Evaporators & Crystallizers
Heating options for thermal separation plants
Traditionally, an evaporator or crystallizer is heated by live steam, but waste heat (e.g. recompressed vapor, drier vapor, hot water or thermal oil) can be used as energy source as well, as long as the amount of energy required for the thermal separation process is given.
Beheizungsarten für thermische Trennanlagen
Üblicherweise wird ein Verdampfer oder Kristallisator mit Frischdampf beheizt, aber auch Abwärme kann als Energiequelle genutzt werden, solange die für den thermischen Trennungsprozess erforderliche Energiemenge gegeben ist. Diese Energiequelle kann zum Beispiel aus erneut verdichtetem Dampf, Trocknerdampf, Heißwasser oder Thermoöl stammen.
Dampfbeheizt (Einstufig-/Mehrstufig)
A Produkt / B Konzentrat / C Kondensat / D Heizdampf / E Brüden
Bei der Verdampfung von Wasser in einem einstufigen Verdampfer wird mit etwa 1 t/h Frischdampf etwa 1 t/h Brüden erzeugt, da die spezifischen Verdampfungswärmewerte auf der Heiz- und der Produktseite etwa gleich sind.
Wenn die Brüden aus einer Verdampfungsstufe zum Beheizen einer anderen Verdampfungsstufe verwendet werden, die mit niedrigerem Druck betrieben wird, verringert sich der Dampfverbrauch des Gesamtsystems entsprechend.
Wenn die durch Primärenergie erzeugte Brüdenmenge als Heizdampf in einer zweiten Stufe verwendet wird, reduziert sich der Energieverbrauch des Gesamtsystems um etwa 50 %. Dieses Prinzip lässt sich über weitere Stufen zur weiteren Energieeinsparung fortsetzen.
| Frischdampf [t/h] | Brüden [t/h] | Spezifischer Dampfverbrauch | |
| 1-stufige Anlage | 1 | 1 | 100 % |
| 2-stufige Anlage | 1 | 2 | 50 % |
| 3-stufige Anlage | 1 | 3 | 33 % |
| 4-stufige Anlage | 1 | 4 | 25 % |
Die maximale Heiztemperatur der ersten Stufe in Kombination mit der niedrigsten Siedetemperatur der letzten Stufe definiert eine Gesamttemperaturdifferenz, die auf die einzelnen Stufen aufgeteilt werden kann.
Das heißt, bei steigender Stufenzahl wird die Temperaturdifferenz pro Stufe entsprechend kleiner.
Entsprechend größer muss deren Heizfläche dimensioniert werden, um eine vorgegebene Verdampfleistung mit einem geringeren Temperaturunterschied (∆ Tm) zu erreichen. In erster Näherung ergibt sich, dass die insgesamt für alle Stufen einzusetzende Heizfläche proportional mit der Stufenzahl wächst. Dadurch steigen die Investitionskosten erheblich, während die eingesparte Energiemenge proportional geringer wird.
Thermische Brüdenverdichtung (TBV)
A Produkt / B Konzentrat / C Kondensat / D Heizdampf / E Brüden
Bei der thermischen Brüdenverdichtung werden die Brüden aus dem Abscheider auf den höheren Druck der Heizseite des Rohrbündels verdichtet.
Ungefähr die Hälfte der durch das Eindampfen erzeugten Brüden kann zum Heizen wiederverwendet werden, die andere Hälfte fließt zur nächsten Stufe, um den dortigen Prozess anzutreiben. Zum Betrieb eines thermischen Brüdenverdichters ist eine bestimmte Dampfmenge – auch als Treibdampf bezeichnet – erforderlich.
Für die thermische Brüdenverdichtung (TBV) werden Strahlkompressoren verwendet. Diese arbeiten nach dem Strahlpumpenprinzip. Sie haben keine beweglichen Teile und daher keine Verschleißteile, was für maximale Betriebssicherheit sorgt. Thermische Brüdenverdichter (TBV) werden selbst entwickelt.
GEA verfügt über mehr als hundert Jahre Erfahrung als Anbieter von Dampfstrahlpumpen und Verdichtern.
Mechanische Brüdenverdichtung (MBV)
A Produkt / B Konzentrat / C Kondensat / D Heizdampf / E Brüden / El Elektrische Energie
Während Dampfstrahlkompressoren nur einen Teil des Brüdens verdichten, der den Verdampfer verlässt, können mechanische Brüdenverdichter (MBV) den gesamten Brüden zurückführen.
Der Brüden wird – meist unter Verwendung von elektrischer Antriebsenergie – auf den Druck der entsprechenden Heizdampftemperatur des Verdampfers verdichtet. Die Energie des Brüdenkondensats wird häufig noch zur Vorwärmung des zulaufenden Produkts genutzt.
Je nach den Betriebsbedingungen der Anlage kann eine kleine Menge zusätzlichen Dampfs oder die Kondensation einer kleinen Menge überschüssigen Brüdens erforderlich sein, um die Wärmebilanz des Verdampfers insgesamt aufrechtzuerhalten und stabile Betriebsbedingungen sicherzustellen, insbesondere beim Anfahren.
Aufgrund ihrer Einfachheit und ihres wartungsfreundlichen Designs werden in Eindampfanlagen einstufige Radialventilatoren (die als Hochdruckventilatoren geliefert werden) eingesetzt. Diese Maschinen arbeiten mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten und bewältigen daher große Durchsatzvolumina bei Verdichtungsverhältnissen von 1:1,2 bis 1:2. Die typischen Drehzahlen reichen von ca. 3.000 bis 12.000 u/min. Für einen höheren Druckanstieg können mehrere Gebläse eingesetzt werden.
Dampf versus Elektrizität
Je nach den örtlichen Gegebenheiten und den projektspezifischen Betriebskosten kann die ökologischste und kosteneffizienteste Heizoption auf Grundlage typischer Verbrauchswerte ermittelt werden.
Die Möglichkeit, Strom aus erneuerbaren Quellen anstelle von Dampf aus fossilen Brennstoffen zu verwenden, ist einer der größten Vorteile elektrischer Beheizungsarten.
Spezifischer Stromverbrauch pro Tonne Eindampfung
| Dampf [t] | Elektrischer Strom [kWh] | Kühlwasser [m³ (∆T = 10K)] | |
| Frischdampf | 1 | Wenig | 60 |
| 2 Stufen | 0,5 | Wenig | 30 |
| 3 Stufen | 0,33 | Wenig | 20 |
| 4 Stufen | 0,25 | Wenig | 15 |
| TBV | ~0,5 | Wenig | 30 |
| MBV | Wenig | ~30-50 | Wenig |
Nicht weniger wichtig und von besonderer Bedeutung für trockene Regionen: Elektrische Heizsysteme reduzieren den Bedarf an Kühlwasser drastisch. Alles in allem und angesichts der Tatsache, dass die Themen Kreislaufwirtschaft und Energieeinsparung eine immer wichtigere Rolle spielen, wird sich immer häufiger für die mechanische Brüdenverdichtung entschieden.
Mehrere Kristallisationsprozesse werden aufgrund der Beschränkungen durch das Phasensystem oder temperaturempfindlicher Produkte bei niedrigen Temperaturen betrieben. Daher ist eine effiziente Kühlung erforderlich – entweder durch Vakuumkühlung oder durch Oberflächenkühlung.
Trocknerbrüden zum Beheizen (Eindampfanlagen)
Das Hauptkriterium für die Verwendung von Trocknerbrüden zum Heizen von Eindampfanlagen ist der Taupunkt des Wasserdampf-Luft-Gemischs, mitbestimmt durch das Vorhandensein von Inertgasen und/oder Luft in diesem Gemisch. Je höher der Taupunkt, desto höher der Wasserdampfgehalt und damit der nutzbare Energiegehalt.
Wenn der Trocknerbrüden Staub und Dämpfe von Fett enthält, können diese im Heizkörper landen und somit die Wärmeübertragung von der Beheizung auf die Siedekammer unterbrechen oder sogar verhindern. Dies kann durch die Reinigung des Trocknerbrüdens in einem Brüdenwäscher von GEA vermieden werden. Normalerweise wird hier ein Strahlwäscher eingesetzt, ein selbstansaugender Flüssigkeitsstrahlventilator, der für diese Anwendung optimal geeignet ist.
Der Brüdenwäscher kann mit dem Brüdenkondensat aus der Eindampfanlage betrieben werden. Daher wird kein zusätzliches Prozesswasser benötigt. Auf diese Weise wird Energie beim Beheizen der Eindampfanlage eingespart und gleichzeitig die Trocknerabluft gereinigt.
Vakuumgekühlte Kristallisation (Kristallisationsanlagen)
Die Vakuumkühlung ist die bevorzugte Technik, da die Kühlung nur durch die adiabatische Expansion des Lösungsmittels erzeugt wird und keine aktive Kühlfläche erforderlich ist. Eine solche aktive Kühlfläche müsste aufgrund der begrenzten Wärmeübertragungskoeffizienten relativ groß sein und birgt das Risiko von Ablagerungen aufgrund abnehmender Löslichkeiten bei niedrigeren Temperaturen.
Der wichtigste Parameter und die Begrenzung für die Vakuumkühlung ist der Druck der während des Prozesses erzeugten Brüden.. Abhängig vom erforderlichen Druck muss die kostengünstigste Kombination aus folgenden Optionen gewählt werden:
- Oberflächenkondensation oder direkte Kondensation
- Kühlwasser oder gekühltes Wasser
- Mit Dampfstrahlpumpe oder ohne Dampfstrahlpumpe
Oberflächenkühlung (Kristallisationsanlagen)
Die Oberflächenkühlung wird eingesetzt, wenn die erforderliche Temperatur nicht durch Vakuumkühlung erreicht werden kann.
Bei dieser Methode wird eine aktive Kühlfläche (Rohrbündelwärmetauscher) verwendet, die durch ein beliebiges, für die erforderlichen Prozesstemperaturen geeignetes Kühlmedium gekühlt wird.
Bei diesen Systemen besteht die Gefahr, dass die Wärmetauscherrohre aufgrund der hohen lokalen Übersättigung an kalten Oberflächen zur Ablagerung neigen.
Um den Betriebszyklus solcher Anlagen zu maximieren, muss das Design im Hinblick auf Kühlprofil, Wärmeübergangskoeffizienten, Feststoffdichten und Rohrgeschwindigkeiten sowie die Qualität der Rohre sehr anspruchsvoll sein. Darüber hinaus gibt es effiziente Reinigungsverfahren, die die Ausfallzeiten auf ein akzeptables Maß reduzieren.
Dampfstrahlpumpe versus Kälteanlagen (Kristallisationsanlagen)
Zur Kühlung wird entweder eine Dampfstrahlpumpe oder eine Kälteanlage verwendet.
Während Dampfstrahlpumpen die Dämpfe auf ein Temperaturniveau komprimieren, das die Kondensation gegen Kühlwasser ermöglicht, verwenden Kälteanlagen elektrische Energie, um ein kaltes Medium zu erzeugen, das die Kondensation von Niederdruckdämpfen ermöglicht.
Abhängig von den örtlichen Gegebenheiten sowie der Verfügbarkeit und den Preisen der Versorgungsunternehmen wird eine individuelle Entscheidung getroffen, um jedem Kunden die kosteneffizienteste und energiesparendste Lösung anzubieten.
Angesichts der Tatsache, dass die Themen Kreislaufwirtschaft und Energieeinsparung eine immer wichtigere Rolle spielen, wird sich immer häufiger für eine Kältelanlage entschieden. Bereits bestehende Anlagen werden derart umgerüstet, dass die Dampfstrahlpumpe gegen eine Kühlanlage ausgetauscht wird.
