Ein Prozess-Bypass-Strom schützt die Produktqualität, indem er unnötige thermische Belastung vermeidet. In einer thermischen Konzentrationsanlage, wie z. B. einem Eindampfer, wird ein kontrollierter Teil des frischen Zulaufs am Erhitzer und Eindampfer vorbeigeführt, während der restliche Zulauf über das endgültige Ziel hinaus konzentriert wird. Die konzentrierten und die unverarbeiteten Ströme werden anschließend gemischt, um die erforderliche Endkonzentration der Feststoffe bei verbesserter Erhaltung von Aromen, Vitaminen oder biologischer Aktivität zu erreichen.

Ein Bypass-System erreicht die gewünschte Endkonzentration durch die Kombination eines überkonzentrierten, thermisch behandelten Stroms mit einem frischen Bypass-Strom. Die Durchflussraten werden durch Massenbilanzen am Zulaufteiler, am Eindampfer und an den Zusammenführungspunkten bestimmt.

Warum ein Bypass-Strom verwendet wird

Schutz hitzeempfindlicher Komponenten

Thermische Konzentration kann Verbindungen schädigen, die empfindlich auf Hitze oder Verweilzeit reagieren. Dazu können Aromastoffe, Vitamine, Farbstoffe, Enzyme oder andere biologisch aktive Komponenten gehören.

Der Bypass-Strom umgeht den Eindampfer vollständig und bewahrt einen Teil des Zulaufs in seinem ursprünglichen Zustand.

Wiederherstellung der Endproduktqualität

Der Eindampferstrom wird absichtlich auf eine Feststoffkonzentration konzentriert, die über der Endspezifikation liegt. Das Mischen mit dem weniger konzentrierten Bypass-Strom reduziert die thermische Belastung des Gesamtprodukts und erreicht gleichzeitig die erforderliche Endkonzentration.

Der Bypass-Anteil fungiert daher als Variable zur Steuerung der Zusammensetzung.

Reduzierung der thermischen und energetischen Belastung

Da nur ein Teil des Zulaufs durch den Eindampfer fließt, muss die Anlage nicht den gesamten Zulauf mit der gleichen thermischen Intensität verarbeiten. Dies kann den Wärmebedarf senken und die durchschnittliche thermische Belastung des Produkts begrenzen.

Die drei erforderlichen Bilanzierungspunkte

Eine Bypass-Berechnung sollte auf einem vollständig beschrifteten Prozessfließbild basieren. Drei Systemknoten sind wesentlich.

Zulaufteiler (Feed Split Point)

Es sei:

(F) = Massenstrom des gesamten frischen Zulaufs
(B) = Massenstrom des Bypass-Stroms
(E) = Massenstrom des Eindampfer-Zulaufs

Die gesamte Massenbilanz lautet:

[ F = B + E ]

Daher:

[ E = F - B ]

Wenn der Bypass-Anteil als (f_B) angegeben ist, dann gilt:

[ B = f_B F ]

und:

[ E = (1-f_B)F ]

Der Bypass-Strom und der Eindampfer-Zulaufstrom haben im Allgemeinen unmittelbar nach der Teilung die gleiche Zusammensetzung wie der frische Zulauf.

Eindampfer-Einheit

Es sei:

(x_F) = Massenanteil der Feststoffe im frischen Zulauf
(x_C) = Massenanteil der Feststoffe im Eindampfer-Konzentrat
(C) = Massenstrom des Eindampfer-Konzentrats
(V) = Massenstrom des verdampften Wassers

Unter der Annahme, dass im Eindampfer keine Feststoffe verloren gehen, lautet die Feststoffbilanz:

[ E x_F = C x_C ]

Somit ist der Durchfluss des Eindampfer-Konzentrats:

[ C = \frac{E x_F}{x_C} ]

Unter Verwendung von (E=F-B):

[ C = \frac{(F-B)x_F}{x_C} ]

Die gesamte Massenbilanz um den Eindampfer lautet:

[ E = C + V ]

Daher ist die Wasserentzugsrate:

[ V = E-C ]

oder:

[ V = (F-B)-\frac{(F-B)x_F}{x_C} ]

Diese Berechnung geht davon aus, dass das entfernte Material Wasser ist und gelöste Feststoffe im flüssigen Produkt verbleiben.

Zusammenführungspunkt

Es sei:

(P) = Massenstrom des Endprodukts
(x_P) = gewünschter Massenanteil der Feststoffe im Endprodukt

Die gesamte Massenbilanz am Mischpunkt lautet:

[ P = B+C ]

Die Feststoffbilanz lautet:

[ P x_P = Bx_F + Cx_C ]

Wenn die Feststoffe über den gesamten Prozess erhalten bleiben, ergibt die Gesamt-Feststoffbilanz auch:

[ F x_F = P x_P ]

Daher:

[ P = \frac{F x_F}{x_P} ]

Sobald (P) und (C) bekannt sind, kann der Bypass-Strom wie folgt ermittelt werden:

[ B=P-C ]

Berechnung des Bypass-Durchflusses

Wenn der gesamte Zulauf und die Endproduktspezifikation bekannt sind

Eine praktische Berechnungsreihenfolge ist:

Berechnen Sie den Endproduktdurchfluss aus der Gesamt-Feststoffbilanz:

[ P=\frac{F x_F}{x_P} ]

Wählen oder bestimmen Sie die Konzentration des Eindampfer-Konzentrats (x_C).
Verwenden Sie die Bilanz der Zusammenführung:

[ B=P-C ]

Wenden Sie die Feststoffbilanz des Eindampfers an:

[ C=\frac{(F-B)x_F}{x_C} ]

Diese Gleichungen können simultan nach (B) und (C) gelöst werden.

Ein direkter Ausdruck für den Bypass-Anteil ist:

[ \frac{B}{F}

\frac{\dfrac{x_F}{x_P}-\dfrac{x_F}{x_C}} {1-\dfrac{x_F}{x_C}} ]

Dieser Ausdruck gilt, wenn der Bypass-Strom die ursprüngliche Zulaufkonzentration aufweist, das Eindampfer-Konzentrat die Konzentration (x_C) hat und Feststoffe erhalten bleiben.

Wenn der Bypass-Anteil spezifiziert ist

Wenn der Bypass-Anteil bereits bekannt ist, berechnen Sie:

[ B=f_BF ]

[ E=(1-f_B)F ]

Bestimmen Sie dann den Durchfluss des Eindampfer-Konzentrats:

[ C=\frac{E x_F}{x_C} ]

Der resultierende Endproduktdurchfluss ist:

[ P=B+C ]

Die tatsächliche Feststoffkonzentration ist:

[ x_P=\frac{B x_F+C x_C}{P} ]

Dieser Ansatz ist nützlich, um zu bewerten, wie sich eine vorgeschlagene Bypass-Einstellung auf das Endprodukt auswirkt.

Beispielrechnung

Gegebene Prozessbedingungen

Angenommen, ein Prozess hat:

Frischer Zulauf: (F=1{,}000\ \text{kg/h})
Feststoffe im Zulauf: (x_F=0.10)
Gewünschte Endfeststoffe: (x_P=0.20)
Feststoffe im Eindampfer-Konzentrat: (x_C=0.50)

Der gesamte Endproduktdurchfluss ist:

[ P=\frac{1{,}000(0.10)}{0.20}=500\ \text{kg/h} ]

Der Bypass-Anteil ist:

[ \frac{B}{F}

\frac{\dfrac{0.10}{0.20}-\dfrac{0.10}{0.50}} {1-\dfrac{0.10}{0.50}}

\frac{0.50-0.20}{0.80} =0.375 ]

Daher:

[ B=0.375(1{,}000)=375\ \text{kg/h} ]

Der Eindampfer-Zulauf ist:

[ E=1{,}000-375=625\ \text{kg/h} ]

Der Durchfluss des Eindampfer-Konzentrats ist:

[ C=\frac{625(0.10)}{0.50}=125\ \text{kg/h} ]

Der Endproduktdurchfluss ist:

[ P=B+C=375+125=500\ \text{kg/h} ]

Die Rate des verdampften Wassers ist:

[ V=E-C=625-125=500\ \text{kg/h} ]

Das Endprodukt enthält daher (100\ \text{kg/h}) Feststoffe in (500\ \text{kg/h}) Produkt, was die gewünschte (20%ige) Feststoffkonzentration bestätigt.

Verständnis der Kompromisse

Höherer Bypass-Durchfluss

Ein höherer Bypass-Anteil reduziert die Menge des Produkts, das einer thermischen Behandlung ausgesetzt ist. Der Teil, der in den Eindampfer gelangt, muss jedoch stärker konzentriert werden, um die gleiche Endproduktkonzentration aufrechtzuerhalten.

Dies kann die erforderliche Eindampferkonzentration, Viskosität, Schwierigkeiten bei der Wärmeübertragung oder das Risiko von Verschmutzungen (Fouling) erhöhen.

Niedrigerer Bypass-Durchfluss

Ein niedrigerer Bypass-Anteil leitet mehr Material durch den Eindampfer und reduziert im Allgemeinen die erforderliche Konzentration am Eindampferauslass. Dies kann die Eindampfung vereinfachen, setzt aber einen größeren Teil des Produkts Hitze aus.

Das resultierende Produkt kann einen stärkeren Aromaverlust oder thermischen Abbau erfahren.

Annahmen zu Zusammensetzung und Eigenschaften

Die grundlegenden Gleichungen gehen davon aus, dass der Bypass-Strom die gleiche Zusammensetzung wie der frische Zulauf hat und der Eindampfer nur Wasser entfernt. Wenn Feststoffe verloren gehen, flüchtige Komponenten entfernt werden oder die Ströme unterschiedliche Dichten aufweisen, sind zusätzliche Komponentenbilanzen erforderlich.

Durchflussraten sollten konsistent als Massen- oder Volumenströme behandelt werden. Konzentrationsbilanzen sind am zuverlässigsten, wenn Massenströme und Massenanteile verwendet werden.

Machbarkeit der gewählten Konzentrationen

Bei einer konventionellen Bypass-Anordnung sollte die Endkonzentration normalerweise zwischen der Konzentration des Bypass-Stroms und der Konzentration des Eindampfer-Konzentrats liegen:

[ x_F \leq x_P \leq x_C ]

Wenn die gewünschte Endkonzentration außerhalb dieses Bereichs liegt, kann die vorgeschlagene Durchflussanordnung das Ziel ohne einen weiteren Strom oder eine Änderung der Betriebsbedingungen nicht erreichen.

Anwendung auf Ihr Projekt

Eine zuverlässige Berechnung beginnt mit einem beschrifteten Fließbild, einer definierten Konzentrationsbasis sowie separaten Gesamt- und Feststoffbilanzen an jedem Knotenpunkt.

Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Produktqualität liegt: Erhöhen Sie den Bypass-Anteil so weit, dass die thermische Belastung begrenzt wird, und prüfen Sie dann, ob der Eindampfer die erforderliche Überkonzentration erreichen kann.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Energieeinsparung liegt: Minimieren Sie den Eindampfer-Zulaufanteil und überprüfen Sie gleichzeitig die Wärmeübertragungsleistung, Viskosität, Verschmutzung und die erreichbare Konzentratkonzentration.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Kontrolle der Endzusammensetzung liegt: Verwenden Sie die Feststoffbilanz am Mischpunkt und behandeln Sie den Bypass-Anteil als die primäre Betriebsvariable.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf dem Anlagendesign liegt: Berechnen Sie Eindampfer-Zulauf, Konzentrat und Wasserentzugsraten separat, da jede dieser Größen unterschiedliche Anforderungen an die Ausrüstung stellt.

Ein Bypass-Strom ist im Grunde ein kontrollierter Mechanismus zur Anpassung der Zusammensetzung, und seine Durchflussraten ergeben sich direkt aus den Gesamt- und Komponentenmassenbilanzen an den Teilungs-, Eindampf- und Mischpunkten.

Zusammenfassungstabelle:

Prozesspunkt	Wichtige Bilanz oder Gleichung	Zweck
Zulaufteiler	`F = B + E`	Teilt frischen Zulauf in Bypass- und Eindampferströme
Eindampfer	`C = Ex_F / x_C`	Berechnet Konzentratfluss aus Feststofferhaltung
Wasserentzug	`V = E - C`	Bestimmt den Durchfluss des verdampften Wassers
Zusammenführung	`P = B + C`	Kombiniert Bypass- und Konzentratströme
Endprodukt	`P = Fx_F / x_P`	Berechnet Produktfluss aus der Gesamt-Feststoffbilanz
Bypass-Anteil	`B/F = [(x_F/x_P) - (x_F/x_C)] / [1 - (x_F/x_C)]`	Bestimmt den für die Zielkonzentration benötigten Bypass

Müssen Sie einen thermischen Konzentrationsprozess entwerfen oder bewerten? Kontaktieren Sie LABPARK für praktische Unterstützung bei Pilotanlagen für verfahrenstechnische Grundoperationen in den Bereichen Chemieingenieurwesen, Bioprozess- und Biotechnologie sowie Umwelt- und Wasseraufbereitung. Unsere Lösungen helfen Universitäten, Forschungsinstituten und Unternehmen dabei, Massenbilanzberechnungen zu validieren, Bypass- und Eindampfstrategien zu untersuchen, hitzeempfindliche Produkte zu schützen und die Anlagenleistung, den Energieverbrauch sowie die Endzusammensetzung zu optimieren.