Ein Unternehmen aus der Lebensmittelindustrie plante, die bestehende Anlage um eine Suspensionstrocknungsstrecke zur Pulverherstellung zu erweitern. Dies betrifft den gesamten energieintensiven Veredelungsprozess und beinhaltet mehrere Prozessschritte. Pro Stunde sollen rund 60 t Suspension verarbeitet werden, die zunächst durch einen Eindampfer und einen Umlaufverdampfer eingedickt wird. Anschließend wird die Lösung abgekühlt, sodass sich Kristalle bilden und ausfallen. Diese feste Phase wird in drei Stufen dekantiert und so von der flüssigen Phase getrennt. Das Rohprodukt wird anschließend gewaschen und in einem Fließbett bei 150 °C im Luftstrom getrocknet. Durch weitere Mahl- und Trennprozesse wird das Endprodukt veredelt und dazu mit Druckluft gefördert.
In Kombination mit den bereits bestehenden Anlagen bieten sich in den verschiedenen energieintensiven Schritten vielfältige Möglichkeiten, den Prozess zu optimieren und effizienter zu gestalten. Durch Wärmerückgewinnung könnte das Unternehmen beispielsweise Heizwärme einsparen und gleichzeitig den Energieaufwand für die Rückkühlung reduzieren. Solche Synergien zu nutzen, ist umweltfreundlich und kann sehr häufig ökonomisch sinnvoll sein. Aus diesen Gründen wurde ein Anlagenbauer mit der Entwicklung eines geeigneten Anlagenkonzepts beauftragt. Vom Betreiber erhielten anschließend die Energieexperten von TÜV Süd den Auftrag, Anlagenkonzept und Pläne zu prüfen und nach Effizienz- und Optimierungspotenzialen zu suchen. Konkret ergab sich daraus die Aufgabe, Möglichkeiten zu identifizieren, ob und wie die anfallende Abwärme dem Prozess wieder nutzbar zugeführt werden kann.
Zu diesem Zweck analysierten die Experten zunächst die Energie- und Stoffströme der geplanten Prozessschritte. Dies sind im Einzelnen die Vorwärmung, Eindampfung mit mechanischem Brüdenverdichter in der ersten Stufe und Dampfstrahlbrüdenverdichter in der zweiten Stufe, Dampfkondensation, Kristallisation und Trocknung sowie zusätzlich die externe Kälteerzeugung samt Rückkühlung. Bei Anlagen mit thermischen Transformationsschritten, wie im vorliegenden Fall, kommen der erste und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik als Werkzeug zur Anwendung. Während der erste Hauptsatz – auch bekannt als Energieerhaltungssatz – für die Bilanzierung einer Anlage notwendig ist, gibt erst der zweite Hauptsatz Auskunft darüber, in welchem Verhältnis Nutzen und Aufwand bestenfalls zueinander stehen können, welche Effizienz also maximal erreicht werden kann. Nur mit diesen Informationen lassen sich letztlich die eingesetzten und transformierten Energiemengen bilanzieren. Über die Temperatur der Suspension in den Verdampfern und die Temperatur des Kühlwassers im Brüdenkondensator wurden anhand der Dampfdruckkurve Verdampfungs- und Kondensationsdruck sowie die zugehörigen Dampfenthalpien bestimmt. So konnte der Dampfstrahlverdichter bilanziert und mit einem Vergleichswirkungsgrad bewertet werden. Die gesamte Trocknungsanlage wurde zur Berechnung verschiedener Szenarien mit einer mathematischen Simulation abgebildet und die Ergebnisse vergleichend gegenübergestellt. Auf diese Art und Weise konnten die Experten auch bewerten, ob Modifikationen des Konzepts – beispielsweise eine größere Heizfläche zur Übertragung der Prozesswärme – energetisch und wirtschaftlich sinnvoll wären.
