EP4593976A1 - Anlage und verfahren zur aufkonzentrierung von substanzhaltigen flüssigkeiten durch mehrstufiges eindampfen - Google Patents

Anlage und verfahren zur aufkonzentrierung von substanzhaltigen flüssigkeiten durch mehrstufiges eindampfen

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EP4593976A1
EP4593976A1 EP23750529.2A EP23750529A EP4593976A1 EP 4593976 A1 EP4593976 A1 EP 4593976A1 EP 23750529 A EP23750529 A EP 23750529A EP 4593976 A1 EP4593976 A1 EP 4593976A1
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EP
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evaporator
compressor unit
compressed
steam
mechanically operating
Prior art date
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Pending
Application number
EP23750529.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Edgar Huber
Andreas SCHNITZHOFER
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Gig Karasek GmbH
Original Assignee
Gig Karasek GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a system for concentrating substance-containing liquids by multi-stage evaporation, in particular of solutions such as N-methylmorpholine-N-oxide (NMMO), wherein the system is designed with at least a first evaporator and a second evaporator, wherein the first evaporator is suitably connected to the second evaporator so that liquid concentrated in the first evaporator can be fed into the second evaporator in order to further concentrate concentrated liquid in the second evaporator, wherein a first mechanically operating compressor unit is provided with which vapor formed in the first evaporator can be compressed downstream, and wherein the system comprises a first supply line for supplying vapor compressed with the first mechanically operating compressor unit to the first evaporator.
  • NMMO N-methylmorpholine-N-oxide
  • the invention relates to a method for concentrating substance-containing liquids by multi-stage evaporation, for example of solutions such as NMMO, in particular with a device of the type mentioned above, the liquid being concentrated in a first evaporator and the liquid thus concentrated being fed into a second evaporator , in which the concentrated liquid is further concentrated, after which a concentrate is removed, vapor formed in the first evaporator being compressed downstream with a first mechanically operating compressor unit and at least partially being fed to the first evaporator via a first supply line.
  • solutions such as NMMO
  • substance-containing liquids are understood to mean liquids which, in addition to the liquid, have a substance dissolved in it, carried by it or present in another form, for example salt-containing liquids, liquids with dissolved polar organic molecules or oligomers as well as polymers or other liquids , which can be concentrated in relation to the substance they contain.
  • NMMO or other liquids such as ionic liquids are used as solvents to, among other things, dissolve cellulose for subsequent reaction.
  • an appropriate solution for example, Lyocell fibers, films or other products can be produced.
  • NMMO in particular has the advantage of being neither toxic nor odorous and is therefore preferred. For this reason and for reasons of environmental protection, it is also desirable to recover solvents for the process and thus to be able to supply them to the process as pure as possible. For this it is necessary to concentrate appropriate solvents so that the corresponding solution is usable again for the respective process.
  • a pre-concentration can take place in a first evaporator, after which further concentration takes place in a second evaporator, preferably immediately a final evaporator.
  • a corresponding example is given in DE 102012 203439 A1.
  • the first evaporator is usually operated in such a way that steam emerging from the evaporator is brought to a higher temperature by means of mechanical compression and then fed back to the evaporator in order to be able to work as energy-efficiently as possible.
  • the second evaporator should also work as energy-efficiently as possible.
  • the concentration in the first evaporator regularly results in the concentrated solution having a significantly higher boiling point than the much less concentrated solution present in the first evaporator. This means that an increased amount of energy is required to operate the second evaporator so that the desired concentration can take place in the second step, usually a final step. Therefore it is as mentioned in the
  • the object of the invention is to further develop a device of the type mentioned at the outset in such a way that it can be operated in an energy-efficient manner, in particular with the possibility of working entirely or partially without thermal compression.
  • a further aim of the invention is to develop a method of the type mentioned at the outset in such a way that it can be carried out in an energy-efficient manner, in particular without thermal compression being absolutely necessary.
  • a second mechanically operating compressor unit is provided, with which steam formed in the second evaporator can be compressed downstream, with steam compressed by the second compressor unit being able to be fed to the first compressor unit.
  • An advantage achieved with the invention can be seen in the fact that the system is designed in such a way that a concentration of substance-containing liquids, in particular a liquid containing NMMO, but also ionic liquids, is possible with relatively simple means. This makes it possible to concentrate NMMO solutions in particular effectively and energy-efficiently and thus, for example, to regenerate them in a manufacturing process of Lyocell fibers and then reintroduce them to this process.
  • a device can manage without a thermal compressor.
  • the system is designed in such a way that steam generated in the second evaporator is compressed with a second mechanically operating compressor unit and then fed in whole or at least in part to the first mechanically operating compressor unit, so that the already compressed steam of the second evaporator is compressed again. The steam thus compressed is then fed to the first evaporator and to the second evaporator, with the finally compressed steam being divided into suitable partial streams.
  • NMMO solutions and the like represent resources in a production process that are valuable and should therefore be recycled.
  • corresponding solutions with a low NMMO content of, for example, around 20% (in percent by weight, hereinafter referred to as wt. %) arise.
  • the solution In order to be able to feed such solutions back into the actual production process, the solution must be concentrated to, for example, around 80% by weight.
  • concentration cannot be carried out in an energy-efficient manner in a single evaporator, but must technically be carried out in successive evaporation steps up to a desired final concentration of NMMO.
  • the problem here is that with increasing NMMO concentration in the liquid, there is a significant increase in the boiling point. If, for example, a two-stage process is run with two evaporators, the boiling temperature in the first evaporator can be, for example, around 120 °C, whereas in the second evaporator with a much higher NMMO concentration, the boiling temperature can be around 145 °C. This means that significantly more energy must be supplied to the second evaporator in order to extract steam and thus achieve concentration.
  • a second mechanical compressor unit is provided for steam from the second compressor, with steam compressed by the second mechanical compressor unit first being fed to the first compressor unit before the finally compressed steam is divided into partial flows and fed to the first evaporator on the one hand and the second evaporator on the other.
  • This measure allows steam extracted from the second evaporator to be compressed not only by the second compressor unit, but also by the first compressor unit.
  • the second compressor unit can With a suitable design, steam can be provided with a temperature increase of around 30 °C, which is not yet sufficient for the second evaporator.
  • the first compressor unit comprises several compressors.
  • the individual compressors are expediently connected in series.
  • the first compressor unit preferably has two to four, in particular two or three, compressors in order to achieve the desired temperature increase for the steam removed from the first evaporator and already compressed steam supplied from the second evaporator.
  • a parallel connection of several separate compressor units can also be provided, which in turn can each include several compressors, with steam from the second compressor unit being supplied in whole or in part to at least one of these compressors.
  • the second compressor unit can also include several compressors.
  • the number of compressors in the second compressor unit is again coordinated with the system concept. In principle, it is sufficient if the second compressor unit has two or three compressors that are connected in series in the same way as the first compressor unit.
  • the compressors in both compressor units can be designed as known vapor compressors.
  • a parallel connection of several separate compressor units can also be provided at this point, each of which can in turn include several compressors.
  • the system is provided with a second supply line for supplying steam compressed by the first mechanically operating compressor unit to the second evaporator.
  • no thermal compressor is provided in the system according to the invention. Nevertheless, it may be necessary under certain circumstances to additionally supply the second evaporator with a small-sized thermal compressor, although this should generally be avoided.
  • the second evaporator is preferably designed as a final evaporator from which the concentrated substance-containing liquid is withdrawn from the system.
  • the system can have more than two evaporators, it is sufficient for many purposes if the system is designed with a first evaporator for pre-concentration and a second evaporator as a final evaporator to achieve a final concentration.
  • the evaporators provided it is possible for the evaporators provided to be brought to the required temperature with minimal energy expenditure. This is possible because steam withdrawn from the second evaporator is first compressed with the second mechanically operating compressor unit with a first temperature increase and then further compressed again with the first mechanically operating compressor unit and brought to an even higher temperature, so that after the final compression suitable Partial streams can be formed for heating the evaporators.
  • the vapor compressed in the second evaporator can be compressed together with the vapor formed in the first evaporator in the first mechanically operating compressor, so that the two removed vapor compartments of the first evaporator and the second evaporator result in a combined vapor flow at the end of the first mechanically operating compressor unit, which can then be divided into a first partial flow for the first evaporator and a second partial flow for the second evaporator.
  • steam formed in the first evaporator is compressed downstream with several compressors of the first mechanically operating compressor unit.
  • Several compressors can also be provided in the second compressor unit. The number of compressors is designed so that on the one hand the desired temperature increase for the refeeding of the steam into the evaporator is achieved, but on the other hand energy consumption is minimized.
  • the steam in the second compressor unit can be compressed to a greater difference between the outlet temperature and the inlet temperature than in the first compressor unit.
  • the first evaporator is generally operated at a higher pressure than the second evaporator.
  • FIG. 1 shows a system concept according to the invention.
  • the system 1 shows a system 1 which is designed to concentrate NMMO.
  • the system 1 comprises a first evaporator 2 and a second evaporator 3.
  • An aqueous solution of NMMO is introduced into the evaporator circuit for the purpose of concentrating the solution.
  • the NMMO solution is fed to the first evaporator 2 for preconcentration with an NMMO content of, for example, 20% by weight.
  • the supplied NMMO solution is brought to an elevated temperature by supplying energy.
  • the resulting steam can be removed at the top of the first evaporator 2.
  • the pre-concentrated NMMO solution is removed from the bottom and fed to the second evaporator 3, in which in turn the supplied solution is brought to an elevated temperature, so that steam can again be drawn off at the top of the second evaporator 3 and so that in turn there is an increase in concentration and ultimately an NMMO solution with 80% by weight of NMMO can be removed at the bottom of the second evaporator 3, which serves as the final evaporator.
  • the steam emerging from the first evaporator 2 is reused in the further process.
  • a first mechanically operating compressor unit 4 is provided for this purpose.
  • the first compressor unit 4 comprises several individual compressors 41.
  • the first compressor unit 4 comprises two compressors 41.
  • the two compressors 41 of the first compressor unit 4, which are connected in series, are connected to the first evaporator 2 via a first discharge line 42.
  • the second evaporator 3 is designed with a discharge line 52, which connects a head-side outlet of the second evaporator 3 to a second mechanically operating compressor unit 4.
  • the second compressor unit 5 also comprises two individual compressors 51.
  • the compressors 51 of the second compressor unit 5 are also connected in series.
  • the compressors 51 of the second compressor unit 5 are equipped with a line downstream which opens into the discharge line 42 of the first evaporator 2. Steam compressed by the second compressor unit 5 is therefore combined with the steam discharged from the first evaporator 2 before the steam thus combined is further compressed in the first compressor unit 4. After this final compression, the compressed steam is divided into two partial flows, namely a first partial flow for a first supply line 6 to the first evaporator 2 and a second supply line 7 to the second evaporator 3.
  • the circuit provided makes it possible for steam from the second evaporator 3, which exits at a relatively low temperature of about 30 °C less than the first evaporator 2, to be initially brought to a temperature of about 30 °C to 40 °C higher with the provided compressors 51 of the second compressor unit 5.
  • This alone would not be sufficient in terms of temperature for the operation of the second evaporator 3.
  • the additional compression with the first compressor unit 4 can achieve a further temperature increase of several °C, so that the temperature of the compressed steam is sufficient to sufficiently heat the second evaporator 3.
  • a minimum number of mechanically operating compressors can be used, which leads to an energetically effective process.
  • the NMMO can be used in the first evaporator 3. solution to about 40 wt.% NMMO and in the second finally to 80 wt.% NMMO.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage (1) zur Aufkonzentrierung von substanzhaltigen Flüssigkeiten durch mehrstufiges Eindampfen, insbesondere von Lösungen wie N- methylmorpholin-N-oxid (NMMO), wobei die Anlage (1) mit zumindest einem ersten Verdampfer (2) und einem zweiten Verdampfer (3) ausgebildet ist, wobei der erste Verdampfer (2) mit dem zweiten Verdampfer (3) geeignet verbunden ist, damit in dem ersten Verdampfer (2) aufkonzentrierte Flüssigkeit in den zweiten Verdampfer (3) führbar ist, um aufkonzentrierte Flüssigkeit in dem zweiten Verdampfer (3) weiter aufzukonzentrieren, wobei eine erste mechanisch arbeitende Verdichtereinheit (4) vorgesehen ist, mit welcher in dem ersten Verdampfer (2) gebildeter Dampf stromabwärts verdichtbar ist, und wobei die Anlage (1) eine erste Zufuhrleitung (6) zur Zuführung von mit der ersten mechanisch arbeitenden Verdichtereinheit (4) verdichtetem Dampf in den ersten Verdampfer (2) umfasst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine zweite mechanisch arbeitende Verdichtereinheit (5) vorgesehen ist, mit welcher in dem zweiten Verdampfer (3) gebildeter Dampf stromabwärts verdichtbar ist, wobei von der zweiten Verdichtereinheit (5) verdichteter Dampf der ersten Verdichtereinheit (4) zuführbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Äufkonzentrierung von substanzhaltigen Flüssigkeiten durch mehrstufiges Eindampfen.

Description

Anlage und Verfahren zur Aufkonzentrierung von substanzhaltigen Flüssigkeiten durch mehrstufiges Eindampfen
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Aufkonzentrierung von substanzhaltigen Flüssigkeiten durch mehrstufiges Eindampfen, insbesondere von Lösungen wie N- methylmorpholin-N-oxid (NMMO), wobei die Anlage mit zumindest einem ersten Verdampfer und einem zweiten Verdampfer ausgebildet ist, wobei der erste Verdampfer mit dem zweiten Verdampfer geeignet verbunden ist, damit in dem ersten Verdampfer aufkonzentrierte Flüssigkeit in den zweiten Verdampfer führbar ist, um aufkonzentrierte Flüssigkeit in dem zweiten Verdampfer weiter aufzukonzentrieren, wobei eine erste mechanisch arbeitende Verdichtereinheit vorgesehen ist, mit welcher in dem ersten Verdampfer gebildeter Dampf stromabwärts verdichtbar ist, und wobei die Anlage eine erste Zufuhrleitung zur Zuführung von mit der ersten mechanisch arbeitenden Verdichtereinheit verdichtetem Dampf in den ersten Verdampfer umfasst.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Aufkonzentrierung von substanzhaltigen Flüssigkeiten durch mehrstufiges Eindampfen, beispielsweise von Lösungen wie NMMO, insbesondere mit einer Vorrichtung der vorstehend genannten Art, wobei die Flüssigkeit in einem ersten Verdampfer aufkonzentriert und die so aufkonzentrierte Flüssigkeit in einen zweiten Verdampfer geführt wird, in dem die aufkonzentrierte Flüssigkeit weiter aufkonzentriert wird, wonach ein Konzentrat entnommen wird, wobei in dem ersten Verdampfer gebildeter Dampf stromabwärts mit einer ersten mechanisch arbeitenden Verdichtereinheit verdichtet und zumindest teilweise über eine erste Zufuhrleitung dem ersten Verdampfer zugeführt wird.
Unter subtanzhaltigen Flüssigkeiten sind im Rahmen der Erfindung Flüssigkeiten zu verstehen, die neben der Flüssigkeit eine in dieser gelöste, von dieser getragenen oder in einer anderen Form vorliegende Substanz aufweisen, beispielsweise salzhaltige Flüssigkeiten, Flüssigkeiten mit gelösten polaren organischen Molekülen oder Oligomeren sowie Polymeren oder andere Flüssigkeiten, die in Bezug auf die enthaltene Substanz aufkonzentriert werden können.
NMMO oder andere Flüssigkeiten wie ionische Flüssigkeiten werden als Lösungsmittel eingesetzt, um unter anderem Cellulose für eine nachfolgende Umsetzung zu lösen. Aus einer entsprechenden Lösung können zum Beispiel Lyocell-Fasern, Folien oder andere Produkte hergestellt werden. Speziell NMMO hat den Vorteil, weder giftig noch geruchsintensiv zu sein und wird daher bevorzugt eingesetzt. Aus diesem Grund und aus Gründen des Umweltschutzes ist es auch erwünscht, Lösungsmittel für den Prozess wieder rückzugewinnen und damit dem Prozess möglichst rein zuführen zu können. Hierfür ist es erforderlich, entsprechende Lösungsmittel so aufzukonzentrieren, dass die entsprechende Lösung wieder brauchbar für den jeweiligen Prozess ist.
Um beispielsweise NMMO einem Prozess zur Herstellung von Lyocell-Fasern wieder zuführen zu können, ist es aus der US 2011/0226427 A1 bekannt geworden, Dampf, welcher durch die Aufkonzentration von NMMO in einer Lösung erhalten wird, im Prozess weiter zu verwenden, um möglichst energieschonend arbeiten zu können. Dabei wird aus einem Verdampfer abgenommener Dampf verdichtet, und zwar mittels einer mechanischen Verdichtung.
Allgemein ist es bekannt, für eine Aufkonzentration von substanzhaltigen Lösungen mehrstufige Verfahren mit mehreren Verdampfern anzuwenden. Beispielsweise kann in einem ersten Verdampfer eine Vorkonzentration erfolgen, wonach in einem zweiten Verdampfer, vorzugsweise sogleich ein Endverdampfer, eine weitere Aufkonzentration erfolgt. Ein entsprechendes Beispiel ist in der DE 102012 203439 A1 gegeben. Der erste Verdampfer wird dabei in der Regel so betrieben, dass vom Verdampfer austretender Dampf mittels mechanischer Verdichtung auf eine höhere Temperatur gebracht und dann wieder dem Verdampfer zugeführt wird, um möglichst energieschonend arbeiten zu können. Auch für den zweiten Verdampfer soll möglichst energieeffizient gearbeitet werden. Allerdings führt die Aufkonzentration im ersten Verdampfer regelmäßig dazu, dass die aufkonzentrierte Lösung einen wesentlich höheren Siedepunkt aufweist als die weitaus weniger konzentrierte, im ersten Verdampfer vorliegende Lösung. Dies führt dazu, dass ein erhöhter Energieaufwand erforderlich ist, um den zweiten Verdampfer so zu betreiben, dass die gewünschte Aufkonzentration im zweiten Schritt, üblicherweise einem finalen Schritt, erfolgen kann. Daher ist es, wie in der erwähnten
DE 10 2012 203439 A1 ausgeführt, erforderlich, den zweiten Verdampfer entweder mit gesondert erzeugtem Frischdampf zu bedienen oder eine thermische Verdichtung vorzusehen, wobei beides wesentlich energieaufwendiger ist, als eine mechanische Verdichtung. Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass diese energieeffizient, insbesondere mit der Möglichkeit ganz oder teilweise ohne thermische Verdichtung auszukommen, betrieben werden kann.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass dieses energieeffizient geführt werden kann, insbesondere ohne dass eine thermische Verdichtung zwingend notwendig ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst, wenn bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art eine zweite mechanisch arbeitende Verdichtereinheit vorgesehen ist, mit welcher in dem zweiten Verdampfer gebildeter Dampf stromabwärts verdichtbar ist, wobei von der zweiten Verdichtereinheit verdichteter Dampf der ersten Verdichtereinheit zuführbar ist.
Ein mit der Erfindung erzielter Vorteil ist darin zu sehen, dass die Anlage so ausgebildet ist, dass mit relativ einfachen Mitteln eine Aufkonzentrierung von substanzhaltigen Flüssigkeiten, insbesondere einer Flüssigkeit enthaltend NMMO, aber auch ionische Flüssigkeiten, möglich ist. Dies erlaubt es, insbesondere NMMO-Lösungen effektiv und energieeffizient aufzukonzentrieren und damit beispielsweise in einem Herstellungsprozess von Lyocell-Fasern zu regenerieren und im Anschluss diesem Prozess wieder zuzuführen.
Wenngleich es nicht zwingend ist, kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung ohne thermischen Verdichter auskommen. Insbesondere ist es auch nicht zwingend erforderlich, für den zweiten Verdampfer, in welchem in der Regel eine finale Aufkonzentrierung erfolgt, Frischdampf zuzuführen. Hierfür ist die Anlage so konzipiert, dass im zweiten Verdampfer entstehender Dampf mit einer zweiten mechanisch arbeitenden Verdichtereinheit verdichtet und danach ganz oder zumindest teilweise der ersten mechanisch arbeitenden Verdichtereinheit zugeführt wird, sodass eine nochmalige Verdichtung des bereits verdichtenden Dampfes des zweiten Verdampfers erfolgt. Anschließend erfolgte eine Zuführung des so verdichtenden Dampfes zum ersten Verdampfer sowie zum zweiten Verdampfer, wobei der endverdichtete Dampf in geeignete Teilströme geteilt wird. Dem erfindungsgemäßen Anlagenkonzept liegen folgende Gedanken zugrunde: NMMO- Lösungen und dergleichen stellen in einem Produktionsprozess Ressourcen dar, die wertvoll sind und daher recycelt werden sollen. In Prozessen wie beispielsweise einem Lyocell-Prozess fallen entsprechende Lösungen mit einem geringen Gehalt von NMMO von beispielsweise etwa 20 % (in Gewichtsprozent, im Folgenden kurz Gew.-%) an. Um derartige Lösungen wieder dem eigentlichen Produktionsprozess zuführen zu können, ist eine Aufkonzentration der Lösung auf beispielsweise etwa 80 Gew.-% erforderlich. Eine Aufkonzentration kann allerdings nicht energieeffizient in einem einzigen Verdampfer erfolgen, sondern muss technisch in aufeinanderfolgenden Verdampferschritten bis hin zu einer gewünschten Endkonzentration von NMMO erfolgen. Problematisch dabei ist, dass mit zunehmender NMMO- Konzentration in der Flüssigkeit eine erhebliche Siedepunktserhöhung gegeben ist. Wird beispielsweise ein zweistufiger Prozess mit zwei Verdampfern gefahren, kann die Siedetemperatur im ersten Verdampfer bei beispielsweise etwa 120 °C liegen, wohingegen im zweiten Verdampfer mit wesentlich höherer NMMO- Konzentration die Siedetemperatur bei etwa 145 °C liegen kann. Dies bedeutet, dass im zweiten Verdampfer wesentlich mehr Energie zugeführt werden muss, um Dampf abziehen und damit eine Aufkonzentration erreichen zu können. Während im ersten Verdampfer gemäß dem Stand der Technik Dampf abgezogen, verdichtet und wieder dem ersten Verdampfer zugeführt werden kann, ist dies beim zweiten Verdampfer nicht möglich, weil der Dampf mit einer relativ geringen Temperatur von etwa 85 °C bis 90 °C austritt und eine allfällige mechanische Verdichtung und der entsprechende Temperaturanstieg des Dampfes nicht ausreicht, um dem zweiten Verdampfer genügend Energie für eine Aufkonzentration zuführen zu können. Daher werden gemäß dem Stand der Technik leistungsstarke thermische Verdichter für den zweiten Verdampfer vorgesehen oder alternativ dieser ergänzend oder ausschließlich auch mit gesondert zugeführtem Frischdampf betrieben. Erfindungsgemäß ist nun im Gegensatz dazu eine zweite mechanische Verdichtereinheit für Dampf aus dem zweiten Verdichter vorgesehen, wobei von der zweiten mechanischen Verdichtereinheit verdichteter Dampf zunächst der ersten Verdichtereinheit zugeführt wird, ehe der so final verdichtete Dampf in Teilströme aufgeteilt und dem ersten Verdampfer einerseits und dem zweiten Verdampfer andererseits zugeführt wird. Durch diese Maßnahme kann aus dem zweiten Verdampfer abgezogener Dampf nicht nur mit der zweiten Verdichtereinheit, sondern auch mit der ersten Verdichtereinheit verdichtet werden. Die zweite Verdichtereinheit kann bei geeigneter Auslegung Dampf mit einer Temperaturerhöhung von circa 30 °C bereitstellen, was für den zweiten Verdampfer noch nicht ausreichend ist. Durch die Zuführung des von der zweiten Verdichtereinheit verdichteten Dampfes zur ersten Verdichtereinheit kann aber ein weiterer Temperatursprung nach oben erreicht werden, sodass die Temperatur für einen Betrieb des zweiten Verdampfers ausreichend ist und der so auf Temperatur gebrachte Dampf auch dem zweiten Verdampfer mit geeigneter Temperatur zugeführt werden kann. Durch die entsprechende Schaltung ist für den Betrieb der beiden Verdampfer und damit der Anlage insgesamt ein Energieaufwand minimiert.
Es kann vorgesehen sein, dass die erste Verdichtereinheit mehrere Verdichter umfasst. Zweckmäßigerweise sind die einzelnen Verdichter in Serie geschalten. Bevorzugt weist die erste Verdichtereinheit zwei bis vier, insbesondere zwei oder drei Verdichter auf, um die gewünschte Temperaturerhöhung für den aus dem ersten Verdampfer abgenommenen Dampf sowie vom zweiten Verdampfer zugeführten, bereits verdichteten Dampf zu erreichen. Darüber hinaus kann bei Bedarf auch eine Parallelschaltung mehrerer gesonderter Verdichtereinheiten vorgesehen sein, die wiederum jeweils mehrere Verdichter umfassen können, wobei Dampf aus der zweiten Verdichtereinheit zumindest einem dieser Verdichter ganz oder teilweise zugeführt wird.
Auch die zweite Verdichtereinheit kann mehrere Verdichter umfassen. Die Anzahl der Verdichter in der zweiten Verdichtereinheit ist wiederum auf das Anlagenkonzept abgestimmt. Grundsätzlich ist es ausreichend, wenn die zweite Verdichtereinheit zwei oder drei Verdichter aufweist, die analog wie bei der ersten Verdichtereinheit in Serie geschalten sind. Die Verdichter können bei beiden Verdichtereinheiten als bekannte Brüdenverdichter ausgebildet sein. Darüber hinaus kann bei Bedarf auch in an dieser Stelle eine Parallelschaltung mehrerer gesonderter Verdichtereinheiten vorgesehen sein, die wiederum jeweils mehrere Verdichter umfassen können.
Von der ersten mechanisch arbeitenden Verdichtereinheit verdichteter Dampf, welcher auch den weiterverdichteten Dampf aus der zweiten mechanisch arbeitenden Verdichtereinheit umfasst, wird im Anschluss im Prozess wiederverwendet, um den ersten Verdampfer sowie den zweiten Verdampfer zu beheizen. Hierfür ist vorgesehen, dass die Anlage eine zweite Zufuhrleitung zur Zuführung von mit der ersten mechanisch arbeitenden Verdichtereinheit verdichtetem Dampf in den zweiten Verdampfer umfasst. Grundsätzlich ist bei der erfindungsgemäßen Anlage kein thermischer Verdichter vorgesehen. Dennoch kann es unter Umständen erforderlich sein, den zweiten Verdampfer zusätzlich auch mit einem gering dimensionierten thermischen Verdichter zusätzlich zu versorgen, wenngleich dies grundsätzlich vermieden werden soll.
Der zweite Verdampfer ist bevorzugt als Endverdampfer ausgebildet, aus dem die aufkonzentrierte substanzhaltige Flüssigkeit aus der Anlage abgezogen wird. Wenngleich die Anlage mehr als zwei Verdampfer aufweisen kann, ist es für viele Zwecke ausreichend, wenn die Anlage mit einem ersten Verdampfer zur Vorkonzentration und einem zweiten Verdampfer als Endverdampfer zur Erreichung einer finalen Konzentration ausgebildet ist.
Die verfahrensmäßige Aufgabe wird gelöst, wenn bei einem Verfahren der eingangs genannten Art mit einer zweiten mechanisch arbeitenden Verdichtereinheit in dem zweiten Verdampfer gebildeter Dampf stromabwärts verdichtet und dann der ersten Verdichtereinheit zugeführt wird.
Entsprechend dem Konzept der Erfindung ist es dadurch möglich, dass die vorgesehenen Verdampfer mit minimiertem Energieaufwand auf die erforderliche Temperatur gebracht werden können. Dies ist möglich, weil aus dem zweiten Verdampfer abgezogener Dampf zunächst mit der zweiten mechanisch arbeitenden Verdichtereinheit mit einem ersten Temperaturanstieg verdichtet und dann im Anschluss mit der ersten mechanisch arbeitenden Verdichtereinheit nochmals weiter komprimiert und auf noch höhere Temperatur gebracht wird, sodass nach der endgültigen Verdichtung geeignete Teilströme für die Beheizung der Verdampfer gebildet werden können.
Der im zweiten Verdampfer verdichtete Dampf kann zusammen mit dem im ersten Verdampfer gebildeten Dampf im ersten mechanisch arbeitenden Verdichter verdichtet werden, sodass sich aus den beiden abgenommenen Dampfabteilen des ersten Verdampfers und des zweiten Verdampfers ein kombinierter Dampfstrom am Ende der ersten mechanisch arbeitenden Verdichtereinheit ergibt, der im Anschluss in einen ersten Teilstrom für den ersten Verdampfer und einen zweiten Teilstrom für den zweiten Verdampfer aufgeteilt werden kann. Es kann vorgesehen sein, dass in dem ersten Verdampfer gebildeter Dampf stromabwärts mit mehreren Verdichtern der ersten mechanisch arbeitenden Verdichtereinheit verdichtet wird. Auch bei der zweiten Verdichtereinheit können mehrere Verdichter vorgesehen sein. Die Anzahl der Verdichter wird so ausgelegt, dass einerseits der gewünschte Temperaturanstieg für die Wiedereinspeisung des Dampfes in den Verdampfer erreicht wird, andererseits aber ein Energieaufwand minimiert ist.
Im Rahmen der Erfindung kann der Dampf in der zweiten Verdichtereinheit auf eine höhere Differenz von Ausgangstemperatur weniger Eingangstemperatur verdichtet werden als in der ersten Verdichtereinheit. In der Regel ist es erforderlich, den aus dem zweiten Verdampfer austretenden Dampf einer größeren Temperaturerhöhung zu unterwerfen, da im zweiten Verdampfer nicht nur eine höhere Energiezufuhr erforderlich ist, sondern der Dampf auch mit einer niedrigeren Temperatur abgenommen wird.
Im Rahmen der Erfindung wird der erste Verdampfer in der Regel mit einem höheren Druck als der zweite Verdampfer betrieben.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiel. In der Zeichnung zeigt Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Anlagenkonzept.
In Fig. 1 ist ein Anlage 1 dargestellt, welche zur Aufkonzentrierung von NMMO ausgelegt ist. Die Anlage 1 umfasst einen ersten Verdampfer 2 und einen zweiten Verdampfer 3. In den Verdampferkreislauf wird eine wässrige Lösung von NMMO zum Zwecke der Aufkonzentrierung der Lösung eingeführt. Die NMMO-Lösung wird dem ersten Verdampfer 2 zur Vorkonzentrierung mit einem NMMO-Gehalt von beispielsweise 20 Gew.-% zugeführt. In dem ersten Verdampfer 2 wird durch Energiezufuhr die zugeführte NMMO-Lösung auf erhöhte Temperatur gebracht. Der dadurch entstehende Dampf kann im ersten Verdampfer 2 kopfseitig abgenommen werden. Die vorkonzentrierte NMMO-Lösung wird bodenseitig abgenommen und dem zweiten Verdampfer 3 zugeführt, in welchem wiederum die zugeführte Lösung auf erhöhte Temperatur gebracht wird, sodass wiederum Dampf kopfseitig am zweiten Verdampfer 3 abgezogen werden kann und sodass sich wiederum eine Konzentrationssteigerung ergibt und letztlich bodenseitig am zweiten Verdampfer 3, der als Endverdampfer dient, eine NMMO-Lösung mit 80 Gew.-% NMMO abgenommen werden kann.
Der aus dem ersten Verdampfer 2 austretende Dampf wird im weiteren Prozess wiederverwendet. Hierfür ist eine erste mechanisch arbeitende Verdichtereinheit 4 vorgesehen. Die erste Verdichtereinheit 4 umfasst mehrere einzelne Verdichter 41. Im Ausführungsbeispiel umfasst die erste Verdichtereinheit 4 zwei Verdichter 41. Die beiden in Serie geschalteten Verdichter 41 der ersten Verdichtereinheit 4 sind mit dem ersten Verdampfer 2 über eine erste Abfuhrleitung 42 verbunden. Ähnlich ist der zweite Verdampfer 3 mit einer Abfuhrleitung 52 ausgelegt, welche einen kopfseitigen Auslass des zweiten Verdampfers 3 mit einer zweiten mechanische arbeitenden Verdichtereinheit 4 verbindet. Die zweite Verdichtereinheit 5 umfasst ebenfalls zwei einzelne Verdichter 51. Die Verdichter 51 der zweiten Verdichtereinheit 5 sind ebenfalls in Serie geschalten.
Wie in Fig. 1 ersichtlich ist, sind die Verdichter 51 der zweiten Verdichtereinheit 5 stromabwärts mit einer Leitung ausgestattet, welche in die Abfuhrleitung 42 des ersten Verdampfers 2 mündet. Mit der zweiten Verdichtereinheit 5 komprimierter Dampf wird daher zusammen mit dem aus dem ersten Verdampfer 2 abgeführten Dampf zusammengeführt, ehe der so zusammengeführte Dampf in der ersten Verdichtereinheit 4 weiterverdichtet wird. Nach dieser finalen Verdichtung wird der verdichtete Dampf in zwei Teilströme aufgeteilt, nämlich einen ersten Teilstrom für eine ersten Zufuhrleitung 6 zum ersten Verdampfer 2 sowie eine zweite Zufuhrleitung 7 zum zweiten Verdampfer 3.
Durch die vorgesehene Schaltung ist es möglich, dass Dampf aus dem zweiten Verdampfer 3, welcher mit einer relativ geringen Temperatur von etwa 30 °C weniger als beim ersten Verdampfer 2 austritt, zunächst mit den vorgesehenen Verdichtern 51 der zweiten Verdichtereinheit 5 auf eine etwa 30 °C bis 40 °C höhere Temperatur gebracht wird. Dies alleine wäre für den Betrieb des zweiten Verdampfers 3 temperaturmäßig noch nicht ausreichend. Durch die zusätzliche Verdichtung mit der ersten Verdichtereinheit 4 kann jedoch eine weitere Temperatursteigerung von mehreren °C erreicht werden, sodass eine Temperatur des verdichteten Dampfes ausreicht, um den zweiten Verdampfer 3 ausreichend zu beheizen. Somit kann mit einer minimalen Anzahl mechanisch arbeitender Verdichter das Auslangen gefunden werden, was zu einem energetisch effektiven Prozess führt. Wie in Fig. 1 ersichtlich kann dabei im ersten Verdampfer 3 die NMMO- Lösung auf etwa 40 Gew.-% NMMO und im zweiten schließlich auf 80 Gew.-% NMMO aufkonzentriert werden.

Claims

Ansprüche
1. Anlage (1) zur Aufkonzentrierung von substanzhaltigen Flüssigkeiten durch mehrstufiges Eindampfen, insbesondere von Lösungen wie N-methylmorpholin-N-oxid (NMMO), wobei die Anlage (1) mit zumindest einem ersten Verdampfer (2) und einem zweiten Verdampfer (3) ausgebildet ist, wobei der erste Verdampfer (2) mit dem zweiten Verdampfer (3) geeignet verbunden ist, damit in dem ersten Verdampfer (2) aufkonzentrierte Flüssigkeit in den zweiten Verdampfer (3) führbar ist, um aufkonzentrierte Flüssigkeit in dem zweiten Verdampfer (3) weiter aufzukonzentrieren, wobei eine erste mechanisch arbeitende Verdichtereinheit (4) vorgesehen ist, mit welcher in dem ersten Verdampfer (2) gebildeter Dampf stromabwärts verdichtbar ist, und wobei die Anlage (1) eine erste Zufuhrleitung (6) zur Zuführung von mit der ersten mechanisch arbeitenden Verdichtereinheit (4) verdichtetem Dampf in den ersten Verdampfer (2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite mechanisch arbeitende Verdichtereinheit (5) vorgesehen ist, mit welcher in dem zweiten Verdampfer (3) gebildeter Dampf stromabwärts verdichtbar ist, wobei von der zweiten Verdichtereinheit (5) verdichteter Dampf der ersten Verdichtereinheit (4) zuführbar ist.
2. Anlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verdichtereinheit (4) mehrere Verdichter (41) umfasst.
3. Anlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verdichtereinheit (5) mehrere Verdichter (51) umfasst
4. Anlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (1) eine zweite Zufuhrleitung (6) zur Zuführung von mit der ersten mechanisch arbeitenden Verdichtereinheit (4) verdichtetem Dampf in den zweiten Verdampfer (3) umfasst.
5. Anlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass kein thermischer Verdichter vorgesehen ist.
6. Anlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verdampfer (3) als Endverdampfer ausgebildet ist, aus dem die aufkonzentrierte Flüssigkeit aus der Anlage (1) abgezogen wird.
7. Verfahren zur Aufkonzentrierung von substanzhaltigen Flüssigkeiten durch mehrstufiges Eindampfen, beispielsweise von Lösungen wie N-methylmorpholin-N-oxid (NMMO), insbesondere mit einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Flüssigkeit in einem ersten Verdampfer (2) aufkonzentriert und die so aufkonzentrierte Flüssigkeit in einen zweiten Verdampfer (3) geführt wird, in dem die aufkonzentrierte Flüssigkeit weiter aufkonzentriert wird, wonach ein Konzentrat entnommen wird, wobei in dem ersten Verdampfer (2) gebildeter Dampf stromabwärts mit einer ersten mechanisch arbeitenden Verdichtereinheit (4) verdichtet und zumindest teilweise über eine erste Zufuhrleitung (6) dem ersten Verdampfer (2) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer zweiten mechanisch arbeitenden Verdichtereinheit (5) in dem zweiten Verdampfer (3) gebildeter Dampf stromabwärts verdichtet und dann der ersten Verdichtereinheit (4) zugeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der im zweiten Verdampfer (3) verdichtete Dampf zusammen mit dem im ersten Verdampfer (2) gebildeten Dampf in der ersten mechanisch arbeitenden Verdichtereinheit (4) verdichtet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten mechanisch arbeitenden Verdichtereinheit (4) verdichteter Dampf in Teilströme geteilt wird, wobei ein Teilstrom dem ersten Verdampfer (2) und ein weiterer Teilstrom dem zweiten Verdampfer (3) zugeführt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Verdampfer (3) gebildeter Dampf stromabwärts mit mehreren Verdichtern (51) der zweiten mechanisch arbeitenden Verdichtereinheit (5) verdichtet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Verdampfer (2) gebildeter Dampf stromabwärts mit mehreren Verdichtern (41) der ersten mechanisch arbeitenden Verdichtereinheit (41) verdichtet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verdampfer (2) mit einem höheren Druck als der zweite Verdampfer (3) betrieben wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Dampf in der zweiten Verdichtereinheit (5) auf eine höhere Differenz von Ausgangstemperatur weniger Eingangstemperatur verdichtet wird als in der ersten Verdichtereinheit (4).
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