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 B _x bezeichnet. Die auf der Hochtemperaturseite einer Abtrennungseinheit zugeführte Nutzwärme, die zumindest teilweise die zurückgeführte Rezyklierungswärme - insbesondere wiederum verkörpert durch einen Brüden - umfasst, wird mit B _x.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 K _x .i bezeichnet. Ein Produkt-Kondensat der Abtrennungseinheit x wird mit K _x bezeichnet.

Insbesondere wird allgemein die zumindest teilweise die von der Abtrennungseinheit x entnommene und um y Stufen zurückgeführte Rezyklierungswärme umfassende Nutzwärme B _x.y der Abtrennungseinheit x- +1 zugeführt. In dieser Abtrennungseinheit x- +1 fällt ein Heiz- Kondensat K _x.y , ein Brüden B _x.y +i und ein Produkt-Kondensat K _x.y +i an. Der Abtrennungseinheit x wird Nutzwärme in Form eines Brüdens B _x -i zugeführt; dort fällt ein Heiz-Kondensat K _x .i und ein Brüden B _x an. Das Produkt-Kondensat des Brüden B _x wird als K _x bezeichnet.

Insbesondere integriert die Erfindung einen geschlossenen, linksläufigen Wärmepumpenkreisprozess, indem ein Brüden B _x als Wärmequelle kondensiert wird, um einen Heizdampf B _x.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 (K _x.y ) übertragen, was zu dessen Verdampfung führt. Diese somit zusätzlich generierte Heizdampfmenge B _x.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 B _x 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 B _x.y beheizt wird, kann aber auch im Vergleich zur Wärmequelle, die den Energieinhalt des Brüdens B _x darstellt, unterschiedliche Qualitätsansprüche an das Wärmeträgermedium des Heizdampfs umfassen, da im geschlossenen Wärmepumpenkreislauf lediglich eine Energie- und keine Stofftransport von der Wärmequelle B _x zu Wärmesenke B _x.y stattfindet. Gleichermaßen kann statt des Brüdens jedoch auch jegliche Form einer flüssigen Wärmequelle - insbesondere eines Kondensats K _x - 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 m ³ /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 B _x.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 B _x.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 B _x.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 B _x.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 B _x.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.