungseinheit auf der Hochtemperaturseite zugeführt wird, um das Wasser thermisch aus dem Kohlenhydrat-Wasser- Gemisch abzutrennen.
Unter einem Heizmassenstrom wird im Kontext der vorliegenden technischen Lehre ein wärmeführender Massenstrom verstanden. Dass die Rezyklierungswärme dem Heizmassenstrom zugeführt wird, bedeutet insbesondere, dass die thermische Energie des Heizmassenstroms um die Rezyklierungswärme - insbesondere zusätzlich um die Wärmepumpen-Wärme - erhöht wird.
Insbesondere ist der Heizmassenstrom von dem Arbeitsmedium der Kompressionswärmepumpe verschieden, insbesondere stofflich von diesem getrennt. Insbesondere weist der Heizmassenstrom nicht das Arbeitsmedium der Kompressionswärmepumpe auf; insbesondere besteht der Heizmassenstrom nicht aus dem Arbeitsmedium der Kompressionswärmepumpe. Insbesondere ist der Heizmassenstrom stofflich von dem Arbeitsmedium der Kompressionswärmepumpe getrennt geführt und vielmehr nur thermisch mit dem Arbeitsmedium verbunden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist der Heizmassenstrom der Massenstrom eines Heizmediums, das verwendet wird, um das Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch zu erwärmen. Insbesondere ist es möglich, dass als Heizmedium Dampf, insbesondere Wasserdampf, oder Luft, insbesondere Heißluft, oder ein Wärmetransportmedium verwendet wird. In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens ist der Heizmassenstrom der Massenstrom des Kohlenhydrat-Wasser-Gemischs selbst. In diesem Fall wird die Rezyklierungswärme insbesondere verwendet, um das Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch zu erwärmen oder vorzuheizen, insbesondere zu überhitzen. In einer Ausführungsform wird das Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch anschließend in einen Verdampfungsraum der Abtrennungseinheit eingeleitet, wo Wasser schlagartig aus dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch - insbesondere als sogenannter Flash-Dampf - verdampft.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil-Heizmassenstrom des Heizmassenstroms stromaufwärts der Abtrennungseinheit durch den zweiten Arbeitsmedien- Wärmeübertrager - insbesondere den Arbeitsmedien-Kondensator - der Kompressionswärmepumpe geführt wird. Auf diese Weise kann die Rezyklierungswärme dem Heizmassenstrom direkt aus dem zweiten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager zugeführt werden. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der gesamte Heizmassenstrom stromaufwärts der Abtrennungseinheit durch den zweiten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager geführt wird; insbesondere wird das Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch direkt durch den zweiten Arbeitsmedien- Wärmeübertrager geführt.
In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Rezyklierungswärme dem Heizmassenstrom aus dem zweiten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager - insbesondere dem Arbeitsmedien-Kondensator - vermittelt über eine zweite Wärmetransportvorrichtung zugeführt wird. Dies erlaubt insbesondere eine räumliche Trennung zwischen dem Heizmassenstrom und dem zweiten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager oder auch insgesamt der Kompressionswärmepumpe.
In einer Ausführungsform wird als die mindestens eine Abtrennungseinheit eine Verdampfungseinheit verwendet. In einer anderen Ausführungsform wird als die mindestens eine Abtrennungseinheit eine Kristallisationseinheit verwendet.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als die mindestens eine Abtrennungseinheit mindestens eine Verdampfungseinheit - als mindestens eine erste Abtrennungseinheit - und mindestens eine Kristallisationseinheit - als mindestens eine zweite Abtrennungseinheit - verwendet werden, wobei thermischer Sekundärenergie der mindestens einen Verdampfungseinheit Rezyklierungswärme entnommen wird, die der mindestens einen Verdampfungseinheit mittels einer ersten Kompressionswärmepumpe wieder zugeführt wird, und wobei thermischer Sekundärenergie der mindestens einen Kristallisationseinheit Rezyklierungswärme entnommen wird, die der mindestens ein Kristallisationseinheit mittels einer zweiten Kompressionswärmepumpe wieder zugeführt wird. Indem somit für die mindestens eine Verdampfungseinheit und damit einen Aufkonzentrierungs- oder Eindickungsprozess einerseits und für die mindestens eine Kristallisationseinheit und damit einen Kristallisationsprozess separate Kompressionswärmepumpen verwendet werden, ist es vorteilhaft möglich, die verschiedenen Prozesse zumindest weitgehend unabhängig voneinander wärmetechnisch zu optimieren, insbesondere auf verschiedenen Temperatumiveaus durchzuführen. Insbesondere eine wärmetechnische Entkopplung der Aufkonzentrierung oder Eindickung, insbesondere Erzeugung von Dicksaft aus dem als Dünnsaft in den Prozess eingehenden Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch, von der Kristallisation erlaubt eine besonders effiziente Prozessführung des Aufkonzentrierungsoder Eindickungsprozesses, insbesondere weil nicht mehr gewährleistet werden muss, dass an dessen Ende eine hinreichende Wärmemenge für die Kristallisation übrigbleibt. Vielmehr kann der Prozess vorteilhaft so geführt werden, dass die initial eingebrachte Wärmemenge möglichst vollständig in dem Prozess selbst verwendet wird. Insbesondere kann dabei das Temperaturniveau für die Verdampfung abgesenkt werden, insbesondere - beispielhaft für eine Saccharose-Lösung - von konventionell 130 °C bis 135 °C in der initialen Abtrennstufe auf ungefähr 120 °C, sodass insbesondere die thermische Einwirkung reduziert und damit das Risiko von Verfärbungen des entstehenden Dicksaftes verringert wird. Durch Abkopplung der Kristallisation kann darüber hinaus ohne Weiteres eine ausreichende Wärmemenge, insbesondere in Form von Brüden, zur Verwendung in der ersten Kompressionswärmepumpe bereitgestellt werden. Zugleich erlaubt die wärmetechnische Entkopplung der verschiedenen Prozesse eine Anhebung der Temperatur für die Kristallisation, sodass auch diese unter besonders günstigen Bedingungen durchgeführt werden kann. Insbesondere kann die (Brüden-)Temperatur für die Kristallisation angehoben werden, insbesondere - beispielhaft für die Saccharose-Kristallisation - von konventionell ungefähr 60 °C bei 0,2 bar absolut auf ungefähr 65 °C bei 0,25 bar absolut, wodurch vorteilhaft die Kristallisationsgeschwindigkeit insbesondere auf ihr Maximum gesteigert werden kann. Insbesondere kann eine Raum-/Zeitausbeute im Zuckerhaus gesteigert werden. Mit Blick auf den Gesamtprozess kann vorteilhaft die aus dem Kesselhaus zuzuführen Gesamtmenge an Heizdampf deutlich verringert werden. Außerdem kann die Heizdampftemperatur für die Kristallisation unabhängig von der Ausgestaltung der Verdampfung gewählt werden und sogar über 110 °C liegen. Insbesondere wird in einer Ausführungsform eine Drehzahl des Arbeitsmedien- Verdichters der ersten Kompressionswärmepumpe variiert, um das Temperaturniveau für die Verdampfung einzustellen. Insbesondere wird in einer Ausführungsform die Drehzahl des Arbeitsmedien- Verdichters der ersten Kompressionswärmepumpe variiert, um einen Trockensubstanz-Gehalt des aufkonzentrierten Kohlenhydrat-Wasser-Gemischs, das heißt des entstehenden Dicksafts, einzustellen. Insbesondere wird die Drehzahl des Arbeitsmedien-Verdichters der ersten Kompressionswärmepumpe so gewählt, dass das Temperatumiveau für die Verdampfung in der initialen Abtrennstufe ungefähr 120 °C beträgt.
Alternativ oder zusätzlich wird eine Drehzahl des Arbeitsmedien-Verdichters der zweiten Kompressionswärmepumpe variiert, um das Temperaturniveau für die Kristallisation einzustellen. Insbesondere wird in einer Ausführungsform die Drehzahl des Arbeitsmedien-Verdichters der ersten Kompressionswärmepumpe variiert, um eine Übersättigung des Kohlenhydrat-Wasser- Gemischs für die Kristallisation einzustellen. Insbesondere wird die Drehzahl des Arbeitsmedien- Verdichters der zweiten Kompressionswärmepumpe so gewählt, dass das Temperaturniveau für die Kristallisation ungefähr 65 °C bei 0,25 bar absolut beträgt.
Mitbestimmender Parameter für die Temperaturwahl in der mindestens einen Verdampfungseinheit ist nun nicht mehr die Kristallisation, sondern vielmehr die zu erreichende Zieltemperatur in der Saftan wärmung. Durch angepasste Verschaltung der Verdampfungseinheiten sinken die erforderlichen Heizdampftemperaturen, was auch die äquivalente Wärmeeinwirkzeit sinken lässt. Die erhöhte Raum-/Zeitausbeute in der mindestens einen Kristallisationseinheit („Zuckerhaus“) wird zum einen durch den verbesserten Stoffübergang an den Kristall erreicht sowie zum anderen durch eine Erhöhung der Temperaturdifferenzen durch höhere Ausgangstemperaturen des Magmas in der Kühlungskristallisation.
Die hier vorgeschlagenen Vorgehensweise erweist sich als besonders vorteilhaft bei der Herstellung von kristalliner Saccharose oder kristalliner Isomaltulose.
In einer Ausführungsform weist die Abtrennvorrichtung eine Mehrzahl an Verdampfungseinheiten und genau eine Kristallisationseinheit auf.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens einen Kristallisationseinheit ein Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch aus der mindestens einen Verdampfungseinheit zugeführt wird. Insbesondere wird das Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch zunächst in der mindestens einen Verdampfungseinheit aufkonzentriert oder eingedickt, wobei insbesondere aus einem Dünnsaft ein Dicksaft hergestellt wird, wobei anschließend eine Kristallisation eines in dem aufkonzentrierten Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch enthalten Kohlenhydrats in der mindestens einen Kristallisationseinheit durchgeführt wird, wobei das Kohlenhydrat insbesondere aus dem Dicksaft ausgefällt wird. Insbesondere wird in der mindestens einen Kristallisationseinheit aus dem aufkonzentrierten Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch oder Dicksaft, insbesondere einer Zuckerlösung, Saccharose oder Isomaltulose auskristallisiert.
In einer Ausführungsform sind die Kristallisationseinheit und die Verdampfungseinheit über einen Produktstrom des Kohlenhydrat-Wasser-Gemischs direkt miteinander verbunden. Dies erlaubt insbesondere eine kontinuierliche Prozessführung.
In einer anderen Ausführungsform sind die Kristallisationseinheit und die Verdampfungseinheit bezüglich des Produktstroms durch ein Zwischenlager für das Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch voneinander getrennt. Die Zwischenlagerung des insbesondere aufkonzentrierten oder eingedickten Kohlenhydrat-Wasser-Gemischs erlaubt vorteilhaft eine voneinander unabhängige, insbesondere bedarfsgesteuerte Prozessführung der verschiedenen Prozesse.
Alternativ oder zusätzlich werden die mindestens eine Verdampfungseinheit und die mindestens eine Kristallisationseinheit, insbesondere die erste Kompressionswärmepumpe und die zweite Kompressionswärmepumpe, thermisch getrennt voneinander betrieben. Insbesondere dies erlaubt eine wärmetechnische Separation der verschiedenen Prozesse voneinander, verbunden mit den bereits erläuterten Vorteilen.
Alternativ ist es möglich, dass Abwärme der mindestens einen Verdampfungseinheit, insbesondere verkörpert durch einen Brüden der mindestens einen Verdampfungseinheit, als Wärmequelle für die zweite Kompressionswärmepumpe verwendet wird. Dies erlaubt vorteilhaft eine Nutzung von Abwärme des Aufkonzentrierungs- oder Eindickungsprozesses in dem Kristallisationsprozess.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kompressionswärmepumpe elektrisch angetrieben wird. Die Wiedemutzung von Abwärme als Rezyklierungswärme unter gleichzeitiger Zufuhr von über einen elektrischen Antrieb mechanisch erzeugter Wärmepumpen- Wärme ermöglicht vorteilhaft eine deutliche Substitution und damit Reduzierung, gegebenenfalls sogar Vermeidung, von initial in den Prozess eingespeister, thermisch, insbesondere über die Verbrennung fossiler Energieträger erzeugter Nutzwärme. Insbesondere kann eine aus einem Kesselhaus initial in den Prozess eingespeiste Dampfmenge verringert - gegebenenfalls, insbesondere abhängig von dem Prozess, sogar auf null reduziert - werden, oder eine selbe initial aus dem Kesselhaus eingespeiste Dampfmenge kann wesentlich effizienter, insbesondere für die Abtrennung einer größeren Menge Wasser aus dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch, insbesondere für die Verarbeitung einer größeren Menge an Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch, verwendet werden. Abhängig von der Art der Erzeugung der elektrischen Energie für den Antrieb der Kompressionswärmepumpe können dabei erhebliche Kosten, nicht zuletzt aber insbesondere erhebliche Kohlendioxid-Emissionen eingespart werden. Somit kann eine deutliche Dekarbonisierung des Prozesses erreicht werden.
In einer Ausführungsform wird die Kompressionswärmepumpe mit elektrischer Energie aus regenerativen Quellen angetrieben. Insbesondere in diesem Fall weist das hier vorgeschlagene Verfahren erheblich geringere Kohlendioxid-Emissionen auf als herkömmliche Verfahren zur Abtrennung von Wasser aus einem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch. Insbesondere wird thermisch bereitgestellte Wärme aus fossilen Energieträgern effektiv ersetzt durch mechanisch über den elektrisch angetriebenen Arbeitsmedien-Verdichter bereitgestellte Wärme, die letztlich aus regenerativen Quellen resultiert.
In einer anderen Ausführungsform wird die Kompressionswärmepumpe mit elektrischer Energie angetrieben, die zumindest teilweise durch einen mit einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Gasturbine, antriebswirkverbundenen Generator bereitgestellt wird.
Alternativ oder zusätzlich wird die Kompressionswärmepumpe mechanisch durch eine Wärmekraftmaschine, insbesondere eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine Gasturbine, insbesondere vermittelt über ein Getriebe, angetrieben. Dies stellt ebenfalls eine sehr effiziente und günstige Art dar, mechanisch Wärme für die Abtrennung von Wasser aus dem Kohlenhydrat- Wasser-Gemisch bereitzustellen.
Insbesondere wird die Brennkraftmaschine, insbesondere die Gasturbine, mit Biogas oder einem anderen Brenngas aus einer regenerativen Quellen betrieben, sodass auch in diesem Fall effektiv erhebliche Kohlendioxid-Emissionen eingespart und damit Dekarbonisierungseffekte erreicht werden. In einer Ausführungsform wird - insbesondere über eine dritte Wärmetransportvorrichtung - Abwärme der Wärmekraftmaschine als Zusatzwärme verwendet, das heißt zusätzlich in die Nutzwärme eingespeist oder als Teil der Nutzwärme verwendet, das heißt insbesondere dem Heizmassenstrom zugeführt.
In einer Ausführungsform wird als mindestens eine erste Abtrennungseinheit eine Verdampfungseinheit und als mindestens eine zweite Abtrennungseinheit eine Kristallisationseinheit verwendet, wobei thermischer Sekundärenergie der Kristallisationseinheit Rezyklierungswärme entnommen wird, die der Kristallisationseinheit mittels einer Kompressionswärmepumpe wieder zugeführt wird, wobei die Kompressionswärmepumpe direkt und/oder indirekt, das heißt insbesondere elektrisch und/oder mechanisch, durch eine Wärmekraftmaschine angetrieben wird, wobei Abwärme der Wärmekraftmaschine - insbesondere über eine dritte Wärmetransportvorrichtung - als Zusatzwärme für die Verdampfungseinheit verwendet, das heißt zusätzlich in die der Verdampfungseinheit zugeführte Nutzwärme eingespeist oder als Teil der Nutzwärme verwendet, das heißt insbesondere dem der Verdampfungseinheit zugeführten Heizmassenstrom zugeführt wird. Alternativ oder zusätzlich wird Abwärme der Wärmekraftmaschine - insbesondere über die dritte Wärmetransportvorrichtung oder eine vierte Wärmetransportvorrichtung - in entsprechender Weise als Zusatzwärme für die Kristallisationseinheit verwendet.
Insbesondere wird in einer Ausführungsform als mindestens eine erste Abtrennungseinheit eine Verdampfungseinheit verwendet, wobei thermischer Sekundärenergie der Verdampfungseinheit Rezyklierungswärme entnommen wird, die der Verdampfungseinheit mittels einer ersten Kompressionswärmepumpe wieder zugeführt wird, wobei als mindestens eine zweite Abtrennungseinheit eine Kristallisationseinheit verwendet, wobei thermischer Sekundärenergie der Kristallisationseinheit Rezyklierungswärme entnommen wird, die der Kristallisationseinheit mittels einer zweiten Kompressionswärmepumpe wieder zugeführt wird, wobei die zweite Kompressionswärmepumpe direkt und/oder indirekt, das heißt insbesondere elektrisch und/oder mechanisch, durch eine Wärmekraftmaschine angetrieben wird, wobei Abwärme der Wärmekraftmaschine - insbesondere über eine dritte Wärmetransportvorrichtung - als Zusatzwärme für die Verdampfungseinheit verwendet, das heißt zusätzlich in die der Verdampfungseinheit zugeführte Nutzwärme eingespeist oder als Teil der Nutzwärme verwendet, das heißt insbesondere dem der Verdampfungseinheit zugeführten Heizmassenstrom zugeführt wird. Alternativ oder zusätzlich wird Abwärme der Wärmekraftmaschine - insbesondere über die dritte Wärmetransportvorrichtung oder eine vierte Wärmetransportvorrichtung - in entsprechender Weise als Zusatzwärme für die Kristallisationseinheit verwendet.
Insbesondere ist in einer Ausführungsform die Kristallisationseinheit eine Kristallisationseinheit einer Zuckerfabrik, insbesondere eingerichtet zur Saccharose-Kristallisation. Alternativ oder zusätzlich ist die Verdampfungseinheit eine Einrichtung der Zuckerfabrik zur Safteindampfung.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als die mindestens eine Abtrennungseinheit eine Mehrzahl an Abtrennungseinheiten betrieben wird, wobei von jeder Abtrennungseinheit der Mehrzahl an Abtrennungseinheiten ein Abmassenstrom abgeführt wird, wobei mindestens einer der Abmassenströme als Wärmequelle für einen weiteren Prozess verwendet wird. Vorteilhaft kann so von den verschiedenen Abmassenströmen umfasste Wärme effizient für andere Prozesse verwendet werden, beispielsweise für die Beheizung von Fabrikräumen oder andere industrielle, chemische, biologische und/oder lebensmitteltechnische Prozesse - insbesondere in derselben Fabrik oder in demselben Werk.
Alternativ oder zusätzlich kann mindestens einer der Abmassenströme als Wärmequelle zum Vorwärmen des Kohlenhydrat-Wasser-Gemischs verwendet werden, insbesondere vor dem Eintritt des Kohlenhydrat-Wasser-Gemischs in eine in Strömungsrichtung des Kohlenhydrat- Wasser-Gemischs - das heißt entlang der durch den Produktstrom definierten Reihenfolge - erste Abtrennungseinheit der Mehrzahl an Abtrennungseinheiten.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass - wie oben bereits beschrieben - die der Hochtemperaturseite zugeführte Nutzwärme aus der um die Wärmepumpen-Wärme der Kompressionswärmepumpe vermehrten Rezyklierungswärme besteht.
Alternativ umfasst die Nutzwärme zusätzlich zu der um die Wärmepumpen-Wärme der Kompressionswärmepumpe vermehrten Rezyklierungswärme auch Zusatzwärme, wobei die Zusatzwärme - insbesondere ausschließlich - auf der Hochtemperaturseite der mindestens einen Abtrennungseinheit, insbesondere auf einer heißen Seite des Arbeitsmedienkreislaufs, zugeführt wird.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Abtrennvorrichtung zum Abtrennen von Wasser aus einem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch geschaffen wird, die mindestens eine Abtrennungseinheit aufweist, wobei die mindestens eine Abtrennungseinheit einen Produkteingang zur Einleitung des TI
Kohlenhydrat-Wasser-Gemischs in die Abtrennungseinheit und einen Produktausgang zur Ausleitung eines teilweise entwässerten Kohlenhydrat-Wasser-Gemischs aufweist, wobei die Abtrennungseinheit eingerichtet ist, um Wasser aus dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch abzutrennen, wobei die mindestens eine Abtrennungseinheit auf einer Hochtemperaturseite einen Nutzwärmeeingang zur Zufuhr von Nutzwärme - als thermische Primärenergie - und auf einer Niedertemperaturseite einen Sekundärenergieausgang zur Abfuhr von thermischer Sekundärenergie aufweist, wobei die Abtrennvorrichtung eine Kompressionswärmepumpe mit einem geschlossenen Arbeitsmedienkreislauf aufweist und eingerichtet ist, um der über den Sekundärenergieausgang abgeführten thermischen Sekundärenergie Rezyklierungswärme zu entnehmen und die Rezyklierungswärme mittels der Kompressionswärmepumpe dem Nutzwärmeeingang auf der Hochtemperaturseite auf einem Temperaturniveau von größer 100 °C wieder zuzuführen. In Zusammenhang mit der Abtrennvorrichtung ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
In einer Ausführungsform ist die Abtrennvorrichtung eingerichtet zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens oder eines Verfahrens nach einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen.
Insbesondere weist die Abtrennvorrichtung, oder weisen Elemente der Abtrennvorrichtung, mindestens ein zuvor bereits in Zusammenhang mit der Abtrennvorrichtung oder einem Element der Abtrennvorrichtung erläutertes Merkmal, oder eine Kombination dieser Merkmale auf.
In einer Ausgestaltung sind der Nutzwärmeeingang und der Sekundärenergieausgang auf einer selben räumlich-geometrischen Seite der mindestens einen Abtrennungseinheit angeordnet. In einer anderen Ausgestaltung sind der Nutzwärmeeingang und der Sekundärenergieausgang auf verschiedenen, insbesondere einander gegenüberliegenden räumlich-geometrischen Seiten der mindestens einen Abtrennungseinheit angeordnet. Insbesondere können in der einen Ausgestaltung das Heizmedium und das Produkt im Gegenstrom geführt werden, während in der anderen Ausgestaltung das Heizmedium und das Produkt zumindest bereichsweise innerhalb der Abtrennungseinheit gleiche Strömungsrichtungen aufweisen. Entsprechend der hier beschriebenen verschiedenen Ausgestaltungen beschreiben auch die Begriffe „Hochtemperaturseite“ und „Niedertemperaturseite“ nicht notwendig verschiedene räumlichgeometrischen Seiten einer Abtrennungseinheit, sondern sind lediglich wärmetechnisch zu verstehen. Sie können in bestimmten Ausgestaltungen derselben räumlich-geometrischen Seite oder in bestimmten anderen Ausgestaltungen verschiedenen räumlich-geometrischen Seiten einer Abtrennungseinheit zugeordnet sein.
In einer Ausführungsform der Abtrennvorrichtung sind der Produkteingang und der Nutzwärmeeingang der mindestens einen Abtrennungseinheit räumlich und/oder strömungstechnisch voneinander getrennt. Insbesondere ist bei dieser Ausführungsform der Nutzwärmeeingang eingerichtet, um die Nutzwärme verkörpert durch ein Heizmedium als dem Heizmassenstrom in die Abtrennungseinheit einzuleiten, wobei das Heizmedium insbesondere Dampf, insbesondere Wasserdampf, Luft, insbesondere Heißluft, ein Wärmetransportmedium, oder ein insbesondere aus einem Heiz-Kondensat, das heißt einem aus dem Heizmedium gebildeten Kondensat, der den Nutzwärmeeingang aufweisenden Abtrennungseinheit, das heißt derselben Abtrennungseinheit, erzeugter Brüden ist.
In einer anderen Ausführungsform der Abtrennvorrichtung ist der Produkteingang mit dem Nutzwärmeeingang identisch, wobei in diesem Fall die Nutzwärme verkörpert durch das Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch selbst als dem Heizmassenstrom in die Abtrennungseinheit eingeleitet wird. Dabei wird insbesondere das Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch in einer Überhitzungsvorrichtung der Abtrennvorrichtung erwärmt, insbesondere überhitzt, wobei es anschließend in einen Verdampfungsraum der Abtrennungseinheit eingeleitet wird, wo - insbesondere schlagartig - Wasser aus dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch verdampft, was auch als Flash-Dampf bezeichnet wird.
In einer Ausführungsform weist die Abtrennvorrichtung eine Mehrzahl an Abtrennungseinheiten auf. In einer Ausführungsform weist die Abtrennvorrichtung ausschließlich solche Abtrennungseinheiten auf, bei denen der Produkteingang von dem Nutzwärmeeingang räumlich und/oder strömungstechnisch getrennt ist. In einer anderen Ausführungsform weist die Abtrennvorrichtung ausschließlich solche Abtrennungseinheiten auf, bei denen der Produkteingang mit dem Nutzwärmeeingang identisch ist. Bei wieder einer anderen Ausführungsform weist die Abtrennvorrichtung mindestens eine erste Abtrennungseinheit auf, bei welcher der Produkteingang von dem Nutzwärmeeingang räumlich und/oder strömungstechnisch getrennt ist, wobei die Abtrennvorrichtung außerdem mindestens eine zweite Abtrennungseinheit aufweist, bei welcher der Produkteingang mit dem Nutzwärmeeingang identisch ist.
In einer Ausführungsform weist die Abtrennvorrichtung nur Abtrennungseinheiten mit jeweils mindestens einer Heizfläche auf. In einer anderen Ausführungsform weist die Abtrennvorrichtung nur Abtrennungseinheiten mit jeweils einem Verdampfungsraum auf. In wieder einer anderen Ausführungsform weist die Abtrennvorrichtung mindestens eine Abtrennungseinheit mit mindestens einer Heizfläche und mindestens eine weitere Abtrennungseinheit mit einem Verdampfungsraum auf.
Der Sekundärenergieausgang ist insbesondere eingerichtet, um die thermische Sekundärenergie in Form von Dampf, insbesondere Wasserdampf, insbesondere einem aus dem Kohlenhydrat- Wasser-Gemisch gebildeten Brüden, oder in Form von Heißluft, und/oder in Form eines Kondensats, insbesondere eines aus dem Brüden, der aus dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch gebildet ist, gebildeten Kondensats oder des Heiz-Kondensats, abzuführen.
In einer Ausführungsform ist die Abtrennvorrichtung eingerichtet, um die Rezyklierungswärme dem Nutzwärmeeingang derselben Abtrennungseinheit auf deren Hochtemperaturseite wieder zuzuführen.
In einer anderen Ausführungsform ist die Abtrennvorrichtung eingerichtet, um die Rezyklierungswärme dem Nutzwärmeeingang einer anderen Abtrennungseinheit als deijenigen Abtrennungseinheit, aus deren Sekundärenergieausgang die Rezyklierungswärme stammt, auf der Hochtemperaturseite wieder zuzuführen. Insbesondere ist die Abtrennvorrichtung eingerichtet, um die Rezyklierungswärme einer entlang eines Wärmestroms durch die eine Mehrzahl an Abtrennungseinheiten umfassende Abtrennvorrichtung stromab wärtigen Abtrennungseinheit zu entnehmen und einer entlang des Wärmestroms stromaufwärtigen Abtrennungseinheit zuzuführen.
Insbesondere weist die Abtrennvorrichtung eine Mehrzahl an Abtrennungseinheiten auf, die thermisch miteinander verbunden und entlang eines Wärmestroms - insbesondere entlang eines Temperaturgradienten, und vorzugsweise zusätzlich entlang eines Druckgradienten - hintereinander in Reihe angeordnet sind. Die Abtrennvorrichtung ist eingerichtet, um die Rezyklierungswärme der thermischen Sekundärenergie auf der Niedertemperaturseite einer stromabwärtigen Abtrennungseinheit der Mehrzahl an Abtrennungseinheiten zu entnehmen und mittels der Kompressionswärmepumpe der Hochtemperaturseite einer stromaufwärtigen Abtrennungseinheit der Mehrzahl an Abtrennungseinheiten zuzuführen, wobei die stromaufwärtige Abtrennungseinheit entlang des Wärmestroms stromaufwärts der stromabwärtigen Abtrennungseinheit angeordnet ist. Insbesondere ist die stromabwärtige Abtrennungseinheit eine entlang des Wärmestroms letzte Abtrennungseinheit der Mehrzahl an Abtrennungseinheiten, und die stromaufwärtige Abtrennungseinheit ist eine entlang des Wärmestroms erste Abtrennungseinheit der Mehrzahl an Abtrennungseinheiten.
Insbesondere ist der Sekundärenergieausgang eingerichtet, um aus der Abtrennungseinheit einen das aus dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch abgetrennte Wasser abführenden Abmassenstrom abzuführen, insbesondere in Form von Dampf, insbesondere Wasserdampf, insbesondere einem Brüden, oder in Form von Luft, insbesondere feuchter Heißluft, und/oder in Form eines Kondensats.
In einer Ausführungsform ist der Sekundärenergieausgang strömungstechnisch mit dem ersten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager, insbesondere dem Arbeitsmedien-Verdampfer, der Kompressionswärmepumpe verbunden, sodass die Rezyklierungswärme dem Abmassenstrom direkt in dem ersten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager entnommen und zur Verdampfung des Arbeitsmediums verwendet werden kann.
In einer anderen Ausführungsform weist die Abtrennvorrichtung eine erste Wärmetransportvorrichtung auf, die angeordnet und eingerichtet ist, um den Abmassenstrom wärmetechnisch mit dem ersten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager, insbesondere dem Arbeitsmedien-Verdampfer, zu verbinden.
In einer Ausführungsform ist der Nutzwärmeeingang, oder - insbesondere wenn der Produkteingang mit dem Nutzwärmeeingang identisch ist - der Produkteingang strömungstechnisch mit dem zweiten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager, insbesondere dem Arbeitsmedien-Kondensator, der Kompressionswärmepumpe verbunden, sodass die Rezyklierungswärme - insbesondere vermehrt um die Wärmepumpen-Wärme - zumindest einem Teil-Heizmassenstrom des Heizmassenstroms stromaufwärts des Nutzwärmeeingangs oder des Produkteingangs direkt in dem zweiten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager zugeführt werden kann, wo sie insbesondere als Kondensationswärme des Arbeitsmediums frei wird.
In einer anderen Ausführungsform weist die Abtrennvorrichtung eine zweite Wärmetransportvorrichtung auf, die angeordnet und eingerichtet ist, um den Nutzwärmeeingang oder den Produkteingang, und damit den Heizmassenstrom, wärmetechnisch mit dem zweiten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager, insbesondere dem Arbeitsmedien-Kondensator, zu verbinden. In einer Ausführungsform weist die Abtrennvorrichtung als die mindestens eine Abtrennungseinheit eine Verdampfungseinheit auf. In einer anderen Ausführungsform weist die Abtrennvorrichtung als die mindestens eine Abtrennungseinheit eine Kristallisationseinheit auf.
In einer Ausführungsform weist die Abtrennvorrichtung als die mindestens eine Abtrennungseinheit mindestens eine Verdampfungseinheit - als mindestens eine erste Abtrennungseinheit - und mindestens eine Kristallisationseinheit - als mindestens eine zweite Abtrennungseinheit - auf, wobei die Abtrennvorrichtung eingerichtet ist, um thermischer Sekundärenergie der mindestens einen Verdampfungseinheit Rezyklierungswärme zu entnehmen, und die Rezyklierungswärme der mindestens einen Verdampfungseinheit mittels einer ersten Kompressionswärmepumpe wieder zuzuführen. Die Abtrennvorrichtung ist außerdem eingerichtet, um thermischer Sekundärenergie der mindestens einen Kristallisationseinheit Rezyklierungswärme zu entnehmen, und die Rezyklierungswärme der mindestens einen Kristallisationseinheit mittels einer zweiten Kompressionswärmepumpe wieder zuzuführen. Insbesondere weist die Abtrennvorrichtung als die Kompressionswärmepumpe einerseits die erste Kompressionswärmepumpe und andererseits die zweite Kompressionswärmepumpe auf, insbesondere also zwei Kompressionswärmepumpen.
In einer Ausführungsform weist die Abtrennvorrichtung eine Mehrzahl an Verdampfungseinheiten und genau eine Kristallisationseinheit auf.
In einer Ausführungsform der Abtrennvorrichtung ist die mindestens eine Kristallisationseinheit strömungstechnisch - insbesondere über eine Produktleitung - mit der mindestens einen Verdampfungseinheit verbunden, sodass der Kristallisationseinheit ein Kohlenhydrat-Wasser- Gemisch aus der mindestens einen Verdampfungseinheit direkt über die strömungstechnische Verbindung zur Kristallisation zugeführt werden kann.
In einer anderen Ausführungsform weist die Abtrennvorrichtung ein Zwischenlager auf, in das aus der mindestens einen Verdampfungseinheit austretendes Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch eingespeichert werden kann, wobei aus dem Zwischenlager Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch entnommen und der mindestens einen Kristallisationseinheit zur Kristallisation zugeführt werden kann. Insbesondere sind dabei die mindestens eine Verdampfungseinheit und die mindestens eine Kristallisationseinheit strömungstechnisch voneinander getrennt oder zumindest nicht direkt miteinander verbunden, wobei ein Stofftransport des Kohlenhydrat-Wasser-Gemischs von der Verdampfungseinheit zu der Kristallisationseinheit nur vermittelt über das Zwischenlager vorgesehen ist.
In einer Ausführungsform ist die Abtrennvorrichtung eingerichtet, um die mindestens eine Verdampfungseinheit und die mindestens eine Kristallisationseinheit, insbesondere die erste Kompressionswärmepumpe und die zweite Kompressionswärmepumpe, thermisch getrennt voneinander zu betreiben.
In einer anderen Ausführungsform ist die Abtrennvorrichtung eingerichtet, um Abwärme der mindestens einen Verdampfungseinheit als Wärmequelle für die zweite Kompressionswärmepumpe zu verwenden. Insbesondere weist die Abtrennvorrichtung eine wärmetechnische Verbindung - insbesondere in Form einer Brüden-Leitung - zwischen der mindestens einen Verdampfungseinheit und der zweiten Kompressionswärmepumpe, insbesondere dem ersten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager, insbesondere dem Arbeitsmedien- Verdampfer der zweiten Kompressionswärmepumpe, auf.
In einer Ausführungsform der Abtrennvorrichtung weist die Kompressionswärmepumpe eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor, als Antrieb für den Arbeitsmedien- Verdichter auf. Insbesondere ist die Kompressionswärmepumpe eingerichtet, um mit elektrischer Energie aus regenerativen Quellen betrieben zu werden.
In einer anderen Ausführungsform ist die Kompressionswärmepumpe eingerichtet, um mittels elektrischer Energie betrieben zu werden, die durch einen mit einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Gasturbine, antriebswirkverbundenen Generator bereitgestellt wird. Insbesondere weist die Abtrennvorrichtung einen solchen Generator und die mit diesem antriebswirkverbundene Wärmekraftmaschine auf, wobei der Generator elektrisch mit dem Elektromotor der Kompressionswärmepumpe verbunden ist.
Alternativ oder zusätzlich ist die Kompressionswärmepumpe mit der Wärmekraftmaschine - vorzugsweise vermittelt über ein Getriebe - antriebswirkverbunden.
In einer Ausführungsform ist die Wärmekraftmaschine als Brennkraftmaschine, insbesondere als Gasturbine, ausgebildet und vorzugsweise eingerichtet, um mit Biogas oder einem anderen Brenngas aus regenerativen Quellen betrieben zu werden. In einer Ausführungsform weist die Abtrennvorrichtung eine dritte Wärmetransportvorrichtung auf, die eingerichtet, um der Hochtemperaturseite der mindestens einen Abtrennungseinheit Abwärme der Wärmekraftmaschine als Zusatzwärme zuzuführen, das heißt zusätzlich in die Nutzwärme einzuspeisen oder als Teil der Nutzwärme zu verwenden, das heißt um die Abwärme insbesondere dem Heizmassenstrom zuzuführen.
In einer Ausführungsform weist die Abtrennvorrichtung als mindestens eine erste Abtrennungseinheit eine Verdampfungseinheit und als mindestens eine zweite Abtrennungseinheit eine Kristallisationseinheit auf, sowie eine Kompressionswärmepumpe, mittels der thermischer Sekundärenergie der Kristallisationseinheit Rezyklierungswärme entnommen wird, die der Kristallisationseinheit wieder zugeführt wird, wobei die Kompressionswärmepumpe direkt und/oder indirekt, das heißt insbesondere elektrisch und/oder mechanisch, durch eine Wärmekraftmaschine angetrieben ist, wobei die Abtrennvorrichtung eingerichtet ist, um Abwärme der Wärmekraftmaschine - insbesondere über eine dritte Wärmetransportvorrichtung - als Zusatzwärme für die Verdampfungseinheit zu verwenden, das heißt zusätzlich in die der Verdampfungseinheit zugeführte Nutzwärme einzuspeisen oder als Teil der Nutzwärme zu verwenden, das heißt insbesondere dem der Verdampfungseinheit zugeführten Heizmassenstrom zuzuführen. Alternativ oder zusätzlich ist die Abtrennvorrichtung eingerichtet, um Abwärme der Wärmekraftmaschine - insbesondere über die dritte Wärmetransportvorrichtung oder eine vierte Wärmetransportvorrichtung - in entsprechender Weise als Zusatzwärme für die Kristallisationseinheit zu verwenden.
Insbesondere weist die Abtrennvorrichtung in einer Ausführungsform als mindestens eine erste Abtrennungseinheit eine Verdampfungseinheit auf, sowie eine erste Kompressionswärmepumpe, mittels der thermischer Sekundärenergie der Verdampfungseinheit Rezyklierungswärme entnommen wird, die der Verdampfungseinheit wieder zugeführt wird, wobei die Abtrennvorrichtung als mindestens eine zweite Abtrennungseinheit eine Kristallisationseinheit aufweist, sowie eine zweite Kompressionswärmepumpe, mittels der thermischer Sekundärenergie der Kristallisationseinheit Rezyklierungswärme entnommen wird, die der Kristallisationseinheit wieder zugeführt wird, wobei die zweite Kompressionswärmepumpe direkt und/oder indirekt, das heißt insbesondere elektrisch und/oder mechanisch, durch eine Wärmekraftmaschine angetrieben ist, wobei die Abtrennvorrichtung eingerichtet ist, um Abwärme der Wärmekraftmaschine - insbesondere über eine dritte Wärmetransportvorrichtung - als Zusatzwärme für die Verdampfungseinheit zu verwenden, das heißt zusätzlich in die der Verdampfungseinheit zugeführte Nutzwärme einzuspeisen oder als Teil der Nutzwärme zu verwenden, das heißt insbesondere dem der Verdampfungseinheit zugeführten Heizmassenstrom zuzuführen. Alternativ oder zusätzlich ist die Abtrennvorrichtung eingerichtet, um Abwärme der Wärmekraftmaschine - insbesondere über die dritte Wärmetransportvorrichtung oder eine vierte Wärmetransportvorrichtung - in entsprechender Weise als Zusatzwärme für die Kristallisationseinheit zu verwenden.
Insbesondere ist in einer Ausführungsform die Kristallisationseinheit eine Kristallisationseinheit einer Zuckerfabrik, insbesondere eingerichtet zur Saccharose-Kristallisation. Alternativ oder zusätzlich ist die Verdampfungseinheit eine Einrichtung der Zuckerfabrik zur Safteindampfung.
In einer Ausführungsform weist die Abtrennvorrichtung eine Mehrzahl an Abtrennungseinheiten auf, wobei jeder Abtrennungseinheit der Mehrzahl an Abtrennungseinheiten eine Abmassenstrom - Abführleitung zugeordnet ist, die wärmetechnisch mit mindestens einem weiteren Prozess verbunden ist, sodass mindestens einer der Abmassenströme der Abtrennungseinheiten als Wärmequelle für einen weiteren Prozess verwendet werden kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens und einer Abtrennvorrichtung zum Abtrennen von Wasser aus einem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch;
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Verfahrens und einer Abtrennvorrichtung zum Abtrennen von Wasser aus einem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch;
Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens und einer Abtrennvorrichtung zum Abtrennen von Wasser aus einem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch;
Figur 4 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens und einer Abtrennvorrichtung zum Abtrennen von Wasser aus einem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch, und
Figur 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens und einer Abtrennvorrichtung zum Abtrennen von Wasser aus einem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch.
Allgemein wird für den Zweck der Beschreibung der verschiedenen Ausführungsbeispiele in den Figuren folgendes Variabiensystem eingeführt: Eine bestimmte Abtrennungseinheit oder thermische Trennstufe, auf deren Niedertemperaturseite Rezyklierungswärme entnommen wird, wird mit der Variable x bezeichnet, die Werte von 1 bis n annehmen kann, wobei n die Gesamtzahl der von einer betrachteten Abtrennvorrichtung umfassten, in einen gemeinsamen Wärmestrom eingebundenen Abtrennungseinheiten ist. Die auf der Niedertemperaturseite der Abtrennungseinheit x abgeführte thermische Sekundärenergie, insbesondere verkörpert durch einen Brüden, wird mit Bx bezeichnet. Die auf der Hochtemperaturseite einer Abtrennungseinheit zugeführte Nutzwärme, die zumindest teilweise die zurückgeführte Rezyklierungswärme - insbesondere wiederum verkörpert durch einen Brüden - umfasst, wird mit Bx.y bezeichnet, wobei y die Anzahl der Abtrennungseinheiten einschließlich der Abtrennungseinheit, von der die Rezyklierungswärme abgeführt wird, bezeichnet, um welche die Rezyklierungswärme zurückgeführt wird. Wird die Rezyklierungswärme direkt von der Niedertemperaturseite einer Abtrennungseinheit auf die Hochtemperaturseite derselben Abtrennungseinheit zurückgeführt, gilt demnach y = 1. Ein Heiz-Kondensat der Abtrennungseinheit x wird mit Kx.i bezeichnet. Ein Produkt-Kondensat der Abtrennungseinheit x wird mit Kx bezeichnet.
Insbesondere wird allgemein die zumindest teilweise die von der Abtrennungseinheit x entnommene und um y Stufen zurückgeführte Rezyklierungswärme umfassende Nutzwärme Bx.y der Abtrennungseinheit x- +1 zugeführt. In dieser Abtrennungseinheit x- +1 fällt ein Heiz- Kondensat Kx.y, ein Brüden Bx.y+i und ein Produkt-Kondensat Kx.y+i an. Der Abtrennungseinheit x wird Nutzwärme in Form eines Brüdens Bx-i zugeführt; dort fällt ein Heiz-Kondensat Kx.i und ein Brüden Bx an. Das Produkt-Kondensat des Brüden Bx wird als Kx bezeichnet.
Insbesondere integriert die Erfindung einen geschlossenen, linksläufigen Wärmepumpenkreisprozess, indem ein Brüden Bx als Wärmequelle kondensiert wird, um einen Heizdampf Bx.y zur Beheizung an ein Heizelement einer vorgelagerten Stufe x-y zu speisen. Die bereitgestellte Wärme des Arbeitsmedienkreislaufs auf der Hochdruckseite wird im Arbeitsmedien-Kondensator an einen Kondensatsstrom aus der Stufe x- +1 (Kx.y) übertragen, was zu dessen Verdampfung führt. Diese somit zusätzlich generierte Heizdampfmenge Bx.y wird dem Heizelement der Stufe zugeführt. Die von Stufe x zu der Stufe x- +1 rückgespeiste Wärme bringt eine Änderung der Verdampfungsleistung mit sich. Diese kann über die umgewälzte Menge an Arbeitsmedium in der Kompressionswärmepumpe beeinflusst werden. Eine Anpassung des Trockensubstanz-Gehalts ist somit ohne einen stofflichen Rücktransport eines Heizmediums oder Brüdens bei der Wahl des Parameters y möglich. Durch den geschlossenen Wärmepumpenkreislauf wird der Energieinhalt des Brüdens Bx aus der Trennstufe x unter Einsatz mechanischer Energie auf das exergetische Niveau einer um y Stufen vorausgehenden und damit exergetisch höheren Dampfqualität angehoben. Das Heizelement der Stufe x-y+1, das durch den Heizdampf Bx.y beheizt wird, kann aber auch im Vergleich zur Wärmequelle, die den Energieinhalt des Brüdens Bx darstellt, unterschiedliche Qualitätsansprüche an das Wärmeträgermedium des Heizdampfs umfassen, da im geschlossenen Wärmepumpenkreislauf lediglich eine Energie- und keine Stofftransport von der Wärmequelle Bx zu Wärmesenke Bx.y stattfindet. Gleichermaßen kann statt des Brüdens jedoch auch jegliche Form einer flüssigen Wärmequelle - insbesondere eines Kondensats Kx - aus beliebiger Nutzungstufe x stehen, bei der die Wärme durch Abkühlung der Flüssigkeit übertragen wird.
Fig. 1 zeigt nun ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens und einer Abtrennvorrichtung 1 zum Abtrennen von Wasser aus einem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch.
Die Abtrennvorrichtung 1 weist eine Abtrennungseinheit 3 auf, die ihrerseits einen Produkteingang 5 zur Einleitung des Kohlenhydrat-Wasser-Gemischs 4 in die Abtrennungseinheit 3 und einen Produktausgang 7 zur Ausleitung eines teilweise entwässerten Kohlenhydrat-Wasser- Gemischs 4 aufweist. Dabei ist die Abtrennungseinheit 3 eingerichtet, um Wasser aus dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch abzutrennen. Die Abtrennungseinheit 3 weist auf einer Hochtemperaturseite 9 einen Nutzwärmeeingang 11 zur Zufuhr von Nutzwärme und auf einer Niedertemperaturseite 13 einen Sekundärenergieausgang 15 zur Abfuhr von thermischer Sekundärenergie auf. Weiterhin weist die Abtrennvorrichtung 1 eine Kompressionswärmepumpe 17 mit einem geschlossenen Arbeitsmedienkreislauf 19 auf und ist eingerichtet, um der über den Sekundärenergieausgang 15 abgeführten thermischen Sekundärenergie Rezyklierungswärme zu entnehmen und die Rezyklierungswärme mittels der Kompressionswärmepumpe 17 dem Nutzwärmeeingang 11 auf der Hochtemperaturseite 9 auf einem Temperatumiveau von größer 100 °C wieder zuzuführen.
Das erste Ausführungsbeispiel der Abtrennvorrichtung 1 ist eingerichtet, um Wasser aus feuchtigkeitshaltigen Feldfrucht- Stücken als dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch 4, insbesondere Zuckerrübenschnitzeln oder Chicoreewurzeln, abzutrennen. Insbesondere ist die Abtrennvorrichtung 1 eingerichtet zur Schnitzeltrocknung in einer Zuckerfabrik.
Das erste Ausführungsbeispiel der Abtrennvorrichtung 1 weist außerdem eine entlang eines Produktstroms des Kohlenhydrat-Wasser-Gemischs 4 der Abtrennungseinheit 3 vorgelagerte Trocknungsstufe 21 auf; diese kann bei einem anderen Ausführungsbeispiel aber auch entfallen und ist daher optional.
Die Kompressionswärmepumpe 17 weist - insbesondere in der angegebenen Reihenfolge entlang einer Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums in dem geschlossenen Arbeitsmedienkreislauf 19 - ein Expansionsventil 23 zur Entspannung des Arbeitsmediums, einen ersten Arbeitsmedien- Wärmeübertrager 25, insbesondere einen Arbeitsmedien-Verdampfer 27, einen Arbeitsmedien- Verdichter 29, hier zwei strömungstechnisch parallel zueinander geschaltete Arbeitsmedien- Verdichter 29, und einen zweiten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager 31, insbesondere einen Arbeitsmedien-Kondensator 33, auf.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Abtrennvorrichtung 1 und damit zugleich des Verfahrens wird die Nutzwärme der Abtrennungseinheit 3 über ein Heizmedium 34, hier über Zuluft 35 zugeführt. Die Rezyklierungswärme wird einem das aus dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch abgetrennte Wasser abführenden Abmassenstrom 37, hier Abluft 39, entzogen. Der Abmassenstrom 37 wird dabei unmittelbar dem ersten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager 25, das heißt dem Arbeitsmedien-Verdampfer 27, zugeführt, um die Rezyklierungswärme zu entnehmen. Alternativ ist es bei einem anderen Ausführungsbeispiel möglich, dass die Rezyklierungswärme aus dem Abmassenstrom 37 dem ersten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager 25 vermittelt über eine erste Wärmetransportvorrichtung zugeführt wird.
Die Rezyklierungswärme wird einem Heizmassenstrom, hier dem Massenstrom des Heizmediums 34, das heißt der Zuluft 35, zugeführt, wobei der Heizmassenstrom der Abtrennungseinheit 3 auf deren Hochtemperaturseite 9 zugeführt wird, um das Wasser thermisch aus dem Kohlenhydrat- Wasser-Gemisch 4 abzutrennen. Dabei wird die Rezyklierungswärme dem Heizmassenstrom, das heißt bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Zuluft 35, aus dem zweiten Arbeitsmedien- Wärmeübertrager 31, insbesondere dem Arbeitsmedien-Kondensator 33, vermittelt über eine Wärmetransportvorrichtung 41, hier zur Abgrenzung von der oben erwähnten ersten Wärmetransportvorrichtung als zweite Wärmetransportvorrichtung 41 bezeichnet, zugeführt. Die zweite Wärmetransportvorrichtung 41 weist einen Wärmetransportmedien-Kreislauf 43 auf, insbesondere mit einem flüssigen Wärmetransportmedium, wobei als Wärmetransportmedium beispielsweise Wasser oder ein Wärmeträgeröl vorgesehen sein kann. Der Wärmetransportmedien-Kreislauf 43 umfasst einen dritten Wärmeübertrager 45, der einerseits von dem Wärmetransportmedium und andererseits von dem Heizmedium durchströmt ist, wobei die - insbesondere um die Wärmepumpen -Wärme vermehrte - Rezyklierungswärme auf das Heizmedium 34 übertragen wird. Alternativ ist es bei einem anderen Ausgangsbeispiel möglich, dass zumindest ein Teil-Heizmassenstrom des Heizmassenstroms stromaufwärts der Abtrennungseinheit 3 durch den zweiten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager 31 geführt wird.
Die Kompressionswärmepumpe 17, insbesondere die Arbeitsmedien-Verdichter 29, sind bei dem hier dargestellten ersten Ausführungsbeispiel jeweils durch eine elektrische Maschine 44, insbesondere einen Elektromotor, angetrieben. Bevorzugt werden sie mit elektrischer Energie aus regenerativen Quellen angetrieben. Vorteilhaft kann somit ansonsten aus chemischer Energie, insbesondere durch Verbrennung fossiler Brennstoffe, bereitgestellte Wärme ersetzt werden durch mechanisch erzeugte Wärme, insbesondere unter Einsatz elektrischer Energie - insbesondere aus regenerativen Quellen - mechanisch erzeugte Wärme.
Bevorzugt besteht bei dem ersten Ausführungsbeispiel die im laufenden Betrieb der Abtrennungseinheit 3 zugeführte Nutzwärme vollständig aus der - um die Wärmepumpen -Wärme vermehrte - Rezyklierungswärme. Es bedarf dann im laufenden Betrieb der Abtrennvorrichtung 1 keiner weiteren Wärmezufuhr mehr. Zum Anfahren der Abtrennvorrichtung 1 kann allerdings - insbesondere als Zusatzwärme - externe Wärme, beispielsweise mittels eines elektrischen Lufterhitzers, - insbesondere auf der Hochtemperaturseite 9 und damit zugleich auf der heißen Seite des Arbeitsmedienkreislaufs 19 - zugeführt werden, bis in dem Abmassenstrom 37 eine für die Entnahme von Rezyklierungswärme im autarken Betrieb ausreichende Wärmemenge zur Verfügung steht.
Insbesondere werden die Feldfrucht- Stücke der Abtrennvorrichtung 1 mit einem Massenstrom von 45 t/h bei einem Trockensubstanz-Gehalt von 32 % zugeführt. Nach Durchlaufen der vorgelagerten Trocknungsstufe 21 resultiert ein Massenstrom von 20 t/h an Feldfrucht- Stücken mit einem Trockensubstanz-Gehalt von 70 %, der in die Abtrennungseinheit 3 über den Produkteingang 5 eingeht. Über den Nutzwärmeeingang 11 wird ein Massenstrom von 138.000 m3/h Zuluft 35 in die Abtrennungseinheit 7 eingeleitet, wobei die Zuluft 35 zuvor in dem dritten Wärmeübertrager 45 von 7 °C mit einer relativen Feuchtigkeit von 77 % auf 100 °C mit einer relativen Feuchtigkeit von 0,8 % erwärmt wird.
Aus dem Produktausgang 7 wird ein Massenstrom von 16 t/h an Feldfrucht- Stücken mit einem Trockensubstanz-Gehalt von 90 % abgeführt. Der Abmassenstrom 37 weist eine Temperatur von 30 °C und eine relative Feuchtigkeit von 99,9 % auf. Nach Durchlaufen des ersten Arbeitsmedien-Wärmeübertragers 25 unter Abgabe der Rezyklierungswärme weist der Abmassenstrom 37 noch eine Temperatur von 25 °C mit einer relativen Feuchtigkeit von 99,9 % auf.
Die elektrische Leistung der Arbeitsmedien -Verdichter 29, insbesondere der elektrischen Maschinen 44, beträgt in Summe 2 MW - vorzugsweise 1 MW pro Arbeitsmedien- Wärmeübertrager 29.
Das Wärmetransportmedium in dem Wärmetransportmedien-Kreislauf 43 hat vorzugsweise im laufenden Betrieb überall entlang des Wärmetransportmedien-Kreislaufs 43 eine Temperatur von 105 °C und wird in dem zweiten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager 31 verdampft, wobei dem Arbeitsmedium Kondensationswärme entzogen wird, die dem Wärmetransportmedium als Verdampfungswärme zugeführt wird. Das Wärmetransportmedium wird in dem dritten Wärmeübertrager 45 kondensiert, wobei ihm Kondensationswärme entzogen wird, die dem Heizmedium 34 zugeführt wird. In einer alternativen Ausgestaltung sind allerdings auch sensible Wärmeübertragungen ohne Phasenübergänge des Wärmetransportmediums möglich, insbesondere wenn das Wärmetransportmedium als Wärmeübertrageröl ausgebildet ist.
Da die Abtrennvorrichtung 1 bei dem ersten Ausführungsbeispiel nur eine Abtrennungseinheit 3 aufweist, von deren Niedertemperaturseite 13 die Rezyklierungswärme auf deren eigene Hochtemperaturseite 9 zurückgeführt wird, sind in dem oben erläuterten Variabiensystem x = 1, y = 1, n = 1, und Bx.y = Bo. Die thermische Sekundärenergie wird entsprechend mit Bi bezeichnet.
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Verfahrens und einer Abtrennvorrichtung 1 zum Abtrennen von Wasser aus einem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch 4.
Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern jeweils auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
Das zweite Ausführungsbeispiel der Abtrennvorrichtung 1 ist eingerichtet, um Wasser aus einer saccharose-haltigen Lösung, insbesondere aus Dünnsaft zur Saccharoseherstellung, abzutrennen. Insbesondere ist die Abtrennvorrichtung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel als Verdampfungsstation einer Zuckerfabrik ausgebildet. Die Abtrennvorrichtung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel weist eine Mehrzahl an Abtrennungseinheiten 3 auf, hier insbesondere vier Abtrennungseinheiten 3, die thermisch miteinander verbunden und entlang eines Wärmestroms hintereinander in Reihe angeordnet sind, insbesondere entlang eines Temperaturgradienten und entlang eines Druckgradienten. Dabei sind in der Reihe von Abtrennungseinheiten 3 die Temperatur und der Druck in einer ersten Abtrennungseinheit 3.1 am höchsten, wobei sowohl der Druck als auch die Temperatur entlang der Reihe der Abtrennungseinheiten 3 über eine zweite Abtrennungseinheit 3.2 und eine dritte Abtrennungseinheit 3.3 bis hin zu einer vierten Abtrennungseinheit 3.4 abnehmen, sodass die Temperatur und der Druck in der vierten Abtrennungseinheit 3.4 am niedrigsten sind.
Die Abtrennungseinheiten 3 sind bei diesem Ausführungsbeispiel als Verdampfungseinheiten ausgebildet.
Die Nutzwärme wird zunächst der ersten Abtrennungseinheit 3.1 über ein Heizmedium 34 zugeführt, in diesem Fall Heizdampf 48, insbesondere Wasserdampf, der insbesondere teilweise von einem Kesselhaus 47 kommenden Kesselhaus-Heizdampf 49 umfasst. Die Rezyklierungswärme wird der thermischen Sekundärenergie auf der Niedertemperaturseite 13 einer stromabwärtigen Abtrennungseinheit 3 der Mehrzahl an Abtrennungseinheiten 3, hier konkret einer vierten Niedertemperaturseite 13.4 der vierten Abtrennungseinheit 3.4, entnommen und mittels der Kompressionswärmepumpe 17 der Hochtemperaturseite 9 einer stromaufwärtigen Abtrennungseinheit 3 der Mehrzahl an Abtrennungseinheiten 3, hier konkret einer ersten Hochtemperaturseite 9.1 der ersten Abtrennungseinheit 3.1, zugeführt; gemäß dem vorstehenden ist dabei die erste, stromaufwärtige Abtrennungseinheit 3.1 entlang des Wärmestroms stromaufwärts der vierten, stromabwärtigen Abtrennungseinheit 3.4 angeordnet. Insbesondere wird bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel die Rezyklierungswärme der thermischen Sekundärenergie der entlang des Wärmestroms letzten Abtrennungseinheit 3.4 der Mehrzahl an Abtrennungseinheiten 3 entnommen und der Hochtemperaturseite 9.1 der entlang des Wärmestroms ersten Abtrennungseinheit 3.1 der Mehrzahl an Abtrennungseinheiten 3 zugeführt.
Insbesondere wird die Rezyklierungswärme dem Heizmassenstrom des Heizmediums 34, hier dem Kesselhaus-Heizdampf 49, aus dem zweiten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager 31 der Kompressionswärmepumpe 17 zugeführt.
Die Abtrennungseinheiten 3 weisen jeweils mindestens eine Heizfläche 51, vorzugsweise eine Mehrzahl an Heizflächen 51, auf, die auf einer Heizmedienseite 53 mit dem Heizdampf 48 beaufschlagt werden und auf einer der Heizmedienseite 53 abgewandten Produktseite 55 mit dem Kohl enhydrat-Wasser-Gemi sch 4 in thermischem Kontakt, insbesondere in berührendem Kontakt, sind. Insbesondere wird die mindestens eine Heizfläche 51 der ersten Abtrennungseinheit 3.1 mit dem Heizmedium 34 beaufschlagt, das an der Heizfläche 51 zu einem Heiz-Kondensat 57 kondensiert und die Kondensationswärme an das Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch 4 abgibt. Das derart entstandene Heiz-Kondensat 57 der ersten Abtrennungseinheit 1 wird zumindest zu einem Teil - insbesondere mittels der zweiten Wärmetransportvorrichtung 41 - dem zweiten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager 31 der Kompressionswärmepumpe 17 zugeführt, in diesem wiederum verdampft und sodann als Rezyklierungsdampf 59 dem Kesselhaus-Heizdampf 49 zugeführt. Der der ersten Abtrennungseinheit 3.1 zugeführte Heizdampf 48 umfasst also zu einem Teil den von dem Kesselhaus 47 heranströmenden Kesselhaus-Heizdampf 49 und zu einem anderen Teil den aus dem Heiz-Kondensat 57 gebildeten Rezyklierungsdampf 59. Insbesondere wird bei diesem Ausführungsbeispiel demnach ein Teil-Heizmassenstrom in Form des Heiz- Kondensats 57 durch den zweiten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager 31 geführt, wo dieser Teil- Heizmassenstrom die Rezyklierungswärme - vermehrt um die Wärmepumpen-Wärme - aufnimmt. Danach wird der Teil-Heizmassenstrom in Form des in dem zweiten Arbeitsmedien- Wärmeübertrager 31 aus dem Heiz-Kondensat 57 gebildeten Rezyklierungsdampfs 59 mit dem restlichen Heizmassenstrom vereinigt, und der gesamte Heizmassenstrom wird der ersten Hochtemperaturseite 9.1 der ersten Abtrennungseinheit 3.1 zugeführt.
Bevorzugt wird das Heiz-Kondensat 57 zunächst in einem Sammelbehälter 61 gesammelt. Vorzugsweise wird durch eine Aufteilungsvorrichtung 63, die insbesondere als Pumpe oder als Ventil ausgebildet sein kann, vorgegeben, welcher Anteil des Heiz-Kondensats 57 dem zweiten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager 31 zugeführt wird. Der verbleibende, nicht dem zweiten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager 31 zugeführte Anteil des Heiz-Kondensats 57 wird bevorzugt - insbesondere nach Abkühlung in einem Kühler 65 - einem Speisewasserbehälter 67 eines nicht dargestellten Dampferzeugers des Kesselhauses 47 zugeführt.
Die Rezyklierungswärme wird dem das in der vierten Abtrennungseinheit 3.4 aus dem Kohl enhydrat-Wasser-Gemi sch 4 abgetrennte Wasser abführenden Abmassenstrom 37, hier einem Brüden, entzogen, wobei der Abmassenstrom 37 zumindest teilweise unmittelbar dem ersten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager 25 der Kompressionswärmepumpe 17 zugeführt wird. In dem ersten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager wird der Brüden zu einem Produkt-Kondensat 69 kondensiert, das schließlich - insbesondere zur weiteren Verwendung als Wärmequelle in anderen Prozessen - abgeführt wird. Die Kompressionswärmepumpe 17 stellt eine stoffliche Trennung der vierten Niedertemperaturseite 13.4 der vierten Abtrennungseinheit 3.4 von der ersten Hochtemperaturseite 9.1 der ersten Abtrennungseinheit 3.1 bereit, wobei diese vielmehr lediglich thermisch miteinander über die Kompressionswärmepumpe 17 verbunden sind. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine Vermischung des Produkt-Kondensats 69 mit dem Heiz-Kondensat 57 vermieden.
In jeder der Abtrennungseinheiten 3 entsteht durch Abtrennung des Wassers aus dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch 4 ein Brüden. Gemäß dem zuvor erläuterten Variabiensystem sind x = 4, y = 4 und n = 4, somit wird wird der Heizdampf 48 mit Bx.y = Bo bezeichnet, der erste Brüden der ersten Abtrennungseinheit 3.1 mit Bi, der zweite Brüden der zweiten Abtrennungseinheit 3.2 mit B2, dritte Brüden der dritten Abtrennungseinheit 3.3 als B3, und schließlich der vierte Brüden der vierten Abtrennungseinheit 3.4 mit /N, wobei der vierte Brüden B4 der Abmassenstrom 37 ist. Die der ersten Abtrennungseinheit 3.1 nachfolgenden Abtrennungseinheiten 3 werden jeweils durch den Brüden der unmittelbar vorhergehenden Abtrennungseinheit 3 - als Nutzwärme führendes Heizmedium - beheizt. Die thermische Sekundärenergie einer unmittelbar vorausgehenden Abtrennungseinheit 3 ist somit zugleich zumindest teilweise die Nutzwärme der unmittelbar nachfolgenden Abtrennungseinheit 3. Dabei fällt in jeder der Abtrennungseinheiten 3 ein Kondensat an, wobei die Kondensate analog zu der Bezeichnung der Brüden als Ko, Ki, K2, und K3 bezeichnet werden. Insbesondere sind entsprechend die zweiten bis vierten Kondensate Ki, K2, und Kj jeweils zugleich Produkt-Kondensate der jeweils in der Bezeichnung gemäß dem Index übereinstimmenden Abtrennungseinheit 3.1, 3.2, 3.3 und Heiz-Kondensate der unmittelbar nachfolgenden Abtrennungseinheit 3.2, 3.3, 3.4 mit um 1 erhöhtem Index. Das an der ersten Abtrennungseinheit 3.1 anfallende erste Kondensat Ko ist das Heiz-Kondensat 57. Ein fünftes Kondensat K4 des vierten Brüden B4 ist das Produkt-Kondensat 69. Die Kondensate Ko, Ki, K2, Ks, K4, werden jeweils in Sammelbehältern 61 gesammelt und schließlich - insbesondere zur weiteren Verwendung als Wärmequelle in anderen Prozessen - abgeführt.
Die Brüden Bi, B2 und Bs werden außer zum Beheizen der jeweils unmittelbar nachfolgenden Abtrennungseinheit 3 bevorzugt anteilig zum Vorwärmen des Kohlenhydrat-Wasser-Gemischs 4 in Erhitzern 71 verwendet. Weiterhin werden sie bevorzugt anteilig - insbesondere zu einem verbleibenden Anteil - in den Sammelbehältern 61 kondensiert und entsprechend als Kondensat abgeführt. Der vierte Brüden B4 wird bevorzugt anteilig für weitere Wärmeverwendungen, beispielsweise zur Saft-Aufreinigung, insbesondere von Rohsaft, oder zur Diffusion verwendet. Die Abtrennvorrichtung 1 wird bevorzugt so betrieben, dass im laufenden Betrieb der Kompressionswärmepumpe 17 kein rückzukühlender Anteil des vierten Brüdens B4 verbleibt. Insbesondere stellt der erste Arbeitsmedien-Wärmeübertrager 25 als Wärmesenke die Triebkraft für den Prozess bereit. Verbleibt dennoch - insbesondere beim Anfahren oder Abfahren der Abtrennvorrichtung 1 - ein rückzukühlender Anteil, wird dieser bevorzugt einem Kühlturm 73 zugeführt, um eine ausreichende Triebkraft für den Verdampfungsprozess bereitzustellen. Die Zuleitung zu dem Kühlturm 73 kann insbesondere bedarfsgerecht über eine Ventilvorrichtung 75 geöffnet oder geschlossen werden. Insbesondere ist die Ventilvorrichtung 75 im Dauerbetrieb geschlossen und kann insbesondere zum Anfahren der Abtrennvorrichtung 1 geöffnet werden und insbesondere so lange geöffnet bleiben, bis die Kompressionswärmepumpe 17 die abgesehen von den weiteren Wärmeverwendungen verbleibende Abwärme des vierten Brüden B4 vollständig abnehmen kann.
Insbesondere wird von jeder Abtrennungseinheit 3 der Mehrzahl an Abtrennungseinheiten 3 ein Abmassenstrom 37 in Form des jeweiligen Brüdens Bi, B2, Bj, B4 abgeführt, wobei mindestens einer der Abmassenströme 37, insbesondere jeder Abmassenstrom 37, als Wärmequelle für einen weiteren Prozess verwendet wird.
Bei dem hier dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ist der Produktstrom des Kohlenhydrat- Wasser-Gemischs 4 parallel und gleichsinnig zu dem Wärmestrom ausgelegt: Das Kohlenhydrat- Wasser-Gemisch 4 strömt zunächst als Dünnsaft in die erste Abtrennungseinheit 3.1 ein und durchläuftt dann in der angegebenen Reihenfolge nacheinander die zweite Abtrennungseinheit 3.2, die dritte Abtrennungseinheit 3.3 und schließlich die vierte Abtrennungseinheit 3.4, die es dann aufkonzentriert als Dicksaft verlässt.
Insbesondere wird das hier dargestellte Ausführungsbeispiel der Abtrennvorrichtung 1 mit folgenden Parametern betrieben: Der ersten Abtrennungseinheit 3.1 werden 525 t/h Dünnsaft mit einem Trockensubstanz-Gehalt von 18 % als das Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch 4 zugeführt, wobei der Verdampfungsprozess in den vier Abtrennungseinheiten 3 so geführt wird, dass aus der vierten Abtrennungseinheit 3.4 ein Massenstrom von 124 t/h Dicksaft mit einem Trockensubstanz- Gehalt von 72 % resultiert.
Während einer konventionellen Abtrennvorrichtung 1 mit unmittelbar angeschlossener und thermisch verbundener Kristallisationseinheit und sechs Abtrennungseinheiten 3 für die entsprechende Abtrenn- und Kristallisationsleistung ein Massenstrom von 100 t/h Heizdampf aus dem Kesselhaus 47 auf einem Temperaturniveau von 130 °C bis 135 °C zugeführt werden müsste, wird der hier dargestellten Abtrennvorrichtung 1 mit ihren lediglich vier Abtrennungseinheiten 3 lediglich ein Massenstrom von 41 t/h Kesselhaus-Heizdampf 49 aus dem Kesselhaus 47 auf einem Temperaturniveau von 120 °C bei 1,96 bar absolut zugeführt. Vorteilhaft wird somit zum einen in zweierlei Hinsicht Energie eingespart: Zum einen mit Blick auf die im Kesselhaus 47 zu erzeugende Dampfmenge, zum anderen mit Blick auf die Dampftemperatur, wodurch ein deutlich reduzierter Einsatz von insbesondere fossiler chemischer Verbrennungsenergie zur Dampferzeugung nötig ist; zum anderen wird das Risiko einer unerwünschten Verfärbung des Dicksafts beim Trocknungsprozess aufgrund der geringeren thermischen Einwirkung bei der abgesenkten Temperatur wirksam reduziert. Zusätzlich werden 68 t/h Rezyklierungsdampf 59 auf einem Temperaturniveau von 120 °C bei 1,96 bar absolut von dem zweiten Arbeitsmedien- Wärmeübertrager 31 herangeführt, sodass der ersten Abtrennungseinheit 3.1 insgesamt 109 t/h Heizdampf 48 bei 120 °C und 1,96 bar absolut als Heizmedium 34 zugeführt werden. Die Energie zur Erzeugung des Rezyklierungsdampfs 59 wird zum einen in dem ersten Arbeitsmedien- Wärmeübertrager 25 dem Abmassenstrom 37 und damit dem vierten Brüden B4 entnommen, der einen Gesamt-Massenstrom von 93,5 t/h bei einer Temperatur von 95 °C und einem Druck von 0,84 bar absolut aufweist, von dem 56,5 t/h dem ersten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager 25 und 37 t/h den weiteren Wärmeverwendungen zugeführt werden. Zum anderen stammt die Energie aus elektrischer Leistung, mit der die Arbeitsmedien-Verdichter 29 betrieben werden, hier insgesamt 6 MW. Die Reduzierung der Anzahl der Abtrennungseinheiten im Vergleich zu einem konventionellen Verfahren erlaubt es insbesondere vorteilhaft, eine hohe Dampftemperatur auch stromabwärts der letzten Abtrennungseinheit aufrechtzuerhalten, sodass eine hinreichende Rezyklierungswärme entnommen werden kann.
Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens und einer Abtrennvorrichtung 1 zum Abtrennen von Wasser aus einem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch 4. Das vierte Ausführungsbeispiel der Abtrennvorrichtung 1 ist eingerichtet, um Saccharose aus Dicksaft oder Sirup zu kristallisieren, indem Wasser aus dem Dicksaft oder Sirup abgetrennt wird. Insbesondere ist die Abtrennvorrichtung 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ausgebildet als Kristallisationseinheit einer Zuckerfabrik.
Insbesondere weist die Abtrennvorrichtung 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel genau eine als Kristallisationseinheit ausgebildete Abtrennungseinheit 3 auf. Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel wird im laufenden Betrieb der Abtrennvorrichtung 1 der Abtrennungseinheit 3 auf deren Hochtemperaturseite 9 als Nutzwärme ausschließlich - um die Wärmepumpen-Wärme vermehrte - Rezyklierungswärme in Form von Rezyklierungsdampf 59 zugeführt; die Nutzwärme besteht also jedenfalls im laufenden Betrieb aus der - um die Wärmepumpen-Wärme vermehrten - Rezyklierungswärme, sodass die für den Betrieb der Abtrennvorrichtung 1 erforderliche Energie zumindest im laufenden Betrieb ausschließlich aus der den Arbeitsmedien-Verdichtern 29 zugeführten elektrischen Leistung, hier 8 MW, stammt. Zum Anfahren der Abtrennvorrichtung 1 kann in hier nicht explizit dargestellter Weise über ein Dampfventil 77 Heizdampf- insbesondere als Zusatzwärme - eingespeist werden, bis die auf der Niedertemperaturseite 13 zur Verfügung stehende thermische Sekundärenergie für den autarken Betrieb der Abtrennvorrichtung 1 ausreicht. Der Rezyklierungsdampf 59 wird in dem zweiten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager 31 unmittelbar aus dem Heiz-Kondensat 57 erzeugt. Der Rezyklierungsdampf 59 kondensiert also an der Heizfläche 51 der Abtrennungseinheit 3 zu dem Heiz-Kondensat 57 und gibt Kondensationswärme an das Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch 4 ab, und das Heiz-Kondensat 57 wird wiederum in dem zweiten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager 31 zu dem Rezyklierungsdampf 59 verdampft. Die Temperatur bleibt dabei vorzugsweise entlang dieses Kreislaufs zumindest näherungsweise konstant, ein Energieaustausch oder Wärmestrom findet lediglich in Form von Kondensationswärme in der Abtrennungseinheit 3 - unter Verdampfung von Wasser aus dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch 4 - und Verdampfungswärme in dem zweiten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager 31 - unter Kondensation des Arbeitsmediums - statt.
Insbesondere wird bei diesem Ausführungsbeispiel der gesamte Heizmassenstrom durch den zweiten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager 31 geführt, wo der Heizmassenstrom die Rezyklierungswärme - vermehrt um die Wärmepumpen-Wärme - aufnimmt, indem das Heiz- Kondensat 57 in den Rezyklierungsdampf 59 gewandelt wird. Danach wird der Heizmassenstrom in Form des Rezyklierungsdampfs 59 der Hochtemperaturseite 9 der Abtrennungseinheit 3 zugeführt.
Die Rezyklierungswärme wird einem Teil des als Brüden anfallenden Abmassenstroms 37 in dem ersten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager 25 entnommen. Das dabei anfallende Produkt-Kondensat 69 wird vorzugsweise zum Vorwärmen von Rohsaft der Zuckerfabrik verwendet. Ein anderer Teil des Abmassenstroms 37 wird bevorzugt zur direkten Anwärmung von Dicksaft und/oder Rohsaft verwendet, wobei der Brüden zunächst in einem als ein erster Kühlturm 73.1 dargestellten Vorkondensator kondensiert wird, wobei dann das entstehende Kondensat-Kühlwassergemisch der entsprechenden Wärmesenke, das heißt der Dicksaft-Anwärmung und/oder der Rohsaft- Anwärmung, zugeführt wird. Die Ventilvorrichtung 75 ist im laufenden Betrieb vorzugsweise geschlossen, kann aber insbesondere zum Anfahren der Abtrennvorrichtung 1 geöffnet werden, um nicht abgenommene Wärme einem zweiten Kühlturm 73.2 zuzuführen.
Gemäß dem oben erläuterten Variabiensystem sindx = 1, y = 1, n = 1 und der Rezyklierungsdampf 59 wird als Bx.y = Bo bezeichnet. Der als Abmassenstrom 37 anfallende Brüden wird entsprechend mit y bezeichnet. Das Heiz-Kondensat 57 wird als Ä7; bezeichnet, und das Produkt-Kondensat 69 als V/.
Insbesondere wird der Abtrennungseinheit 3 ein Massenstrom von 51 t/h an Rezyklierungsdampf 59 bei 102 °C und 1,09 bar absolut zugeführt. Der Abmassenstrom 37 beträgt 36 t/h und verlässt die Abtrennungseinheit 3 mit einer Temperatur von 65 °C und einem Druck von 0,25 bar absolut. Am Ort des ersten Arbeitsmedien-Wärmeübertragers 25 weist er noch eine Temperatur von 60 °C auf.
Bei einem nicht explizit dargestellten Ausführungsbeispiel, das allerdings als Kombination aus dem zweiten Ausführungsbeispiel und dem dritten Ausführungsbeispiel gedacht werden kann, weist die Abtrennvorrichtung 1 als mindestens eine erste Abtrennungseinheit mindestens eine Verdampfungseinheit, insbesondere die vier Abtrennungseinheiten 3 des zweiten Ausführungsbeispiels, und zusätzlich als mindestens eine zweite Abtrennungseinheit mindestens eine Kristallisationseinheit, insbesondere die Abtrennungseinheit 3 des dritten Ausführungsbeispiels, auf. Dabei wird der thermischen Sekundärenergie der mindestens einen Verdampfungseinheit Rezyklierungswärme entnommen, die der mindestens einen Verdampfungseinheit mittels einer ersten Kompressionswärmepumpe wieder zugeführt wird, wobei zugleich der thermischen Sekundärenergie der mindestens einen Kristallisationseinheit Rezyklierungswärme entnommen wird, die der mindestens ein Kristallisationseinheit mittels einer zweiten Kompressionswärmepumpe wieder zugeführt wird.
Insbesondere wird der mindestens einen Kristallisationseinheit das Kohlenhydrat-Wasser- Gemisch 4 aus der mindestens einen Verdampfungseinheit - direkt oder über ein Zwischenlager - zugeführt, das heißt insbesondere der Dicksaft. Insbesondere werden die mindestens eine Verdampfungseinheit und die mindestens eine Kristallisationseinheit, insbesondere die erste Kompressionswärmepumpe und die zweite Kompressionswärmepumpe, thermisch getrennt voneinander betrieben werden.
Fig. 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens und einer Abtrennvorrichtung 1 zum Abtrennen von Wasser aus einem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch 4. Das vierte Ausführungsbeispiel der Abtrennvorrichtung 1 ist eingerichtet, um Wasser aus einem stärkehaltigen Medium als dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch 4 abzutrennen. Insbesondere ist die Abtrennvorrichtung 1 als Verdampfungsstation einer Stärkefabrik eingerichtet.
Die Abtrennvorrichtung 1 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel weist eine Mehrzahl an Abtrennungseinheiten 3 auf, hier insbesondere vier Abtrennungseinheiten 3, die thermisch miteinander verbunden und entlang eines Wärmestroms hintereinander in Reihe angeordnet sind, insbesondere entlang eines Temperaturgradienten und entlang eines Druckgradienten. Dabei sind in der Reihe von Abtrennungseinheiten 3 die Temperatur und der Druck in einer ersten Abtrennungseinheit 3.1 am höchsten, wobei sowohl der Druck als auch die Temperatur entlang der Reihe der Abtrennungseinheiten 3 über eine zweite Abtrennungseinheit 3.2 und eine dritte Abtrennungseinheit 3.3 bis hin zu einer vierten Abtrennungseinheit 3.4 abnehmen, sodass die Temperatur und der Druck in der vierten Abtrennungseinheit 3.4 am niedrigsten sind.
Die Abtrennungseinheiten 3 sind bei auch bei dem vierten Ausführungsbeispiel als Verdampfungseinheiten ausgebildet.
Auch bei dem vierten Ausführungsbeispiel wird im laufenden Betrieb der Abtrennvorrichtung 1 der ersten Abtrennungseinheit 3.1 auf deren erster Hochtemperaturseite 9.1 als Nutzwärme ausschließlich Rezyklierungswärme in Form von Rezyklierungsdampf 59 zugeführt; die Nutzwärme besteht also jedenfalls im laufenden Betrieb aus der Rezyklierungswärme, sodass die für den Betrieb der Abtrennvorrichtung 1 erforderliche Energie zumindest im laufenden Betrieb ausschließlich aus der den Arbeitsmedien-Verdichtern 29 zugeführten elektrischen Leistung, hier 1,6 MW, stammt. Insbesondere zum Anfahren der Abtrennvorrichtung 1 kann Kesselhaus- Heizdampf 49 aus einem Kesselhaus 47 - insbesondere als Zusatzwärme - eingespeist werden, bis die auf der vierten Niedertemperaturseite 13.4 der vierten Abtrennungseinheit 3.4 zur Verfügung stehende thermische Sekundärenergie für den autarken Betrieb der Abtrennvorrichtung 1 ausreicht. Der Rezyklierungsdampf 59 wird in dem zweiten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager 31 unmittelbar aus einem Heiz-Kondensat 57 erzeugt. Der Rezyklierungsdampf 59 kondensiert an der Heizfläche 51 der ersten Abtrennungseinheit 3.1 zu dem Heiz-Kondensat 57 und gibt Kondensationswärme an das Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch 4 ab, und das Heiz-Kondensat 57 wird wiederum in dem zweiten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager 31 zu dem Rezyklierungsdampf 59 verdampft. Die Temperatur bleibt dabei vorzugsweise entlang dieses Kreislaufs zumindest näherungsweise konstant.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird im laufenden Betrieb der gesamte Heizmassenstrom, und insbesondere zum Anfahren ein Teil-Heizmassenstrom, in Form des Heiz-Kondensats 57 durch den zweiten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager 31 geführt, wo dieser Heizmassenstrom die Rezyklierungswärme - vermehrt um die Wärmepumpen-Wärme - aufnimmt. Danach wird der Heizmassenstrom in Form des Rezyklierungsdampfs 59 - gegebenenfalls nach einer Vereinigung mit dem restlichen Heizmassenstrom der Zusatzwärme beim Anfahren - der ersten Hochtemperaturseite 9.1 der ersten Abtrennungseinheit 3.1 zugeführt.
Bevorzugt wird das Heiz-Kondensat 57 zunächst in einem Sammelbehälter 61 gesammelt.
Die Rezyklierungswärme wird dem das in der vierten Abtrennungseinheit 3.4 aus dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch 4 abgetrennte Wasser abführenden Abmassenstrom 37, hier einem Brüden, entzogen, wobei der Abmassenstrom 37 zumindest teilweise unmittelbar dem ersten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager 25 der Kompressionswärmepumpe 17 zugeführt wird. In dem ersten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager 25 wird der Brüden zu einem Produkt-Kondensat 69 kondensiert, das schließlich - insbesondere zur weiteren Verwendung als Wärmequelle in anderen Prozessen - abgeführt wird. Die Kompressionswärmepumpe 17 stellt eine stoffliche Trennung der vierten Niedertemperaturseite 13.4 der vierten Abtrennungseinheit 3.4 von der ersten Hochtemperaturseite 9.1 der ersten Abtrennungseinheit 3.1 bereit, wobei diese vielmehr lediglich thermisch miteinander über die Kompressionswärmepumpe 17 verbunden sind. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine Vermischung des Produkt-Kondensats 69 mit dem Heiz-Kondensat 57 vermieden.
In jeder der Abtrennungseinheiten 3 entsteht durch Abtrennung des Wassers aus dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch 4 ein Brüden. Gemäß dem zuvor erläuterten Variabiensystem sind x = 4, y = 4 und n = 4, somit wird der Heizdampf 48 mit Bx.y = Bo bezeichnet, der erste Brüden der ersten Abtrennungseinheit 3.1 mit Bi, der zweite Brüden der zweiten Abtrennungseinheit 3.2 mit B2, dritte Brüden der dritten Abtrennungseinheit 3.3 als Bj, und schließlich der vierte Brüden der vierten Abtrennungseinheit 3.4 mit B4, wobei der vierte Brüden B4 der Abmassenstrom 37 ist. Die der ersten Abtrennungseinheit 3.1 nachfolgenden Abtrennungseinheiten 3 werden jeweils durch den Brüden der unmittelbar vorhergehenden Abtrennungseinheit 3 beheizt. Dabei fällt in jeder der Abtrennungseinheiten 3 ein Kondensat an, wobei die Kondensate analog zu der Bezeichnung der Brüden als Ko, Ki, K2, und Ks bezeichnet werden. Insbesondere sind entsprechend die zweiten bis vierten Kondensate Ki, K2, und Ks jeweils zugleich Produkt-Kondensate der jeweils in der Bezeichnung gemäß dem Index übereinstimmenden Abtrennungseinheit 3.1, 3.2, 3.3 und Heiz- Kondensate der unmittelbar nachfolgenden Abtrennungseinheit 3.2, 3.3, 3.4 mit um 1 erhöhtem Index. Das an der ersten Abtrennungseinheit 3.1 anfallende erste Kondensat Ko ist das Heiz- Kondensat 57. Ein fünftes Kondensat K4 des vierten Brüden B4 ist das Produkt-Kondensat 69.
Der zweite Brüden B2 wird außer zum Beheizen der dritten Abtrennungseinheit 3.3 anteilig zum Vorwärmen des Kohlenhydrat-Wasser-Gemischs 4 in einem ersten Erhitzer 71.1 verwendet. Der Heizdampf 48 wird anteilig in einem zweiten Erhitzer 71.2 zum Zwischenheizen des Kohlenhydrat-Wasser-Gemischs 4 verwendet.
Die Abtrennvorrichtung 1 wird bevorzugt so betrieben, dass im laufenden Betrieb der Kompressionswärmepumpe 17 ein rückzukühlender Anteil von 2,9 t/h des vierten Brüdens B4 verbleibt, insbesondere da bei diesem Ausführungsbeispiel keine weiteren Verbraucher oder Wärmesenken vorhanden sind. Dieser rückzukühlende Anteil wird bevorzugt einem Kühlturm 73 zugeführt, insbesondere um eine ausreichende Triebkraft für den Verdampfungsprozess zur Erreichung des gewünschten Trockensubstanz-Gehalts bereitzustellen. Die Zuleitung zu dem Kühlturm 73 kann insbesondere bedarfsgerecht über eine Ventilvorrichtung 75 geöffnet oder geschlossen werden.
Bei dem hier dargestellten vierten Ausführungsbeispiel ist der Produktstrom des Kohlenhydrat- Wasser-Gemischs 4 nicht entlang des Wärmestroms ausgelegt: Das Kohlenhydrat-Wasser- Gemisch 4 strömt zunächst in die dritte Abtrennungseinheit 3.3 ein und durchläuft dann in der angegebenen Reihenfolge nacheinander die vierte Abtrennungseinheit 3.4, die zweite Abtrennungseinheit 3.2 und schließlich die erste Abtrennungseinheit 3.1, die es dann aufkonzentriert verlässt. Zwischen der vierten Abtrennungseinheit 3.4 und der zweiten Abtrennungseinheit 3.2 wird das Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch 4 mittels eines Anteils des zweiten Brüdens B2 in dem ersten Erhitzer 71.1 zwischen erhitzt. Zwischen der zweiten Abtrennungseinheit 3.2 und der ersten Abtrennungseinheit 3.1 wird das Kohlenhydrat-Wasser- Gemisch 4 mittels eines Anteils des Heizdampf 48 in dem zweiten Erhitzer 71.2 zwischen erhitzt. Insbesondere wird durch die Reihenfolge der Abtrennungseinheiten 3 entlang des Produktstroms und die Erhitzer 71 gewährleistet, dass das Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch 4 beim Aufkonzentrieren ausreichend fließfähig bleibt.
Insbesondere wird das hier dargestellte Ausführungsbeispiel der Abtrennvorrichtung 1 mit folgenden Parametern betrieben: Der dritten Abtrennungseinheit 3.3 werden 43 t/h Sirup mit einem Trockensubstanz-Gehalt von 32 % als das Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch 4 zugeführt, wobei der Verdampfungsprozess in den vier Abtrennungseinheiten 3 so geführt wird, dass aus der ersten Abtrennungseinheit 3.1 ein Massenstrom von 17 t/h aufkonzentrier er Sirup mit einem Trockensubstanz-Gehalt von 81 % resultiert.
Der Abtrennvorrichtung 1 werden 6,8 t/h Rezyklierungsdampf 59 auf einem Temperatumiveau von 105 °C bei 1,2 bar absolut zugeführt. Der vierte Brüden B4 fällt mit einem Massenstrom von
7.4 t/h bei einem Temperaturniveau von 48 °C und einem Druck von 0,11 bar absolut an, wovon
4.5 t/h dem ersten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager 25 geführt werden. Die restlichen 2,9 t/h werden - insbesondere über die Ventilvorrichtung 75 - dem Kühlturm 73 zugeführt.
Fig. 5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens und einer Abtrennvorrichtung 1 zum Abtrennen von Wasser aus einem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch 4. Das fünfte Ausführungsbeispiel der Abtrennvorrichtung 1 ist eingerichtet, um Wasser aus einer Schlempe aus der Bioalkohol-Produktion als dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch 4 abzutrennen.
Die Abtrennvorrichtung 1 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel weist eine Mehrzahl an Abtrennungseinheiten 3 auf, hier insbesondere vier Abtrennungseinheiten 3, wobei zumindest die ersten drei Abtrennungseinheiten 3.1, 3.2 und 3.3 thermisch miteinander verbunden sind. Dabei sind diese drei Abtrennungseinheiten 3.1, 3.2, 3.3 entlang eines Wärmestroms hintereinander in Reihe angeordnet, insbesondere entlang eines Temperaturgradienten und entlang eines Druckgradienten. In der Reihe von Abtrennungseinheiten 3 sind die Temperatur und der Druck in einer ersten Abtrennungseinheit 3.1 am höchsten, wobei sowohl der Druck als auch die Temperatur entlang der Reihe der Abtrennungseinheiten 3 über die zweite Abtrennungseinheit 3.2 bis hin zu der dritten Abtrennungseinheit 3.3 abnehmen, sodass die Temperatur und der Druck in der dritten Abtrennungseinheit 3.3 am niedrigsten sind.
Die vierte Abtrennungseinheit 3.4 ist aus dem Wärmestrom der übrigen Abtrennungseinheiten 3 ausgegliedert und separat insbesondere mittels Kesselhaus-Heizdampf 49 als Träger von Nutzwärme aus einem Kesselhaus 47 beheizt. Ein dieser vierten Abtrennungseinheit 3.4 zugeordneter und deswegen als vierter Abmassenstrom 37.4 bezeichneter Abmassenstrom 37 wird bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zumindest zum größten Teil zu einem Kühlturm 73 hin abgeführt, kann aber zumindest teilweise auch dem ersten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager 25 zugeführt werden, sodass dann diesem vierten Abmassenstrom 37.4 Rezyklierungswärme für den Betrieb der anderen Abtrennungseinheiten 3 entnommen werden kann. Auf diese Weise ist dann die vierte Abtrennungseinheit 3.4 thermisch mit den übrigen Abtrennungseinheiten 3 verbunden.
Die Abtrennungseinheiten 3 sind bei auch bei dem fünften Ausführungsbeispiel als Verdampfungseinheiten ausgebildet.
Auch bei dem fünften Ausführungsbeispiel wird im laufenden Betrieb der Abtrennvorrichtung 1 der ersten Abtrennungseinheit 3.1 auf deren erster Hochtemperaturseite 9.1 als Nutzwärme ausschließlich Rezyklierungswärme in Form von Rezyklierungsdampf 59 zugeführt.
Die erste, zweite und dritte Abtrennungseinheit 3.1, 3.2, 3.3 weisen jeweils einen Verdampfungsraum 79 auf, der derart angeordnet und eingerichtet ist, dass in dem Verdampfungsraum 79 eine - insbesondere schlagartige oder plötzliche - Verdampfung von Wasser aus dem überhitzten Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch 4, insbesondere in Form einer Bildung von Flash-Dampf, erfolgen kann. Stromaufwärts des Verdampfungsraums weisen die erste, zweite und dritte Abtrennungseinheit 3.1, 3.2, 3.3 jeweils eine Überhitzungsvorrichtung 81 auf, die eingerichtet ist zur Überhitzung des Kohlenhydrat-Wasser-Gemischs 4 vor dessen Eintritt in den jeweiligen Verdampfungsraum 79. Insbesondere herrscht in dem Verdampfungsraum 79 jeweils ein Druck, der geringer ist als der Druck, der stromaufwärts des jeweiligen Verdampfungsraums 79 - insbesondere in der jeweils zugeordneten Überhitzungsvorrichtung 81 - herrscht.
Die Nutzwärme wird der jeweiligen Hochtemperaturseite 9 also zugeführt, indem das Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch 4 überhitzt wird.
Insbesondere wird der Rezyklierungsdampf 59 zumindest teilweise - zu einem ersten Anteil - der ersten Überhitzungsvorrichtung 81.1 der ersten Abtrennungseinheit 3.1 zugeleitet, wo er kondensiert, sodass seine Kondensationswärme zum Überhitzen des Kohlenhydrat-Wasser- Gemischs 4 verwendet wird. Ein derart entstehendes Heiz-Kondensat 57 wird in den zweiten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager 31 der Kompressionswärmepumpe 17 geleitet und dort verdampft, woraus wiederum der Rezyklierungsdampf 59 entsteht. Ein zweiter Anteil des Rezyklierungsdampfs 59 wird bevorzugt in einem ersten Zusatz-Überhitzer 83.1 der ersten Abtrennungseinheit 3.1 zum Überhitzen des Kohlenhydrat-Wasser-Gemischs 4 verwendet. Ein dritter Anteil des Rezyklierungsdampf 59 wird bevorzugt in einem zweiten Zusatz-Überhitzer 83.2 der zweiten Abtrennungseinheit 3.2 zum Überhitzen des Kohlenhydrat-Wasser-Gemischs 4 verwendet.
Entsprechend besteht bei diesem Ausführungsbeispiel der Heizmassenstrom aus dem Massenstrom des Kohlenhydrat-Wasser-Gemischs 4 selbst, wobei die Rezyklierungswärme - vermehrt um die Wärmepumpen-Wärme - dem Heizmassenstrom aus dem zweiten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager 31 vermittelt über die zweite Wärmetransportvorrichtung 41 zugeführt wird. Die zweite Wärmetransportvorrichtung 41 umfasst dabei als Wärmetransportmedium das Heiz-Kondensat 57 stromaufwärts des zweiten Arbeitsmedien- Wärmeübertragers 31 sowie den darin gebildeten Rezyklierungsdampf 59 stromabwärts des zweiten Arbeitsmedien-Wärmeübertragers 31.
Die Rezyklierungswärme wird insbesondere dem das in der dritten Abtrennungseinheit 3.3 aus dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch 4 abgetrennte Wasser abführenden dritten Abmassenstrom 37.3, hier einem Brüden, und/oder - je nach Wärmebedarf oder konkreter Auslegung - dem vierten Abmassenstrom 37.4, ebenfalls einem Brüden, entzogen, wobei zumindest einer der Abmassenströme 37.3, 37.4 zumindest teilweise unmittelbar dem ersten Arbeitsmedien- Wärmeübertrager 25 der Kompressionswärmepumpe 17 zugeführt wird. In dem ersten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager 25 wird der entsprechende Brüden zu einem Produkt-Kondensat 69 kondensiert, das schließlich - insbesondere zur weiteren Verwendung als Wärmequelle in anderen Prozessen - abgeführt wird.
In jeder der Abtrennungseinheiten 3 entsteht durch Abtrennung des Wassers aus dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch 4 ein Brüden. Da die vierte Abtrennungseinheit 3.4 bevorzugt nicht in den Wärmestrom der anderen drei Abtrennungseinheiten 3 eingebunden ist, wird diese in dem zuvor erläuterten Variabiensystem nicht betrachtet. Gemäß diesem sind demnach x = 3, y = 3 und n = 3, somit wird der Rezyklierungsdampf mit Bx.y = Bo bezeichnet, der erste Brüden der ersten Abtrennungseinheit 3.1 mit Bi, der zweite Brüden der zweiten Abtrennungseinheit 3.2 mit B2, und der dritte Brüden der dritten Abtrennungseinheit 3.3 mit Bj. Die der ersten Abtrennungseinheit 3.1 nachfolgenden Abtrennungseinheiten 3 - insbesondere deren jeweilige Überhitzungsvorrichtungen 81 - werden jeweils durch den die jeweilige Nutzwärme heranführenden Brüden der unmittelbar vorhergehenden Abtrennungseinheit 3 beheizt. Dabei fällt in jeder der Abtrennungseinheiten 3 jeweils in der Überhitzungsvorrichtung 81 ein Kondensat an, wobei die Kondensate analog zu der Bezeichnung der Brüden als Ko, Ki, und K2 bezeichnet werden. Insbesondere sind entsprechend das zweite und dritte Kondensat Ki und K2 jeweils zugleich Produkt-Kondensate der jeweils in der Bezeichnung gemäß dem Index übereinstimmenden Abtrennungseinheit 3.1, 3.2 und Heiz-Kondensate der unmittelbar nachfolgenden Abtrennungseinheit 3.2, 3.3 mit um 1 erhöhtem Index. Ein drittes Kondensat K des dritten Brüden Bs ist Teil des Produkt-Kondensats 69.
Ein rückzukühlender Anteil der dritten und vierten Abmassenströme 37.3, 37.4 wird bevorzugt dem Kühlturm 73 zugeführt. Dieser Anteil kann insbesondere bedarfsgerecht über eine Ventilvorrichtung 75 eingestellt werden.
Bei dem hier dargestellten fünften Ausführungsbeispiel ist der Produktstrom des Kohlenhydrat- Wasser-Gemischs 4 zumindest teilweise entgegen dem Wärmestrom ausgelegt: Das Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch 4 strömt zunächst in die vierte Abtrennungseinheit 3.4 ein und durchläuft dann in der angegebenen Reihenfolge nacheinander die dritte Abtrennungseinheit 3.3, die zweite Abtrennungseinheit 3.2 und schließlich die erste Abtrennungseinheit 3.1, die es dann aufkonzentriert verlässt. Insbesondere wird dadurch gewährleistet, dass das Kohlenhydrat- Wasser-Gemisch 4 beim Aufkonzentrieren ausreichend fließfähig bleibt. Das aus den Verdampfungsräumen 79 der ersten bis dritten Abtrennungseinheiten 3 austretende, aufkonzentrierte Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch 4 wird jeweils zu einem vorbestimmten Anteil über die jeweilige Überhitzungsvorrichtung 81 in die jeweiligen Abtrennungseinheiten 3 zurückgeführt; der verbleibende Anteil wird der entlang des Produktstroms nachfolgenden Abtrennungseinheit 3 zugeführt.
Insbesondere wird das hier dargestellte Ausführungsbeispiel der Abtrennvorrichtung 1 mit folgenden Parametern betrieben: Der vierten Abtrennungseinheit 3.4 werden 83 t/h Schlempe mit einem Trockensubstanz-Gehalt von 15 % als das Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch 4 zugeführt, wobei der Verdampfungsprozess in den vier Abtrennungseinheiten 3 so geführt wird, dass aus der ersten Abtrennungseinheit 3.1 ein Massenstrom von 31 t/h aufkonzentrier er Schlempe mit einem Trockensubstanz-Gehalt von 39 % resultiert.
Der vierten Abtrennungseinheit 3.4 werden 39 t/h Kesselhaus-Heizdampf 49 auf einem Temperaturniveau von 94 °C bei 0,79 bar absolut zugeführt. Der vierte Abmassenstrom 37.4 fällt mit einem Massenstrom von 41,7 t/h bei 46 °C und einem Druck von 0,1 bar absolut an. Der dritte Brüden Bs fällt mit einem Massenstrom von 3,7 t/h bei einem Temperatumiveau von 46 °C und einem Druck von 0,1 bar absolut an. Dem ersten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager 25 werden 3,8 t/h insbesondere der dritte Abmassenstrom 37.3 und zu einem kleinen Teil von 0,1 t/h der vierte Abmassenstrom 37.4 zugeführt. Die restlichen 41,6 t/h des vierten Abmassenstroms 37.4 werden - insbesondere über die Ventilvorrichtung 75 - dem Kühlturm 73 zugeführt.
Der ersten Abtrennungseinheit 3.1 werden 6,2 t/h Rezyklierungsdampf 59 bei 102 °C und 1,1 bar absolut zugeführt.
Die Leistungsaufnahme der Arbeitsmedien-Verdichter 29 beträgt 1,4 MW.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Abtrennen von Wasser aus einem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch (4), wobei
- das Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch (4) in mindestens eine Abtrennungseinheit (3) eingebracht wird, in der Wasser aus dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch (4) abgetrennt wird, wobei
- der mindestens einen Abtrennungseinheit (3) auf einer Hochtemperaturseite (9) Nutzwärme zugeführt wird, um das Wasser thermisch aus dem Kohlenhydrat-Wasser- Gemisch (4) abzutrennen, wobei
- von der mindestens einen Abtrennungseinheit (3) auf einer Niedertemperaturseite (13) thermische Sekundärenergie abgeführt wird, wobei
- auf der Niedertemperaturseite (13) der thermischen Sekundärenergie Rezyklierungswärme entnommen wird, und wobei
- die Rezyklierungswärme mittels einer einen geschlossenen Arbeitsmedienkreislauf (19) aufweisenden Kompressionswärmepumpe (17) der Hochtemperaturseite (9) auf einem Temperatumiveau von größer 100 °C zumindest als Teil der Nutzwärme wieder zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch (4) ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Einem saccharose-haltigen Medium, insbesondere einer saccharosehaltigen Lösung, insbesondere Dünnsaft oder Dicksaft zur Saccharoseherstellung, Saccharosesirup, einem isomaltulose-haltigen Medium, insbesondere einer isomaltulose-haltigen Lösung, einer Schlempe aus der Bioalkohol-Produktion, einer Alkohol-Wasser-Lösung, insbesondere einer Bioalkohol-Wasser-Lösung, einem Zuckeralkohol-Wasser-Medium, einem stärke-haltigen Medium, und feuchtigkeitshaltigen Feldfrucht- Stücken, insbesondere Zuckerrübenschnitzeln oder Chicoreewurzeln.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Abtrennen des Wassers aus dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch (4) eine Mehrzahl an Abtrennungseinheiten (3) verwendet wird, wobei die Abtrennungseinheiten (3) thermisch miteinander verbunden und entlang eines Wärmestroms hintereinander in Reihe angeordnet sind, wobei die Rezyklierungswärme der thermischen Sekundärenergie auf der Niedertemperaturseite (13) einer stromab wärtigen Abtrennungseinheit (3) der Mehrzahl an Abtrennungseinheiten (3) entnommen und mittels der Kompressionswärmepumpe (17) der Hochtemperatur seite (9) einer stromaufwärtigen Abtrennungseinheit (3) der Mehrzahl an Abtrennungseinheiten (3) zugeführt wird, wobei die stromaufwärtige Abtrennungseinheit (3) entlang des Wärmestroms stromaufwärts der stromab wärtigen Abtrennungseinheit (3) angeordnet ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Rezyklierungswärme der thermischen Sekundärenergie einer entlang des Wärmestroms letzten Abtrennungseinheit (3) der Mehrzahl an Abtrennungseinheiten (3) entnommen und der Hochtemperaturseite (9) einer entlang des Wärmestroms ersten Abtrennungseinheit (3) der Mehrzahl an Abtrennungseinheiten (3) zugeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nutzwärme der mindestens einen Abtrennungseinheit (3) über ein Heizmedium (34) zugeführt wird, oder wobei die Nutzwärme verwendet wird, um das Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch (4) stromaufwärts eines Verdampfungsraums (79) der mindestens einen Abtrennungseinheit (3) zu erwärmen, insbesondere zu überhitzen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rezyklierungswärme einem das aus dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch (4) abgetrennte Wasser abführenden Abmassenstrom (37) entzogen wird, wobei vorzugsweise der Abmassenstrom (37) zumindest teilweise unmittelbar einem ersten Arbeitsmedien- Wärmeübertrager (25), insbesondere einem Arbeitsmedien-Verdampfer (27), der Kompressionswärmepumpe (17) zugeführt wird, oder wobei die Rezyklierungswärme aus dem Abmassenstrom (37) dem ersten Arbeitsmedien- Wärmeübertrager (25), insbesondere dem Arbeitsmedien-Verdampfer (27), vermittelt über eine erste Wärmetransportvorrichtung zugeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rezyklierungswärme einem Heizmassenstrom zugeführt wird, der der mindestens einen Abtrennungseinheit (3) auf der Hochtemperaturseite (9) zugeführt wird, um das Wasser thermisch aus dem Kohlenhydrat-Wasser- Gemisch (4) abzutrennen, wobei vorzugsweise
- zumindest ein Teil-Heizmassenstrom des Heizmassenstroms stromaufwärts der Abtrennungseinheit (3) durch einen zweiten Arbeitsmedien-Wärmeübertrager (31), insbesondere einen Arbeitsmedien-Kondensator (33), der Kompressionswärmepumpe (17) geführt wird, oder wobei die Rezyklierungswärme dem Heizmassenstrom aus dem zweiten Arbeitsmedien- Wärmeübertrager (31), insbesondere dem Arbeitsmedien-Kondensator (33), vermittelt über eine zweite Wärmetransportvorrichtung (41) zugeführt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als die mindestens eine Abtrennungseinheit (3) mindestens eine Verdampfungseinheit und mindestens eine Kristallisationseinheit verwendet werden, wobei thermischer Sekundärenergie der mindestens einen Verdampfungseinheit Rezyklierungswärme entnommen wird, die der mindestens einen Verdampfungseinheit mittels einer ersten Kompressionswärmepumpe (17) wieder zugeführt wird, wobei thermischer Sekundärenergie der mindestens einen Kristallisationseinheit Rezyklierungswärme entnommen wird, die der mindestens ein Kristallisationseinheit mittels einer zweiten Kompressionswärmepumpe (17) wieder zugeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der mindestens einen Kristallisationseinheit ein Kohl enhydrat-Wasser-Gemi sch (4) aus der mindestens einen Verdampfungseinheit zugeführt wird, und/oder wobei die mindestens eine Verdampfungseinheit und die mindestens eine Kristallisationseinheit, insbesondere die erste Kompressionswärmepumpe (17) und die zweite Kompressionswärmepumpe (17), thermisch getrennt voneinander betrieben werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kompressionswärmepumpe (17) elektrisch angetrieben wird, insbesondere mit elektrischer Energie aus regenerativen Quellen.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als die mindestens eine Abtrennungseinheit (3) eine Mehrzahl an Abtrennungseinheiten (3) betrieben wird, wobei von jeder Abtrennungseinheit (3) der Mehrzahl an Abtrennungseinheiten (3) ein Abmassenstrom (37) abgeführt wird, wobei mindestens einer der Abmassenströme (37) als Wärmequelle für einen weiteren Prozess verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die der Hochtemperaturseite (9) zugeführte Nutzwärme aus der um Wärmepumpen-Wärme der Kompressionswärmepumpe (17) vermehrten Rezyklierungswärme besteht, oder wobei die Nutzwärme zusätzlich zu der um die Wärmepumpen-Wärme der Kompressionswärmepumpe (17) vermehrten Rezyklierungswärme Zusatzwärme umfasst, wobei die Zusatzwärme - insbesondere ausschließlich - auf der Hochtemperaturseite (9) der mindestens einen Abtrennungseinheit (3), insbesondere auf einer heißen Seite des Arbeitsmedienkreislaufs (19), zugeführt wird.
13. Abtrennvorrichtung (1) zum Abtrennen von Wasser aus einem Kohlenhydrat-Wasser- Gemisch (4) mit mindestens einer Abtrennungseinheit (3), wobei
- die mindestens eine Abtrennungseinheit (3) einen Produkteingang (5) zur Einleitung des Kohlenhydrat-Wasser-Gemischs (4) in die Abtrennungseinheit (3) und einen Produktausgang (7) zur Ausleitung eines teilweise entwässerten Kohlenhydrat-Wasser- Gemischs (4) aufweist, wobei die Abtrennungseinheit (3) eingerichtet ist, um Wasser aus dem Kohlenhydrat-Wasser-Gemisch (4) abzutrennen, wobei
- die mindestens eine Abtrennungseinheit (3) auf einer Hochtemperaturseite (9) einen Nutzwärmeeingang (11) zur Zufuhr von Nutzwärme und auf einer Niedertemperaturseite (13) einen Sekundärenergieausgang (15) zur Abfuhr von thermischer Sekundärenergie aufweist, wobei
- die Abtrennvorrichtung (1) eine Kompressionswärmepumpe (17) mit einem geschlossenen Arbeitsmedienkreislauf (19) aufweist und eingerichtet ist, um der über den Sekundärenergieausgang (15) abgeführten thermischen Sekundärenergie Rezyklierungswärme zu entnehmen und die Rezyklierungswärme mittels der Kompressionswärmepumpe (17) dem Nutzwärmeeingang (11) auf der Hochtemperaturseite (9) auf einem Temperatumiveau von größer 100 °C wieder zuzuführen.
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