Schlussbericht IGF Vorhaben Nr.15344N 30.03 überarbeitet am … · 2013-03-14 · I...

I

Zusammenfassung

Die Angebotserstellung in der chemischen Industrie ist Grundlage für jede Investition. Dabei bindet dieser Aufgabenbereich erhebliche Ressourcen, die für den eigentlichen Planungspro-zess nicht zur Verfügung stehen. Durch die steigende Komplexität der Projekte, wachsende Kosten und erhöhten Wettbewerbsdruck in der chemischen Industrie gewinnt die Angebotser-stellung in Zukunft eine noch größere Bedeutung. Dabei hat die Qualität der meist unter star-kem Zeitdruck erstellten Angebote starken Einfluss auf den Erfolg des Gesamtprojektes. Dies führt die Anlagenplaner dazu, auf unterschiedliche Art und Weise zu versuchen, die Qualität der Planungsarbeiten zu verbessern und Routinearbeiten zu rationalisieren.

Das Ziel dieses wissenschaftlichen Vorhabens ist ein benutzerfreundliches Programm-Rahmenwerk, das es den Anwendern ermöglicht, schnell und effizient zu einem möglichst frühen Zeitpunkt einen Variantenvergleich und eine darauf aufbauende Angebotskalkulation durchzuführen. Grundlage ist die Modularisierung in der Funktions- und Aufstellungspla-nung, die sowohl Ausrüstung als auch Instrumentierung, Nahverrohrung sowie Stahlbau bein-haltet. Die Kalkulation der Kosten geschieht auf Basis von Materialauszügen mit Hilfe einer Datenbasis, erstellt mit statistischen Methoden aus Kostendaten realisierter Anlagen und Her-stellerdaten. Dabei unterstützt das System ausgehend von der Simulation mit Prozessoptimie-rung über die Funktionsplanung bis hin zur Aufstellungs- und Rohrleitungsplanung in Ver-bindung mit einem detaillierten Kostenmodell durch ein integrales Wissensmanagement-system den Anwender bei seinen Entscheidungen.

Im Rahmen des Projektes wurden neue rechnergestützte Methoden für den ingenieurtechni-schen Teil der Anlagenplanung und Angebotskalkulation entwickelt. Diese basieren insbe-sondere auf dem modularen Anlagenplanungskonzept, das es ermöglicht, schon im frühen Planungsstadium mit hoher Genauigkeit verschiedene Anlagendesigns zu erzeugen und diese und ihre Kosten miteinander zu vergleichen.

Das in dieser Arbeit vorgestellte modulare Konzept stellt einen Beitrag zur gegenwärtigen Diskussion in der Anlagenplanung über die Integration der unterschiedlichen Planungswerk-zeuge und der modulbasierten Erstellung von Planungsunterlagen dar. Bei der Entwicklung solcher Ansätze geht es vorrangig darum, den planenden Ingenieur von Routinetätigkeiten zu entlasten. Dadurch kann ihm der Freiraum geschaffen werden, den er benötigt, um seine Kreativität in die Entwicklung völlig neuer Lösungen einzubringen und sich auf die wesentli-che Optimierungsarbeit zu konzentrieren. In der Anlagenplanung mit vielen Beteiligten aus unterschiedlichsten Fachgebieten ist es notwendig, die Komplexität der Anlagen durch eine geeignete Modularisierung in überschaubaren Grenzen zu halten und auf bereits bestehenden Erfahrungen und Best-Practices-Lösungen aufzubauen. Zur Konservierung des Planungswis-sens und zur Know-how Sicherung innerhalb des Unternehmens ist diese Herangehensweise unerlässlich. In Zusammenarbeit mit der Industrie wurden die Projektergebnisse validiert. Abschließend konnte festgestellt werden, dass das Ziel des Forschungsvorhabens erreicht wurde.

II

Inhaltsverzeichnis

1 Forschungsthema................................................................................................................ 1

2 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung ................................... 1

2.1 Ausgangssituation ...................................................................................................... 1

2.2 Stand der Technik....................................................................................................... 2

3 Forschungsziel/Ergebnisse/Lösungsweg............................................................................ 3

3.1 Forschungsziel............................................................................................................ 3

3.2 Angestrebte Forschungsergebnisse ............................................................................ 5

3.3 Innovativer Beitrag der angestrebten Forschungsergebnisse ..................................... 5

3.4 Lösungsweg zur Erreichung des Forschungszieles.................................................... 6

3.5 Erzielte Ergebnisse..................................................................................................... 6

3.5.1 Arbeitspaket I: TU-Dortmund............................................................................ 7

3.5.1.1 Wissensbasiertes System & PID Entwürfe .................................................... 7

3.5.1.2 Auslegung von PID-Modulen ...................................................................... 82

3.5.1.3 Erstellung Materialauszüge .......................................................................... 83

3.5.1.4 Konstruktion von 3D-Equipmentmodellen .................................................. 85

3.5.1.5 Aufstellungsplanung/ Stahlbau/ Rohrleitungen ........................................... 90

3.5.2 Arbeitspaket II: TU-Berlin ............................................................................... 91

3.5.2.1 Modulare Kostenschätzung .......................................................................... 91

3.5.2.2 Datenmodellierung ....................................................................................... 92

3.5.2.3 Eigener Lösungsansatz – modulare Kostenschätzung ................................. 95

3.5.2.4 Module ....................................................................................................... 107

3.5.2.5 Benchmark ................................................................................................. 110

3.6 Gegenüberstellung der erzielten Ergebnisse .......................................................... 112

3.7 Ausblick ................................................................................................................. 116

4 Wirtschaftliche Bedeutung des Forschungsthemas........................................................ 117

4.1 Voraussichtliche Nutzung ...................................................................................... 117

III

4.2 Möglicher Beitrag zur Steigerung .......................................................................... 117

5 Beabsichtigte Umsetzung der angestrebten Forschungsergebnisse ............................... 118

5.1 Veröffentlichungen................................................................................................. 118

5.1.1 Artikel / Poster ............................................................................................... 118

5.1.2 Vorträge.......................................................................................................... 118

5.1.3 Präsentationen / Workshops ........................................................................... 119

6 Förderung ....................................................................................................................... 120

7 Bibliographische Daten .................................................................................................. 120

7.1 AiF-Mitgliedsvereinigung...................................................................................... 120

7.2 Durchführende Forschungsstellen.......................................................................... 120

8 Literaturverzeichnis........................................................................................................ 121

IV

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 : Schätzgenauigkeit und Planungsgrad nach Prinzing, Rödl, Aichert [54] ........... 1

Abbildung 2 : Übersicht über das Gesamtsystem mit den einzelnen Abhängigkeiten .............. 3

Abbildung 3 : Modulares Planungskonzept, wie es im Rahmen des Projektes entwickelt wurde.................................................................................................................................................... 7

Abbildung 4 : Darstellung eines wissensbasierten Systems....................................................... 8

Abbildung 5 : Modularisierung einer Chemieanlage ............................................................... 12

Abbildung 6 : Ein Ausschnitt aus dem Entscheidungsbaum für Chemiekreiselpumpen......... 13

Abbildung 7 : PID-Modul für eine Pumpe............................................................................... 14

Abbildung 8 : Nahverrohrung im verfahrenstechnischem Ablauf ........................................... 14

Abbildung 9 : Grundsätzlicher Aufbau der Software............................................................... 15

Abbildung 10 : Implementierung der Entscheidungsbäume in Comos®................................. 15

Abbildung 11 : Hilfetexte zur besseren Entscheidungsfindung ............................................... 16

Abbildung 12 : Bericht "Getroffene Entscheidungen"............................................................. 16

Abbildung 13 : Dokumentation der Entscheidungen –Revisionieren des PID Moduls........... 17

Abbildung 14 : Wesentliche Designkriterien für Pumpenstationen......................................... 18

Abbildung 15 : Entscheidungsfindung über ein offenes oder geschlossenes System.............. 19

Abbildung 16 : PID Grundelement für die Pumpe................................................................... 24

Abbildung 17 : Wesentliche Designkriterien für Wärmeübertrager ........................................ 25

Abbildung 18 : Aufteilung Wärmeübertrager .......................................................................... 26

Abbildung 19 : Verschiedene Schaltungen für die Mehreffektverdampfung .......................... 27

Abbildung 20 : Bauarten für Wärmeübertrager ....................................................................... 29

Abbildung 21 : Kolonnenverdampfer im Naturumlauf............................................................ 30

Abbildung 22 : Kolonnenverdampfer im Zwangsumlauf ........................................................ 30

Abbildung 23 : Kettle-Typ-Verdampfer, Interner Kolonnenverdampfer, Robertverdampfer . 31

Abbildung 24 : Schematische Darstellung von Fallfilmverdampfer, Kletterfilm-Verdampfer und Dünnschichtverdampfer .................................................................................................... 32

Abbildung 25 : Ausführungsbeispiele für die Regelung der Wärmeübertrager....................... 37

V

Abbildung 26 : PID Grundelement für den Wärmeübertrager................................................. 38

Abbildung 27 : Wesentliche Designkriterien für Kolonnensysteme........................................ 40

Abbildung 28 : Bauvarianten der Batch-Rektifikation ............................................................ 42

Abbildung 29 : Schematische Darstellung: Rektifikationskolonne, Trennwandkolonne, Reaktivrektifikation.................................................................................................................. 43

Abbildung 30 : Schematische Darstellung: Extraktivrektifikation, Absorber-/ Desorberschaltung.................................................................................................................... 44

Abbildung 31 : Schematische Darstellung Heteroazeotroptrennung, Druckwechselrektifikation, Hybridverfahren........................................................................... 46

Abbildung 32 : Modularisierung eines Reaktors nach dem verfahrenstechnischen Zweck .... 52

Abbildung 33 : Wesentliche Designkriterien für Reaktoren.................................................... 53

Abbildung 34 : Reaktorauswahl nach der Art der Phasenverhältnisse .................................... 54

Abbildung 35 : Regelarten Reaktordosierung.......................................................................... 55

Abbildung 36 : Verschiedene Rührertypen.............................................................................. 56

Abbildung 37 : Regelarten der Reaktortemperierung über den Reaktormantel....................... 58

Abbildung 38 : Regelarten der Reaktortemperierung über den Einsatz externer Wärmeübertrager...................................................................................................................... 59

Abbildung 39 : Reaktor Druckregelung ................................................................................... 61

Abbildung 40 : Wesentliche Designkriterien für Behälter....................................................... 63

Abbildung 41 : Aufstellungsarten von Behältern..................................................................... 64

Abbildung 42 : Entscheidungsbaum Lagerbehälter "Art des Mediums" ................................. 65

Abbildung 43 : Füllstandsregelung Prozessbehälter nach verfahrenstechnischer Aufgabe..... 66

Abbildung 44 : Darstellung einer Regelart für Lagerbehälter mit Flachboden und Festdach . 67

Abbildung 45 : Darstellung einer Regelart für einen zylindrischen Lagerbehälter ................. 68

Abbildung 46 : Entscheidungsbaum Behälter Technische Einrichtung "Temperieren" .......... 69

Abbildung 47 : Darstellung Auswahlmöglichkeiten für ein Pumpenmodul ............................ 70

Abbildung 48 : Modular erstelltes Beispiel PID Modul für eine Chemie Kreiselpumpe und Dokumentation der Entscheidungen ........................................................................................ 71

Abbildung 49 : Darstellung der Auswahlmöglichkeiten für ein Wärmeübertragermodul....... 72

VI

Abbildung 50 : Modular erstelltes Beispiel PID Modul für einen Wärmeübertrager und Dokumentation der Entscheidungen ........................................................................................ 73

Abbildung 51 : Darstellung Auswahlmöglichkeiten für ein Kolonnenmodul ......................... 74

Abbildung 52 : Modular erstelltes Beispiel PID Modul für ein Kolonnensystem und Dokumentation der Entscheidungen ........................................................................................ 76

Abbildung 53 : Darstellung Auswahlmöglichkeiten für ein Reaktormodul ............................ 77

Abbildung 54 : Modular erstelltes Beispiel PID Modul für ein Reaktor und Dokumentation der Entscheidungen .................................................................................................................. 79

Abbildung 55 : Darstellung Auswahlmöglichkeiten für ein Behälterrmodul .......................... 80

Abbildung 56 : Modular erstelltes Beispiel PID Modul für ein Behälter und Dokumentation der Entscheidungen .................................................................................................................. 81

Abbildung 57 : Rechnergestützte Realisierung der Ausrüstungsauslegung in Comos® ......... 83

Abbildung 58 : Abfragen für die Erstellung der Materialauszüge ........................................... 84

Abbildung 59 : Materialbilanzen für die Module..................................................................... 85

Abbildung 60 : EQM´s einer Pumpenstation und eines Prozessbehälters ............................... 86

Abbildung 61 : Entscheidungsbaum & Designregeln für EQM eines Wärmeübertragers ...... 87

Abbildung 62 : Stutzenanordnung nach TEMA Standards...................................................... 88

Abbildung 63 : Das Zusammensetzen eines EQM´s für einen Wärmeübertrager ................... 89

Abbildung 64 : Planungsphasen und Kostenschätzung nach Blaß [6]..................................... 91

Abbildung 65 : Erwartete Genauigkeit bei klassischer Verfahrensentwicklung gemäß den AACE-Richtlinien [1] und bei einem modularen Ansatz nach Hady [24] .............................. 92

Abbildung 66 : Datenmodellierung mit OntoStudio®............................................................. 93

Abbildung 67 : Hauptelemente des Teilmodells Plant nach Bayer, Krobb und Marquardt [2]93

Abbildung 68 : Beispielprozess in Aspen Plus® ..................................................................... 94

Abbildung 69 : Beispiel, PID, importiert in Comos®.............................................................. 94

Abbildung 70 : 3D-Layout in Comos®.................................................................................... 94

Abbildung 71 : Integration der Kostenschätzung im Rahmenwerk ......................................... 96

Abbildung 72 : Anbindung an Comos® .................................................................................. 97

Abbildung 73 : Vergleich von unterschiedlichem Detail-KnowHow...................................... 98

Abbildung 74 : Optionale Ermittlung der direkten Nebenpositionen ...................................... 99

VII

Abbildung 75 : Geschätzte Gesamtkosten für TEMA-Wärmetauscher als Funktion der Fläche für verschiedene Schätzmethoden nach Taal, Bulatov et al. [67] ............................................ 99

Abbildung 76 : Eingabehilfe zur Bestimmung des Jahresverbrauchs verschiedener Betriebsmittel ......................................................................................................................... 100

Abbildung 77 : Dreiecksverteilte Kostenfunktion ................................................................. 101

Abbildung 78 : Summe von 2 dreiecksverteilten Kostenfunktionen ..................................... 101

Abbildung 79 : Modulkosten, aufgeschlüsselt nach Nebenpositionen .................................. 103

Abbildung 80 : Monatliche Gesamtaufwendungen inklusive Abschreibungen..................... 104

Abbildung 81 : Berechnungsdatenblatt für die Wirtschaftlichkeitsanalyse ........................... 105

Abbildung 82 : Erwarteter Kapitalwert im zeitlichen Verlauf ............................................... 106

Abbildung 83 : Bestimmung von Kapitalwert und Armotisationszeit mit der Monte-Carlo-Simulation .............................................................................................................................. 107

Abbildung 84 : Preise für verschiedene Pumpenmodule in Abhängigkeit vom Nenndurchmesser ................................................................................................................... 107

Abbildung 85 : Preise für verschiedene Pumpenmodule, abhängig von der PID-Variante... 108

Abbildung 86 : Preise für verschiedene Wärmetauschermodule in Abhängigkeit vom Layout................................................................................................................................................ 109

Abbildung 87 : Fließbild der OCM-Miniplant [55] ............................................................... 110

Abbildung 88 : Schätzung des Plattenwärmetauschers W2 mit 0,4 m² ................................. 111

Abbildung 89 : Entwurf eines modularen Planungskonzeptes mit 3D-Anbindung ............... 116

1

DECHEMA 15344 N

AiF-Mitgliedsvereinigung (MV) AiF-Antrags-Nr:

Aktenzeichen der MV

1 Forschungsthema Informationstechnische Unterstützung der Anlagenplanung für die Angebots- und frühe Basic Engineering Phase durch ein modulares Planungskonzept

2 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung

In der Angebots- und frühen Engineeringphase unter starkem Zeitdruck erstellte Angebote haben großen Einfluss auf den Erfolg des Gesamtprojektes. Meistens werden in dieser Phase die erforderlichen Ressourcen noch nicht zur Verfügung gestellt, da noch keine endgültige Entscheidung und keine freigegebenen Mittel vorliegen. Der Anlagenplaner muss die Anlage bezüglich der Auslegung und der daraus resultierenden Kosten flexibel und schnell bewerten, Alternativen erstellen, diese vergleichen, eine Verfahrensentscheidung treffen und dabei Kos-ten optimieren. Berücksichtigt werden dabei Investitions-, Einsatzstoff-, Betriebsmittel-, und spätere Betriebskosten. Es stellt sich die Frage, ob der Schritt der Angebotserstellung unter Benutzung von neuen Ansätzen und vorhandenen Werkzeugen zur Planung verfahrenstechni-scher Anlagen nicht entscheidend verbessert werden kann und welchen Beitrag ein modulares Planungskonzept hierzu leisten kann.

2.1 Ausgangssituation In der Vergangenheit wurden verschiedene Kostenschätzmethoden für die Schätzung Kapital-bedarfes und die Erstellung von Angeboten genutzt. Die Fehler liegen je nach Planungsstand zwischen 10 und 40%, wie in Abbildung 1 dargestellt. Dabei werden üblicherweise die Ge-samtinvestitions-, die Betriebs- und die übrigen permanent anfallenden Kosten auf Basis der Hauptausrüstung, teilweise unter Zuhilfenahme von Faktoren, bestimmt.

Abbildung 1: Schätzgenauigkeit und Planungsgrad nach Prinzing, Rödl, Aichert [54]

Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung Stand der Technik

2

Da die Genauigkeit der Kostenschätzung großen Einfluss auf den wirtschaftlichen Erfolg ei-nes Unternehmens hat, profitieren Anlagenbauer und Betreiber von einer Erhöhung der Schätzgenauigkeit in frühen Planungsphasen.

2.2 Stand der Technik An Planung und Bau von Chemieanlagen sind viele Projektpartner beteiligt. Neben dem Betreiber, dem Planer und dem Anlagenbauer können auch je nach Projektumfang die ver-schiedenen Gewerke (Verfahrenstechnik, Elektrotechnik, MSR-Technik, Apparatebau, Rohr-leitungsbau, Bau und Stahlbau) involviert sein. Bisher überwiegt die iterative Arbeitsweise, d.h. Änderungen werden in jeder Projektphase zu Dokumenten generiert, die über multiple Schnittstellen und Medienbrüche zwischen den Projektpartnern ausgetauscht werden.

Der aktuelle Stand der Technik bei der Abschätzung der Investitionskosten lässt sich wie folgt charakterisieren:

• Die Berechnung der Kosten für die Hauptausrüstung erfolgt in der Regel auf der Basis statistischer Daten (z. B. Euro/m² für Wärmetauscher).

• Massenmaterialien (Rohrleitungen, Armaturen, usw.) werden mittels Zuschlagfakto-ren bzw. mittlerer Kosten (z. B. pro m-Rohrleitung) abgeschätzt.

• Die MSR-Technik wird ebenfalls über Zuschlagfaktoren bzw. mittlere Kosten pro Re-gelkreis abgeschätzt.

• Die Kosten für Fundamente und der Stahlbau werden über mittlere Einheitskosten (Euro pro m³ Beton, Euro pro t Stahl) abgeschätzt.

Bei der Ermittlung der Betriebskosten wird üblicherweise wie folgt vorgegangen:

• Kosten für Rohstoffe und Betriebsmittel werden auf Grundlage von Simulationsdaten (Mengen- und Energiebilanzen und z. B. Kosten pro t Dampf) ermittelt.

• Die Abschätzung der Personalkosten erfolgt mit angepassten Einheitspreisen.

• Die sonstigen Kosten (Planung, Versicherung usw.) werden mit Zuschlagfaktoren er-mittelt.

Das größte Problem bei der Abschätzung des Kapitalbedarfes für Auftraggeber und -nehmer ist die ungenügende Detailkenntnis, besonders in den frühen Phasen der Planung. Belastbare Angebote sind so schwer zu erstellen.

Enormer Kostendruck und steigender globaler Wettbewerb erfordern effizientere Arbeitsab-läufe. Branchen- und zielgruppenübergreifend, durch eine bessere Verzahnung der Fachdis-ziplinen (Concurrent Engineering) und eine Aufweichung der einzelnen Projektphasen kön-nen Rationalisierungsmöglichkeiten genutzt und Gewinnaussichten erhöht werden.

Forschungsziel/Ergebnisse/Lösungsweg Forschungsziel

3

3 Forschungsziel/Ergebnisse/Lösungsweg

3.1 Forschungsziel Ziel dieses Projektes ist ein benutzerfreundliches Programm-Rahmenwerk, welches es den Anwendern ermöglicht, schnell und effizient zu einem möglichst frühen Zeitpunkt einen Va-riantenvergleich und eine darauf aufbauende Angebotskalkulation durchzuführen. Grundlage ist die Modularisierung in der Funktions- und Aufstellungsplanung, die sowohl Ausrüstung als auch die Instrumentierung und die Nahverrohrung beinhaltet. Weiterhin ist mit dem Sys-tem eine Erstellung von detaillierten und belastbaren Angeboten auf Grundlage von Alt- und Herstellerdaten möglich. Hiermit sollen insbesondere mittelständische Unternehmen in die Lage versetzt werden, frühzeitig prozesstechnisch und anlagentechnisch optimierte Anlagen zu entwerfen und entsprechende Aussagen über Kosten bzw. zu treffen Angebote zu erstellen.

Dabei wird das System ausgehend von der Simulation, über die Funktionsplanung bis zur Aufstellungs- und Rohrleitungsplanung in Verbindung mit einem detaillierten Kostenmodell durch ein integrales Wissensmanagementsystem, welches auch nötige Entscheidungsunter-stützungen für den Anwender liefert, unterstützt (siehe Abbildung 2).

Simulation(Superstruktur,

Prozeßopt.)

PFD(Bilanz, Grafik)

PIM(Grafik, Rohrleitungen)

EQM(Nahverrohrung,

Detailkonstruktion)

Aufstellung(Stahlbau-Konzept,

Platzierung)

Stahlbau(Statik, Geländer,

Treppe)

Rohrleitungen(Manhatten)

2-3Varianten

Rohstoffe

Markt

Anforderungen

Mod

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Reg

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Verbrauch(Wasser, Dampf)

KostenanalyseSensitivitätsanalyse

+„Optimierung“

Betriebskosten

Sonstige Kosten

Wirtschaftlichkeits-rechnung

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Abbildung 2: Übersicht über das Gesamtsystem mit den einzelnen Abhängigkeiten

Forschungsziel/Ergebnisse/Lösungsweg Forschungsziel

4

Die dargestellten Module haben folgende Funktionen:

SIMULATION: Mit Hilfe kommerzieller Simulationssysteme erfolgt zunächst auf Grundlage einer Superstruktur die Prozessauslegung und -optimierung und die Entwicklung von Verfah-rensvarianten. Dabei werden sehr einfache Kostenmodelle eingesetzt.

PFD: Für die ausgewählten Prozessvarianten werden die Prozessfließbilder (PFD) festgelegt und in einzelne Prozesseinheiten, die ebenfalls für das Rohrleitungs- und Instrumentierungs-fließbild (PID) gelten, modularisiert. Für die Zuordnung der spezifischen Equipments zu den entsprechenden Simulationsunits wird der Anwender durch eine auf Erfahrungswissen basie-rende Wissensbasis, welche in das Wissensmanagementsystem integriert wird, unterstützt.

PIM: Mit Hilfe des wissensbasierten PI-Modellers (PIM) entwirft der Nutzer Module des Rohrleitungs- und Instrumentierungsfließbildes für Standardausrüstungen. Derartige Grund-module sind z. B. Pumpensysteme, Wärmetauscher oder Behälter. Diese können ebenfalls zu Prozessstufen oder Teilanlagen und somit zu integralen Modulen, wie z. B. Kolonnen- oder Reaktorsystemen, zusammengefasst werden. Nicht allgemein standardisierbare Module wer-den entweder aus einer unternehmenseigenen Datenbank bezogen oder mit Unterstützung des WMS individuell entworfen.

EQM: Als Grundlage für die 3D-Aufstellungsplanung werden für die zunächst funktionell definierten Module des PID erweiterte 3D-Equipmentmodule spezifiziert. Diese umfassen neben der eigentlichen Ausrüstung z. B. die dazu gehörige Nahverrohrung, Räume für War-tung und Bedienung sowie Anschlusspunkte für die Prozess- und Betriebsmittelleitungen. Die Equipmentmodule erzeugen außerdem auf der Grundlage von Rohrklassen detaillierte Materi-alauszüge und liefern damit die Grundlage für eine schnelle und genaue Kostenschätzung.

STAHLBAU, AUFSTELLUNG und ROHRLEITUNGEN: In einem nächsten Schritt wird ein Aufstellungsmodell inklusive Stahlbau und Fundamenten entworfen. Auf Basis des Stahlbau-konzeptes, als Grundlage für die anschließende Aufstellungsplanung, können unter Berück-sichtigung der Statik die Stahlbaukosten abgeschätzt werden. Ergänzend berechnet der Man-hattan-Router die aus der Aufstellung resultierenden verbindenden Rohrleitungen und ermit-telt hierfür den Materialauszug.

KOSTENSCHÄTZUNG: Für die Abschätzung des Kapitalbedarfes bedarf es eines globalen Ansatzes für das Kostenmodell, welches in der Lage ist, auch Ausrüstungen abzubilden, die nicht in jeder Anlage zu finden sind bzw. für die es keine ausreichend große Datenbasis gibt (Kompressoren, Ejektoren, usw.). Für die häufig vorkommenden Grundmodule (Pumpen, WT, Kolonnen, Behälter) werden eigene spezifische Kostenmodelle entwickelt, bei denen insbesondere die Abhängigkeiten von den spezifischen Parametern berücksichtigt werden. Bei der Erstellung einer ausreichend großen Datenbasis auf der Grundlage von Altdaten und Her-stellerangaben wird der sogenannte Mapping-Ansatz genutzt. Dadurch ist es möglich, auf einfachem Wege die Daten aus verschiedenen Werkzeugen selektiv zu nutzen. Grundlage für die Kostenschätzung ist der modulare Ansatz, der neben der Ausrüstung auch die unmittelbar assoziierenden Elemente (z. B. Nahverrohrung und Instrumentierung) beinhaltet. Gerade bei der Erstellung von Reaktor- und anderen speziellen Planungsmodulen und den dazugehörigen Kostenfunktionen bedarf es der Unterstützung durch die industriellen Partner.

Forschungsziel/Ergebnisse/Lösungsweg Angestrebte Forschungsergebnisse

5

KOSTEN: Die Kosten für die einzelnen Anlagenmodule und der verbindenden Rohrleitungen werden anhand der Materialbilanzen und der Einheitskosten aus der KOSTENSCHÄTZUNG ermittelt.

INVESTITIONSKOSTEN: Die Kosten der einzelnen Module werden zusammengefasst und durch weitere Kosten für z.B. Planung, Montage sowie projektspezifische Zuschläge ergänzt.

VERBRAUCH: Aus den Mengen- und Energiebilanzen der Prozesssimulation werden mit Hilfe von Einheitspreisen die Verbrauchskosten ermittelt.

KOSTENANALYSE: Auf der Grundlage einer detaillierten Investitionskostenschätzung und den aus der Simulation resultierenden Betriebskosten sowie weiterer Zuschlagskosten werden die Herstellkosten für die verschiedenen Anlagenvarianten ermittelt, miteinander verglichen und analysiert. Durch die erstellten Dokumente (Fließbilder, Kosten, Materialauszüge, 3D-Ansichten, Aufstellungen) ist es für den Anwender möglich, belastbare Angaben bezüglich der Kosten zu tätigen bzw. Angebote zu erstellen.

WIRTSCHAFTLICHKEITRECHNUNG: Neben den oben genannten Ergebnissen wäre es für die Nutzer sinnvoll, statische und dynamische Wirtschaftlichkeitsrechnungen durchzuführen, um die Effizienz bzw. die Wirtschaftlichkeit einer langfristigen Investition zu beurteilen. Dar-auf wird in dem beantragten Projekt auf Grund der begrenzten Ressourcen aber nur am Rande eingegangen. Sie kann Teil eines weiterführenden Projektes sein.

3.2 Angestrebte Forschungsergebnisse Im Rahmen dieser wissenschaftlichen Forschungsarbeit sollen Methoden entwickelt werden, die es ermöglichen, die Genauigkeit der ersten Kostenschätzung zu erhöhen. Ein wesentlicher Ansatz besteht darin, im frühen Stadium des Basic Engineering genauere Massenauszüge zu ermitteln.

3.3 Innovativer Beitrag der angestrebten Forschungsergebnisse Das entwickelte Programm-Rahmenwerk unterstützt den Anwender durch ein teilautomati-siertes Konzept bei der Ermittlung einer wirtschaftlich optimalen und technisch sinnvollen Anlagenvariante auf Grundlage der Modularisierung und spezifischen Kostendaten. Das Pro-jekt stellt einen neuen Ansatz dar, die Prozess-Simulation mit Optimierung, die Modularisie-rung der Funktionsplanung und die dreidimensionale Aufstellungs- und Rohrleitungsplanung unter Einbeziehung eines Wissensmanagementsystems effizient für die Ermittlung von wirt-schaftlich optimalen und technisch realisierbaren Anlagen zu nutzen.

Forschungsziel/Ergebnisse/Lösungsweg Lösungsweg zur Erreichung des Forschungszieles

6

3.4 Lösungsweg zur Erreichung des Forschungszieles In dem in Abbildung 2 dargestellten Gesamtsystem kennzeichnen die grünen Felder die Auf-gabenbereiche der TU-Dortmund. Die blauen Felder gehören zum Aufgabenbereich der TU-Berlin.

Die Arbeit im Projekt wurde in die folgenden zwei Arbeitspakete aufgeteilt:

Arbeitspaket I: TU-Dortmund

• wissensbasierter Entwurf von PID-Modulen

• grafische Repräsentation

• Kopplung PID - EQM (Equipment Modelling)

• Materialbilanzen für Module

• Umsetzung CAPD Module in dem neuen System

Arbeitspaket II: TU-Berlin

• Einbindung von Prozesssimulation und -optimierung

• Kostenmodellierung für Ausrüstungsgegenstände

• Kostenmodellierung von Stahlbau, Rohrleitungen und Instrumentierung

• Kostenschätzung mit Hilfe der Modularisierung

• Kostenmodellierung Betriebsmittel

• Statistische Datenanalyse,

• Kostenanalyse mit Sensitivitätsbetrachtung,

• Validierung der Ansätze und Optimierung der Datenbasis

Die beiden Arbeitsschwerpunkte und Gruppen haben intensiv zusammengearbeitet und so-wohl einen Methodenaustausch als auch Ergebnisaustausch kontinuierlich vorgenommen.

3.5 Erzielte Ergebnisse Zur Erreichung der Forschungsziele wurde folgender Weg verfolgt. Auf Basis der im Antrag formulierten Ziele wurde zunächst ein modulbasiertes Planungskonzept (Abbildung 3) aufge-stellt. Nach der Definition der Anforderungen an die modulbasierte Anlagenplanung wurden die Grundfunktionalitäten und die Möglichkeiten zur Weiterentwicklung der im Antrag vor-gestellten und auch von alternativen Werkzeugen analysiert.

Forschungsziel/Ergebnisse/Lösungsweg Erzielte Ergebnisse

7

Aspen Plus®

Prozesssimulation

Comos® FEED

PFD

Materialauszugenthält

Kostentreiber

Wissensbasiertes System & PID Entwürfe

Auswahl vorgefertigterModule für Standardausrüstungen

Datenbasis

Microsoft Office Excel Worksheet

Altdaten zur Bestimmungder Parameter

Kostenschätzung


Kostenschätzung mitparametrischen Funktionen

Kostenkalkulationssystem

Auslegung


Berechnungsdatenblätterfür die Standardausrüstungen

Comos® FEED

PID

Abbildung 3: Modulares Planungskonzept, wie es im Rahmen des Projektes entwickelt wurde

3.5.1 Arbeitspaket I: TU-Dortmund Das Ziel dieses Arbeitspakets liegt in der methodischen Unterstützung der rechnergestützten Anlagenplanung durch Systematisierung und durch die Anwendung von neuen Techniken der Modularisierung.

Die für das Projekt tätigen wissenschaftlichen Mitarbeiter haben gemäß folgender Darstellung das wissenschaftliche Arbeitsprogramm bearbeitet. Die studentischen Hilfskräfte haben das Projekt bei der Datenstrukturentwicklung unterstützt. Die geleistete Arbeit war nötig und an-gemessen.

3.5.1.1 Wissensbasiertes System & PID Entwürfe In diesem Kapitel werden die Grundlagen eines wissensbasierten Systems und dessen Eigen-schaften erläutert. Anschließend folgt die Darstellung, wie die Anlagenplanung mit einem wissensbasierten System verknüpft werden kann, und welche Vorteile aus dieser Kombinati-on entstehen. Zum Abschluss dieses Kapitels werden die in dieser Arbeit modular erfassten Baugruppen “Pumpen, Wärmeübertrager, Kolonnensysteme, Reaktoren und Behälter“ in ih-ren Grundlagen erläutert.

Wissensbasiertes System Die Planungsprozesse im Anlagenengineering werden derzeit sehr aufwändig entwickelt (z.B ein umfassendes Konzept mit RI-Fließbild). Darüber hinaus beinhaltet dieser Aufgabenbe-reich aufwändige manuelle Ingenieurtätigkeiten, komplexe Entscheidungsprozesse und in erheblichem Maße undokumentiertes Planungswissen.


8

Diese rechnergestützte Entwicklung einer Produktionsanlage wird hauptsächlich durch die Erfahrung der planenden Ingenieure unterstützt, die unter Zuhilfenahme von Checklisten, Werksnormen und internen Anleitungen durchzuführen ist. Eine Möglichkeit dieses Pla-nungs- und Erfahrungswissen zu konservieren und z.B. anderen Planungsingenieuren zur Ver-fügung zu stellen, sind wissensbasierte Systeme. So können Erfahrungen und werksinterne Gegebenheiten strukturiert und systematisch gesammelt werden, um die Qualität der Pla-nungsarbeit zu verbessern. Ein wissensbasiertes System (auch Expertensystem) ist in dem Zusammenhang eine Software, mit welcher Expertenwissen gespeichert wird. Wissen kann mit Hilfe dieser Programme abgerufen, verwaltet und ausgewertet werden. Der Anwender kann dieses Wissen für die Lösung bestimmter Problemstellungen verwenden [4].

Der Aufbau eines wissensbasierten Systems ist in Abbildung 4 dargestellt. Die Benutzer-schnittstelle ist das Programm, welches die Wissensbasis visualisiert. Über die Schnittstelle für den Experten lässt sich die Wissensbasis bearbeiten. Durch die Dialogkomponente wird die Abfrage der Alternativen dargestellt. Die Erklärungskomponente stellt Hilfetexte, welche die Auswahl unterstützen, zur Verfügung. Die Wissensbasis enthält das regelhafte Wissen. Der Arbeitsspeicher beinhaltet fallspezifisches Wissen. Die Wissensverarbeitungskomponente ist die Kombination der einzelnen Auswahlmöglichkeiten untereinander. Die Wissenser-werbskomponente ist die Eingabe der Wissensbasis durch den Experten.

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Abbildung 4: Darstellung eines wissensbasierten Systems

Für die Anlagenplanung bietet sich eine Unterstützung durch wissensbasierte Systeme aus folgenden Gründen an [21].

• Verarbeitung symbolischen oder mit Unsicherheiten behafteten Wissens

• Erhöhung der Verfügbarkeit von Expertenwissen

• Systematisierung und Strukturierung des Problemlösungsverfahrens

• Verknüpfung der Arbeitsgebiete mehrerer Spezialisten

• Vollständigkeit der Bearbeitung durch systematisches Erfassen und Verarbeiten rele-vanter Daten


9

• Verbesserung der Transparenz von Entscheidungen

• Dokumentation der Problemlösung und des Lösungsverfahrens

• Kostenersparnis

Im Unterschied zu den Expertensystemen, die Anfang und Mitte der neunziger Jahre des ver-gangenen Jahrhunderts entwickelt wurden, ist in dem im Projekt entwickelten wissensbasier-ten System nicht auf eine für Expertensysteme entwickelte Programmiersprache wie PRO-LOG aufgebaut worden [16][20][21][61][63]. Die Wissensbasis in dieser Arbeit wird direkt in das kommerzielle Planungsprogramm Comos 9.0 eingebunden.

Frühere Expertensysteme zur Anlagenplanung waren nach dem Schema aufgebaut, dass der Benutzer das Problem und die Rahmenbedingungen vorgibt. Das Programm ermittelte dann auf Basis des gespeicherten Wissens die wahrscheinlichste Lösung. Die Expertensysteme ha-ben generell den Anspruch, in einem eng abgegrenzten Anwendungsbereich die Fähigkeiten zur Problemlösung eines Experten zu erreichen oder gar zu übertreffen [63]. Das Problem bei diesen Programmen besteht jedoch in der Wartung und Bewertung der zugrundeliegenden Daten. Diese Expertensysteme benötigen eine tiefe Einarbeitung in den Programmcode, um Änderungen an dem bestehenden Aufbau der Wissensbasis vorzunehmen. Der Aufbau und die Verknüpfung der Daten der Wissensbasis innerhalb des Expertensystems ist oft nur vom Programmierer nachzuvollziehen und zu erweitern. Die Systeme beinhalten eine große Wis-sensbasis, die es ermöglicht, auf eine Vielzahl von Problemen zu reagieren. Der Nachteil die-ser Expertensysteme ist ihre geschlossene Struktur, die eine Erweiterung der Alternativen erschwert.

Das in dieser Arbeit verwendete wissensbasierte System beruht auf der Idee, dass der Anwen-der die Kombination der Anlagenmodule selbstständig zusammenstellt. Das Programm ersetzt nicht den Experten bei der Problemlösung, sondern unterstützt den Anlagenplaner bei der Suche nach Alternativen. Zur übersichtlichen Darstellung der verschiedenen Lösungsvarian-ten bei der Anlagenplanung werden die Wissensbasen in Form von hierarchischen Entschei-dungsbäumen zusammengefasst.

Der Benutzer wird durch die Module mit Hilfe eines Entscheidungsbaumes geführt. Durch den Entscheidungsbaum werden dem Nutzer verschiedene Möglichkeiten gezeigt, wie z.B. die Regelung an einer Kolonne auszuführen ist. Die Bewertung der Alternativen und die Auswahl der Module muss vom Benutzer selbständig durchgeführt werden. Dem Benutzer wird durch den Entscheidungsbaum eine Hilfestellung gegeben. So werden z.B. Module, die für eine vorherige Auswahl unlogisch sind, nicht mehr zur Wahl gestellt. Es werden andere Möglichkeiten, die durch diese Auswahl ermöglicht wurden, dargestellt. Eine weitere Hilfe-stellung wird durch das Zufügen von Hilfetexten für die möglichen Module gegeben. Auf Basis dieser Hilfen und auf den Grundlagen der eigenen Erfahrungen erstellt der Benutzer seine eigenen Module und vergleicht diese miteinander. So kann die beste Alternative vom Anwender ausgewählt werden. Das wissensbasierte System ist so aufgebaut, dass es möglich ist, nachträgliche Änderungen durchzuführen und die Verknüpfung der Module anzupassen. Es wird ein offenes System aufgebaut.

Das entwickelte wissensbasierte System unterstützt durch die Kombination der verschiedenen Module die modulare Anlagenplanung und dient als Basis der modularen Kostenschätzung. Diese Wissensbasis wird in das kommerzielle Planungsprogramm Comos 9.0 Vega eingebaut. Comos 9.0 erlaubte durch die Funktion des „eBlock“ (s. Implementierung der Entscheidungs-


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bäume im Planungstool Seite 14) die Einbindung solcher wissensbasierten Entscheidungs-bäume in das Programm. Für die Abfrage der Wissensbasis wird die bestehende objektorien-tierte Datenbank mit verschiedenen Alternativen weiter aufgebaut. Dadurch kann gezeigt werden, dass es möglich ist, eine Wissensbasis in existierende Planungstools einzubauen. Es wird keine Schnittstelle zwischen einem Programm, welches die Wissensbasis auswertet und in ein grafisches Planungsprogramm überträgt, benötigt.

Wissensakquisition Der bedeutendste Schritt bei der Erstellung eines wissensbasierten Systems ist die Erfassung des Wissens, das in die Wissensbasis einzubringen ist. Als Grundlage zum Aufbau der Wis-sensbasis dienten in diesem Projekt in erster Linie Lehrbücher, Zeitschriftenartikel, Werk-normen sowie Herstellerkataloge über die Auswahl, Instrumentierung und Auslegung von Anlagen. Da sich die Arbeit mit einem Themengebiet befasst, zu dem in der Literatur nur we-nig konkrete Anhaltspunkte verfügbar sind, musste die Wissensbasis durch Gespräche mit Experten erweitert werden. Durch diese Gespräche wurden zusätzliche Alternativen aufge-zeigt, welche bis zu diesem Zeitpunkt noch keine Berücksichtigung erfahren hatten. Mit Hilfe dieser Kombination aus Literaturrecherche und dem Wissen von erfahrenen Ingenieuren konnten erweiterbare und offene Strukturen in der Datenbank erstellt werden, die zu ersten detaillierten Vorschlägen des Anlagen- und Apparatedesigns und deren Dimensionierung füh-ren.

Modularisierung Anlagenengineering ist üblicherweise ein komplexer Vorgang, der durch viele Beteiligte, Ideen, Werkzeuge und Fehlerquellen gekennzeichnet ist, was ein hohes Maß an Zusammenar-beit und Koordination erforderlich macht. Steigende Komplexität der Projekte, wachsende Kosten und der Zeitdruck zwingen den Anlagenplaner dazu, die Qualität der Planungsarbeiten zu verbessern und Routinearbeiten zu rationalisieren [59]. Die Erhöhung der Engineering-Effizienz und Qualität unter Anwendung neuer Ansätzen ist insofern von großer Bedeutung für die Industrie.

Ein Ansatz die Anlagenplanung effektiver zu gestalten, liegt in der Standardisierung und Nut-zung von Widerholeffekten durch Modularisierung. Die Voraussetzung hierfür ist allerdings eine geeignete Modularisierung. Wenn es gelingt, in sich optimierte und wieder verwendbare Module zu definieren, wird der Ingenieur von Routinearbeiten entlastet, in dem seine empiri-sche Vorgehensweise durch wissenschaftlich begründete Varianten ersetzt wird. Die Zeit, die durch die Vermeidung von Routinearbeiten eingespart wird, kann für die wesentlichen Arbei-ten genutzt werden und eine Optimierung der Anlage kann frühzeitig erfolgen. Die Verwen-dung von Modulen ermöglicht es dem Planer, Vorwissen über die Struktur der zu planenden Anlage schon in der frühen Planungsphase einzubringen. Erprobte Module erhöhen dabei die Zuverlässigkeit zur Wiederverwendung.

Die Kernaufgaben bei der Umsetzung der Modularisierung sind die Erstellung, Verwaltung und Wiederverwendung der Module. Da allerdings ein modularer Aufbau ein Grundgerüst mit vielen Varianten vorsieht (letztendlich sieht keine Anlage wie die andere aus), muss eine klare Anlagenstruktur mit einem klaren Kriterienkatalog geschaffen werden, die das Design wieder verwendbarer Module unterstützen kann. Andererseits ist für die Verwaltung der Module ein baukastenorientiertes, offenes System erforderlich, das um weitere Optionen ergänzt werden kann. Somit können die Module auf die spezifischen Kundenwünsche und Gegebenheiten angepasst werden. Im Vergleich zur konventionellen Anlagenplanung verlangt die modulare Planung eine gewisse Flexibilität bei der großen Vielfalt der Moduldesigns. Deshalb besteht


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die Notwendigkeit vorhandene Planungswerkzeuge und Arbeitsdokumente zu restrukturieren und den Bedürfnissen der modularen Anlagenplanung anzupassen.

Das Ziel der aktuellen Entwicklung ist also die Wiederverwendung von Engineeringleistun-gen mit dem Einsatz von wissensbasierten Planungsmodulen und Implementierung von Pla-nungsstandards. Ist man mit Hilfe der Modularisierung in der Lage für gewisse Problemstel-lungen Standardlösungen aufzustellen, so kann man versuchen, diese mit Hilfe der elektroni-schen Datenverarbeitung darzustellen und gleichzeitig diese Informationen in verfahrenstech-nischen Fließbildern zu übertragen. Im Folgenden wird darauf eingegangen, wie die Modul-arisierung in den Workflow der rechnergestützten Anlagenplanung integriert werden kann.

Definition der Module Ein Modul ist die strukturierte Zusammenfassung und Integration von funktionell und örtlich zusammenhängenden Komponenten (Apparate mit ihrer zusammenhängenden Nahverrohrung und MSR-Regelkreisen). Dabei werden Komponenten und Tätigkeiten verschiedener Fachab-teilungen in ein Modul integriert.

Die Modularisierung von chemischen Anlagen kann auf verschiedenen Ebenen mit verschie-denen Detaillierungsgraden vorgenommen werden, z.B. [66].

• Ausrüstungsmodule (z. B. Apparate und Maschinen)

• Prozessschrittmodule (z. B. Rektifikation)

• Teilanlagenmodule (bestehend aus mehreren Ausrüstungs- oder Prozessschritt-Modulen, z. B. Eindampfanlage ),

• Gesamtanlagenmodule (bestehend aus verschiedenen Prozessschritt- oder Teilanlage-modulen).

Der erste Schritt zur Modularisierung ist die Definition der Module. Dabei wird die Gesamt-funktionalität in überschaubare Teilapplikationen mit klaren Schnittstellen aufgeteilt.

Um die Wiederverwendbarkeit dieser wissensbasierten Module zu gewährleisten, wurde die Moduldefinition in dieser vorliegenden Arbeit hauptsächlich für Ausrüstungsmodule durchge-führt. Die chemischen Anlagen wurden in Standardausrüstungen zerlegt (s. Abbildung 5) und es wurden wissensbasierte Entwürfe von PID Modulen für diese Standardausrüstungen er-stellt. Diese PID Module können anschließend zu einer kompletten Anlage miteinander kom-biniert werden. So ist es möglich, ein objektorientiertes, wissensbasiertes PID aus geprüften Standardelementen zu erzeugen.


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M

Abbildung 5: Modularisierung einer Chemieanlage

Rot: Pumpenmodul, Grün: Kolonnenmodul, Rosa: Wärmeübertragermodul, Lila: Reaktormo-dul, Blau: Behältermodul

Methodische Entwicklung von PID-Planungsmodulen Die allgemeine Methode, die für die methodische Erstellung von PID Modulen und zur modu-lare Kostenschätzung von den Anlagenbauteilen entwickelt wurde, lässt sich in folgende Schritte gliedern:

• Schritt 1: Festlegung der Kostenfaktoren für das PID Modul Ziel der modularen Kostenschätzung ist es, die Bausteine des PID Moduls und deren Kosten-treiber so früh wie möglich zu identifizieren. Die Module bestehen neben der eigentlichen Ausrüstung aus Bestandteilen, die für die Errichtung des Moduls notwendig sind. Dabei sind die Modulkosten vor allem abhängig von der Auslegung und Nahverrohrung der Ausrüstung. Die Nahverrohrung beinhaltet Rohrleitungen, Armaturen, EMSR Einrichtungen. Zusätzlich werden die Kosten für Stahlbau, Fundamente, Transport, Montage und Engineering berück-sichtigt.

• Schritt 2: Definition der Randbedingungen Die Anforderungen an die entsprechende Baugruppe werden analysiert. Dabei werden die unterschiedlichen Betriebszustände (z.B. wie Normal- und Teillastbetrieb, Be- und Entlüf-tung, An- und Abfahren, Mindestförderströme, Bereitstellen von Betriebsmitteln, Betriebsbe-reitschaft, Spülen und Entleeren) ebenso berücksichtigt wie die Anforderungen an die gesam-te Anlage (z.B. Verfügbarkeit der Anlage, Betreibbarkeit der Anlage, Umweltschutz und Si-cherheit).


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• Schritt 3: Festlegung der Entscheidungskriterien Mit Hilfe dieser Randbedingungen werden die wesentlichen Entscheidungskriterien (z.B. bei Pumpenstationen offenes oder geschlossenes System) und weitere Designoptionen (z.B. Küh-lung, Beheizung) bestimmt.

• Schritt 4: Entscheidungsbaum Diese Kriterien wurden in einen Entscheidungsbaum übertragen, der das Design bei der Pla-nung von PID-Modulen unterstützt. Entscheidungsbäume sind spezielle Darstellungsformen von Entscheidungsregeln und veranschaulichen aufeinanderfolgende hierarchische Entschei-dungen. Jeder Ast bedeutet dabei eine Differenzierung, so dass zuerst solche Kriterien zu be-rücksichtigen sind, die eine grundlegende Aufgliederung bewirken. Die Entscheidungen mit großem Einfluss sollten also oben in der Baumstruktur getroffen werden und die Details wer-den weiter unten geklärt. Die schwierigste Aufgabe beim Aufbau eines Entscheidungsbaumes ist die Ermittlung der problem- und lösungsbestimmenden Parameter. Es werden dabei die wesentlichen Aspekte gesucht, die das Design und somit die Kosten des PID Moduls beein-flussen. Beispielhaft ist in Abbildung 6 ist ein Ausschnitt aus dem Entscheidungsbaum für Chemiekreiselpumpen dargestellt.

Pumpensystem

offenes System geschlossenes System

ohne Reservepumpe mit Reservepumpe

ohne Qzul,min. Absicherung mit Qzul,min. Absicherung

ständiger By-Pass mit FRLV ständiger By-Pass

ohne Rückschlagventil mit Rückschlagventil

Bei normalen Bedingungen dampfförmig

Bei normalen Bedingungen nicht dampfförmig

Lösung X

Lösung Y

Abbildung 6: Ein Ausschnitt aus dem Entscheidungsbaum für Chemiekreiselpumpen

• Schritt 5: Definition von Regeln für die graphische Repräsentation Da für eine Ausrüstung in der Regel eine große Vielfalt unterschiedlicher Designlösungen entwickelt werden kann, sollte eine modulare Struktur für die graphische Repräsentation ge-nutzt werden. So wurden die Module dynamisch nach einem Baukastenprinzip aus den vorde-finierten Designkriterien erstellt. Dafür wurde zunächst ein Mindestlayout, das PID Grund-element, definiert. Mit jeder Entscheidung werden dem PID Grundelement weitere vordefi-nierte Elemente zugewiesen, die als PID Zusatzelement bezeichnet werden. Die fertige Lö-sung wird als PID-Modul für eine Baugruppe bezeichnet und setzt sich aus einem PID Grund-element und PID Zusatzelementen zusammen. In der Abbildung 7 ist ein in der Weise zu-sammengestelltes PID-Modul für eine Pumpenstation dargestellt.


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F

P001M

S003SO±A-

HS±

US L001LA-S-

T002TA+S+

PI

Abgassammelsystem

PID GrundelementPID Zusatzelement Mindeststromabsicherung

PID Zusatzelement Entlüftung

PID Zusatzelement Kühlung

PID Zusatzelement Trockenlaufschutz

PID Zusatzelement Geschlossene Entleerung

01

03

05a, 05b

02

04

0301

05a05b

02

04

Abbildung 7: PID-Modul für eine Pumpe

• Schritt 6: Implementierung der Entscheidungsbäume in dem Planungstool Nachdem die Entscheidungsbäume und die Designregeln für Module entworfen sind, können diese in dem Planungstool implementiert werden.

Durch die Zusammenarbeit mit der Firma Comos Industry Solutions GmbH wurden der An-satz für die modulare Planung verfahrenstechnischer Anlagen und die Entscheidungsbäume im System Comos Feed realisiert. Dazu wurde die von dem Softwarehersteller für die Auto-mobilbranche entwickelte Lösung "eBlock" sowie die vorhandenen Datenstrukturen ange-passt. Die entwickelte Lösung bietet dem Anwender die Möglichkeit, für eine auf dem PFD platzierte Ausrüstung innerhalb von wenigen Minuten ein PID Modul zu erstellen (s. Abbildung 8).

Abbildung 8: Nahverrohrung im verfahrenstechnischem Ablauf

Per Mausklick werden die erforderlichen Entscheidungen getroffen, auf deren Basis dann die PID-Module anhand der vordefinierten Templates automatisch erstellt werden. Das System arbeitet objektorientiert, schlägt dem Benutzer Lösungsvarianten vor und unterstützt ihn mit Hilfetexten bei seiner Entscheidungsfindung (s. Abbildung 11).


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Den grundsätzlichen Aufbau der Software zeigen Abbildung 9 und Abbildung 10. Für eine detailliertere Beschreibung der Integration der eBlock-Funktion in Comos® 9.0 Vega, wird auf die angehängte Dokumentation “Ein Implementierungsbeispiel anhand von Comos® 9.0 Vega” [37] verwiesen.

Abbildung 9: Grundsätzlicher Aufbau der Software

Abbildung 10: Implementierung der Entscheidungsbäume in Comos®


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Entscheidungsfrage

entsprechender Hilfetext zu der

Entscheidungsfrage

Abbildung 11: Hilfetexte zur besseren Entscheidungsfindung

Aus dem PID-Modul wird automatisch ein Materialauszug erstellt, welcher die Basis für eine genauere Kostenschätzung bildet (s. Kapitel 3.5.1.3). Zur Dokumentation, Kontrolle und Nachvollziehbarkeit der Entscheidungsfindung und Modulauswahl ist es weiterhin möglich, einen Bericht über die getroffenen Entscheidungen zu erhalten (s. Abbildung 12). Diese Liste wird automatisch erstellt.

Abbildung 12: Bericht "Getroffene Entscheidungen"


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Zusätzlich besteht die Möglichkeit, eine automatische Revisionsdatei (s.Abbildung 13) für das erstellte PID Modul zu erzeugen. Zweck einer Revision ist es, verschiedene Bearbeitungs-schritte eines Dokumentes zu sichern und damit überprüfbar machen. Durch eine datentechni-sche Dokumentation des Entscheidungsweges bleibt die Planung jederzeit nachvollziehbar, was zur Qualitätssicherung beiträgt.

RevisionsdateiPID Modul für P001

Abbildung 13: Dokumentation der Entscheidungen –Revisionieren des PID Moduls

Das System ist aufgrund der objektorientierten Struktur offen gestaltet, so dass ohne großen Aufwand weitere Module ergänzt werden können. Die Möglichkeit die Wissensbasis zu er-weitern, wird durch den Aufbau des Programms und die Ausführung der enthaltenen Ent-scheidungsbäume unterstützt. Der Aufbau der Entscheidungsbäume erfolgt so, dass es mög-lich ist, Änderungen an der Verknüpfungsreihenfolge vorzunehmen, sowie Auswahlmöglich-keiten zu löschen oder zu ergänzen. Hierzu ist kein Eingriff in die Programmierung des be-nutzten Programms nötig. Es müssen lediglich neue Module erstellt oder bestehende entfernt werden und deren Verbindung zu dem vorhergehenden Modul erzeugt bzw. gelöscht werden. Diese Prozedur des Erstellens und Verknüpfens der Module ist in einer ausführlicheren Anlei-tung [37] vorgestellt. Das Erlernen dieses Verfahrens ist in kurzer Zeit möglich und erlaubt das Erstellen komplexer Entscheidungsbäume im Planungsprogramm.

Wissensbasierte Entwürfe von PID-Planungsmodulen für Standardausrüstungen Der wissensbasierte Entwurf von PID Planungsmodulen erhöht die Qualität der Planungsar-beit, in dem er den Planungsingenieur von Routinearbeiten entlastet. Er ermöglicht auch in-nerhalb des Unternehmens Know-how zu sichern und Best Praxis Standardkonstruktionen festzulegen. Hiermit können die Entscheidungen dokumentiert werden, die zu einer bestimm-ten Praxislösung geführt haben.


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Im folgenden Abschnitt werden die grundsätzlichen Designkriterien für die Entwicklung von Entscheidungsbäumen für Standardausrüstungen (Pumpen, Wärmeübertrager, Kolonnensys-tem, Reaktoren, Behälter) näher erläutert.

Zur Übersichtlichkeit sind die kompletten Wissensbasen in Form der zugehörigen Entschei-dungsbäume im Anhang A (Entscheidungsbaum für Pumpen), Anhang B (Entscheidungs-baum für Wärmeübertrager), Anhang C (Entscheidungsbaum für Kolonnen, Anhang D (Ent-scheidungsbaum für Reaktoren), Anhang E (Entscheidungsbaum für Behälter) zusammenge-fasst und auf der diesem Bericht beiliegenden DVD enthalten.

Regeln und Entscheidungsbäume für den wissensbasierten Entwurf von PID’s für Pumpen Zu den Standardausrüstungen in verfahrenstechnischen Anlagen gehören Pumpen unter-schiedlicher Bauart. Der am häufigsten eingesetzte Typ in verfahrenstechnischen Anlagen ist die einstufige, einströmige horizontale Kreiselpumpe mit metallischem Spiralgehäuse und radialem Laufrad (DIN EN 22858) [41] [74]. Aus diesem Grund beschränken sich die ermit-telten Ausführungen in dieser Arbeit auf diesen Pumpentyp. Aufgrund der Offenheit des ent-wickelten Systems können weitere Pumpentypen in die Wissensbasis integriert werden.

Die Hauptunterscheidungen, die im Entscheidungsbaum abgefragt werden, sind in Abbildung 14 aufgelistet und im Nachfolgenden mit einer kurzen Darstellung der wichtigsten Eigen-schaften beschrieben.

Abbildung 14: Wesentliche Designkriterien für Pumpenstationen

Pumpensystem: Als erste und grundsätzliche Verzweigung im Entscheidungsbaum wird bei der Systemauswahl zwischen einem offenen und geschlossenen System unterschieden. Dabei entscheiden die Eigenschaften eines Fördergutes im Hinblick auf das Risikopotenzial und die Belästigung für Mensch und Umwelt darüber, ob ein offenes oder geschlossenes System aus-


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geführt werden muss (s. Abbildung 15). Die Nahverrohrung im offenen System kann so aus-geführt werden, dass ein Freisetzen des Fördergutes für bestimmte Betriebszustände der Pum-pe zulässig ist. Dagegen wird bei Wahl eines geschlossenen Systems ein Freisetzen ein Aus-treten der Förderflüssigkeit in die Atmosphäre durch die entsprechende Nahverrohrung unter-bunden.

Abbildung 15: Entscheidungsfindung über ein offenes oder geschlossenes System

Entscheidungsbaum:

Redundanz von Pumpen: Es wird entschieden, ob eine Reservepumpe installiert wird oder eine Einzelpumpe ausreicht. Die Entscheidung, hängt vor allen Dingen davon ab, welche Ver-fügbarkeit von der Pumpenstation erwartet wird. Eine Pumpenstation kann ohne Reserve-pumpe betrieben werden, wenn diese diskontinuierlich („Batchbetrieb“) betrieben wird und keine hohen Anforderungen an die Verfügbarkeit gestellt werden. Soll die Pumpenstation kontinuierlich betrieben werden und falls der Betriebsausfall der Pumpe zum Produktionsstill-stand der gesamten Anlage führen kann, sollte eine Reservepumpe installiert werden.

Mindestförderstromabsicherung: An dieser Stelle ist zu entscheiden, ob der Mindestförder-strom (Qzul.min) der Pumpe über einen By-Pass zurück in den Zulaufbehälter geführt wird. Das Kriterium für die Absicherung des Mindestförderstromes wird von Randbedingungen be-stimmt, die die Anlage vorgibt. Mit den beiden Definitionen,

(Qzul.min) = von der Pumpe geforderter Mindestförderstrom und

(QA. min) = von der Anlage benötigter minimaler Förderstrom,

lassen sich die folgenden beiden Grenzfälle unterscheiden:

1. Wenn (Qzul.min) < (QA. min), muss der Mindestförderstrom nicht abgesichert werden. Wenn die Anlage einen konstanten Förderstrom abnimmt, wie es beispielsweise in Raffinerien häufig der Fall ist.

2. Wenn (Qzul.min) ≥ (QA. min) erfüllt ist, sollte der Mindestförderstrom abgesichert wer-den.

Dabei sind folgende Kriterien zu berücksichtigen: • Aus verfahrenstechnischen Gründen kann der minimale Förderstrom der Anlage zeit-

weise den Mindestförderstrom unterschreiten ((Qzul.min) ≥ (QA. min) ≠0). • Das Regelventil auf der Druckseite kann schließen. ((QA. min)=0). • Es besteht eine erhöhte Gefahr der Fehlbedienung durch eine größere Zahl oder unüb-

liche Anordnung von Absperrarmaturen und durch die Betätigung einer Absperrarma-tur vom Prozessleitstand aus von Ventilen auf der Druckseite der Pumpe.


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Einbau von Rückschlagventilen: Ein Rückschlagventil verhindert das gefährliche Rück-strömen des Fördergutes und ist somit als Schutzmaßnahme für die Maschine zu verstehen. Eine Rückströmung führt zu einem Turbinenbetrieb der Pumpe, wobei die Stärke sehr von der statischen Förderhöhe der Anlage abhängt. Rückwärts fließende Fördergüter, deren Zustand in der Nähe des Siedepunktes liegt, können bei der Entspannung in der Pumpe ganz oder Teilweise verdampfen. Die dabei auftretenden Rücklaufdrehzahlen können zu einer Zerstö-rung der Pumpe führen.

Es gibt vier grundsätzliche Förderaufgaben von Pumpen die maßgeblich die Entscheidungs-findung beeinflussen:

• Druckerhöhung (Einspeisung)

• Förderguttransport in den Leitungen

• Befüllen/Entleeren einer drucklosen Apparatur

• Umwälzen/Umpumpen

Insbesondere bei den Förderaufgaben Druckerhöhung und Förderguttransport wird die Anla-genkennlinie wesentlich von der statischen Förderhöhe bestimmt. D.h. lautet die Förderauf-gabe den Druck zu erhöhen oder den Transport des Fördergutes in den Leitungen sicherzu-stellen, dann ist die Pumpe mit einem Rückschlagventil vor einer Rückströmung zu schützen. Lautet die Förderaufgabe allerdings Befüllen oder Entleeren einer drucklosen Apparatur oder Umwälzen bzw. Umpumpen, kann im Allgemeinen auf den Einbau eines Rückschlagventils verzichtet werden. Bei Installation einer Reservepumpe ist der Einbau eines Rückschlagven-tils in der Regel erforderlich, damit beim Umfahren auf Reservepumpe die notwendigen Ven-tilschaltungen auf ein Minimum reduziert werden können.

Saugleitung evakuiert: Liegt der Absolutdruck in der Saugleitung unter dem Atmosphären-druck d.h. ist die Saugleitung der Pumpe evakuiert, kann das System nicht über den Druck-aufnehmerstutzen entlüftet werden. In diesem Fall wird eine Entlüftungsleitung nötig, die zurück zum Zulaufbehälter geführt wird.

Sichere Entlüftung: Da im geschlossenen System separate Maßnahmen für die Ableitung von Dampf/Luftgemischen getroffen werden sollen, wird diese Frage nur bei der Ausführung eines offenes Systems gestellt. Im offenen System ist eine Entlüftung der Pumpe in die Atmo-sphäre möglich. Dazu wird vom Bedienungspersonal ein Entlüftungsventil von Hand geöff-net. Ist das Fördergutes heiß oder wirkt das Fördergut reizend, ist als zusätzliche Schutzmaß-nahme für das Bedienungspersonal eine feste Rohrleitung in die Pumpentasse vorzusehen.

Bei geschlossenen Systemen können Dampf-/Luft Gemische in den Zulaufbehälter geleitet werden. In Sonderfällen sind Anschlüsse an das Abgassammelsystem notwendig. Entlüf-tungsleitungen besitzen in der Regel keine hohe Priorität und sind dann erst gesondert auszu-führen, wenn keine anderen bereits vorhandenen Leitungen diese Aufgabe übernehmen kön-nen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn Rückschlagklappen vorhanden sind oder die Saugleitung evakuiert ist. Bei geschlossenen Systemen mit Reservepumpen ist es ausreichend, eine gemeinsame Entlüftungsleitung vorzusehen. Wenn das Fördergut während des Betriebs entgasen kann und eine Fehlbedienung weitestgehend ausgeschlossen werden muss, werden getrennte Entlüftungsleitungen empfohlen. Dies gilt auch für Pumpensysteme, die vollauto-matisiert durch PLS umfahren werden oder deren Reservepumpe produktfrei gehalten werden muss.


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Ständiger By-Pass/ Ständiger By-Pass mit Freilaufventil: Für das Abführen des Mindest-förderstromes kann zwischen einem ständigem By-Pass und einem By-Pass mit Freilaufrück-schlagventil unterschieden werden. Bei Auswahl eines ständigen By-Passes wird der Mindest-förderstrom der Pumpe bei jedem Betriebszustand über den By-Pass zurück in den Zulaufbe-hälter geführt. Durch den Einbau eines Freilaufrückschlagventils in der Druckleitung der Pumpe wird der Bypass zum Ableiten des Mindestförderstromes nur dann geöffnet, wenn der Förderstrom der Anlage unter den zulässigen Mindestförderstrom sinkt. Für das Ableiten des Mindestförderstromes über einen By-Pass, wäre an der Stelle auch eine Durchflussregelung denkbar. Die Entscheidung sollte jedoch auf Basis einer Wirtschaftlichkeitsrechnung getrof-fen werden.

Getrennte oder gemeinsame By-Pass Leitung: Der ständige By-Pass kann als eine gemein-same Leitung für Haupt- und Reservepumpe oder als getrennte Leitungen für jede Pumpe installiert werden. Die getrennte By-Pass Ausführung reduziert die Wahrscheinlichkeit der Bedienungsfehler, da während des Betriebs keine zusätzlichen Ventilschaltungen notwendig werden.

Vollautomatisches Umfahren der Reservepumpe: Unter Umfahren der Pumpenstation ist das Umschalten von Haupt- auf Reservepumpe zu verstehen. Es kann zwischen dem vollau-tomatischen Umschalten vom Prozessleitstand aus und dem Umfahren von Hand unterschie-den werden.

• Vollautomatisches Umfahren einer Pumpenstation vom Prozessleitstand: Es müs-sen keine Ventile vor Ort geschaltet werden. Die Nahverrohrung wird so ausge-führt, dass die Reservepumpe vom Prozessleitstand (PLS) angefahren wird. Dazu wird in der Saugleitung jeder Pumpe ein Stellventil eingebaut, das vom PLS ange-steuert wird. Diese Option sollte gewählt werden, wenn nach einen plötzlichen Be-triebsausfall der Hauptpumpe die Reservepumpe unverzüglich angefahren werden muss, um den Prozess nicht zu gefährden.

• Umfahren von Hand: Das Bedienpersonal muss in der Anlage den Wechsel der Pumpen durchführen. Das bedeutet, dass alle Ventile von Hand geöffnet oder ge-schlossen werden können müssen. Es müssen allerdings keine zentral angesteuer-ten Stellventile verwendet werden.

Reservepumpe produktgefüllt/ nicht produktgefüllt: Die Entscheidung ob die Reserve-pumpe produktgefüllt sein kann oder nicht, wird anhand der Eigenschaften des Fördergutes bestimmt. Nach Möglichkeit soll die Reservepumpe mit Produkt gefüllt sein, um im Fall eines Pumpenwechsels zügig in Betrieb genommen werden zu können. Trifft jedoch eines der fol-genden Kriterien auf das Fördergut zu, sollte die Pumpe nicht produktgefüllt bereitgehalten werden:

• Das Fördergut neigt zur Polymerisation (z.B. Acrylsäure) • Das Fördergut neigt zur Kristallisation bzw. bildet Ausflockungen oder ähnliches. • Das Fördergut bildet Ablagerungen von schleimiger bis fester Konsistenz (z.B. Ei-

sen-Chlorid bei der Flüssigchlor-Förderung) • Das Fördergut führt zu starker Korrosion innerhalb der Pumpe • Das Fördergut in der Pumpe stellt ein erhöhtes Gefährdungspotential dar. (z.B.

hochaktive Katalysatorlösungen) • Das Fördergut erstarrt bzw. stockt innerhalb der Pumpe


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Fördermedium bei normalen Bedingungen dampfförmig: Das Anfahren einer Kreisel-pumpe setzt eine gefüllte Saugleitung sowie eine sorgfältig befüllte und entlüftete Pumpe vor-aus. Es lassen sich zwei Anfahrbedingungen anhand des Fördergutzustandes unterscheiden.

1. Das Fördergut ist bei Normalbedingungen (20°C, p0) flüssig 2. Das Fördergut ist bei Normalbedingungen (20°C, p0) dampfförmig

Fördergüter, die bei Normalbedingungen flüssig sind, benötigen keine zusätzlichen Rohrlei-tungen als Anfahrhilfe. Fördergüter, die bei Normalbedingungen dampfförmig sind (z.B. Ammoniak, Chlorwasserstoff, Chlor), benötigen für den Anfahrvorgang eine Hilfsrohrleitung. Gemeint sind Gase, die bei tiefen Temperaturen und hohen Drücken als „Flüssiggase“ geför-dert werden. Während des Füllvorganges strömt das Flüssiggas in die Pumpe, in der übli-cherweise Umgebungstemperatur herrscht. Dabei verdampft das Fördergut. Die entstehende große Dampfmenge kann nicht in den Zulaufbehälter geführt werden, sondern wird über eine an ein Abgassammelsystem angeschlossene Anfahrhilfsleitung abgeleitet. An das Abgas-sammelsystem ist häufig eine Rückverdichtung der Dämpfe oder eine Abgasvernichtung an-geschlossen. Durch den Verdampfungsvorgang wird die Pumpe auf Betriebstemperatur ge-bracht (Verdampfungskühlung) und umgibt sich schnell mit einem Eispanzer, der als Isolier-schicht wirkt. Hat die Pumpe ihre Betriebstemperatur erreicht, kann die Anfahrhilfsleitung geschlossen werden. Die Pumpe wird dann wie jede andere Kreiselpumpe auch gegen den geschlossenen Druckschieber angefahren.

Zusatzverrohrung:

Kühlung der Pumpe:

Die Förderung von Flüssigkeiten bei hohen Temperaturen erfordert vorwiegend einen Kühl-mittelanschluss. Diese wird notwendig, wenn der Zustand des Fördergutes im Dichtungsraum in der Nähe des Siedezustandes liegt, und das Fördergut einen Schmierfilm im Dichtspalt der Gleitringdichtung darstellt. Ziel ist, eine mögliche Verdampfung im Dichtspalt zu vermeiden und damit zum vorzeitigen Ausfall der Gleitringdichtung führt. Generell wird als Kühlmittel Kühlwasser verwendet. Bei der doppeltwirkenden Gleitringdichtung erfolgt die Kühlung durch das Sperrmedium.

Werden Fördermedien bei Betriebstemperaturen gefördert, die wenig unterhalb der Tempera-tur liegen, bei der das Medium seine Fließfähigkeit verliert, so kann ein Kühlmittelanschluss an das Spiralgehäuse bzw. den Gehäusedeckel erforderlich werden. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn das Fördergut unter Wärmeeinwirkung polymerisiert (z.B Acrylsäure hat bei höhe-ren Temperaturen eine starke Neigung zur Polymerisation, aber auch bei Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt (<15 °C) besteht die Gefahr der Polymerisation und die Lagerung sollte unterhalb von 25 °C erfolgen [3]). Die Kühlungsstellen können je nach Fall der Anwendung festgelegt werden. Es wird standardmäßig nur eine Kühlmittelleitung bis zum Grundplatten-rand berücksichtigt. Die Verrohrung vom Grundplattenrand bis zur Kühlungsstelle ist vom Hersteller vorzusehen. Bei Fördergütern, die zur Polymerisation neigen, kann auch das Spi-ralgehäuse gekühlt werden.

Beheizung der Pumpe:

Werden Fördergüter in der Nähe ihres Stockpunktes gefördert, soll die Pumpe im Allgemei-nen mit Heizmittel versorgt, um das Fördergut fließfähig zu halten, was in der Regel mit Heizdampf gewährleistet wird. Wärmeträgeröle können bis zu Temperaturen von ca. 350°C eingesetzt werden. Deren Bereitstellung erfolgt drucklos. Allerdings ist eine Doppelmantel-ausführung erforderlich. Bei Temperaturen oberhalb von 350°C werden Salz- oder Metall-


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schmelzen als Wärmeträger verwendet. Eine elektrische Beheizung kann auch benutzt wer-den. Allerdings ist sie aufwendig und teuer, aber dagegen sehr genau. Falls eine genaue Tem-peratureinstellung notwendig ist, können Pumpen elektrisch beheizt werden. Je nach Fall der Anwendung können mehrere Beheizungsstellen in Frage kommen. Genauso wie bei der Küh-lung wird in den Standards nur eine Heizdampfleitung bis zum Grundplattenrand berücksich-tigt. Die Verrohrung vom Grundplattenrand bis zur Beizungsstelle ist von dem Pumpenher-steller anzugeben.

Spülanschluss: Bevor an der Pumpe Wartungs- und Montagearbeiten durchgeführt werden, ist diese von Rückständen des Fördergutes zu befreien, wenn diese eine Gefahr für das Bedie-nungspersonal darstellen. Das Spülmedium wird sowohl der Druckleitung vor dem Rück-schlagventil als auch unmittelbar dem Druckstutzen der Pumpe zugeführt. Voraussetzung für einen Spülanschluss ist eine Entleerungsleitung in ein geschlossenes Slopsystem. Da das För-dergut mit dem Spülmedium verdünnt wird, ist ein Spülanschluss nicht für teure bzw. hoch-reine Förderflüssigkeiten auszuwählen. In dem Fall kann bei der Entleerung der Pumpe ein Sammelbehälter eingesetzt werden.

Geschlossene Entleerung: Im offenen System kann eine Entleerung in ein geschlossenes Slopsystem erforderlich sein, wenn das Fördergut wegen seiner Eigenschaften nicht in die Pumpentasse gelangen darf. Ist das Fördergut ein teurer Reinstoff, der wieder verwendbar ist, so kann es bei der Entleerung in einen Lager- oder Sammelbehälter übergeleitet werden.

Trockenlaufschutz: An einer nicht gefüllten oder schlecht entlüfteten Pumpe kann es zum Trockenlauf der Gleitringdichtung bzw. Gleitlager kommen. Zur Vermeidung dieses Zustan-des kann ein Trockenlaufschutz vorgesehen werden. Wird eine Spaltrohrmotorpumpe in ei-nem explosionsgefährdeten Bereich eingesetzt, so ist gesetzlich vorgeschrieben, dass die Pumpe ständig mit Förderflüssigkeit gefüllt sein muss [68]. Durch einen Flüssigkeitsstandge-ber (LA-S-) in der Druckleitung kann sichergestellt werden, dass die Pumpe nur bei ausrei-chendem Flüssigkeitsstand betrieben werden kann. Ein Trockenlaufschutz schaltet die Pumpe aus, wenn Luft angesaugt wird.

Kalt-/ Warmstellen: Ist eine Reservepumpe installiert, die produktgefüllt sein darf, ist es sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Betriebstemperaturen sinnvoll, diese Pumpe auf Be-triebstemperatur zu halten. Kalt-/Warmstellen der Reservepumpe ist besonders für tempera-turempfindliche Fördergüter zweckmäßig, da auf diese Weise keine große Temperaturgra-dienten bei Inbetriebnahme der Reservepumpe auftreten können. Weiterhin müssen die zuläs-sigen Temperaturgradienten der Pumpe, die beim Anfahrvorgang auftreten dürfen, beachtet werden. Das Kalt-/Warmstellen der Reservepumpe kann auf zwei Arten erfolgen. Die Durch-strömung der Reservepumpe ist durch eine Umgehungsleitung für die Rückschlagarmatur und die Absperrarmatur möglich. In die Umgehungsleitung sind dann ein Ventil und eine Blende, die bei der gegebenen Druckdifferenz einen bestimmten Volumenstrom gewährleistet, zu in-tegrieren. Diese Hilfsleitungen können entfallen, wenn das Kalt-/Warmstellen der zweiten Pumpe durch eine Bohrung in der Rückschlagklappe gewährleistet wird.

Dichtungsmaßnahme: Die Dichtungsmaßnahmen für Pumpen lassen sich wie folgt gliedern:

• Dynamische Wellenabdichtung o Einfachwirkende Gleitringdichtung (E-GLRD) o Doppeltwirkende Gleitringdichtung (D-GLRD)

• Hermetisch dichte Pumpen o Spaltrohrmotorpumpen (SRMP) o Pumpen mit Magnetkupplung (PMA)


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Generell wird für offene Systeme eine E-GLRD vorgesehen. Bei Fördergütern, für die keine Leckage in die Atmosphäre zuzulassen ist, können E-GLRD nicht eingesetzt werden. Für ein geschlossenes System ist die Verwendung einer D-GLRD, SRMP oder PMA als Dichtungs-maßnahme Voraussetzung. D-GLRD werden insbesondere dann eingesetzt, wenn feststoffbe-ladene Fördergüter abzudichten sind, weil bei D-GLRD der Schmierfilm im Dichtungsspalt von dem Sperrmedium erzeugt wird. Auf diese Weise kann kein Feststoff in den Dichtungs-spalt gelangen und die Dichtung zerstören. Wird die Pumpe mit D-GLRD abgedichtet, so ist bei hohen Temperaturen möglicherweise ein Kühlmittelanschluss für den Dichtungsraum vorzusehen. Bei D-GLRD erfolgt die Kühlung durch das Sperrmedium [70].

Wegen der zahlreichen unterschiedlichen Designkombinationen für die Ausführung von Pumpenstationen wurde eine modulare Struktur eingerichtet. Daraufhin wurden Fließbilder von verfahrenstechnischen Anlagen untersucht und es wurde eine Grundstruktur, auf die die Kleinverrohrung aufbaut, ermittelt. Diese Grundstruktur wird als PID Grundelement (s. Abbildung 16) für die Pumpe bezeichnet und umfasst alle Elemente, die für den Betrieb der Pumpe zwingend notwendig sind.

Abbildung 16: PID Grundelement für die Pumpe

Regeln und Entscheidungsbäume für den wissensbasierten Entwurf von PID’s für Wärmeübertrager Wärmeübertrager sind Apparate, die die thermische Energie zwischen zwei oder mehr Me-dien übertragen. Dabei gibt der heiße Strom seine Wärmeenergie ab, die vom kalten Strom aufgenommen wird. Wärmeübertragung kann direkt oder indirekt zwischen den Medien er-folgen. Im direkten Fall stehen die Medien, die geheizt/gekühlt werden sollen, in direktem Kontakt mit dem entsprechenden Heiz-/Kühlmedium. Bei der indirekten Wärmeübertragung sind die Medien durch eine Trennwand getrennt und kommen deshalb nicht in direkten Kon-takt miteinander [62][73]. Der indirekte Typ ist in der chemischen Industrie besonders häufig eingesetzt, da das Vermischen der Ströme verhindert wird. Durch Wärmeübertrager wird ein Prozessstrom auf die gewünschte Temperatur gebracht, verdampft oder kondensiert.


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Wärmeübertrager sind in nahezu jeder chemischen Anlage zu finden. Durch ihren häufigen Einsatz und die damit verbundene wiederholte Auslegung ist dieser Apparat für den modula-ren Ansatz der Anlagenplanung gut geeignet. Wärmeübertrager können in verschiedenen Aus-führungen gebaut werden. In dieser Arbeit wird der indirekte Typ des Wärmeübertragers be-trachtet, da dieser in der chemischen Industrie am gebräuchlichsten vorkommt und sehr uni-versell eingesetzt werden kann. Im Folgenden werden die wesentlichen Entscheidungskrite-rien, die für die Erstellung des Entscheidungsbaumes nötig sind, mit einer kurzen Darstellung erläutert (s. Abbildung 17). Um die Übersichtlichkeit zu wahren, ist die Struktur in der Grafik vereinfacht dargestellt. In der Software treten mehr Verschachtelungen auf, da sich z.B. aus der Auswahl des Betriebsmittels im Hauptentscheidungsbaum verschiedene Möglichkeiten der Zusatzeinrichtungen des Apparates ergeben oder durch die Art der Regelung zusätzliche Messstellen benötigt werden. Durch die Verknüpfungen dieser Entscheidungen zu verschie-denen Auswahlmöglichkeiten der Regelung, Zusatzeinrichtungen, etc. kann der gesamte Ap-parat bedarfsorientiert inklusive Nahverrohrung dargestellt werden.

Abbildung 17: Wesentliche Designkriterien für Wärmeübertrager

Entscheidungsbaum:

ohne/mit Phasenwechsel: Zunächst wird festgelegt, welche Phasenzustände das Prozessme-dium im Wärmeübertrager durchläuft. Jedoch wird bei dieser Aufteilung nur die Prozess-stromseite betrachtet. Danach wird festgelegt, welche Aufgabe der Apparat in dem Prozess erfüllt.


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Prozesstechnische Aufgabe: Bei der Bestimmung der prozesstechnischen Aufgabe des Wärmeübertragers wird unterschieden, ob das Prozessmedium aufgeheizt, abgekühlt, ver-dampft oder kondensiert wird. Die Systemauswahl für Wärmeübertrager ist in Abbildung 18 dargestellt. Anschließend werden weitere Fragen gestellt, die den Wärmeübertrager weiter charakterisieren und so ein vollständiges Bild dieses Apparates mit seiner Nahverrohrung und der Regelung geben.

Auswahl des Betriebsmittels: An dieser Stelle werden in Abhängigkeit der vorherigen Aus-wahl (Kühler, Aufheizer, Kondensator oder Verdampfer) verschiedene Möglichkeiten der Betriebsmittelwahl gegeben. Die Auswahl der Betriebsmittel sollte unter Berücksichtigung von Kosten in erster Linie nach dem im Wärmeübertrager herrschenden Temperaturniveau angewandt werden.

Wärmeübertrager

Wärmeübertrager Systemauswahl

ohne Phasenwechsel mit Phasenwechsel

Prozesskondensator

Prozesstechnische Aufgabe Prozesstechnische Aufgabe

Kolonnenkondensator

Prozessverdampfer

Kolonnenverdampfer

Kühler

Aufheizer

Abbildung 18: Aufteilung Wärmeübertrager

Neben der Umweltverträglichkeit des Betriebsmittels muss die Gefahr von Leckagen im Wärmeübertrager berücksichtigt werden. Hier ist zu klären, wie kompatibel das Betriebsmittel mit dem Prozessmedium ist und ob es durch Leckagen sicherheitskritischen Situationen ent-stehen können. Zudem muss untersucht werden, ob der Wärmeübertrager als Teil der Wärme-integration einer Anlage betrieben werden kann. Hierzu muss im Programm ein zweites Pro-zessmedium als Heiz- oder Kühlmedium ausgewählt werden können. Um diesen Gesichts-punkten Rechnung zu tragen, werden verschiedene Heiz- & Kühlmedien mit ihren Vor- & Nachteilen zur Auswahl gestellt. Diese Auswahl richtet sich nach der vorher festgelegten Aufgabe des Apparates. Für Prozesskühler, Aufheizer, Kondensatoren und Verdampfer wer-den folgende Medien zur Auswahl angeboten.

Betriebsmittelauswahl für Kühler: Oberflächenwasser, Kühlwasser, Kaltwasser, Sole, ver-dampfendes Kühlmittel, Luft, spezielle Öle oder anderer Prozessstrom


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Betriebsmittelauswahl für Aufheizer: Heizdampf, Warm-/Heißwasser, spezielle Öle oder anderer Prozessstrom

Betriebsmittelauswahl für Kondensator: Oberflächenwasser, Kühlwasser, Kaltwasser, Sole, verdampfendes Kühlmittel, Luft, spezielle Öle oder ein anderer Prozessstrom

Betriebsmittelauswahl für Verdampfer: Als Standardheizmedium für Verdampfer wird Heizdampf angenommen, da dieser üblicherweise eingesetzt wird [48].

Das Heizmedium für Mehreffektverdampfungsanlagen (mehrstufige Verdampferanlagen) wird entsprechend der Verdampferposition in der Anlage und der angestrebten Schaltung ausgewählt. Die mehrstufige Verdampfung wird bei Eindampfprozessen eingesetzt, um Ener-gie zu sparen. In dem Prozess wird eine Mehrfachnutzung der für die Verdampfung eingesetz-ten Energie erreicht, indem der Druck in den Verdampfern stufenweise gesenkt wird, so dass die Brüden zur Beheizung der nächsten Stufe einsetzbar sind [48]. Zur Auswahl stehen hier in Abhängigkeit der Position: Heizdampf (erster und letzter Effekt), Brüden des vorgeschalteten Effektes (letzter Effekt und Zwischeneffekt) und Brüden des Folgeeffektes (erster Effekt und Zwischeneffekt). Durch die Auswahl des entsprechenden Heizmediums kann die Anlage in der entsprechenden Schaltung (Parallel-, Gegen- oder Gleichstrom) (s. Abbildung 19) ausge-führt werden. Zusätzlich mit der Auswahl, welcher Effekt dargestellt wird, können die einzel-nen Effekte zu einer Mehr-Effektverdampferanlage zusammengefasst werden. Als erster Ef-fekt ist der Effekt definiert, in den das Feed der Anlage zugegeben wird, im letzten Effekt wird das Konzentrat aus der Anlage entfernt. Die Auswahl Zwischeneffekt deckt dabei alle Verdampfer ab, die zwischen dem ersten und letzten Effekt der Verdampferanlage existieren.

Abbildung 19: Verschiedene Schaltungen für die Mehreffektverdampfung

Wird dagegen ein Kolonnenverdampfer ausgewählt, ist zu klären, ob die Kolonne mit Heiz-dampf oder mit verdichtetem Kolonnenbrüden im Zuge einer Energieintegration betrieben wird.


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Ausführung als Sicherheitswärmeübertrager: Die Auswahl eines Sicherheitswärmeü-bertragers wird angeboten, um besonders sicherheitskritische Prozesse zu berücksichtigen sind. Diese Bauart kann eingesetzt werden, wenn eine Vermischung des Betriebsmittels und des Prozessmediums ausgeschlossen werden muss. Bei Sicherheitswärmeübertragen sind die Medien durch eine doppelte Trennwand voneinander getrennt. Zusätzlich befindet sich ein Sperrmedium zwischen den Trennwänden. Das Sperrmedium zur Detektion von Leckagen kann auf seine Temperatur und seinen Druck kontrolliert werden, um so Leckagen zu detek-tieren. Durch die Zugabe eines zusätzlichen Sperrmediums für den Wärmeübergang sinkt der Wärmeübergangskoeffizient des Apparates. Daher ist die Auswahl eines geeigneten Mediums notwendig. Weiterhin muss eine Kompatibilität des Sperrmediums zu den anderen Medien gegeben sein [73].

Auswahl der Bauart: Anschließend folgt die Festlegung des Wärmeübertragertyps. Die Auswahl der Bauart erfolgt auf Basis von Betriebstemperatur, Druck, Korrosionseigenschaf-ten der Medien, Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und Platzbedarf des Apparates.

Bei Kühler, Aufheizer und Kondensator werden die drei Haupttypen von indirekten Wärmeü-bertragern Rohrbündel-, Platten- oder Spiralwärmeübertrager zur Auswahl angeboten.

Rohrbündelapparate (s. Abbildung 20-1 [73]) können sehr universell eingesetzt und sehr prä-zise über die TEMA Baugruppen auf den prozesstechnischen Anforderungen angepasst wer-den (Auswahl der passenden Front- und Endköpfe sowie Auswahl des Mantels). Sie sind ein-fach zu produzieren und können über einen weiten Druck- und Temperaturbereich für Flüs-sigkeiten und Gase eingesetzt werden [38].

Plattenwärmeübertrager (s. Abbildung 20-2 [73]) dagegen bieten höhere Wärmeübergangsko-effizienten und können daher kompakter gebaut werden. Die Apparate bestehen aus gewellten Platten mit Durchtrittsöffnungen für die Fluide. Sie können meist einfach demontiert, gerei-nigt und sterilisiert werden und sind daher in der Lebensmittelindustrie oft vertreten. Platten-wärmeübertrager haben einen hohen Turbulenzgrad, woraus ein hoher k-Wert und eine gerin-ge Verschmutzungsneigung resultieren. Nachteilig ist ein hoher Druckverlust. Plattenwärme-übertrager sind für geringe Drücke (pmax=25bar) und geringe Temperaturen (Tmax=250 C) ge-eignet [31]. Der Einsatzbereich ist von der Art der Dichtung der Platten abhängig. So können verschweißte Apparate bei höheren Temperaturen und Drücken eingesetzt werden, sind aber nicht demontierbar. Apparate mit Polymerdichtung können dagegen bei geringeren Tempera-turen und Drücken betrieben werden, können aber demontiert werden und die Wärmeaus-tauschfläche lässt sich durch Variation der Platten einstellen. Aufgrund ihrer kompakten Bauweise sind sie kostengünstiger als Rohrbündelapparate [58].

Als dritte Möglichkeit werden im Programm Spiralwärmeübertrager (s. Abbildung 20-3 [73]) angeboten. Dieser Typ besteht aus zwei spiralförmig gewickelten Blechen, die durch aufge-schweißte Abstandhalter voneinander getrennt sind. Der Einsatzbereich für diese beträgt Tmax=500°C und der zulässige Druck pmax=15bar [31]. Sie sind sowohl für viskose Flüssigkei-ten als auch für Suspensionen mit Feststoffen (inkl. Schlämme) geeignet, da dieser Apparate-typ nahezu keinen Totraum sowie einen hohen Turbulenzgrad aufweist [31][64]. Durch einen abnehmbaren Deckel sind die Apparate einfach mechanisch zu reinigen [73]. Zudem kann bei geschickter Stromführung auf eine Isolierung des Apparates verzichtet werden und sie sind aufgrund ihrer Bauweise wenig reparaturanfällig [64]. Es ist je nach Anforderung eine Gegen-strom-, Kreuzstrom- oder eine gemischte Kreuz-Gegenstromführung möglich [31]. Aufgrund der aufwendigen Konstruktion dieser Apparate sind sie in der Anschaffung teuer, allerdings kann ggf. auf eine Isolierung verzichtet werden, und bei sachgemäßem Betrieb verursachen sie nur geringe Kosten für Betrieb und Wartung [64].


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A B

Abbildung 20: Bauarten für Wärmeübertrager

Die Auswahl der Verdampferbauart richtet sich nach der im folgenden Abschnitt zu beschrei-benden Einsatzbereich (Ein-Effekt-, Mehr-Effekt-Verdampfer oder Kolonnenverdampfer) und Betriebsweise (Umlauf- und Durchlaufverdampfer).

Bei der Bauart für Kolonnenverdampfer kann zwischen Thermosiphonverdampfer horizontal oder vertikal, Zwangsumlaufverdampfer horizontal oder vertikal, Kettle-Typ-Verdampfer oder interner Verdampfer gewählt werden.

Thermosiphonverdampfer (Naturumlaufverdampfer) arbeiten nach dem Prinzip des Dichteun-terschiedes von Brüden-/ Lösungsgemisch im Verdampferrohr und der Lösung in der Umlauf-leitung. Als Bauart wird ein Rohrbündelapparat angenommen, da dieser am häufigsten vertre-ten ist [58]. Diese Apparate weisen einen hohen Wärmeübergang und geringere Investitions-kosten auf und verursachen keine laufenden Kosten, da keine Pumpe verwendet wird (War-tung und Heizmedium ausgenommen). Diese Verdampfer werden in vertikaler und horizonta-ler Ausführung (s. Abbildung 21) verwendet. Bei Thermosiphonverdampfern muss zu jedem Zeitpunkt gewährleistet sein, dass eine ausreichende Sumpfmenge zirkuliert. Daher sind sie nur für den Betrieb bei kleinen Mengen im Sumpf ungeeignet. Die Ausführung als vertikaler Typ bietet zudem die Vorteile eines geringen Platzbedarfs und einer geringen Foulingnei-gung, da das Prozessmedium rohrseitig geführt wird und gute Reinigungsmöglichkeiten auf der Rohrseite bestehen. Zur Verdampfung von viskosen, verschmutzenden oder weitsieden-den Gemischen ist diese Bauart nicht geeignet. Ist eine größere Wärmeübergangsfläche not-wendig, sind vertikale Apparate eher ungeeignet. Der Einsatz eines horizontalen Verdampfers ist auch für geringere Durchsätze möglich und es können damit größere Wärmeübergangsflä-chen realisiert werden. Das Prozessmedium wird hier mantelseitig geführt, daher können die Rohre für eine größere Fläche mit z.B. Rippen ausgestattet werden. Diese Stromführung führt aber auch zu einer erhöhten Foulinggefahr im Prozessmedium. Weiterhin werden für diese Apparate höhere Investitionskosten veranschlagt und sie benötigen eine größere Aufstellungs-fläche, sind allerdings auch für den Einsatz bei Vakuumkolonnen geeignet [34].


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Abbildung 21: Kolonnenverdampfer im Naturumlauf

Zwangsumlaufverdampfer werden dann eingesetzt, wenn eine Verwendung von Naturum-laufverdampfer nicht möglich ist. Zwangsumlaufverdampfer besitzen eine Pumpe, die für den Flüssigkeitsumlauf sorgt (s. Abbildung 22). Sie können daher auch bei viskosen und stärker zum Fouling neigenden Systemen und beim Vakuumbetrieb eingesetzt werden. Sie haben einen höheren Wärmeübergang als Naturumlaufverdampfer. Über die Pumpe ist der Umlauf im Verdampfer gut zu kontrollieren. Die Auswahl zwischen vertikal oder horizontale Aufstel-lung ist in diesem Fall eine Entscheidung, die sich nach der verfügbaren Aufstellfläche (verti-kal weniger) und dem Reinigungsaufwand des Verdampfers richtet (horizontal einfacher zu reinigen). Allerdings kommen bei den Zwangsumlaufverdampfern die Investition- und Be-triebskosten der Pumpe noch hinzu. Zudem ist die Pumpe ein weiterer Apparat, der eine mög-liche Fehlfunktion haben kann [34].

Abbildung 22: Kolonnenverdampfer im Zwangsumlauf

Kettle-Typ-Verdampfer sind U-Rohrapparate mit einem entsprechend ausgeführtem Mantel wie es in Abbildung 23-1 dargestellt ist. Sie können für einen geringen Sumpfdurchlauf ein-gesetzt werden und die Wärmeübergangsfläche kann wie bei horizontalen Thermosiphonver-dampfern durch gerippte Rohre vergrößert werden. Aufgrund des großen Flüssigkeitsholdups ist die thermische Belastung sehr hoch und die Foulinggefahr ist sehr groß. Dieser Typ ist mantelseitig einfach zu reinigen und ist für Vakuumkolonen geeignet. Dagegen erfordert die-ser Typ einen hohen Platzbedarf und hohe Investitionskosten. Dieser Verdampfertyp kann bei


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erwarteten Instabilitäten der Kolonne eingesetzt werden, um diese zu kompensieren [34]. Da der Zulauf zum Verdampfer ohne Pumpe stattfindet, muss der Druckverlust des Verdampfers und der Dampfrücklaufleitung mit Hilfe des hydrostatischen Druckes zwischen Kolonnen-sumpf und Verdampferfüllstand ausgeglichen werden. Wird dies nicht beachtet, kommt es über die Dampfrücklaufleitung des Verdampfers erst zu einer Flutung des Verdampfers und zu einer Flutung der Kolonne aufgrund ungenügender Verdampferleistung [42].

Interne Verdampfer sind im Prinzip Rohrbündelapparate, die in den Sumpf der Kolonne ein-gelassen werden (s. Abbildung 23-2). Sie können bei der Batch-Rektifikation und kleinen Kolonnen eingesetzt werden. Ihre Wärmeübergangsfläche ist durch den Kolonnendurchmes-ser begrenzt. Daher können sie nur bei kleinen Wärmemengen ausgeführt werden. Eine Ver-größerung der Fläche wird durch längere oder mehrere Rohre erreicht, die allerdings zu einer höheren oder dickeren Kolonne führen. Diese Apparate sind schwer zu reinigen und neigen zu Schaumbildung. Die Schaumbildung kann die Kolonne fluten und durch den Schaum wird eine ordnungsgemäße Messung des Kolonnenfüllstandes erschwert [34].

Wenn Naturumlauf- (Thermosiphon-)Verdampfer als Prozessverdampfer eingesetzt werden, wird es bei diesen anstelle der Kolonne eine Trennkammer ausgeführt. An dieser Stelle kann anstelle eines Rohrbündelapparates auch ein Platten- (für Zwangsumlauf) oder ein Spiralver-dampfer (für Naturumlauf) ausgeführt werden. Spiralverdampfer haben einen höheren Wär-meübergang als Rohrbündelapparate, lassen sich einfacher reinigen und sind auch für viskose Fluide geeignet [48]. Plattenverdampfer bieten die oben erwähnten Vor- und Nachteile. Al-lerdings müssen die Platten mit größeren Durchtrittsöffnungen für den Dampf versehen wer-den [73].

Robert-Verdampfer (Abbildung 23-3) sind Kurzrohrverdampfer, deren Rohre in einen Behäl-ter eingelassen sind. Sie besitzen in der Mitte ein zentrales Fallrohr für das Prozessmedium und arbeiten ebenfalls nach dem Thermosiphonprinzip. Das Medium wird in den Rohren ver-dampft und durch den Dichteunterschied wird ein ständiger Flüssigkeitsumlauf gewährleistet. Im oberen Bereich ist eine Trennsektion für vom verdampften Medium mitgerissene Flüssig-keit ausgeführt. Aufgrund des großen Holdups, besitzt dieser Verdampfertyp eine große Tot-zeit und eine lange Verweildauer. Daher ist diese Art von Verdampfern nicht für thermisch instabile Produkte geeignet [73]. Der Vorteil dieser Verdampferbauart liegt in den geringen Investitionskosten [43].

A: Kolonnenzulauf B: Sumpfprodukt C: Heizdampf D: Kondensat

Kolonne

B

C

D

A Kondens Heizdampf

Demister

Dampf

Feed

Konzentrat

Abbildung 23: Kettle-Typ-Verdampfer, Interner Kolonnenverdampfer, Robertverdampfer


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Fallfilmverdampfer (Abbildung 24-1) sind vertikale Rohrbündelapparate, bei denen der Heiz-dampf mantelseitig und das Prozessmedium rohseitig geführt werden. Das Prozessmedium wird durch einen Flüssigkeitsverteiler gleichmäßig auf die Rohre verteilt, so dass es in einem dünnen Film auf der Innenseite der Rohren herabläuft. Das Medium wird teilverdampft. Der Brüden läuft ebenfalls nach unten und das Brüden-/ Flüssigkeitsgemisch wird in einer Trenn-kammer getrennt. Die Verdampfung findet an der Oberfläche des Filmes statt. Die Strömung wird daher als turbulent angenommen, was zu einem hohen Wärmeübergang führt, so dass der Verdampfer auch bei kleinen Temperaturdifferenzen zwischen Heizdampf und Prozess-medium betrieben werden kann. Fallfilmverdampfer können für viskose Medien und bei leicht foulenden Medien eingesetzt werden. Ein zentrales Bauteil dieses Verdampfers ist der Flüssigkeitsverteiler. Wird die Flüssigkeit ungleichmäßig verteilt, ist nicht gewährleistet, dass alle Rohre mit einem Film bedeckt sind. Hierdurch kann es zu Verkrustungen kommen und der Werkstoff kann an diesen Stellen überhitzen. Es kann daher nötig sein, eine zusätzliche Rezirkulation des Konzentrates auszuführen, um eine gleichmäßige Flüssigkeitsfilm innerhalb der Rohre aufrecht zu halten. Der Verdampfer ist für den Vakuumeinsatz geeignet und bietet aufgrund kurzer Verweilzeiten eine schonende Eindampfung. Aufgrund des geringen Flüssig-keitsinhaltes wird nur eine kurze Anfahrzeit benötigt und die Reaktion auf Betriebsänderung geschieht sehr schnell. Die vertikale Aufstellung dieses Apparates benötigt wenig Stellfläche. Durch einen geringen Druckverlust ist dieser Verdampfer auch für den Vakuumbetrieb geeig-net. Zudem kann an diesem Apparat Brüdenkompression gut zur Energieintegration einge-setzt werden, da der Verdampfer auch bei geringen Temperaturdifferenzen arbeiten kann [17][53].

A: Prozessmedium B: Dampf/Flüssiggemisch C: Heizdampf D: Kondensat

A

B

C

D

Trennkammer

Feed

Heiz- dampf

Dampf

Konzentrat

Kondensat

A

C

B

Antrieb

Abscheider

Verteilung

Rotor

Heizmantel

Lager

A: Feed B: Konzentrat C: Dampf

Abbildung 24: Schematische Darstellung von Fallfilmverdampfer, Kletterfilm-Verdampfer und Dünnschichtver-dampfer

Kletterfilmverdampfer (Abbildung 24-2) sind wie Fallfilmverdampfer vertikale Rohrbündel-apparate. Die Lösung wird unten am Apparat rohrseitig aufgegeben und beginnt zu verdamp-fen. Durch die entstehenden Gasblasen, die nach oben treiben, beginnt auch die Flüssigkeit zu „klettern“. Am oberen Ende des Verdampfers wird dieses Gemisch in der Trennkammer auf-


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getrennt. Diese Apparate haben eine turbulente Strömung, da die Flüssigkeit gegen die Gravi-tation steigt. Daher sind sie für den Einsatz bei viskosen und zum Fouling neigenden Flüssig-keiten geeignet und haben einen hohen Wärmeübergang. Der geringe Flüssigkeitsinhalt be-dingt kurze Verweilzeiten und schnelle Reaktion des Apparates auf Änderung in der Belas-tung. Da sie vertikal aufgestellt sind, benötigen sie eine geringe Stellfläche. Zudem wird durch einen kleinen Druckverlust ein Einsatz in Hochvakuumanlagen möglich. Weiterhin sind sie für große Verdampfungsverhältnisse geeignet und können eine Lösung in einer Stufe kon-zentrieren. Nachteilig ist, dass diese Verdampfer durch eine integrierte obere Trennkammer Platz nach oben benötigen und dass sie nicht für salzhaltige Lösungen geeignet sind, da diese zur Verkrustung des Verdampfers führen. Um den Film aufrechtzuerhalten, wird eine Rezir-kulation des Konzentrates benötigt [17][48].

Dünnschichtverdampfer (Abbildung 24-3) bestehen aus einem starren Heizmantel und einem rotierenden Innenteil. Die Produktlösung wird dem Verdampfer oberhalb des Rotors zugege-ben und mit Hilfe von an dem Rotor befindlichen Wischblättern gleichmäßig über den Heiz-mantel verteilt. So wird ein dünner Film erzeugt, an dessen Oberfläche die Lösung verdampft. Die so erzeugten Brüden werden in einem integrierten Abscheider von mitgerissener Flüssig-keit abgetrennt. Die nicht verdampfte Lösung fließt spiralförmig den Mantel herab und wird am unteren Ende abgezogen. Diese Apparate sind daher besonders für viskose Medien geeig-net (Es können Flüssigkeiten verdampft werden, die im Gravitationsfeld nicht fließfähig sind). Die Verweilzeit in diesen Apparaten ist sehr gering (<60s) [58]. Daher sind sie beson-ders für wärmeempfindliche Produkte geeignet. Wegen der geringen Verweilzeit und der ständigen Neuverteilung der Flüssigkeit tritt kaum Fouling auf. Der Nachteil der Dünn-schichtverdampfer ist ihr hoher Preis und dass sie nur bis zu einer begrenzten Heizfläche von ca. 25 m2 gefertigt werden [48][57][73].

Zusätzliche Designkriterien bei Kondensatoren:

Inertanfall: Für einen Kondensator, besonders für die Auswahl der Regelung, ist es wichtig zu prüfen, ob größere Mengen an Inertgas im zu kondensierenden Gasstrom vorhanden sind, bzw. ob der Apparat ein Total- oder ein Partialkondensator ist. Werden Inerte im Kondensator akkumuliert, sinkt der Wärmeübergang rapide und der Apparat funktioniert nicht mehr ord-nungsgemäß, so dass nachfolgende Operationen ebenfalls gestört sind.

Position des Kondensators: Bei der Definition der Position des Kondensators wird unter-schieden, ob der Kondensator als eigener Apparat oder als Teil eines anderen Apparates aus-geführt wird, vereinfacht gesagt, ob es sich um einen externen oder internen Kondensator (z.B. bei Kolonnen) handelt. Externe Kondensatoren sind einfacher auszuführen und zu war-ten. Interne Kondensatoren benötigen keinen Rücklaufbehälter, keine Pumpe und weniger Verrohrung. Daher sind sie unter vergleichbaren Bedingungen in der Regel kostengünstiger. Allerdings erhöhen sie die benötigte Kolonnenhöhe und dieses zusätzliche Material kann die Einsparungen wieder zunichtemachen. Ein interner Kondensator ermöglicht keinen Einfluss auf den Rücklauf zur Regelung der Kolonne [34].

Zusätzliche Designkriterien bei Verdampfern:

Einsatzbereich: Der Einsatzbereich von Verdampfern wird in drei Bereiche gegliedert:

• Ein-Effektverdampfer

• Mehr-Effektverdampfer


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• Kolonnenverdampfer

In Ein-Effektverdampfern wird eine Lösung in einem Schritt innerhalb eines Apparates ein-gedampft. Sie werden eingesetzt, wenn nur eine geringe Verdampferleistung nötig ist. Wei-terhin werden sie eingesetzt, wenn die verdampften Brüden nicht für eine Weiterverwendung geeignet sind. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn Verunreinigungen vorliegen oder die Brüden korrosiv sind und daher teure korrosionsbeständige Werkstoffe verwendet werden müssen [57]. Ein-Effektverdampfer sind energieintensive Apparate, in denen für jedes einge-setztes Kilo zu verdampfende Brüden nahezu die gleiche Menge Heizdampf erforderlich ist (im Fall der Eindampfung von wässrigen Lösungen). [17]. Daher werden Möglichkeiten der Energieeinsparung gesucht, die den spezifischen Energieverbrauch senken. Zu diesen Mög-lichkeiten gehören die Brüdenkompression, sowie die Alternative der Mehr-Effektverdampfung.

Mehr-Effektverdampfer bestehen aus mehreren Verdampfern, die zu verschiedenen Anlagen-schaltungen verbunden werden. In diesem Fall wird nur ein Verdampfer mit Heizdampf ge-heizt, die anderen Verdampfer werden mit Brüden der anderen Effekten betrieben. Hierbei wird der Betriebsdruck des Verdampfers von Stufe zu Stufe abgesenkt, um die Verdamp-fungstemperatur zu senken. So wird eine ausreichende Temperaturdifferenz zwischen Lösung und Brüden hergestellt [48][57].

Mit dem Kolonnenverdampfer gemeint sind die Apparate, deren Aufgabe das flüssige Ge-misch im Kolonnensumpf zu verdampfen haben.

Nutzung des Verdampferbrüdens: Diese Frage betrifft nur Ein-Effektverdampfer. Die Aus-wahl zur Nutzung des Verdampferbrüdens ist eine reine Kostenentscheidung. Die Möglich-keit die Brüden zum Vorwärmen des Verdampferzulaufs zu nutzen, ist abhängig vom Tempe-raturniveau des Brüden und des Feeds. Hier ist die Entscheidung zu treffen, ob ein zusätzli-cher Feedvorwärmer, in dem der Brüden kondensiert, in den Betriebs- und Investitionskosten günstiger ist als die Ausführung eines Brüdenkondensators und eines Feedvorwärmers. Im Falle eines zusätzlichen Vorwärmers können die letztgenannten Apparate für den Betrieb kleiner ausgeführt werden. Allerdings sind für An- und Abfahrvorgänge höhere Apparateka-pazitäten auszuführen, da in diesen Fällen der Vorwärmer noch oder nicht mehr seine volle Leistung liefert. Für die Verdichtung des Verdampferbrüdens zur Beheizung des Verdampfers müssen diese Überlegungen ebenfalls durchgeführt werden. Ist es kostengünstig und prozess-technisch sinnvoll, den Brüden auf ein Temperaturniveau zu verdichten und damit den Ver-dampfer zu betreiben. In diesem Fall muss dennoch ein Heizdampfanschluss ausgeführt wer-den, da der Apparat ansonsten nicht in Betrieb genommen werden kann. Wird die Option „Keine Nutzung des Brüdens“ ausgewählt, so wird die Energie des Brüdens nicht in der Ver-dampferanlage integriert. Diese ist zu wählen, wenn der Brüden nicht genutzt werden kann, da der Brüden korrosiv oder mit verunreinigt ist [57].

Ausführung als Vakuumverdampfer: Durch das Aufprägen eines Vakuums wird eine zusätz-liche Vakuumanlage benötigt und die Anlage muss konstruktiv gegen äußeren Überdruck abgesichert werden. Für temperaturempfindliche Stoffe ist eine Vakuumverdampfung nahezu unerlässlich [48]. Bei Kolonnenverdampfern wird auf diese Frage verzichtet. In dem Ent-scheidungsbaum für Kolonnen wird festgelegt, bei welchem Druck die Kolonne betrieben werden soll. Anhand dieser Auswahl kann der geeignete Verdampfertyp ausgewählt werden.

Betriebsweise des Verdampfers: Bei der Betriebsweise des Verdampfers wird zwischen Durchlaufverdampfern und der Umlaufverdampfern differenziert. Der Durchlaufverdampfer


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ist dadurch charakterisiert, dass das zu verdampfende Medium nur einmal durch den Ver-dampfer geleitet wird. Durch diese Betriebsweise wird erreicht, dass der Verdampfer nur ei-nen geringen Flüssigkeitsholdup besitzt und so die mittlere Verweilzeit der Lösung im Ver-dampfer gering ist (teilweise weniger als eine Minute). Daher eignet sich ein Durchlaufver-dampfer für die Verdampfung temperatursensitiver Produkte. Zudem haben diese Apparate im Allgemeinen einen geringen Druckverlust und sind daher für den Vakuumbetrieb geeignet [58].

Bei Umlaufverdampfer dagegen wird die nicht verdampfte Lösung in den Verdampfer zu-rückgeleitet. Der Brüden wird hierbei in einer Trennkammer von der Lösung getrennt. Die Verweilzeit der Lösung im Apparat ist daher deutlich länger und die thermische Belastung ist ebenfalls höher als bei Durchlaufverdampfern. Umlaufverdampfer werden eingesetzt, wenn eine hohe Verdampfungstemperatur und große Verdampfungsverhältnisse notwendig sind. Weiterhin werden sie bei viskosen und nicht Newton´schen Flüssigkeiten eingesetzt. Sie kön-nen auch bei zum Fouling neigenden Lösungen eingesetzt werden, da durch die ständige Umwälzung die Gefahr einer Krustenbildung an der Wärmeübergangsfläche vermindert wird [17][22].

Die Auswahl für Verdampferanlagen wird in Durchlauf- und Umlaufverdampfer gegliedert. Als Umlaufverdampfer werden Naturumlaufverdampfer (als Rohrbündel- oder als Spiralver-dampfer), Zwangsumlaufverdampfer (als Rohrbündel- oder Plattenwärmeübertrager) sowie der Robertverdampfer als Alternativen angeboten. Wird vorher ein Durchlaufverdampfer ge-wählt, werden Kletterfilm-, Dünnschicht-, oder ein Fallfilmverdampfer zur Auswahl angebo-ten.

Regelung:

Die Regelstrukturen werden nach der prozesstechnischen Aufgabe des Apparates gegliedert. Eine weitere Unterteilung findet nach der Art des eingesetzten Heiz-/Kühlmediums statt. Die Regelung kann generell in Feedback, Kaskaden oder eine Feedforward Kontrolle aufgeteilt werden [63].

Die Feedbackkontrolle (Abbildung 25-1) misst eine ausgehende Regelgröße. (z.B. die. Tem-peratur nach dem Wärmeübetrager). Diese wird durch eine Stellgröße (z.B. den Betriebsmit-telstrom) vom Regler (z.B. Temperaturregler) so eingestellt, dass sich eine möglichst geringe Abweichung zum Sollwert einstellt [63].

Eine Kaskadenreglung (Abbildung 25-2) besitzt ein Haupt- und eine Hilfsregelgröße. Die Hauptregelgröße bestimmt das Regelverhalten, die Hilfsregelgröße dient dazu, die Einwir-kung von Störungen zu vermindern. Störungen, die von der Hilfsregelgröße gemessen wer-den, werden korrigiert, bevor die Störung einen Einfluss auf die Hauptregelgröße haben kann [14].

Feedforwardregelungen (Abbildung 25-3) messen eine Größe vor dem Apparat. Durch ein rechnerisches Modell wird die Stellgröße bestimmt. Durch dieses Verfahren können Korrek-turen vorgenommen werden, bevor die Störung im Apparat ankommt. Die Regelung hat in diesem Fall keinen Einfluss auf die gemessene Größe und ist von der Qualität des zugrunde-liegenden Modells abhängig [43].

Die Regelung von Wärmeübertragern ohne Phasenwechsel des Prozessmediums gliedert sich nach der Art des Heiz-/Kühlmediums. Für die verschiedenen Arten der Medien (Betriebsmit-tel verdampft, Betriebsmittel kondensiert, verändert Phasenzustand nicht oder anderes Pro-


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zessmedium) werden verschiedene Regelstrategien vorgeschlagen. Dieser Aufbau ist in Abbildung 25-5 dargestellt. Zusätzlich zur Regelung des Apparates wird auch auf die Position der Regelventile eingegangen.

So wird unterschieden, ob das Regelventil im Zu- oder Rücklauf des Heiz-/Kühlmediums einzubauen ist. Ein Regelventil im Zulauf hat den Vorteil, dass der Wärmeübertrager mit ei-nem geringeren Druck des Betriebsmittels arbeitet. Gleichzeitig hat diese Anordnung den Nachteil, dass bei einem Druckabfall hinter dem Wärmeübertrager auch der Druck im Wär-meübertrager abfällt und das Betriebsmittel verdampfen kann, sodass ein Unterdruck im Ap-parat entstehen kann. Ein Regelventil im Rücklauf kann dementsprechend den Druck im Ap-parat aufrechterhalten. Weiterhin werden Möglichkeiten zur zusätzlichen Regelung des Be-triebsmittels gegeben. Diese können eingesetzt werden, wenn das Betriebsmittel eine be-stimmte Temperatur nicht überschreiten darf. Durch diese Schaltung kann die Menge des ein-gesetzten Betriebsmittels eingeschränkt werden, und so kann Betriebsmittel eingespart wer-den [43].

Eine weitere Möglichkeit, die Temperaturen in einem Wärmeübertrager zu regeln, besteht im Einsatz eines By-Passes (s. Abbildung 25-4). Er wird benutzt, um Ein- und Austritt beispiels-weise des Prozessmediums kontrolliert miteinander zu vermischen. Wenn zum Beispiel die Temperatur des Prozessmediums aus Sicherheitsgründen in engen Grenzen gehalten werden muss, können ein Wärmeübertrager zum Heizen und ein weiterer zum Kühlen vorgesehen werden, um die Temperatur zu regeln. Die Schaltung ist in Abbildung 25-5 dargestellt.

Die Regelung für Wärmeübertrager mit Phasenwechsel wird in Verdampfer und Kondensato-ren unterteilt. Hierbei findet eine weitere Unterteilung nach dem Einsatzbereich des Verdamp-fers statt. Wird die Verdampfung als Unit Operation ausgeführt, so ist auszuwählen, welche Größe als Messgröße auszuführen ist. Anschließend wird die Regelstrategie ausgewählt. Wird der Verdampfer als ein Kolonnenverdampfer ausgeführt, ist zu unterscheiden, ob der Ver-dampfer durch den Heizdampfstrom oder durch eine Messgröße der Kolonne geregelt wird. Diese Entscheidung ist von dem Verdampfungsverhältnis der Kolonne abhängig. Die Rege-lung kann weiter konkretisiert werden, ob das Regelventil im Heizdampf oder im Kondensat-strom, sowie ob und wie ein Kondensatsammelbehälter ausgeführt wird und wie dieser in die Regelung eingebunden werden kann [34].

Bei Kondensatoren wird unterschieden, ob Inerte vorhanden sind (Partialkondensator) oder ob keine Inerte vorhanden sind (Totalkondensator). Weiterhin ist die Auswahl der Regelung von der Art des Kondensators und vom verwendeten Kühlmedium abhängig. Weitere Entschei-dungen sind über die Position des Regelventils zu treffen, ob die Regelung durch eine Kaska-de erweitert werden soll, ob eine zusätzliche Inerteinspeisung zur Regelung notwendig ist oder ob das Kühlmedium so geregelt werden muss, dass es eine bestimmte Temperatur nicht überschreiten darf.


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TC TC

FC

TI

FI

FC

FI TI

TC

Modell

∆T

TCTC

TC

TC

FC

1 2

3

4

5 5

Abbildung 25: Ausführungsbeispiele für die Regelung der Wärmeübertrager

Zusatzeinrichtungen:

Unter der Rubrik Zusatzeinrichtungen werden weitere Elemente zusammengefasst, die für den Betrieb eines Wärmeübertragers notwendig sein könnten. Zur Verbesserung der Übersicht-lichkeit werden diese Zusätze in zwei Bereiche geteilt. Der erste Bereich wird mit „Zusatzein-richtungen I“ betitelt. In diesem Bereich werden Zusätze eingeordnet, die allgemein an einem Wärmeübertrager notwendig sein können. Zu diesen gehören u.a:

• die Isolierung des Apparates,

• die Möglichkeit den Apparat durch Chemikalien mittels "Cleaning in Place" zu reini-gen,

• die Notwenigkeit eines Sicherheitsventils in den Medien,

• die Auswahlmöglichkeit einer Aufbereitungsanlage für das Betriebsmedium

• sowie verschiedene Zusätze, die bei dem Einsatz von Heizdampf notwendig sind.

Unter den letzten Punkt fallen beispielsweise Kondensatableiter oder Kondensatsammelbehäl-ter sowie Schmutzfänger und Kondensatpumpe. Aufbereitungsanlagen für die Betriebsmittel werden als Package-Units erstellt. Diese Anlagen werden von Spezialfirmen hergestellt und unterliegen besonderen gesetzlichen Anforderungen.

Es gibt zusätzlich einen Bereich „Zusatzeinrichtung II“, der Zusatzmodule darstellt, die spe-ziell für Verdampfer bzw. Kondensatoren zum Einsatz kommen. In diesem Abschnitt werden


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die Entscheidungen über Art des Flüssigkeitsabscheiders bei Verdampfern, die Möglichkeit von Entlüftungsventilen im Heizdampfraum oder über eine Pumpe im Konzentrat getroffen. Die Konzentratpumpe kann zudem so ausgewählt werden, dass sie vor oder nach einem Kon-zentratkühler eingebaut wird. Diese Option steht allerdings nur dann zur Verfügung, wenn vorher auch ein Konzentratkühler ausgewählt wird.

Messstellen:

Die letzte Abfrage „Messstellen“ gibt dem Anwender die Möglichkeit verschiedene Messstel-len an den Wärmeübertrager und den Zu-/Ablaufströmen auszuwählen. Diese Messstellen dienen zur Überwachung der Funktion oder zur Detektierung möglicher Leckagen. Die einzu-bauenden Messtellen sollten so konzipiert werden, dass es möglich ist, den Apparat nachbi-lanzieren zu können. Zu den möglichen Messstellen gehören u.a.: Druck, Temperatur, Durch-fluss, Eigenschaft und Probenahmen im Verdampferbrüden, und Konzentrat.

In Abbildung 26 ist das PID Grundelement für einen Wärmeübertrager abgebildet. Ausgehend von diesem Grundelement, das den Apparat darstellt, werden die ausgewählten Module ange-fügt.

produkt- und betriebsmittelseitige Absperrarmaturen

PID Grundelement

produkt- und betriebsmittelseitige Entlüftungen/ Entleerungen

Abbildung 26: PID Grundelement für den Wärmeübertrager


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Regeln und Entscheidungsbäume für den wissensbasierten Entwurf von PID’s für Kolonnensystem Kolonnen sind thermische Trennapparate, in denen ein Stoffgemisch in seine Komponenten aufgetrennt wird. Dabei können in Kolonnen verschiedene Trennverfahren wie Rektifikation, Absorption und Desorption durchgeführt werden. An der Trennung sind eine flüssige und ein gasförmige Phase beteiligt. Durch die Dichtedifferenz der Phasen sind große Geschwindig-keitsdifferenzen zwischen den Phasen möglich, die den Stoffübergang begünstigen. Kolonnen werden im Gegenstromverfahren betrieben. Die schwerere flüssige Phase strömt von oben nach unten durch die Kolonne. Die leichtere gasförmige Phase durchströmt die Kolonne von unten nach oben. Die für den Stoffaustausch benötige Übergangsfläche wird in diesen Appa-raten durch verschiedene Arten von Einbauten erzeugt. Zu diesem Zweck werden Trennböden oder Packungen aus Füllkörpern oder aus strukturierten Packungen in die Kolonne eingebaut. Die Einbauten erzeugen neben der Übergangsfläche eine Phasenturbulenz und eine ausrei-chende Kontaktzeit für den Stoffübergang.

Für jedes Kolonnensystem muss die Auslegung nach den prozesstechnischen Anforderungen einzeln erfolgen. Durch den Einsatz der modularen Planung kann diese Prozedere verkürzt werden, indem schon im frühen Planungsstadium nach der Festlegung des Trennverfahrens eine Auswahl der verschiedenen erprobten Layouts von Kolonnensystemen zur Verfügung gestellt wird. Auf Basis dieser vorüberlegten Systemlösungen kann dann die weitere Planung aufgebaut werden. Die Grundidee einer modularen Planung besteht darin, die gesamte Lösung für ein Kolonnensystem in Form von Templates zu vereinheitlichen und als Musterlösung vorgefertigt auszuliefern, so dass der Engineering-Aufwand und die Know-how-Anforderungen bei der nächsten Planungsarbeit deutlich reduziert werden.

Da der Einsatz von Kolonnen in der Verfahrenstechnik weit verbreitet ist, wurden in dieser Arbeit verschiedene Kolonnensysteme nach ihrer prozesstechnischen Funktion voneinander unterschieden. Im Folgenden werden die wesentlichen Designkriterien für Kolonnensysteme dargestellt. Die Übersicht der Entscheidungen ist in Abbildung 27 in vereinfachter Form ver-anschaulicht.


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Abbildung 27: Wesentliche Designkriterien für Kolonnensysteme

Entscheidungsbaum:

Der Bereich Entscheidungsbaum fragt die Hauptmerkmale der Kolonne ab. Aus diesen Ent-scheidungen können die Möglichkeiten der Haupt- und der Zusatzeinrichtungen abgeleitet werden. Aus verschiedenen Kombinationen wird das gesamte PID Modul für das gesamte Kolonnensystem erstellt.

Betriebsweise der Kolonne:

Als grundsätzliche Unterscheidung der Kolonnen wird die Betriebsweise der Kolonne ange-nommen. Hier ist zu klären, ob es sich um eine batch oder kontinuierlich arbeitende Kolonne handelt. Bei der kontinuierlichen Betriebsweise erfolgen ein ständiger Feed an zu trennendem Gemisch und eine ständige Entnahme des Kopf- bzw. Sumpfproduktes. Die Zusammenset-zungen an Kopf, Sumpf und auf den Böden bleiben dabei gleich. Die Kolonne befindet sich in einem stationären Zustand.

Bei der diskontinuierlichen (batch) Betriebsweise wird eine bestimmte Menge an Gemisch vorgelegt und die Rektifikationskolonne angefahren, bis sich auf allen Böden ein Gleichge-wicht eingestellt hat. Anschließend wird das gewünschte Kopf- oder Sumpfprodukt entnom-men. Es ist somit ein Behälter für die Vorlage des Feedgemisches erforderlich.


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Die kontinuierliche Betriebsweise einer Kolonne liefert eine bessere Auslastung der Kolonne und der Energiebedarf ist im Vergleich zur Batch-Rektifikation geringer [19]. Zudem liefert ein kontinuierlicher Betrieb eine gleichbleibende Produktqualität. Nachteilig bei kontinuierli-chen Kolonnen ist der Umstand, dass bei der Auftrennung eines Mehrstoffgemisches, die An-zahl der benötigten Kolonnen mit Anzahl der Komponenten zunimmt. So werden für die Trennung eines Vierkomponentengemisches drei Kolonnen benötigt. Durch einen Seitenab-zug kann allerdings ein Mittelsieder aus der Kolonne abgezogen und eine Trennkolonne ge-spart werden. Als kontinuierliche Kolonnen werden in diesem Fall Rektifikations- und Sorp-tionskolonnen dargestellt.

Prozessvarianten:

Die Auswahl der Prozessvarianten ist abhängig von der Auswahl der Prozessfahrweise. Mit der Auswahl von Prozessvarianten wird der Entscheidungsbaum geteilt, damit eine zweckent-sprechende Lösung für das Kolonnensystem abgebildet werden kann. Wird die Batch-Rektifikation gewählt, so wird an dieser Stelle die Wahl zwischen drei verschiedenen Verfah-rensvarianten der Batch-Rektifikation angeboten.

• Standard Batch-Rektifikation

• Inverse Batch-Rektifikation

• Mittelbehälter Batch-Rektifikation

In der Praxis wird vorwiegend die Standard Batch-Rektifikation (Abbildung 28-1) eingesetzt [19].

In der Inversen Batch-Rektifikation (Abbildung 28-2) wird der Rücklaufbehälter durch den Vorlagebehälter ersetzt. Diese Variante funktioniert genauso wie der Standard Batch-Rektifikation mit einer Verschiedenheit, dass die Schwersieder am Sumpf zuerst abgezogen werden. Dieser Typ kann bei thermisch instabilen Produkten eingesetzt werden, da der Ver-dampfer im Gegensatz zur Standard Batch-Rektifikation einen geringen Flüssigkeitsholdup besitzt [7][49].

Die Mittelbehälter Batch-Rektifikation (Abbildung 28-3) ist der kontinuierlichen Rektifikati-on sehr ähnlich. Der Inhalt des Feedbodens wird in den Vorlagebehälter geleitet, so dass die Zusammensetzung im Vorlagebehälter und dem Feedboden etwa gleich sind. Es findet ein gleichzeitiger Abzug von Produkten an Kopf und Sumpf statt. Dieser Typ kann einfach in eines der anderen Verfahren durch Änderung des Feedbodens und durch entsprechendes Schließen von Kopf- oder Sumpfproduktleitung überführt werden [49]. Eine Heizeinrichtung im Mittelbehälter ist nicht zwangsläufig auszuführen [7].


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1- Standard Batch-Rektifikation 2- Inverse Batch-Rektifikation 3- Mittelbehälter Batch-Rektifikation

Abbildung 28: Bauvarianten der Batch-Rektifikation

Die Auswahl einer kontinuierlichen Kolonne liefert ebenfalls verschiedene Prozessvarianten zu denen eine Kolonne eingesetzt werden kann. In diesem Fall werden folgende Möglichkei-ten zur Auswahl angeboten:

• Rektifikation

• Trennwandkolonne

• Reaktivrektifikation

• Azeotroptrennung

• Extraktivrektifikation

• Absorption

• Desorption

Rektifikationskolonne: Die Rektifikationskolonne (s. Abbildung 29-1) trennt ein Zwei- oder Mehrkomponentengemisch thermisch durch mehrfache Verdampfung und Kondensation in seine Reinstoffe. Je nach Trennwand kommen verschiedene Typen von Rektifikationskolon-nen zum Einsatz, die deutlich unterschiedliche Kostenstrukturen aufweisen. So bedeutet bei-spielsweise eine Azeotroptrennung in der Regel einen wesentlich höheren technischen und damit finanziellen Aufwand als die Trennung eines Zweikomponentengemisches ohne Aze-otrop. Die Spezialfälle der Rektifikation sind daher gesondert aufgeschlüsselt.

Trennwandkolonne: Die Trennwandkolonne ist eine apparative Abwandlung der einfachen Rektifikationskolonne. Der Kolonneninnenraum ist durch eine Trennwand getrennt und es werden dementsprechend zwei Kolonnen in einem Mantel erzeugt. Im ersten Teil der Kolon-ne werden zwei Komponenten (Leicht- (A) und Schwersieder (C)) abgetrennt (s. Abbildung 29-2). In dem zweiten Kolonnenteil wird der Mittelsieder (C) als reine Komponente abgezo-gen. Die Vorteile dieser Kolonnen liegen in den geringeren Investitions- und Energiekosten (ca. 30% geringere Kosten als eine Zweikolonnenschaltung zur Trennung eines Dreikompo-nentengemisches [30]). Zudem benötigen sie weniger Stellfläche. Nachteile bei den Trenn-wandkolonnen sind der eingeschränkte Druckbereich und die Temperaturspreizung zwischen


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Verdampfer und Kondensator. Wird diese Differenz zu hoch, so ist der energetische Vorteil der Trennwandkolonne nicht mehr gegeben. Weiterhin existieren bei einer Trennwandkolon-ne neue Parameter und Freiheitsgerade, die zusätzliche Anforderungen an die Auslegung und den Betrieb stellen [33].

Reaktivrektifikation: Die Reaktivrektifikation ist ein Sonderverfahren, bei dem die Kolonne mit einem kontinuierlichen Reaktor kombiniert wird. Die Reaktion und die Trennung der Komponenten erfolgt in einem Apparat. Zum Beschleunigen der Reaktion wird ein Katalysa-tor zugegeben. Dieser Katalysator kann flüssig sein und wird meistens getrennt von den Reak-tanden in die Kolonne zugegeben. Der Katalysator kann aus dem Sumpfprodukt recycelt und dem Prozess wieder zugeführt werden. Als zweite Alternative kann in der Kolonne ein festes Katalysatorbett ausgeführt werden. Durch die Abtrennung der Produkte kann das Gleichge-wicht einer Reaktion auf Seiten der Produkte verschoben werden. So läuft die Reaktion schneller und die Umsätze sind höher. Da kein Reaktor benötigt wird, fallen die Investitions-kosten geringer aus. Der Betrieb und die Auslegung der Kolonne wird komplexer, da neben einer Trennung auch die Reaktion kontrolliert werden muss[44].

Abbildung 29: Schematische Darstellung: Rektifikationskolonne, Trennwandkolonne, Reaktivrektifikation

Azeotroptrennung: Die rektifizierende Azeotroptrennung ist ein komplexer Prozess, für den meist mehrere Kolonnen benötigt werden. Gemische, die ein Azeotrop bilden, können nicht ohne weiteres in ihre Reinstoffe zerlegt werden. Am azeotropen Punkt wird ein Gemisch ge-bildet, welches sich wie ein Reinstoff verhält und im Dampf und in der Flüssigkeit eine iden-tische Zusammensetzung hat. Mit einer einfachen Rektifikation kann nur bis zum Azeotrop getrennt werden. Im günstigsten Fall sind Azeotrope druckabhängig und können durch eine Änderung des Kolonnendruckes gebrochen werden. Die Druckabhängigkeit eines Azeotrops wird auch bei der Druckwechselrektifikation ausgenutzt. Weiterhin können Azeotrope durch die Zugabe eines Schleppmittels oder durch die Anwendung eines zusätzlichen Trennverfah-rens gebrochen werden. Die konkreten Auswahlkriterien des entsprechenden Verfahrens zur Azeotroptrennung werden im Folgenden bei den ausführlicheren Fragen zu den Prozessvari-anten betrachtet. Diese Verfahren benötigen zusätzliche Apparate und ggf. auch zusätzliche Chemikalien. Zudem müssen mit höheren Investitions- und Betriebskosten, sowie einem hö-heren Platzbedarf gerechnet werden [19][46].


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Extraktivrektifikation: Bei der Extraktivrektifikation wird einem Gemisch, das ein Azeotrop ausbildet oder einen geringen Unterschied der relativen Flüchtigkeit aufweist, in der Regel am Kopf der ersten Kolonne ein Schleppmittel zugegeben. Diese schwer siedende Komponente beeinflusst das Trennverhalten des zu trennenden Gemisches. In der zweiten Kolonne wird das Schleppmittel dann wieder abgetrennt und zurückgeführt. Das Prinzip der Extraktivrekti-fikation zeigt die Abbildung 30-1 [19].

Abbildung 30: Schematische Darstellung: Extraktivrektifikation, Absorber-/ Desorberschaltung

Absorber und Desorber: Absorber werden zur Lösung gasförmiger Stoffe in einer Flüssigkeit verwendet. Die Absorption dient zur Gasreinigung (z.B. Sauergaswäsche), zur Herstellung verschiedener flüssiger Produkte (z.B. Salzsäure) und zur Kühlung von Gasströmen. In die-sem Prozess werden Komponenten des Gasstroms (Absorptiv) in einer Waschflüssigkeit (Ab-sorbens) aufgenommen. Dieser beladene Waschmittelstrom wird meistens in einem Desorber wieder aufgereinigt und die zuvor aufgenommen Komponenten werden aus dem Waschmittel entfernt, so dass das Waschmittel wieder in den Absorber geleitet werden kann (s. Abbildung 30-2). Die Desorption kann mit Hilfe von verschiedenen Verfahren durchgeführt werden, die im Folgenden beschrieben werden [19][65].

Ausführlichere Fragen zu den entsprechenden Prozessvarianten: An dieser Stelle sind die verschiedenen Prozesse weiter zu charakterisieren.

Fragen zu Prozessvarianten der Reaktivrektifikation: Bei der Reaktivrektifikation wird zu-nächst festgelegt, wie der Katalysator auszuführen ist. Hier wird die Auswahl zwischen einem flüssigen Katalysator und einem festen Katalysatorbett in der Kolonne angeboten. Der flüssi-ge Katalysator ist in der Regel ein Schwersieder, so dass er im Sumpf abgezogen und vom Sumpfprodukt gereinigt werden kann. Dem Katalysatorrecycle wird ein Make-Up Strom zu-geführt um Katalysatorverluste auszugleichen. Der Recycelstrom wird wieder in die Kolonne geleitet [19]. Eine feste Katalysatorschüttung dagegen wird in die Kolonne integriert. Hier ist der Nachteil, dass der Katalysator nach einer gewissen Standzeit erneuert werden muss. Die Kolonne muss dementsprechend ausgeführt werden, um einen problemlosen Wechsel des Katalysators sicherzustellen (z.B. Mannlöcher). Die Wahl des Katalysators ist von dem ver-wendeten Reaktionssystem abhängig. Daher kann in diesem Fall keine weitere Erläuterung zur Katalysatorauswahl gegeben werden. Nach der Wahl des Katalysators ist die Zugabe des Feeds festzulegen. In diesem Fall wird zwischen gemeinsamer und getrennter Zugabe der


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Reaktanden unterschieden. Bei getrennter Zugabe der Reaktanden wird angenommen, dass ein Strom flüssig und der andere gasförmig ist. Bei der gemeinsamen Zugabe der Reaktanden wird im weiteren Verlauf geklärt, in welchem Aggregatszustand dieser Strom zugegeben wird. Die Auswahl der gemeinsamen oder getrennten Zugabe hat Einfluss auf die Ausführung der Regelung für diese Ströme.

Fragen zur Auswahl des Azeotroptrennverfahrens: An dieser Stelle kann aus den folgenden Arten der Azeotoptrennung ausgewählt werden.

• Heteroazeotroptrennung: Heteroazeotrope treten in der Mischungslücke eines Mehr-komponentensystems auf. Diese Systeme können durch eine Zweikolonnenschaltung in Kombination mit einem Dekanter aufgetrennt werden (s. Abbildung 31-1). Die Reinstoffe werden jeweils am Sumpf der Kolonne abgezogen. Die Kopfströme der Kolonnen haben nahezu azeotrope Zusammensetzung. Im Dekanter findet eine füssig-flüssig-Phasentrennung statt [19].

• Druckwechselrektifikation: Als zweites Verfahren steht die Druckwechselrektifikation zur Auswahl. Diese kann eingesetzt werden, wenn das Azeotrop vom Druck abhängig ist und nicht durch Druckänderung überwunden werden kann. Auch für dieses Verfah-ren werden zwei Kolonnen benötigt. Zwischen diesen Kolonnen wird eine Pumpe ge-schaltet (s. Abbildung 31-2). Bei dem Verfahren wird in der ersten Kolonne die Lö-sung bis nahe an das Azeotrop aufgetrennt, anschließend wird der entsprechende Druck durch die Pumpe aufgebaut. In der zweiten Kolonne wird am Kopf ebenfalls ein fast azeotropes Gemisch abgezogen. Dieses Gemisch wird wieder entspannt und in die erste Kolonne zurückgeführt [19]. Die Reinstoffe werden jeweils am Kolonnen-sumpf abgezogen.

• Hybridverfahren (Rektifikation mit Pervaporation): Als dritte Alternative kann ein Hybridverfahren (s. Abbildung 31-3) gewählt werden. Bei Hybridverfahren wird die Rektifikation mit einem zweiten Trennverfahren gekoppelt. In diesem Fall wird die Kombination von Rektifikation und Pervaporation gewählt, da dies ein vielverspre-chender Prozess zur Azeotroptrennung ist. Bei diesem Prozess wird das Stoffgemisch in der Rektifikationskolonne in einen Reinstoff und das Azeotrop getrennt. Hinter der Membran wird ein Vakuum angelegt, so dass die Zielkomponente durch die Membran verdampfen kann. Die Membran ist selektiv für eine der Komponenten durchlässig. Entscheidend für die Effektivität des Prozesses ist die Verfügbarkeit von geeigneten Membranen. Diese müssen eine hohe Selektivität und eine hohe Kapazität haben, um die Trennung wirtschaftlich durchführen zu können [65].


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1- Heteroazeotroptrennung

Feed

Produkt 1 Produkt 2

2- Druckwechselrektifikation 3- Rektifikation mit Pervaporation

Produkt 1 Produkt 2

Feedp1 p2p1<p2

Sumpf

Produkt Vakuum

Abbildung 31: Schematische Darstellung Heteroazeotroptrennung, Druckwechselrektifikation, Hybridverfahren

Fragen zu Prozessvarianten der Desorption: Die Desorption kann durch verschiedene Ver-fahren durchgeführt werden:

• Auskochen des Waschmittels: Das Prinzip des Auskochens ist der Rektifikation ähn-lich. In diesem Fall wird allerdings auf eine Kondensation des Brüdens verzichtet.

• Strippung mit einem Strippgas: Durch eine Strippung wird das Waschmittel durch ein Strippgas gereinigt. Das Strippgas wird vom Waschmittel aufgenommen und ver-drängt die vorher absorbierten Stoffe aus dem Waschmittel, die in die Gasphase über-gehen und am Desorberkopf abgetrennt werden.

• Druckerniedrigung in der Desorberkolonne: Durch die Absenkung des Kolonnendru-ckes wird die Löslichkeit der absorbierten Komponenten im Waschmittel gesenkt. Die so desorbierten Stoffe werden am Desorberkopf gasförmig abgezogen.

Diese Unterscheidung zwischen den Prozessvarianten der Desorption ist zu treffen, da diese Prozesse einer unterschiedlichen Regelung bedürfen [63]. Zudem ist diese Entscheidung auch eine Kostenfrage. Für eine Drucksenkung wird statt Verdampfer und Strippgas Vakuume-quipment benötigt. Die Verfahren können auch kombiniert werden. Hierzu ist zuerst das Hauptverfahren zu bestimmen und in den folgenden Entscheidungen kann eine Auskochung durch die Wahl des Kolonnendruckes mit einer Drucksenkung kombiniert werden.

Art des Kolonnenfeeds: Die Frage zur Art des Kolonnenfeeds wird nur gestellt, wenn es vorher nicht durch die Wahl der Prozessvariante und der entsprechenden Kolonnenposition festgelegt wird. Die Festlegung des Kolonnenfeeds wird daher nur bei vorheriger Auswahl der Rektifikationskolonne, der Trennwandkolonne, der Reaktivrektifikation (wenn eine ge-meinsame Feedzugabe ausgewählt wird) und bei der Auswahl der ersten Kolonnen einer Mehrkolonnenschaltung gestellt. Bei anderen vorher getätigten Entscheidungen wird diese Frage übersprungen. In diesem Fall stehen ein flüssiges und ein gasförmiges Feed zur Aus-wahl. Die Frage nach der Art des Kolonnenfeeds bestimmt in erster Linie, wie das Feed transportiert werden soll (Pumpe oder Kompressor). Durch die Wahl des Feeds wird auch der Zulauf an der Kolonne festgelegt. Ein gasförmiges Feed wird am Kolonnensumpf eingeleitet und für das flüssige Feed wird eine exemplarische Stelle an der Kolonnenmitte angenommen. Eine Auswahl des entsprechenden Feedbodens kann nicht durchgeführt werden, da diese Auswahl vom Stoffsystem abhängig ist und hier keine Berücksichtigung findet.

Kolonnendruck: Der Kolonnendruck wird wie bei allen vorhergehenden Entscheidungen abgefragt. Die Wahl des Kolonnendruckes ist wichtig für die Manteldicke der Kolonne und


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für das zugehörige Equipment. So benötigen Vakuumkolonnen Apparate zum Erzeugen des Vakuums und bei Überdruckkolonnen muss das Feed vorher auf Betriebsdruck gebracht wer-den. Durch das Anlegen eines Unterdruckes kann die thermische Belastung eines Produktes verringert werden, da die benötigte Verdampfungstemperatur im Kolonnensumpf gesenkt wird. Wird eine Vakuumkolonne ausgeführt, so ist die Kolonne zwangsmäßig so zu kon-struieren, dass sie äußerem Überdruck widerstehen kann. Allerdings sollten Kolonnen im All-gemeinen konstruktiv gegen Unterdruck abgesichert werden, da es beim Anfahren oder Ab-fahren zur Ausbildung eines Unterdruckes kommen kann [8]. Die Entscheidung Vakuumko-lonne oder Normaldruckkolonne ist wieder eine Kostenentscheidung, je nachdem welches Verfahren, bezogen auf die Gesamtkosten, günstiger auszuführen ist. Die Ausführung einer Überdruckkolonne ist nötig, wenn die zu trennenden Stoffe bei Normaldruck nicht flüssig vorliegen. In diesem Fall muss der Feed verdichtet werden (teuer) und der Kolonnenmantel muss entsprechend dick ausgeführt werden. Weiterhin kann die Wahl einer Überdruckkolon-ne ein Mittel sein, um Azeotrope zu umgehen. [19][65]

Energieintegration der Kolonne: Die Verwendung von verdichtetem Brüden wird nur bei Prozessvarianten angeboten, die nur eine Kolonne benötigen. Bei der Batchrektifikation wird diese Frage ebenfalls übergangen.

Der Kolonnenbrüden kann verdichtet und so auf ein Temperaturniveau gehoben werden, mit dem der Kolonnenverdampfer betrieben werden kann. Die von außen zuzuführende Verdamp-fungsenergie wird dadurch reduziert und der Prozess wird energetisch effektiver. Dieses Ver-fahren ist für Prozesse geeignet, die nur eine geringe Temperaturdifferenz zwischen Kopf und Sumpf besitzen. In diesen Fällen ist die benötigte Energie zur Brüdenverdichtung gering. Je stärker verdichtet werden muss, desto mehr Energie muss in die Verdichtung gesteckt werden. In diesem Fall geht der energetische Vorteil der Brüdenverdichtung verloren. Durch diese Schaltung ergeben sich daher komplexere Regelreise für die Kolonnenregelung.

Bei Mehrkolonnenschaltungen wird von dem Einsatz der Brüdenverdichtung abgesehen, da diese einen erheblichen Eingriff in die Kolonnenfunktion darstellt und bei einer Fehlfunktion die gesamte Anlage zum Erliegen bringen kann [34]. Wird die Brüdenverdichtung ausge-wählt, kommt als nächstes die Entscheidungsmöglichkeit, wie die Brüdenverdichtung ausge-führt werden soll. An dieser Stelle wird unterschieden, ob es sich um eine mechanische oder um eine thermische Brüdenverdichtung handelt. Die mechanische Brüdenverdichtung wird über einen oder mehreren Kompressoren durchgeführt. Bei der thermischen Verdichtung wird der Brüden mit Hilfe von Hochdruckdampf über Steam-Jets verdichtet, die keine beweglichen Teile haben und geringere Investitionskosten hervorrufen. Diese Art der Verdichtung benötigt keine elektrische Energie und keine Betriebs- und Investitionskosten für den Kompressor. Steam-Jets besitzen keine beweglichen Teile und verursachen geringere Investitionskosten. Die Kosten, die in diesem Fall entstehen sind nur die Kosten für den benötigten Dampf für die Verdichtung. Eine Kolonne ohne Brüdenverdichtung wird mit Heizdampf der entsprechenden Druckstufe beheizt.

Seitenabzug der Kolonne: Ein Seitenabzug an einer Kolonne wird eingesetzt, wenn zwi-schen Kopf und Sumpfprodukt noch zusätzliche Produkte aus einem Mehrkomponentenge-misch abgezogen werden. Der Seitenabzug ist dann an einer Stelle an der Kolonne realisiert, an der die Konzentration der Zielkomponente am höchsten ist. Ein Seitenabzug im Ab-triebsteil der Kolonne sollte dabei flüssig ausgeführt werden, um den Anteil an Leichtsiedern im Abzug zu verringern. Wird der Seitenabzug dagegen im Verstärkungsteil ausgeführt, ist er gasförmig auszuführen. So wird der Anteil an Schwersiedern im Seitenabzug verringert. Durch den Einsatz eines Seitenabzugs wird die Regelung der Kolonne um zusätzliche Variab-len erweitert [34].


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Wärmeaustauscher: Nachdem die Hauptcharakteristika des Kolonnensystems über den Be-reich des Entscheidungsbaumes festgelegt worden sind, werden im Bereich "Wärmeaustau-scher" die weiteren Wärmeübertrager, die an dem Kolonnensystem beteiligt sind, festgelegt. Es können Wärmeübertrager ausgewählt werden, die in Kolonnennähe ausgeführt werden können. Zu diesem Bereich gehören:

• Ausführung des Kondensators (interner/externer Kondensator) • Position des Kondensators (am Kolonnenkopf/ nicht am Kolonnenkopf) • Zusätzlicher Kondensator? • Schaltung des zweiten Kondensators (Reihen- oder Parallelschaltung)? • Vorwärmer? • Verdampfertyp? • Destillat-, Sumpfprodukt- und Gaskühler? • Zwischenverdampfer, Zwischenkühler? • Wärmeübertrager zwischen heißen Produktströmen und kalten Feedströmen?

Regelung: Nachdem die zusätzlichen Wärmeübertrager ausgewählt worden sind, wird die Regelung der Kolonne festgelegt. Unter dem Punkt „Regelung“ werden verschiedene Basis-regelungen für Kolonnen angeboten. Das Ziel der Kolonnenregelung ist die Stofftrennung im geforderten Maße zu gewährleisten. Zu diesem Zweck stehen wie folgt verschiedene Mess-größen zur Verfügung [60][63][65]:

• Füllstand im Kondensatsammelbehälter • Füllstand im Kolonnensumpf • Temperatur im Verstärkungsteil der Kolonne • Temperatur im Abtriebsteil der Kolonne • Mengenstrom des Heizdampfes • Mengenstrom des Kopfproduktes • Mengenstrom des Rücklaufes • Mengenstrom des Sumpfproduktes • Mengenstrom des Feeds • Inertmengenstrom nach dem Kondensator • Kolonnenkopfdruck • Zusammensetzung des Kopfproduktes • Zusammensetzung des Sumpfproduktes • Verhältnis von Rücklauf und Destillat

Als Regelgrößen können folgende Möglichkeiten in Frage kommen. • Mengenstrom des Kopfproduktes • Mengenstrom des Sumpfproduktes • Mengenstrom des Rücklaufes • Mengenstrom des Heizdampfes • Inertmengenstrom nach dem Kondensator

Bei der Kolonnenregelung sind weiterhin folgende Heuristiken zu beachten [60].

• Einhaltung der Massenbilanz: nicht beide ausgehenden Ströme fest einstellen • Standregelung durch den größeren Strom • Temperatur/Zusammensetzungsregelung mit dem kleineren Strom


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• Entkoppelte Regelkreise

Die Kopf- und Sumpfregelung der Kolonnen werden anhand des molaren Rücklaufverhältnis-ses RL (Verhältnis von Rücklauf L zu abgezogenen Destillat D) und dem Verdampfungsver-hältnis im Sumpf RG (Verhältnis von verdampftem Sumpfprodukt G zu abgezogenen Sumpf-produkt B) ausgewählt.

Bei einem großen Rücklaufverhältnis wird der Rücklauf als mengenmäßig größerer Strom durch den Kondensatorfüllstand bestimmt. Die Zusammensetzung kann durch den Destillat-Durchfluss, die Kolonnentemperatur oder das Rücklaufverhältnis eingestellt werden. Bei ei-nem kleinen Rücklaufverhältnis wird die Regelung entsprechend anders ausgeführt.

Weiterhin ist die Kontrolle von Sumpf- und Kopfprodukt vom Temperaturprofil der Kolonne abhängig. Daher werden auch hier verschiedene Möglichkeiten gegeben, welche Messgröße für die Regelung benutzt werden kann. Aus der Kombination von RG, RL und verschiedenen Temperaturprofilen können fünfzehn verschiedene Basisregelungen ausgeführt werden [60]. Da die Temperatur nicht immer eine zuverlässige Messgröße ist, werden alternative Messgrö-ßen angeboten. Durch das Hinzufügen einer Verhältnisregelung des Rücklaufes und der Mes-sung der Destillatzusammensetzung wird die mögliche Anzahl an Kombinationen noch weiter erhöht.

Die Druckregelung der Kolonne wird ebenfalls unter diesem Punkt abgefragt. Die Druckrege-lung unterscheidet hauptsächlich, ob Inerte im Gasstrom vorhanden sind oder nicht und es werden die entsprechenden Vorschläge [63] zur Kontrolle des Kolonnendrucks gegeben. Durch die vorherige Wahl des Kondensators werden verschiedene Druckregelungen möglich. Wurde vorher die Auswahl „Trennwandkolonne“ oder Seitenabzug getroffen, so wird in dem Abschnitt der Regelung auch die Regelung des Seitenabzuges festgelegt.

In diesem Teil wird auch die Regelung der Flüssigkeitsverteilung in der Trennwandkolonne auf die verschiedenen Kolonnenteile festgelegt. Die Regelung des Feedzulaufs kann in diesem Teil ebenfalls ausgewählt werden und auch die Zudosierung eines Make-Up-Stroms für um-laufende Betriebsmittel (Entrainer, Waschmittel) kann bestimmt werden.

Die Steuerung der Batch-Kolonne wird nach zwei Varianten festgelegt. Zum einen kann die Kolonne bei einer gleichbleibenden Destillatzusammensetzung oder mit einem festen Rück-lauf betrieben werden. Die Variante des konstanten Rücklaufverhältnisses ändert mit der Zeit die Zusammensetzung im Destillat und Sumpf. Auf diese Weise können die verschiedenen Fraktionen aus dem Gemisch abgetrennt werden. Die andere Variante hält die Destillatzu-sammensetzung konstant und der Rücklauf wird angepasst [65]. Die Batch-Rekifikation mit konstanter Destillatzusammensetzung ist energetisch günstiger, dagegen ist die Ausführung mit konstantem Rücklauf einfacher zu betreiben [19].

Der Rücklauf kann für verschiedene Fraktionen über den Verlauf der Rektifikation angepasst werden. Es kann auch ausgewählt werden, wie die Verteilung der Fraktionen durchgeführt werden soll. Hierbei kann zwischen manueller, temperaturabhängiger oder zusammenset-zungsabhängiger Fraktionierung ausgewählt werden.

Nachdem die Regelung der Kolonne festgelegt ist, werden die Einbauten der Kolonne weiter konkretisiert.

Einbauten: Die Auswahl der Einbauten der Kolonne beschreibt die Auswahl zwischen Bo-den- und Packungskolonne.


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Der Einsatz einer Bodenkolonne ist dann von Vorteil, wenn große Durchsätze und somit gro-ße Kolonnendurchmesser realisiert werden müssen (realisierte Durchmesser: bis zu d=10m für Ventilböden [58]), wenn Flexibilität bei Durchsatzschwankungen gefordert wird oder wenn der Druckverlust in der Kolonne nicht minimiert werden muss. Weiterhin sind Böden weniger anfällig gegen Verschmutzungen. [58].

Packungskolonnen erlauben eine geringere Bauhöhe der Kolonne, da bei ordnungsgemäßem Betrieb mit einer geringeren Höhe eine identische Anzahl an Trennstufen wie bei Bodenko-lonnen ausgeführt werden kann. Die Druckverluste in Packungskolonnen sind ebenfalls ge-ringer. Sie eignen sich besonders für die Ausführung von Vakuumkolonnen. Die Packungen werden nochmals in ungeordnete Schüttungen und strukturierte Packungen unterschieden. Die strukturierten Packungen besitzen einen sehr geringen Druckverlust und eine hohe Trennleis-tung. Nachteilig bei Packungen ist der Umstand, dass zusätzliche Kolonneneinbauten nötig werden. Die Packung kann nur bis zu einer bestimmten Höhe ausgeführt werden (15-20 Trennstufen), bevor eine Neuverteilung der Flüssigkeit notwendig wird. Geschieht dies nicht, kommt es zur Maldistribution der Flüssigkeit in der Packung und die Trennleistung der Ko-lonne sinkt. An diesen Stellen ist es deswegen notwendig, Flüssigkeitsverteiler und Flüssig-keitssammler einzusetzen. Diese sind auch am Rücklauf der Kolonne und am Feed der Ko-lonne auszuführen. Ein weiterer Nachteil bei Packungen ist das Problem, dass sie in der An-wesenheit von Partikeln leicht verstopfen können und sich Ablagerungen auf der Packung bilden. Der Durchmesser ist bei Packungskolonnen eher beschränkt als bei Bodenkolonnen, da sichergestellt sein muss, dass die Flüssigkeit über den gesamten Kolonnenquerschnitt ver-teilt ist. Dies kann eine gelegentliche Neuverteilungen des Flüssigkeitstromes erforderlich machen und den Höhenvorteil der Packungskolonne kompensieren. Packungskolonnen wur-den bisher mit einem Durchmesser von bis zu d=7m realisiert [45].

Unter dem Bereich „Einbauten“ werden weitere Fragen nach den Kolonneneinbauten gestellt. Hier wird festgelegt, welcher Typ von Boden oder Packung zu verwenden ist. Weiterhin kön-nen an dieser Stelle des Entscheidungsbaumes zusätzlich notwendige Einbauten wie z.B. Gasverteiler oder die Ausführung von Flüssigkeitsverteilern ausgewählt werden.

Hilfsleitungen zum An-/ und Abfahren: Diese Auswahl stellt verschiedene Zusätze dar, die einen reibungslosen Betrieb der Kolonne unterstützen und bei An- und Abfahrvorgängen der Kolonne benötigt werden.

So werden in diesem Bereich z.B. verschiedene Anschlüsse für Gasströme vorgeschlagen. Diese dienen dazu die Kolonne zu trocknen, die entsprechende Kolonnenatmosphäre einzu-stellen und so das Einfüllen des Feeds zu unterstützen, die Kolonne zu erhitzen/abzukühlen sowie eine toxische Atmosphäre aus der Kolonne zu entfernen. Zu diesen Anschlüssen zählen u.a. trockenes Inertgas, (heiße) Luft, Dampf, verdampftes Feed oder verdampftes Produkt [34].

Weitere Leitungen, die angeboten werden, sind ein Bypass des Kolonnenfeeds, so dass die Kolonne aus dem System genommen werden kann. Eine Flüssigkeitsumlaufleitung kann beim Anfahren der Kolonne helfen, indem durch die zirkulierende Flüssigkeit die Kolonne aufge-heizt/abgekühlt wird. Diese Leitung pumpt Lösung aus dem Kolonnensumpf in den Kopf. Der Umlauf kann auch zum Trocknen der Kolonne dienen indem ein hygroskopisches Lösungs-mittel zirkuliert wird [8].

Eine weitere Möglichkeit besteht in der Rückführung von Sumpf oder Kopfprodukt in das Feed. Hiermit kann die Ausschussmenge bei Kolonnen vermindert werden, während sie in


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den stationären Zustand gebracht werden. Dieser Recyclestrom kann ebenfalls dazu dienen, fehlerhaftes Produkt erneut in die Kolonne zu leiten.

Es kann auch eine Zugabe von Feed in den Kolonnensumpf möglich werden. Diese Zugabe von Leichtsiedern verhindert ein zu hohes Ansteigen der Sumpftemperatur. Wird die Kolonne nur durch den Verdampfer aufgeheizt, verringert diese Leitung die Aufheizzeit. Durch die Zugabe des Feeds in den Sumpf kommt es nicht zur Kondensation des aufsteigenden Damp-fes durch das kalte Feed, da das Feed direkt in den Sumpf gegeben wird. Wird ein Thermosi-phonverdampfer eingesetzt, kann es nötig sein den Sumpfablauf und den Verdampferzulauf zu verbinden. Kommt es zu einem zu starken Durchlauf durch den Verdampfer kann diese Leitung die Füllhöhen in Sumpf und Verdampfer wieder angleichen. So wird der hydrodyna-mische Druck, der zu einem zu starken Verdampferumlauf geführt hat, gesenkt [34].

Zusatzeinrichtungen: Unter dem Bereich „Zusatzeinrichtungen“ werden Elemente wie wei-tere Pumpen oder Kompressoren sowie Sicherheitsventile gegen Überdruck und die Ausfüh-rung des Rücklaufbehälters abgefragt. Es findet aber, wie bei den Wärmeübertragern auch, keine detaillierte sicherheitstechnische Auslegung des Apparates statt. Vorschläge, wo und welche Überdruckdruckventile ausgeführt werden und wohin diese Sicherheitsventile den Überdruck abbauen sollen (e.g. an die Atmosphäre oder an ein Fackelsystem), werden zwar gemacht, diese sollen aber nur der Orientierung für eine weitere sicherheitstechnische Ausle-gung dienen. Die Redundanz sicherheitsrelevanter Regelgrößen oder Messstellen wird in die-sen Modulen nicht betrachtet.

Durch die Möglichkeit Filter in den Feedstrom, die Umlaufleitung, oder in Recycelströmen (e.g. unbeladenes Waschmittel) einzubauen, soll die Gefahr des Verstopfens der Kolonne durch Partikel verringert werden.

Mannlöcher können zur Kontrolle des Kolonneninneren ausgeführt werden. Bei der 2D-modularen Planung kann nur gekennzeichnet werden, dass Mannlöcher an der Kolonne exis-tieren. Die Anzahl und Verteilung der Mannlöcher muss in der 3D-Planung detaillierter dar-gestellt werden. Die Positionen der Mannlöcher hängt von der Verteilung der Böden bzw. der Packungssektionen ab. Allgemein kann angenommen werden, dass vor jeder Packungssektion bzw. bei jedem zehnten Boden ein Mannloch für die Kommission der Kolonne und Reparatu-ren der Böden oder Packungen auszuführen ist.

Messstellen: Der letzte Bereich „Messstellen“ gibt dem Anwender die Möglichkeit verschie-den Messstellen an der Kolonne und den Zu- und Ablaufströmen auszuwählen. Die Messstel-len dienen zur Überwachung der Kolonnenfunktion und zur Kolonnenbilanzierung. Zu diesen gehören u.a.: Druck, Temperatur, Durchfluss, Eigenschaft und Probenahmen im Kolonnen-feed, aus dem Kopfprodukt und dem Sumpfprodukt. Weiterhin werden Messstellen vorge-schlagen, die unmittelbar an der Kolonne angeschlossen sind, wie eine Messung des Druck-verlustes der Kolonne, ein Aufnahme des Druck- oder Temperaturprofils oder die Möglich-keit einer Eigenschaftsmessung oder Probenahme an einer kritischen Trennstufe.

Regeln und Entscheidungsbäume für den wissensbasierten Entwurf von PID’s für Reaktoren Reaktoren stehen im Mittelpunkt jedes verfahrenstechnischen Produktionsprozesses. Durch die zentrale Stellung des Reaktors werden häufig auch die Strukturen aller anderen Grundope-rationen des Verfahrens festgelegt. Aufgrund der Vielfalt chemischer Reaktionen, der daraus resultierenden technischen Umsetzung und der diversen industriell eingesetzten Reaktortypen,


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ist es daher sinnvoll Reaktorgrundtypen zu klassifizieren und allgemeine Standards zu ermit-teln [25][27] [60].

Zur Modularisierung von Reaktoren eignen sich besonders technische Einrichtungen, die je-weils einen verfahrenstechnischen Zweck erfüllen [60]. Diese Einrichtungen sind komplett voneinander unabhängig und können also entweder zeitgleich oder zeitlich unabhängig ge-nutzt werden. Unterschieden werden kann zwischen Dosieren, Temperieren, Rühren, Inerti-sieren und Druck Einstellen oder Ablassen (s. Abbildung 32). Bereits durch diese Einteilung werden erste Eigenschaften der einzelnen Module deutlich. Zur technischen Einrichtung Temperieren gehören z.B. Anschlüsse für Kühlen und Heizen.

AblassenAblassenTemperierenTemperieren

FI

Dosieren

FIFI

Dosieren

PIC

Inertisieren und

Druckeinstellen

PICPIC

Inertisieren und

Druckeinstellen

MM

Rühren

Abbildung 32: Modularisierung eines Reaktors nach dem verfahrenstechnischen Zweck

Eine Übersicht über die wesentlichen Designkriterien für Reaktoren zeigt die Abbildung 33.

Reaktorsystem:

Art der Phasenverhältnisse:

Um die Einteilung möglichst systematisch zu beginnen, wird als erstes Entscheidungskriteri-um die Art des Reaktionstyps bzw. der Phasenverhältnisse ausgewählt. Nach dem Aggregat-zustand der Reaktionsmasse kann deren Umsetzung in homogene und heterogene Reaktionen unterteilt werden [25]. Bei homogenen Reaktionen muss der Reaktor hauptsächlich eine Ver-mischung der einzelnen Komponenten des Reaktionsgemisches und eine Zufuhr bzw. Abfuhr der Reaktionswärme gewährleisten.

Die Modularisierung wurde nur für den Rührreaktor realisiert, die anderen Spezialtypen wer-den in dieser Arbeit nicht weiter betrachtet. Jedoch ist es mit den entwickelten Strukturen möglich, auch die anderen speziellen Reaktortypen zu modularisieren. Weiterhin wird bei der Modularisierung und Instrumentierung auf eine Unterscheidung zwischen kontinuierlicher, batch oder semi-batch Fahrweise verzichtet, da hierbei lediglich Unterschiede im Ablaufplan des Reaktionsverlaufs auftreten. Die Instrumentierung bleibt jedoch weitestgehend gleich.


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Reaktorsystem Art der PhasenverhältnisseReaktorgrundtyp

Dosieren

Anzahl der FeedsAggregatzustände der FeedsRegelung für die Dosierung der FeedsKatalysatoranschluss vorhanden?Aggregatzustand des Katalysators Regelung für die Dosierung des Katalysators

Rühren Auswahl des RührertypsRührerdrehzahlregelung

TemperierenReaktionssystemHeiz-/ KühlsystemAusführung Heiz-/ KühlsystemTemperaturregelung

Inertisieren / Druck Einstellen

Ausführung der DruckregelungInertgasanschluss

Ablassen ReaktorstandregelungEntlüftungsanschluss

ZusatzeinrichtungenProbenahmestellenAuswahl von zusätzlichen MessstellenBerstsicherungRührerdrehzahlüberwachung

Abbildung 33: Wesentliche Designkriterien für Reaktoren

Reaktorgrundtyp:

Da für die verschiedenen Phasenverhältnisse bestimmte Reaktorformen mehr oder weniger geeignet sind, kann eine erste Einteilung von Reaktorgrundtypen wie Rührkessel, Strömungs-rohr und weiterer Spezialtypen erfolgen.

In homogener flüssiger Phase eigenen sich hierfür sowohl ein Rührkessel als auch ein Strö-mungsrohr, in homogener Gasphase werden ausschließlich Rohrreaktoren eingesetzt.

Bei heterogenen Reaktionen liegt das Hauptaugenmerk auf dem Stoff- oder Wärmeübergang über die Phasengrenzfläche, wodurch der eingesetzte Reaktor die zusätzliche Funktion der Herstellung der notwendigen Phasenoberfläche erfüllen muss. Dies kann einerseits durch den Rührer beim Rührreaktor erfolgen, andererseits auch durch z.B. Strahldüsen, Sieb- oder Lochböden. Eine detaillierte Übersicht über die Einteilung der Reaktorgrundtypen nach Art der Phasenverhältnisse ist in Abbildung 34 dargestellt [25].


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Art der Phasenverhältnisse Reaktorgrundtyp

Homogen flüssig • Rührkessel

• Strömungsreaktor

Homogen gasförmig • Strömungsreaktor

Heterogen flüssig/flüssig • Rührkessel

Heterogen flüssig/gasförmig • Rührkessel

• Füllkörpersäule

• Bodenkolonne

• Blasensäule

• Schlaufenreaktor

Heterogen flüssig/ fest • Rührkessel

• Festbettreaktor

• Schlaufenreaktor

Heterogen gasförmig/ fest • Rohrreaktor

• Rohrbündelreaktor mit Festbett

• Etagenofen

• Wirbelschichtreaktor

• Flugstaubreaktor

Heterogen gasförmig/ flüssig/ fest • Rührkessel

• Rieselreaktor

Abbildung 34: Reaktorauswahl nach der Art der Phasenverhältnisse

Dosieren:

Als erstes Modul wird bei der technischen Einrichtung “Dosieren” zunächst nach Anzahl der Feedströme differenziert. In dieser Arbeit wird die Auswahlmöglichkeit auf maximal drei Feedströme begrenzt. Ist diese Auswahl getroffen, können je nach Phasenverhältnissen des Reaktionssystems der Aggregatzustände (flüssig, gasförmig, fest) der einzelnen Feedströme ausgewählt werden.

Bei der nachfolgenden Eigenschaft der Regelung der Feed Dosierung kann je nach Aggregat-zustand des jeweiligen Feeds zwischen Durchflussregelung, Standmessung, druckgeregelter Dosierung oder verhältnisgeregelter Dosierung unterschieden werden. Für die verhältnisgere-


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gelte Dosierung kann zusätzlich ausgewählt werden, welcher Feed das Verhältnis vorgibt. Die unterschiedlichen Regelarten sind in Abbildung 35 zusammengefasst.

M M

Katalysator

Edukt A

Edukt B

M

1

MEduktEdukt

Edukt

FIC PC

LISA

FR

FRC

FFC FR

2

3 4

Abbildung 35: Regelarten Reaktordosierung

Eine reproduzierbare Einstellung von Reaktionsbedingungen kann mittels Durchflussregelung oder auch druckgeregelter Dosierung erreicht werden (Abbildung 35-1, 2). Eine Standmes-sung am Reaktor wird vor allem eingesetzt, wenn bestimmte Reaktionspartner im Reaktor vorgelegt werden müssen (Abbildung 35-3). Um bei einer durchsatzabhängigen Reaktions-führung nicht alle Zulaufströme einzeln verstellen zu müssen, kommt hierbei häufig eine ver-hältnisgeregelte Dosierung zum Einsatz (Abbildung 35-4) [60]. Zusätzlich zur Feed-Dosierung kann bei manchen Reaktionssystemen ein Katalysator eingesetzt werden, dessen Dosierung ebenso in das Modul Dosieren integriert wird. Auch hier kann zunächst der Aggre-gatzustand und anschließend eine dementsprechende Regelart ausgewählt werden.

Rühren:

Für die technische Einrichtung “Rühren” wird eine Auswahl an unterschiedlichen Rührern zur Verfügung gestellt, die jeweils unterschiedlich im R&I-Fließbild dargestellt werden. Hierzu gehören: Ankerrührer, Blattrührer, Scheibenrührer, Wendelrührer, Schrägblattrührer, Propel-lerrührer, Impellerrührer, Balkenrührer, Kreuzbalkenrührer, Fingerrührer, Gitterrührer und Kreiselrührer. Abbildung 36 zeigt die gebräuchlichsten Rührer unterteilt nach ihren haupt-sächlich bewirkten Flüssigkeitsströmungen und dem Viskositätsbereich [78].


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Hau

ptsä

chlic

h be

wir

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Strö

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ng

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lT

ange

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l bis

rad

ial

Abbildung 36: Verschiedene Rührertypen

Diese Rührer können ebenfalls nach verfahrenstechnischer Funktion in Gruppen eingeteilt werden [27][40], wodurch die Auswahl des passenden Rührers erleichtert wird:

• Der Mischprozess Homogenisieren beschreibt die Vermischung von zwei ineinander unbegrenzt löslichen Komponenten zu einem homogenen Einphasensystem. Bei nied-rig- bis mittelviskosen Flüssigkeiten kommen hier vermehrt Blattrührer, Schrägblattrührer und zum Teil Propellerrührer zum Einsatz, bei hochviskosen Flüs-sigkeiten der Ankerrührer und Wendelrührer.

• Beim Suspendieren werden Feststoffe aufgewirbelt und möglichst homogen in einer Flüssigkeit verteilt. Hier werden vermehrt Schrägblattrührer und Propellerrührer ein-gesetzt.

• Das Dispergieren beschreibt das Mischen von zwei nicht oder nur teilweise ineinan-der löslichen Flüssigkeiten. Zum Einsatz kommen Scheibenrührer und Schrägblattrüh-rer.

• Für das Begasen von Flüssigkeiten, also dem Stoffübergang von gasförmigen Kom-ponenten aus einer meist dispersen Gasphase in die Flüssigphase, eignet sich beson-ders der Scheibenrührer.

• Zur Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen Rührmedium und Heiz oder Kühlfläche finden Ankerrührer und Wendelrührer Verwendung.

Eine weitere Einteilung der häufig verwendeten Rührer wird aufgrund der Schnellläufigkeit, also der Umfangsgeschwindigkeit getroffen. Bei den schnelllaufenden Rührern, wie dem Pro-


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peller-, Scheiben und Schrägblattrührer, kommen Stromstörer bzw. -brecher zum Einsatz, um eine Trombenbildung zu verhindern [40]. Daher kann der Einsatz von Strombrechern optional als weitere Eigenschaft in die Wissensbasis aufgenommen werden. Weiterhin kann besonders bei mehrphasigen Reaktionen aber auch Reaktionen mit spürbaren Viskositätsänderungen die Einstellung der Rührerdrehzahl auf einen vorgegebenen Wert notwendig werden [60]. Die Beeinflussung der Durchmischung durch Regelung der Rührerdrehzahl ist somit eine weitere wichtige Eigenschaft für die technische Einrichtung “Rühren”.

Temperieren:

Bei der Einstellung von definierten Reaktionsbedingungen ist die Temperatur des Reaktions-gemisches eine der wichtigsten Zustandsgrößen [60]. Zur kontinuierlichen Einstellung der Temperatur am Ort der Reaktion müssen daher die Wärmeströme zum bzw. aus dem Reakti-onsort kontrolliert werden. Für die Technische Einrichtung “Temperieren” wird hierbei zwi-schen exothermen, endothermen oder adiabaten Reaktionssystemen unterschieden. Bei adia-baten oder schwach endo- bzw. exothermen Systemen tritt kaum oder keine Wärmetönung auf, wodurch auf ein Heiz- oder Kühlsystem verzichtet werden kann. Bei stark endo- und exo-thermen Reaktionen wird hingegen durch das Temperiersystem eine isotherme Reaktionsfüh-rung erreicht [63]. Je nach Reaktionsform kann ein Kühlsystem und/oder Heizsystem ausge-wählt werden.

Ist ein Temperiersystem notwendig, wird weiter zwischen unterschiedlichen Ausführungen der Heiz- und Kühlsysteme unterschieden. Hierzu gehören indirekte Heiz- und Kühlsysteme wie Doppelmantel, Vollrohrschlange, Halbrohrschlange und innenliegende Rohrschlangen sowie Kühlung oder Beheizung eines externen Umlaufes durch einen Wärmeübertrager oder auch direkte Kalt- oder Warmfluidzugabe. Nachdem eine Ausführung des Kühl- und/oder Heizsystems ausgewählt ist, können diverse Instrumentierungsarten zum Einsatz kommen. Da sich die indirekten Systeme zwar in ihrer Konstruktion aber nicht in ihrer Instrumentierung unterscheiden, sind in folgender Abbildung 37 die unterschiedlichen Instrumentierungsarten am Beispiel einer Manteltemperierung dargestellt, welche im Folgenden detailliert beschrie-ben werden [63][60].

Bei niedrigen Reaktionsenthalpien, wie sie vor allem bei endothermen Reaktionen häufig auf-treten, kann die Reaktionstemperatur mittels eines Kühlmitteldurchlaufs (Abbildung 37-1) eingestellt werden. Durch den Reaktortemperaturregler wird direkt das Stellventil des Be-triebsmittels beeinflusst, welches bei dieser Methode nur einmal durch den Reaktormantel läuft. Durch optionales Zumischen eines warmen Betriebsmittelstroms kann die Zulauftempe-ratur bedarfsgerecht eingestellt werden. Eine gleichmäßige Manteltemperierung ist hierdurch jedoch nicht möglich.

Sind die Anforderungen an die Wärmeabfuhr höher bzw. treten höhere Reaktionsenthalpien bei der Reaktion auf, kann ein Kreislaufsystem eingesetzt werden (Abbildung 37-2). Hierbei werden das im Reaktormantel aufgewärmte Betriebsmittel und ein frischer Betriebsmit-telstrom miteinander gemischt. Durch die Einstellung der zuzudosierenden Menge des fri-schen Betriebsmittels kann somit die Reaktortemperatur reguliert werden. Die hohe Strö-mungsgeschwindigkeit sorgt für eine gleichmäßige Manteltemperierung und somit für einen guten Wärmeübergang.


58

Abbildung 37: Regelarten der Reaktortemperierung über den Reaktormantel

Eine kaskadierte Temperaturregelung (Abbildung 37-3) wird eingesetzt, wenn die Reaktor-temperatur in engen Grenzen zu halten ist. Dies kann aus sicherheitstechnischen Anforderun-gen oder aufgrund von Stoffeigenschaften, wie z.B. Neigung zur Polymerisation oder Neben-komponentenbildung notwendig werden. Durch einen Reaktortemperaturregler wird ein Sollwert an einen weiteren Temperaturregler übergeben, der die Temperatur des Kühlkreis-laufs misst und den Zulaufstrom an frischem Kühlmittel so dosiert, dass sich der Kühlkreis-lauf auf die vorgegebene Temperatur einstellt. Durch die zusätzliche Messung der Kühlkreis-temperatur kann somit auf Schwankungen in der Reaktortemperatur wesentlich schneller rea-giert werden.

Bei schwach exothermen Reaktionen muss der Reaktor sowohl kontrolliert gekühlt als auch geheizt werden. Hierzu wird eine Split-Range-Schaltung verwendet (Abbildung 37-4). Zu-sätzlich zur kontrollierten Dosierung des Kühlmittelstroms wie bei der kaskadierten Tempera-turregelung wird mit der Split-Range-Schaltung der Sollwert der Reaktortemperatur durch den zusätzlichen Temperaturregler des Kühlkreislaufes auch auf das Stellventil des Heizmit-telstroms übergeben. Hierdurch kann ein Übergang von Kühlen auf Heizen nahezu ohne Überschneidung erfolgen.

Reicht die Temperaturregelung über ein indirektes System nicht aus, kann die Reaktionswär-me auch über einen externen Wärmeübertrager abgeführt werden. Das Reaktionsgemisch wird dazu durch den Wärmeübertrager umgewälzt und die Reaktionstemperatur so auf den be-stimmten Sollwert eingestellt. Auch hier gibt es diverse Instrumentierungsalternativen, wel-che in Abbildung 38 dargestellt sind [60][75].


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M

M

Feststoffe

M

TC TC

TC

TC

M

TC

FC

M

TC

FC

Betriebsmittel Betriebsmittel

M

Solekühler

Stickstoff

TC

PRC

TRC

TRC

Betriebsmittel

Betriebsmittel

i)

1 2

3 4

5 6

Abbildung 38: Regelarten der Reaktortemperierung über den Einsatz externer Wärmeübertrager


60

Abbildung 38-1 zeigt eine direkte Temperaturregelung des Umlaufstromes. Die Temperatur des austretenden Reaktionsgemisches wird gemessen und über den externen Wärmeübertrager mittels Durchflussregler definiert eingestellt.

Alternativ hierzu kann auch die Temperatur des Reaktionsgemisches direkt ein Stellventil des Betriebsmittels des Wärmeübertragers regeln. Die Temperatur im Reaktor wird dann über einen Durchflussregler im Umlauf eingestellt (Abbildung 38-2).

Zur definierten Einstellung der Reaktionstemperatur wird der Umlauf des Reaktionsgemi-sches zusätzlich zum Durchfluss durch den Wärmeübertrager durch einen Bypass geleitet (Abbildung 38-3). Beide Ströme können mittels Temperaturkontrolle im Reaktor eingestellt werden, wobei auch hier häufig der gesamte Umlaufstrom mit einem Durchflussregler kon-trolliert und so die Temperatur im Reaktor eingestellt wird.

Analog zur indirekten Temperaturregelung über einen Mantel kann auch beim Umlauf des Reaktionsgemisches über einen externen Wärmeübertrager eine kaskadierte Regelung zur schnelleren Temperatureinstellung zum Einsatz kommen (Abbildung 38-4).

Bei bestimmten Reaktionen können Feststoffe als Reaktionsprodukt anfallen. Daher wird je nach Phasenverhältnissen im Reaktionssystem eine weitere Temperaturregelungsalternative in die Wissensbasis eingebaut. Zusätzlich zur Temperaturkontrolle können so im Umlauf die Feststoffe ausgeschleust werden (Abbildung 38-5).

Die Siedekühlung nimmt eine Sonderstellung bei den technischen Einrichtungen ein (Abbildung 38-6). Die Temperatur wird hierbei mittels einer Druckmessung eingestellt. Da allerdings auch bei dieser Regelmethode ein bzw. zwei externe Wärmeübertrager zum Einsatz kommen, wird die Siedekühlung für die Wissensbasis mit in das Modul “Temperierung durch Einsatz eines externen Wärmeübertragers” integriert. Durch Verdampfen eines Teils des Re-aktionsgemisches kann die Reaktortemperatur eingestellt werden. Gibt der Dampf seine Wärme an Kondensatoren ab, kann das so entstehende Kondensat intern oder extern über Rohrleitungen in den Reaktor zurückfließen. Über dem Reaktor befinden sich zu diesem Zweck zwei Wärmeübertrager, einer davon ist meist ein Solekühler. Die Reaktionstemperatur wird hierbei direkt durch eine Druckeinstellung realisiert und mittels eines Inertgasstroms geregelt. Über eine Split-Range-Regelung können zusätzlich zur Ausschleusung des Inert-gasstromes aus dem Reaktor, Stickstoff oder andere Inerte in den Gasraum eingeführt und so die Druckeinstellung bzw. indirekt die Temperatureinstellung beeinflusst werden. Für den Fall, dass der Inertgasstrom aus dem Reaktor zu stark schwankt, kann zusätzlich die Reaktor-temperatur gemessen und mit dem Druckregelkreis in Kaskade geschaltet werden (Abbildung 38- i).

Alternativ zu den indirekten Methoden und zu den Varianten mit externem Wärmeübertrager, kann der Reaktor auch über direkte Zugabe eines Kalt- bzw. Warmfluids temperiert werden. Der größte Eintrittsstrom wird dazu durch eine oder mehrere Temperaturmessungen am Reak-tor geregelt zudosiert.


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Inertisieren/ Druck Einstellen:

Eine weitere wichtige Zustandsgröße vor allem bei Begasungs- und Gasphasenreaktionen und somit maßgebend für die Wissensbasis ist der Druck. Je nach Problemstellung kann dieser über die Zuführung gasförmiger Edukte oder die Abführung gasförmiger Produkte eingestellt werden (siehe Abbildung 39). Geregelt wird hierbei immer der größte Gasstrom [60][63].

Abbildung 39: Reaktor Druckregelung

Da der Reaktordruck bei einer gas/flüssig Reaktion die treibende Kraft des Stoffübergangs in die flüssige Phase ist, wird der Druck bei einer Reaktion von gasförmigen Edukten zu haupt-sächlich flüssigen Produkten über die Zuführung der gasförmigen Reaktanden eingestellt (Abbildung 39-1). Zur Vermeidung der Anreicherung von gasförmigen Nebenprodukten im Reaktor kann hierbei oftmals zusätzlich ein konstanter Gasstrom abgezogen bzw. zeitweise über ein Ventil abgelassen werden. Alternativ wird bei Reaktionen von flüssigen Edukten zu vermehrt gasförmigen Produkten der Druck über das Ausschleusen des Produkt-Gasstromes geregelt (Abbildung 39-2).

Trifft keine dieser beiden Alternativen zu bzw. stehen zur Regelung des Druckes keine aus-reichend großen Gasströme zur Verfügung, kann der Reaktordruck auch über einen Inertgas-Anschluss geregelt werden. Durch eine Split-Range-Schaltung kann somit bei zu niedrigem Druck Inertgas in den Reaktor eingelassen bzw. bei zu hohem Druck überschüssiges Gas ab-gelassen werden. Weiterhin kann ein Inertgasanschluss notwendig sein, um Luftsauerstoff oder reaktions- bzw. explosionsfähige Gase vor Reaktionsbeginn aus dem Reaktor zu ver-drängen, um somit eine explosionsfähige Atmosphäre oder aber auch z.B. Korrosionserschei-nungen durch Luftsauerstoff zu vermeiden.

Ablassen:

In die technische Einrichtung “Ablassen” als verfahrenstechnische Funktion wird die Stand-regelung sowie die Entlüftung des Reaktors integriert. Wird der Reaktorstand nicht über z.B. eine Durchflussregelung oder eine Standmessung eingestellt, die die eintretenden Ströme be-einflusst, kann die Standmessung den Ablaufstrom regeln. Dieses kann über eine einfache oder mehrfache Standmessung sowie druckgeregelt erfolgen. Im Gegensatz zur Entlüftungs-möglichkeit zur Druckeinstellung über eine Split-Range Schaltung während des Inertisierens, wird in das Modul “Ablassen” eine Entlüftungsfunktion integriert, die komplett von der Iner-tisierung entkoppelt ist. Hierdurch wird eine druckgeregelte Sicherheitseinrichtung geschaf-fen. Die Modularisierung nach verfahrenstechnischer Funktion ist hiermit abgeschlossen. Zu-


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sätzliche Einrichtungen, die unabhängig von den ausgewählten technischen Einrichtungen zum Einsatz kommen, werden in folgendem Modul "Zusatzeinrichtungen" zusammengefasst.

Zusatzeinrichtungen:

Standardisierte Zusatzeinrichtungen im Zusammenhang mit der Wissensbasis für die Fließ-bilderstellung von Reaktoren sind Probenahmeventile, zusätzliche lokale Messapparaturen für Druck, Temperatur und Füllstand sowie Berstsicherungen. Zusätzlich wird eine Rührerdeh-zahlüberwachung zur Abschaltung der Befüllung aufgrund Viskositätsveränderungen des Re-aktionsgemisches integriert. Aufgrund der fehlenden verfahrenstechnischen Funktion wird bei der Wissensbasis der Zusatzeinrichtungen lediglich deren Vorhandensein abgefragt.

Installierte Probenahmeventile dienen der stichprobenartigen und reproduzierbaren Überprü-fung des Reaktionsgemisches. Hierbei kann die Probe auf Qualität, Beschaffenheit oder Zu-sammensetzung untersucht werden.

Zusätzliche lokale Messapparaturen können notwendig sein, um den Reaktor vollständig nachbilanzieren zu können. Eine zusätzliche Temperaturmessung kann dementsprechend z.B. für eine vollständige Wärmebilanz eingesetzt werden.

Eine Berstsicherung dient der Absicherung des Reaktors gegen unzulässiges Vakuum oder unzulässigen Überdruck.

Schließlich kann sich aufgrund von Viskositätsänderungen die Rührerdrehzahl soweit verrin-gern oder erhöhen, dass dieses ein sicherheitstechnisches Risiko darstellt. Darum besteht die Möglichkeit durch eine Messung der Rührerdrehzahl die Befüllung des Reaktors zu stoppen, um somit den Reaktionsverlauf zu beenden.

Regeln und Entscheidungsbäume für den wissensbasierten Entwurf von PID’s für Behälter In der verfahrenstechnischen Industrie werden Behälter für die unterschiedlichsten Zwecke benutzt. Im Allgemeinen dienen sie für das Lagern (Rohstofflagerung, Zwischenlagerung, Endlagerung der Produkte) und Transportieren von verschiedenen Substanzen. Für die syste-matische Modularisierung von Behältern wurden als erstes Kriterium grundsätzliche Diffe-renzierungen getroffen. Abbildung 40 zeigt eine Übersicht der entscheidenden Designkrite-rien für die Modularisierung von Behältern. Auf dieser Basis können die speziellen Anforde-rungen an die Instrumentierung für diverse Behälterarten dargestellt werden.

Behälterfunktion:

Je nach Lagerungszeit können Behälter prozesstechnisch in Prozessbehälter und Lagerbehäl-ter unterteilt werden.

Nach TRbF 20 Nr. 2.1 gilt für Läger bzw. das Lagern:

“Lagern ist das Aufbewahren von brennbaren Flüssigkeiten zur späteren Verwendung sowie zur Abgabe an andere. Es schließt die Bereitstellung zur Beförderung oder zur Entladung ein, wenn diese nicht binnen 24 Stunden nach ihrem Beginn oder am darauf folgenden Werktag erfolgt.” [71].

Aus dieser Definition folgt die erste grundlegende Einteilung der Wissensbasis für Behälter. Nachfolgend wird daher ein Behälter, in dem ein Medium länger als 24 Stunden “gelagert”


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wird, als Lager bzw. Lagerbehälter, bei einer Lagerung von weniger als 24 Stunden, als Pro-zessbehälter bezeichnet.

Diese Unterteilung ist notwendig, da unter anderem für wassergefährdende oder brennbare Flüssigkeiten je nach Gefahrenpotenzial beim Lagern besondere Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden müssen, die auch im PID Modul dargestellt werden. Je nach prozesstechni-scher Funktion gibt es zusätzlich spezielle Regelungkonzepte zum Befüllen und Entleeren von Prozessbehältern, die bei Lagerbehältern keine Verwendung finden. Weitere grundlegen-de Unterschiede in den Ausführungsformen von Prozess- und Lagerbehältern werden in Fol-gendem beschrieben.

Behäterfunktion Behälterfunktion (Lagerung < / >24 h)?

BehälteraufbauArt der BehälteraufbauBodenformAufstellungsort (oberirdisch/ unterirdisch)?Welche Tragelemente?

MediumeigenschaftenAggregatzustand des gelagerten MediumsHeiz-/ KühlsystemWassergefährdungsklasseEntzündlichkeit

Befüllen/ Entleeren

FüllstandsregelungAnschlüsse für das BefüllenRegelung für das BefüllenAnschlüsse für das EntleerenRegelung für das Entleeren

TemperierenTemperiersystem vorhanden?Ausführung Heiz-/Kühlsystem?Temperaturregelung

Druck EinstellenDrucksystem?Drucküberwachung?Be-/ Entlüftungseinrichtungen?Inertisieren?

Sicherheits-einrichtungen

BerstsicherungDruckbegrenzungÜberfüllsicherungÜberfüllsicherung mit der Abschaltung der BefüllungFlammenfilter

Messstellen Auswahl von weiteren Messstellen

Abbildung 40: Wesentliche Designkriterien für Behälter

Behälteraufbau:

Grundlegende mögliche Ausführungsformen, welche mit in die Wissensbasis für die PID Module aufgenommen wurden, sind zylindrisch stehende, zylindrisch liegende und kugelför-mige Behälter sowie Behälter mit Flachboden und Festdach [58].


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Bei den zylindrisch stehenden und liegenden Behältern wird zusätzlich die Bodenform unter-schieden. Aufgrund der Vielzahl an industriell verfügbaren Bodenformen wird die Auswahl für die Wissensbasis auf die gebräuchlichsten Formen konisch und gewölbt beschränkt. Al-ternativ kann der unterschiedliche Aufbau der Behälter dementsprechend auf den Fließbildern dargestellt werden. Für Lagerbehälter kommen alle Formen in Frage, wohingegen als Pro-zessbehälter hauptsächlich die zylindrisch stehenden und die zylindrisch liegenden Formen eingesetzt werden.

Abgesehen von den Behältern mit Flachboden und Festdach wird beim Aufbau ergänzend nach oberirdischem oder unterirdischem Aufstellungsort differenziert. Wird der Behälter oberirdisch aufgestellt, können weiterhin diverse Tragelemente zum Einsatz kommen. Unter-schieden wird bei der vorliegenden Wissensbasis nach der Aufstellung auf Füßen, der Auf-stellung auf Fundament oder der Aufhängung im Stahlgerüst. Abbildung 41 zeigt die Darstel-lungsmöglichkeit der enthaltenen Aufstellungsarten am Beispiel eines zylindrisch stehenden Behälters mit gewölbten Böden.

1) Aufstellung auf Füßen 2) Aufstellung auf Fundament 3) Aufhängung im Stahlgerüst

1 2 3

Abbildung 41: Aufstellungsarten von Behältern

Mediumeigenschaften:

Je nach Art des Mediums ergeben sich besonders gravierende Unterschiede bei dem PID Mo-dul Entwurf für Behälter [69][71]. Hinzu kommen bei Prozessbehältern verschiedene Rege-lungskonzepte aufgrund des Aggregatzustandes [63]. Aus diesem Grund werden gasförmige, flüssige und feste Medien getrennt betrachtet.

Aus dem festen Aggregatzustand resultieren bei Lagerbehältern direkt Behälterkonfiguratio-nen für Bunker und Silos. Bei flüssigen Medien wird hingegen aufgrund von diversen Sicher-heitsaspekten und Auflagen nach §19 Wasserhaushaltsgesetz (WHG [77]), Verordnung über Anlagen zum Umgang mit wassergefährdenden Stoffen (VAwS [72]), Technische Regeln für brennbare Flüssigkeiten (TRbF 20 [71]) und Verordnung zum Schutz von Gefahrstoffen (GefStoffV [18]) zwischen unterschiedlichen Wassergefährdungsklassen und Entzündlichkei-ten differenziert. Diese sind:

• Wassergefährdungsklassen (WGK)

o WGK 1: schwach wassergefährdend

o WGK 2: wassergefährdend

o WGK 3: stark wassergefährdend


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• Entzündlichkeit

o nicht entzündlich

o entzündlich (Fp. 21 – 55°C)

o leichtentzündlich (Fp. < 21°C)

o hochentzündlich (Fp. < 0°C, Sp. < 35°C)

Die Zusammenhänge der Behälterdifferenzierung für Lagerbehälter sind in Abbildung 42 zusammengefasst. Der Entscheidungsstrang für Bunker und Silos entfällt für Prozessbehälter.

Nachdem die Wissensbasis nun grundsätzlich nach Aufbau und Medienart strukturiert ist, wird die folgende Modularisierung wie bei Reaktoren nach verfahrenstechnischem Zweck (Befüllen/Entleeren, Temperieren, Druck Einstellen, Sicherheitseinrichtungen) vollzogen. Die Modularisierung nach verfahrenstechnischem Zweck wird ähnlich den Reaktoren durchge-führt. Allerdings werden aufgrund der diversen prozesstechnischen Funktionen von Behältern die einzelnen technischen Einrichtungen teilweise alternativ zusammengefasst

Art des Mediums

FeststoffGas Flüssigkeit

Wassergefährdungs-klasse

Nicht wassergefährdend

entzündlich Leicht entzündlich Hoch entzündlich

Silo

Bunker

Nicht entzündlich

Wassergefährdend, brennbar

Wassergefährdungs-klasse 0




Abbildung 42: Entscheidungsbaum Lagerbehälter "Art des Mediums"


66

Befüllen/ Entleeren:

Bei der technischen Einrichtung “Befüllen/Entleeren” wird wesentlich zwischen Prozess- und Lagerbehältern unterschieden. Bei Prozessbehältern ergibt sich direkt aus deren verfahrens-technischer Aufgabe (Vorlagebehälter, Pufferbehälter, Tropfenabscheider, Dekanter) und aus dem Medium (Gas, Flüssigkeit, Feststoff) eine entsprechende Regelstruktur für das Befüllen/ Entleeren bzw. die Füllstandregelung, welche nachfolgend beschrieben werden [63]. Diese Regelarten zeigt Abbildung 43.

LC

LC

LC

Prozessstrom Austritt

Prozessstrom Eintritt


Flüssige Phase I

Flüssige Phase II

LC

Prozessstrom Austritt


1 2

31) Vorlagebehälter 2) Pufferbehälter, Tropfenabscheider 3) Dekanter

Abbildung 43: Füllstandsregelung Prozessbehälter nach verfahrenstechnischer Aufgabe

Beim Vorlagebehälter (Abbildung 43-1) wird das Behälterniveau mittels Füllstandkontrolle über den eintretenden Strom geregelt. Da aus einem Vorlagebehälter jeweils die Menge an Medium entnommen wird, die für den nachfolgenden Prozess benötigt wird, darf hier der aus-tretende Strom nicht geregelt werden.

Anders verhält es sich bei einem Pufferbehälter oder auch Tropfenabscheider (Abbildung 43-2). Da beim Pufferbehälter der Eintrittsstrom durch die vorgeschaltete Prozesseinheit be-stimmt ist, wird hier der Austrittsstrom mittels Füllstandkontrolle geregelt. Beim Tropfenab-scheider werden geringe Mengen an Flüssigkeit aus einem gasförmigen Strom abgetrennt und der Druck im weiteren Prozessverlauf über diese Gasphase geregelt. Daher wird der Füllstand auch hier über den austretenden Strom geregelt.


67

In einem Dekanter (Abbildung 43-3) werden zwei flüssige Phasen voneinander getrennt. Auch hier ist der Eintrittsstrom durch die vorgeschaltete Prozesseinheit bestimmt, wodurch das Behälterniveau ebenfalls über den austretenden Strom geregelt wird. Da jedoch pro Phase ein Austrittsstrom existiert, sind dementsprechend auch zwei Füllstandkontrollen notwendig.

Für das Befüllen und Entleeren von Lagerbehältern werden andere Eigenschaften/Merkmale herangezogen. Beim Befüllen/Entleeren ist bei Lagerbehältern zunächst wichtig, von wo be-füllt bzw. wohin entleert wird (jeweils Prozess oder Transporttank). Weiterhin steht sowohl beim Befüllen als auch beim Entleeren der Prozessbehälter die Regelstruktur nicht aufgrund der verfahrenstechnischen Aufgabe fest. Hier sind vielmehr sicherheitstechnische oder aufla-genrelevante Vorkehrungen nach Art des Mediums zu beachten [18][69][71][72][77]. Abbildung 44 und Abbildung 45 veranschaulichen die beispielhaften Regelstrukturen für zwei verschiedene Ausführungsformen der Lagerbehälter.

Am Beispiel eines Lagerbehälters mit Flachboden und Festdach (s. Abbildung 44) wird die Befüllung/Entleerung einer nicht wassergefährdenden und nicht brennbaren Flüssigkeit de-monstriert.

LISAM

vom Betrieb

vom Transporttank

zum Transporttank

Gaspendel Transporttank

zum Betrieb

Abbildung 44: Darstellung einer Regelart für Lagerbehälter mit Flachboden und Festdach

Im Gegensatz dazu werden sicherheitstechnische Einrichtungen beim Befüllen/Entleeren, wie z.B. Auffangräume, Schaugläser und Flammenfilter am Beispiel eines zylindrisch, vertikalen, auf Füßen aufgestellten Lagerbehälters für eine wassergefährdende und entzündliche Flüssig-keit (s. Abbildung 45) gezeigt.

Bei beiden Behältern erfolgt das Befüllen/Entleeren mittels Gaspendelverfahren und einer Regelung durch einen Grenzwertgeber. Die Befüllung mittels Gaspendelverfahren kann wie folgt beschrieben werden. Wenn ein Lagerbehälter z.B. mit einer Flüssigkeit gefüllt wird, durch die bei der Förderung Gase abgegeben werden, können diese wieder in den Transport-


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behälter zurückgeführt werden. Der sich aufbauende Druck im Transportbehälter kann somit wieder zur Befüllung genutzt werden. Der gleiche Vorgang ist auch bei Inertgaseinsatz mög-lich.

Ist eine Regelung der Befüllung mittels Grenzwertgeber wie bei den vorgestellten Beispielen installiert wird die Befüllung beim Erreichen eines bestimmten Behälterfüllstandes einfach gestoppt.

M

Abbildung 45: Darstellung einer Regelart für einen zylindrischen Lagerbehälter

Temperieren:

Für die technische Einrichtung “Temperieren” können die wesentlichen Möglichkeiten aus der Wissensbasis für Reaktoren übernommen werden. Da bei Behältern jedoch keine Reakti-on stattfindet, wird nicht nach Reaktionssystem unterschieden, sondern lediglich entschieden, ob ein Temperiersystem vorhanden ist. Danach folgen wie bei Reaktoren diverse Ausfüh-rungsformen von Heiz-/Kühlsystemen (Mantel, Vollrohrschlange, Halbrohrschlange, innen-liegende Rohrschlange), wobei hier auf den zusätzlichen Einsatz eines externen Wärmetau-schers verzichtet werden kann, da die indirekten Systeme meist ausreichend sind. Daher fin-det auch die Siedekühlung hier keine Verwendung und die Regelarten beschränken sich auf den Kühlmitteldurchlauf bzw. -kreislauf, die kaskadierte Temperaturregelung und die Tempe-raturregelung über Split-Range-Schaltung. Abbildung 46 zeigt den Entscheidungsbaum für das Temperieren von Behältern.


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Kein Temperiersystem

Temperieren

Temperiersystem vorhanden

Mantel

Vollrohrschlange Habrohrschlange

Innenliegende Rohrschlange

Temperaturregelung

Regelung über Kühlmitteldurchlauf

Regelung über Kühlmittelkreislauf

Kaskadierte Regelung

Regelung über Split-Range-Schaltung

Abbildung 46: Entscheidungsbaum Behälter Technische Einrichtung "Temperieren"

Druck Einstellen:

Die Druckbehälter sind nach DruckbehV (Druckbehälterverordnung) definiert. Druckbehälter sind die Behälter, die keine Druckgasbehälter sind und in denen durch die Betriebsweise ein Betriebsüberdruck herrscht oder entstehen kann, der größer als 0,1 bar ist [13].

Diese Definition wird auch für die Wissensbasis der technischen Einrichtung “Drucksystem” herangezogen, wodurch nach druckführenden und drucklosen Behältern unterschieden wird. Für Druckgasbehälter gilt eine ähnliche Definition, wenn die Behälter unter einem inneren Überdruck von mehr als 0,2 bar stehen [13]. Für druckführende Behälter wird zunächst ledig-lich differenziert, ob eine Drucküberwachung am Behälter vorhanden ist. Notwendige Be- und Entlüftungseinrichtungen werden darauffolgend beschrieben.

Da nach TrbF 20 die Ableitung von Dampf-/Luftgemischen für Lagerbehälter gesondert gere-gelt ist, wird diese auch für die Wissensbasis zur Fließbilderstellung gesondert betrachtet. Hiernach kann unterschieden werden, ob lediglich ein Überstromventil für auftretende Drücke bei der Befüllung notwendig ist, eine Entlüftung des Behälters in die Atmosphäre möglich ist, oder Dampf-/Luftgemische gesondert in einen Auffangbehälter oder auch in eine Abluftreini-gungsanlage geleitet werden müssen.

Weiterhin ist in dieser technischen Einrichtung die Möglichkeit zur Inertisierung von Behäl-tern integriert.


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Sicherheitseinrichtungen:

Unter dem Designkriterium “Sicherheitseinrichtungen” sind Sicherheitsarmaturen zur Druck-begrenzung, wie eine Berstscheibe oder auch eine Druckmessung, die auf die Füllarmatur einwirken kann und diese im Notfall schließt, zusammengefasst. Weiterhin kann ein Flam-menfilter in der Ableitung von Dampf-/Luftgemischen notwendig sein, sowie je nach sicher-heitstechnischer Auslegung nach TrbF 20 eine Überfüllsicherung am Behälter, die im Notfall die Befüllung unterbricht.

Messstellen:

Falls zusätzliche Messtellen zur Überwachung der Behälterfunktion benötigt werden, können diese in dieser Stelle in dem PID Modul integriert werden.

Rechnergestützte Realisierung der Wissensbasis Das in Kapitel 3.5.1.1 vorgestellte Wissen und die Modulstruktur wurde beispielhaft in Co-mos® 9.0 Vega umgesetzt. Im Folgenden wird für jedes Hauptmodul ein Beispiel PID Modul gezeigt, das mit seinen Ergebnissen dokumentiert wird.

Entscheidungsweg & Beispiel PID-Modul für Pumpe Die modulare Auswahl des Apparates beginnt mit der Erstellung eines Verfahrensobjektes "z.B. einer Chemie Kreiselpumpe". Über die Eigenschaften des Verfahrensobjektes Pumpe kann die „e-Block“ Funktion aufgerufen werden (vgl. Abbildung 47).

Abbildung 47: Darstellung Auswahlmöglichkeiten für ein Pumpenmodul


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Nach Auswahl der Entscheidungen wird das PID Modul des Apparates durch die Kombinati-on der ausgewählten Module erstellt. Eine Liste der getroffenen Entscheidungen zur Doku-mentation der Entscheidungsfindung und ein Materialauszug werden dann automatisch er-stellt (vgl. Abbildung 48).

Abbildung 48: Modular erstelltes Beispiel PID Modul für eine Chemie Kreiselpumpe und Dokumentation der Entscheidungen


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Entscheidungsweg & Beispiel PID-Modul für Wärmeübertrager Die modulare Auswahl des Apparates beginnt wiederum mit der Erstellung eines Verfahrens-objektes "z.B. eines Wärmeübertragers". Über die Eigenschaften des Verfahrensobjektes Wärmeübertrager kann die „e-Block“ Funktion aufgerufen werden (vgl. Abbildung 49)

Abbildung 49: Darstellung der Auswahlmöglichkeiten für ein Wärmeübertragermodul

Nach Auswahl der Entscheidungen wird das PID Modul des Apparates durch die Kombinati-on der ausgewählten Module erstellt. Eine Liste der getroffenen Entscheidungen zur Doku-mentation der Entscheidungsfindung und ein Materialauszug werden dann automatisch er-stellt (vgl. Abbildung 50)


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Abbildung 50: Modular erstelltes Beispiel PID Modul für einen Wärmeübertrager und Dokumentation der Ent-scheidungen


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Entscheidungsweg & Beispiel PID-Modul für Kolonnensystem Die modulare Auswahl des Apparates beginnt wiederum mit der Erstellung eines Verfahrens-objektes "z.B. einer Kolonne". Über die Eigenschaften des Verfahrensobjektes Wärmeü-bertrager kann die „e-Block“ Funktion aufgerufen werden (vgl. Abbildung 51)

Abbildung 51: Darstellung Auswahlmöglichkeiten für ein Kolonnenmodul



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Abbildung 52: Modular erstelltes Beispiel PID Modul für ein Kolonnensystem und Dokumentation der Entscheidungen


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Entscheidungsweg & Beispiel PID-Modul für Reaktor Die modulare Auswahl des Apparates beginnt wiederum mit der Erstellung eines Verfahrens-objektes "z.B. eines Reaktors". Über die Eigenschaften des Verfahrensobjektes Wärmeü-bertrager kann die „e-Block“ Funktion aufgerufen werden (vgl. Abbildung 53)

Abbildung 53: Darstellung Auswahlmöglichkeiten für ein Reaktormodul



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Abbildung 54: Modular erstelltes Beispiel PID Modul für ein Reaktor und Dokumentation der Entscheidungen


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Entscheidungsweg & Beispiel PID-Modul für Behälter Die modulare Auswahl des Apparates beginnt wiederum mit der Erstellung eines Verfahrens-objektes "z.B. eines Behälters". Über die Eigenschaften des Verfahrensobjektes Wärmeü-bertrager kann die „e-Block“ Funktion aufgerufen werden (vgl. Abbildung 55)

Abbildung 55: Darstellung Auswahlmöglichkeiten für ein Behälterrmodul

Nach Auswahl der Entscheidungen wird das PID Modul des Apparates durch die Kombinati-on der ausgewählten Module erstellt. Eine Liste der getroffenen Entscheidungen zur Doku-mentation der Entscheidungsfindung und ein Materialauszug werden dann automatisch er-stellt (vgl. Abbildung 56)


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Abbildung 56: Modular erstelltes Beispiel PID Modul für ein Behälter und Dokumentation der Entscheidungen


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Die komplette Datenbank als Prototyp, ebenso wie die komplette Dokumentation der Ent-scheidungsbäume und ein erster Entwurf eines Handbuchs, das auch die programmtechni-schen Umsetzungsdetails enthält, sind als Anhang in elektronischer Form (DVD) beigefügt. Die DVD enthält auch die elektronische Version des Schlussberichtes.

3.5.1.2 Auslegung von PID-Modulen Eine grundsätzliche Voraussetzung für eine modulare Kostenrechnung der ausgewählten Standardausrüstungen kann durch die Erstellung der PID Module mittels der Wissensbasis und der daraus resultierenden Materialbilanzen geschaffen werden. Um jedoch eine angemes-sene Basis für eine erste Kostenschätzung zu schaffen, müssen die Ausrüstungen in einem weiteren Planungsschritt ausgelegt bzw. dimensioniert werden.

Die Dimensionen, die für eine erste Kostenschätzung berechnet bzw. abgeschätzt werden müssen, sind bei Pumpen die Pumpenleistung, bei Wärmeübertragern die Fläche des Wärme-übertragers, bei Kolonnen die Kolonnenhöhe und der Kolonnendurchmesser, bei Reaktoren und Behälter das Reaktor-/ bzw. Behältervolumen. Die entsprechenden Grundlagen und Be-rechnungsmethoden können aus zahlreichen Literaturstellen entnommen werden [25][27] [35][45][58][65].

Rechnergestützte Realisierung der Auslegung Anhand der oben vorgestellten Module kann ohne die Kenntnis von Apparatedimensionen keine Kostenschätzung durchgeführt werden. Da auch hier Zeit und damit verbundene Kosten in der Phase der Angebotserstellung eingespart werden kann, wurden einfache Methoden für die Dimensionierung der Standardausrüstungen mit in dem modulbasierten Planungswerk-zeug integriert.

Zu diesem Zweck wurden Berechnungsdatenblätter in die Module integriert, welche nach einem Short-Cut Verfahren eine erste Abschätzung der Dimensionen liefern. Diese Berech-nungsdatenblätter wurden in MS Excel (zum Teil mit VBA- Skripten) erstellt und können als zusätzliches Dokument in Comos® jeweils unter dem entsprechenden Verfahrensobjekt hin-zugefügt werden. Die zur Berechnung notwendigen Daten werden in die entsprechenden Fel-der in dem Planungstool in den entsprechenden Attributen der Apparate eingegeben. Durch das Aufrufen der Berechnungsblätter und auf Basis der zugrunde liegenden Berechnungsglei-chungen können die Apparate dimensioniert werden. Die Ergebnisse der Dimensionierung in MS-Excel werden abschließend in die entsprechenden Felder des Verfahrensobjektes übertra-gen. Mit diesen Apparatedimensionen können dann die Kostenschätzungen für die Module durchgeführt werden.

Die Verknüpfung der Daten zwischen Excel und Comos® findet über den in Comos® integ-rierten Befehl „@MappingtableEx1“statt. Dieser Befehl wird unter dem Berechnungsblatt in Comos® einmalig in der Stammobjektesicht eingefügt und die notwendigen Verknüpfungen können hiermit erstellt werden. Die im Stammobjekt definierten Einstellungen in Comos® sind in allen instanzierten Planungsobjekten verfügbar.


83

Abbildung 57: Rechnergestützte Realisierung der Ausrüstungsauslegung in Comos®

Für die Leistungsberechnung der Pumpen werden beispielsweise der eintretende Volumen-strom und die Dichte des Fördermediums benötigt. Diese Werte können durch Simulationsda-ten eines Prozessstroms von Aspen® Plus nach Comos® importiert und durch eine Verknüp-fung in die entsprechende Felder des Excelberechnungsdatenblattes exportiert werden. Nach-dem die fehlenden Werte sowie die Förderhöhe und der Wirkungsgrad der Pumpe in Comos® oder direkt im Excelberechnungsblatt eingegeben werden, kann die Förderleistung der Pumpe anhand der integrierten Gleichung berechnet werden. Das Ergebnis wird anschließend in das jeweilige Attribut geschrieben (vgl. Abbildung 57).

Außerdem wurden weitere Berechnungsdatenblätter (sowie Volumenberechnung Rührreakto-ren, Short-Cut Dimensionierung für Kolonnen, Berechnung Wärmeübertragerfläche und Be-rechnung von Rohrleitungsdurchmessern) erstellt und in das Programmrahmenwerk integriert.

Zusätzlich zu den Materialbilanzen (s. Kapitel 3.5.1.3) basierend auf den PID Modulen ist somit eine erste Dimensionierung der Ausrüstungen in dem Planungswerkzeug integriert, wo-durch eine Basis für die erste Kostenschätzung geschaffen wird.

3.5.1.3 Erstellung Materialauszüge Nach Abschluss der Auswahl wird aus den einzelnen Entscheidungen automatisch ein fertiges PID Modul für Standardausrüstungen erstellt. Basierend auf den Komponenten dieser einzel-nen PID Module können nun Materialauszüge angefertigt werden, die den Ausgangspunkt für eine anschließende Kostenrechnung darstellen.

Zu diesem Zweck ist die in Comos® vorhandene Funktion "Standardabfragen für die Pla-nungsobjekte" verwendet worden. Standardabfragen sind vorgefertigte Werkzeuge, in denen mittels eines Objektbrowsers bestimmte Daten von Comos® gesucht und bearbeitet werden. Die Oberfläche unterscheidet sich etwas zwischen den Standardabfragen. Im Groben sieht eine Standardabfrage wie folgt aus: Wenn man eine Standardabfrage speichert, dann speichert man keine Daten, sondern nur die Regeln, wie Daten gesucht werden. Wenn also der Daten-


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bestand zwischenzeitlich geändert wird, dann wird auch eine gespeicherte Standardabfrage andere Ergebnisse liefern [12].

Bei Standardabfragen für Planungsobjekte handelt es sich um ein Werkzeug, mit dem man Objekte suchen, anzeigen, sortieren, filtern und bearbeiten kann. Diese Abfragen werden in der Stammobjektesicht in Comos® einmalig unter dem entsprechenden Dokument (PID Re-portvorlage) erstellt und gespeichert (s. Abbildung 58) Somit sind sie für die jeweils dem-nächst zu planenden PID Module verwendbar.

Abbildung 58: Abfragen für die Erstellung der Materialauszüge

Das System ist aufgrund der objektorientierten Struktur offen gestaltet, so dass ohne großen Aufwand weitere Module ergänzt werden können. Die Wissensbasis bzw. die Entscheidungs-bäume und deren Bausteine können jederzeit angepasst bzw. verändert werden, d.h. wenn z.B. eine alternative zusätzliche Lösung für die Ausführung des Temperiersystems implementiert wird, kann dies ohne großen Aufwand geschehen. Zusätzlich kann die implementierte Wis-sensbasis erweitert werden, also z.B. einfach zusätzliche Anforderungen durch firmeninterne “Standards” ergänzt werden.

Sowohl die Zusammensetzung der einzelnen Module als auch die Entscheidungen, welche Module gewählt werden sowie die daraus resultierenden Materialbilanzen werden automati-siert dokumentiert, so dass sie nachvollziehbar bleiben und für weitere Planungsschritte dau-erhaft zur Verfügung stehen. Abbildung 59 zeigt die objektorientierte Implementierung für eine modulbasierte Planung.


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Verfahrensobjekt (PFD) Reaktor

PID Modul Reaktor

Dokumentation der Entscheidungen

Materialbilanzen für Module

Abbildung 59: Materialbilanzen für die Module

3.5.1.4 Konstruktion von 3D-Equipmentmodellen Eine Option die Kostenschätzung zu verbessern und die Aufstellung sowie die Visualisierung von gesamten Anlagen bzw. Anlagenkomponenten auf Basis von entwickelten PID Modulen zu unterstützen, ist die Konstruktion von 3D-Equipmentmodellen und eine damit verbundene dreidimensionale Layoutplanung bzw. Aufstellungsplanung der verfahrenstechnischen Pro-duktionsanlage.

Die Übertragung zweidimensionaler Module in den dreidimensionalen Raum stellt einen zu-sätzlichen Bereich der Anlagenplanung dar. Die Aufstellungsplanung mit Hilfe von 3D Equipmentmodellen und die damit verknüpfte Rohrleitungsplanung durch einen Autorouter wurden bereits in verschiedenen Arbeiten untersucht und wird in der Industrie angewendet. Ziel ist es auch hierbei durch den Einsatz von Wissensbasen die dreidimensionale rechnerge-stützte Realisierung zu vereinfachen sowie teilweise zu automatisieren, um somit Kosten ein-zusparen und die Qualität der Planung zu verbessern [9][26][28][29][32][36][39][50].

Da für alle Ausrüstungen Informationen über den tatsächlichen Platzbedarf in der endgültigen Aufstellung benötigt werden, ist der erste Schritt zur rechnergestützten Layoutplanung das Equipment Modelling. Das Equipment Modelling generiert 3D-Modelle für Ausrüstungen, definiert Anschlusspunkte für die Rohrleitungsverlegung und bildet dabei die Grundlage für das virtuelle Anlagenmodell. Es berücksichtigt neben dem eigentlichen Ausrüstungskörper zusätzliche Räume für die Nahverrohrung sowie Freiräume zur Bedienung, Wartung und Montagezwecke. Die Darstellung des Gesamtplatzbedarfes der Ausrüstung erfolgt durch ei-nen umhüllenden Quader und wird Equipmentmodell (EQM) genannt. Dem EQM einer Aus-rüstung können außerdem die zugehörigen Komponente sowie Leitern, Bühnen und Tragele-mente zugewiesen werden (vgl. Abbildung 60).


86

Abbildung 60: EQM´s einer Pumpenstation und eines Prozessbehälters

Bei der Auswahl und Zusammenstellung der 3D-Module wäre ebenso ein wissensbasiertes Entscheidungssystem (objektorientierter 3D-Modulkonfigurator) sehr hilfreich. Eine solche Software würde den Weg von zweidimensionalen verfahrenstechnischen Modulen zur 3D- Konstruktion der Module wesentlich erleichtern. Eine zusätzliche softwaretechnische Ent-wicklung und die Implementierung eines wissensbasierten Systems, welches die einfache Er-stellung von 3D-Equipmentmodellen unterstützt, würden den Rahmen dieser Arbeit bei wei-tem übersteigen. Da im Vergleich zum Antrag die Projektlaufzeit um 6 Monate gekürzt wur-de, musste die 3D-Modellierung auf Machbarkeitstudien reduziert werden.

Da das Planungsprogramm (Comos®) in der verwendeten Version (Comos Vega 9.0) kein eigenes 3D-Planungsmodul (Comos Viper) mehr besitzt, müsste die 3D-Planung über ein zusätzliches Programm ausgeführt werden. Comos® bietet zwar interaktive Schnittstellen zu gängigen 3D-Planungstools z.B. PDMS von der Firma Aveva, Microstation von der Firma Bentley und PDS von der Firma Integraph, aber in diesen konventionellen Tools sind keiner-lei bestehende Funktionalitäten (z.B. wie Eblock-Technologie in Comos®) für die wissensba-sierte Unterstützung der Layouterstellung vorhanden, so dass die eigentliche Entscheidungs-findung bei der Konzeptfindung vollständig dem Ingenieur überlassen bleibt.

Die 3D-Module bringen insbesondere in dem frühen Planungsstadium wegen der großen Aufwand-Nutzen-Verhältnis keinen weiteren Vorteil für die angestrebte Kostenschätzung, da auf Basis der detaillierten Materialauszüge der PID Module die wichtigsten Kostentreiber weitestgehend identifiziert und berücksichtigt werden können. Für die Visualisierung der ge-planten Anlage sind sie allerdings von Bedeutung, da sie das Anlagenlayout darstellen z.B. an welcher Stelle die Handräder oder Ventile am Apparat angebracht und wie gut diese zur si-cheren Bedienung zugänglich sind. Die Abschätzung der tatsächlich benötigten Feldfläche für die Errichtung der Anlage und erweiterte Optimierungen können damit einfacher erfolgen.

Kopplung PID und EQM Für die rechnergestützte Realisierung der Wissensbasis in dieser Arbeit wäre nun das Ziel, das Equipment Modelling mit der PID- Erstellung und den einzelnen PID Modulen zu koppeln. Über die vorhandenen Schnittstellen können die zweidimensionalen Planungsdaten in den 3D-Planungstools übernommen und die weitere klassische 3D Planung fortgeführt werden. Allerdings wird an der Stelle in erheblichem Maße Datenaufbereitung für die nahtlose Integ-


87

ration der Planungsdaten benötigt, wodurch die Kopplung bei dem Detaillierungsgrad der entwickelten PID Modulen erschwert wird. In der Industrie stellen derartige mappingbasierte Datenintegrationen ein zeit- und kostenaufwändiges Sachgebiet dar.

Machbarkeitsanalyse für die Errichtung eines wissensbasierten 3D-Modulkonfigurators Aus oben erwähnten Gründen wurde in dieser Arbeit für die Errichtung eines wissensbasier-ten 3D-Modulkonfigurators lediglich eine Machbarkeitsanalyse durchgeführt. Diese ergab, dass auf Basis von dimensionierten PID Modulen sowie zusätzlicher Eingabedaten über die Hauptabmessungen (3D-Geometriedaten) die Module parametrisiert werden können. Durch die Verknüpfung von hinterlegten Normen bzw. Designregeln in das Planungstoll wäre es möglich, die 2D-Planungsmodule in 3D zu visualisieren. Aus einer Liste vorgefertigter Stan-dards und hinterlegten Normen wären die Equipment Modelle auszuwählen um optionale Ausführungen festlegen zu können. Außerdem könnte ein Entscheidungsbaum dazu dienen, die Wissensbasis und die Module systematisch zu verwalten. Anhand der zuvor festgelegten Templates, die einmalig erstellt und in das Planungswerkzeug implementiert werden wären, könnten die Module dynamisch in 3D konfiguriert werden. Systematische Ablagestrukturen würden die einfache Wiederverwendung der Module für andere Projekte ermöglichen.

Das grundsätzliche Konzept kann entsprechend der vorgestellten Idee anhand eines Pla-nungsmoduls "Wärmeübertrager" erläutert werden.

Für das Equipment Modelling wäre zunächst neben den Informationen aus dem PID Modul die Eingabe der 3D-Geometriedaten erforderlich. Zusätzlich könnte ein Entscheidungsbaum erstellt werden, der das Design bei der Entwicklung von 3D-Planungsmodulen unterstützt (s. Abbildung 61).

Abbildung 61: Entscheidungsbaum & Designregeln für EQM eines Wärmeübertragers


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Für den Ausrüstungstyp "Wärmeübertrager" könnten weiterhin die Stutzenordnungen (z.B. nach TEMA (Tubular Exchanger Manufactures Association) Standards ausgewählt werden (s. Abbildung 62 grüne Markierung)

Abbildung 62: Stutzenanordnung nach TEMA Standards

Anschließend könnte ein EQM Grundelement (s. Abbildung 63-1) für die 3D-Visualisierung definiert werden.

Aufbauend auf ein EQM Grundelement (in diesem Fall ein Wärmeübertrager bestehend aus rohrseitigen und mantelseitigen Entlüftung- und Entleerungsleitungen mit den entsprechenden Armaturen), mit Hilfe des Entscheidungsbaums (vgl. Abbildung 61) und durch Kombination der zuvor festgelegten Bauteile (s. Abbildung 63-2) könnten in dem Planungsprogramm die 3D-Equipment Modelle (s. Abbildung 63-3) ausgewählt und dynamisch visualisiert werden.


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Abbildung 63: Das Zusammensetzen eines EQM´s für einen Wärmeübertrager

Dafür wurden in Zusammenarbeit mit der Fa. ITandFactory die vorhandenen Programm-strukturen und Funktionalitäten (so wie Bauteilekonfiguration in Cadison) in dem Enginee-ring Tool „Cadison 3D-Designer“ auf die Machbarkeit dieser Idee untersucht. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, das PID in Comos® und seine zugehörigen Daten in xml-Datenformat zu übertragen. Durch die Anbindung der bisher im Rahmen der AiF Projekt 15344 N "Modulbasierte Angebotserstellung" entwickelten Module und Methoden in einem 3D-Designer können die Nutzer in die Lage versetzt werden, auf Grundlage eigenen Erfah-rungswissens ihre eigenen Module zu entwerfen. Ebenso können fremde Kostendaten transpa-rent eingepflegt, durch die Nutzung des Kostenmodells Variantenvergleiche durchgeführt und belastbare Angebote erstellt werden.


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3.5.1.5 Aufstellungsplanung/ Stahlbau/ Rohrleitungen Nachdem die Anbindung von PID Planungsmodulen an 3D Planungsmodulen geschaffen wird, kann die konzeptionelle 3D-Aufstellungsplanung durchgeführt werden. Der gesamte Raumbedarf für die Module kann in Form eines Kubus-Modells bestimmt werden. Zusätzlich zu dieser 3D-Darstellung und des ermittelten Platzbedarfs werden beim Equipment Modelling Anschlusspunkte für die Rohrleitungsverlegung definiert. Auf dieser Basis können die Anla-genkomponenten dann in einem definierten Stahlgerüst mittels Platzierungsregeln aufgestellt werden. Dabei werden die Module, die eine bestimmte verfahrenstechnische Funktion erfül-len, gemäß ihrer Prozessreihenfolge zu einer bestimmten Funktionsgruppe (z.B. Teilanlagen) erfasst und in dem räumlichen Anlagenbereich solange angeordnet, bis sich eine optimale Stellung gefunden ist. Anschließend werden die Anschlüsse entweder einzeln oder über einen vorhandenen Autorouter durch Rohrleitungen miteinander verbunden. Durch die anschließen-de 3D-Detailplanung können die für die Aufstellung benötigte Feldfläche, das benötigte Stahlgerüst, benötigte Rohrleitungen sowie Betonbau genauer ermittelt und anschließend in die Kostenschätzung einbezogen werden.


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3.5.2 Arbeitspaket II: TU-Berlin Das Ziel dieses Arbeitspakets ist der Variantenvergleich und eine auf einer genauen und nachprüfbaren (abgesicherten) Kostenschätzung basierende Angebotskalkulation. Dabei wird auf die Module aus dem Arbeitspaket der TU Dortmund zurückgegriffen.

Der für das Projekt tätige wissenschaftliche Mitarbeiter hat gemäß nachfolgender Darstellung das wissenschaftliche Arbeitsprogramm bearbeitet. Die studentischen Hilfskräfte haben das Projekt bei der Work-Flow-Integration unterstützt. Die geleistete Arbeit war für den Projekt-fortschritt nötig und angemessen.

3.5.2.1 Modulare Kostenschätzung

Planungsphasen und Kostenschätzung Trotz unterschiedlicher Bemühungen sind die einzelnen Planungsphasen nicht standardisiert. Die Variantenvielfalt der Gliederungen orientiert sich an den Organisationsstrukturen und Verfahrensabläufen in den Unternehmen. Unterschiede in der Benennung und Anzahl der Planungsphasen und den zugehörigen Meilensteinen werden von verschiedenen Autoren her-ausgearbeitet [1][6]. Als sehr umfangreiche Übersicht stellt Abbildung 64 beispielhaft ver-schiedene klassische Kostenschätzmethoden den verschiedenen Planungsphasen nach Blaß [6] gegenüber.

Abbildung 64: Planungsphasen und Kostenschätzung nach Blaß [6]

Allen Strukturen gemeinsam ist der zunehmende Detaillierungsgrad über die Projektlaufzeit und die zunehmende Qualität der Kostenschätzung – bis hin zur Kalkulation.


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Modularisierung - eine modifizierte rechnergestützte Angebotsbearbeitung Grundlage dieses Projektes ist die modulare Planung. Dabei umfassen die Module der Haupt-ausrüstung die Nahverrohrung, die Armaturen und die Instrumentierung. Die Modularisierung ist eine geeignete Methode, um die hohe Genauigkeit späterer Planungsphasen bereits in der rechnergestützten Angebotsbearbeitung zur Verfügung zu stellen, wie im folgenden aufge-zeigt wird:

Mit zunehmendem Projektfortschritt nimmt die Genauigkeit der Kostenschätzung zu. Die Ungenauigkeit der Kostenschätzung für eine klassische Verfahrensentwicklung wird im lin-ken Bild von Abbildung 65 gezeigt. Die Planungsphasen und zugehörigen Genauigkeiten sind den AACE-Richtlinien [1] entnommen worden. Das rechte Bild zeigt die erzielbaren Genau-igkeiten einer modularen Planung. Dabei werden für die notwendigen Anpassungen der Mo-dule im Einsatzfall ein Bedarf von 20% Neuentwicklung angenommen. Dieser Wert von 20% wird als Flexibilitätsgrad bezeichnet und wurde im Rahmen eines direktgeförderten bilatera-len Industrie-Hochschulprojektes (TU Berlin-Fa. Uhde – Modularisierung der Elektrolysean-lagen) ermittelt. Für diese Neuentwicklungen gelten die selben Schätzfehler wie für das linke Teilbild, also gemäß den AACE-Richtlinien in [1]. Allerdings nur entsprechend ihrem Anteil am Gesamtprojekt von 20%. Zusätzlich wird den Kostenschätzungen der fertigen Module ein erwarteter Fehler von 5% zugestanden, entsprechend dem Modulumfang von 80% also 4% der Gesamtsumme.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

1

+50%

-30%

+30%

-20% -15%

+20% +15%

-10%

erwartete Genauigkeit [lt. AACE]:

Study or Feasibility

Basic Engineering

Detail Engineering

Extended Basic EngineeringExtended Basic Engineering

New

dev

elop

men

t

+50%-30%+50%-30%

Cos

ts [%

]

0

20

40

60

80

100

120

140

160

1

+10,8%

Vorh

ande

nM

odul

eN

eue

Ent

wic

klun

gen

+/-4% +/-4%

+10%-6%

+/-4%

+4%+6%

+/-4%

+3%-2%

UnsicherheitenGesamtkosten

-7,2%

+7,2%

-5,7%

+5,7%

-5%

+5%

-4,5%

Unsicherheitenvorhandene Module+/-4%+/-4%

Unsicherheitenneue Entwicklungen

+10%-6%+10%-6%+10%-6%

Study or Feasibility

Basic Engineering

Detail Engineering

Extended Basic EngineeringExtended Basic Engineering

-3%-4%

Cos

ts [%

]

Abbildung 65: Erwartete Genauigkeit bei klassischer Verfahrensentwicklung gemäß den AACE-Richtlinien [1] und bei einem modularen Ansatz nach Hady [24]

Da bei einer Addition die Quadrate der absoluten Fehler zum absoluten Fehlerquadrat der Summe addiert werden, führt der Einsatz von Modulen unter den genannten Bedingungen zu einem Schätzfehler von nur noch +10,8%/-7,2% in der ersten Planungsphase! Diese Genauig-keit liegt weit höher, als die mit der klassischen Verfahrensentwicklung und den zugehörigen klassischen Kostenschätzmethoden erreichbaren Genauigkeit!

3.5.2.2 Datenmodellierung

Datenmodellierung mit Ontologien Zur Verknüpfung von verschiedenen Werkzeugen ist es sinnvoll, ein übergeordnetes Werk-zeug einzusetzen. Dadurch ist es möglich, die Anzahl der Schnittstellen erheblich zu minimie-ren. Dafür bietet sich die Datenmodellierung mit Ontologien an. Ein weiterer erreichbarer Vorteil dieser Art der Datenmodellierung ist die Möglichkeit, Wissensmanagementsysteme aufzubauen, deren Regeln innerhalb der Ontologie mit dem kommerziellen Werkzeug OntoStudio® relativ einfach zu formulieren sind. Diese erstellten Regeln können durch die integrierte Referenzmaschine OntoBroker® ausgewertet werden und den Nutzer bei der Durchführung komplexer Suchanfragen unterstützen.


93

Abbildung 66: Datenmodellierung mit OntoStudio®

Abbildung 66 zeigt die beispielhafte Implementierung des Datenmodells auf der Grundlage des schon vorhandenen Datenmodells „CLiP - Conceptual Lifecycle Process model“ der RWTH Aachen in einer Ontologie. Diese Ontologie enthält nicht nur das Datenmodell, dass hauptsächlich durch Konzepte, deren Attribute und den verschiedenen Relationen zueinander beschrieben wird. Sie beinhaltet auch die Daten (Instanzen), die entweder in OntoStudio® direkt eingetragen werden oder massenverarbeitungstauglich als z.B. Excel-Listen angebun-den werden.

Die Hauptelemente des hier verwendeten Teilmodells Plant, so wie auch in Abbildung 67 zu sehen, werden unter an-derem von Bayer, Krobb und Marquardt in [2] vorgestellt: Plant Items, wie Equipment und Pipe werden um zusätzliche Elemente wie Fixtures und Nozzles ergänzt.

Abbildung 67: Hauptelemente des Teilmodells Plant nach Bayer, Krobb und Marquardt [2]


94

Datenmodellierung in Comos® Bereits zu einem frühen Zeitpunkt während der Projektlaufzeit wurde die datenbank-basierende CAE-Anwendung Comos®, mit deren Hilfe Planungsdaten in einer Datenbank gespeichert und bearbeitet werden können, in den Workflow integriert. Das Planungswerk-zeug erfuhr zur Projektlaufzeit weitreichende Verbesserungen:

So besteht nun die Möglichkeit, die Ergebnisse der Prozesssimulationen in das Planungspro-jekt zu übernehmen. Dabei können sowohl Informationen über die Ausrüstungsgegenstände als auch über die Prozessströme eingelesen und damit weitergenutzt werden.

Abbildung 68: Beispielprozess in Aspen Plus®

Abbildung 69: Beispiel, PID, importiert in Comos®

Abbildung 70: 3D-Layout in Comos®


95

Abbildung 68 zeigt einen Prozess, wie er mit dem kommerziellen Prozesssimulator Aspen Plus® erstellt wurde. Dieser Prozess kann aus Aspen Plus® heraus in eine xml-Datei expor-tiert und dann in Comos® wieder importiert werden. Das Ergebnis dieses Imports ist in Abbildung 69 zu sehen. Mit Hilfe von Templates kann schnell ein 3D-Layout entworfen wer-den, so wie es Abbildung 70 zeigt.

Ebenfalls verbessert wurde die Anbindung an das Standardwerkzeug Excel. Einerseits können nun Reports an Excel übergeben werden, die auch ohne eine Comos®-Installation bearbeitet werden können. Diese Reports können dann anschließend in Comos® zurück importiert wer-den. Andererseits ist es nun auch möglich, externe Dokumente (Excel-Tabellen) den Co-mos®-Objekten (Pumpen, Wärmetauscher, …) zuzuordnen und mittels Mapping-Tables Fel-der in den Tabellen mit Attributen von Comos®-Objekten schreibend, lesend oder auch bi-direktional zu verknüpfen.

Eine weitere Verbesserung des Planungswerkzeugs sind die eBlocks. „eBlocks sind spezielle Baugruppen, also eine Menge von Objekten, die einen gemeinsamen Zweck besitzen (Funkti-onseinheit). eBlocks verfügen über die Fähigkeit, sich automatisch in unterschiedlichen Um-gebungen einfügen und dort anpassen zu können (Plug&Execute). Mit den eBlocks hat die Fa. innotec die Möglichkeit geschaffen, über einen firmenspezifischen Baukasten funktio-naler Einheiten eine Gesamtanlage zu konfigurieren. Alle zur Spezifizierung der Funktions-einheiten erforderlichen Aufgaben für die Hardware und Software sind im eBlock enthalten.“ [51]

Comos® erfuhr also mit dem Versionssprung eine Reihe von Verbesserungen. Weil dadurch die Daten der Simulation bereits im Planungswerkzeug zur Verfügung stehen und zur Mini-mierung der Schnittstellenanzahl zwischen den einzelnen Teilen des Rahmenwerks, wurde die Wissensbasis als Entscheidungsbäume in Comos® implementiert. Unter Berücksichtigung der oben genannten Verbesserungen ist diese Maßnahme vorteilhaft. Weiterhin wäre für die alter-native Lösung mit OntoStudio® und OntoBroker® eine zusätzliche Client-Applikation zu programmieren gewesen, welche die Daten aus dem Planungswerkzeug mit geeigneten Fra-gen an die Ontologie verknüpft. Dafür sind bisher keine Lösungsansätze vorhanden.

3.5.2.3 Eigener Lösungsansatz – modulare Kostenschätzung

Integration im Rahmenwerk Die Kostenschätzung besteht aus 2 Excel-Dateien, welche auch unabhängig von Comos® nutzbar sind. Jedoch bietet die Integration im Rahmenwerk Zugriff auf die Daten aus der Si-mulation und der Auslegung des Equipments. In Abbildung 71 wird die Integration im Rah-menwerk verdeutlicht: Neben den Berechnungsdatenblättern für die Standardausrüstungen ist zusätzlich zur eigentlichen Kostenschätzung eine Datenbasis mit Altdaten implementiert.

Die beiden Excel-Dateien (Datensammlung xls. und OCM- Gesamtanlage xls.) sind ebenso als Anhang in elektronischer Form (DVD) beigefügt.


96

Aspen Plus®Pro cess Eng ine ering

Co mos® FEEDProcess Flow Diagra m

Co mos® FEEDPiping and Ins trumentation Diagram

Co mos® FEEDCon ce ptua l Mo del

Deci sion Tree / Knowledge RulesSelecti on of prefabricated modul es for

standardized equipment

O ffe nes Sy ste m

Ohn e R es erve pu mpe mit Res erv epu mp e

Ohn e Q zu lmin

Ab sich eru ng

S au glei tung ni cht eva kuie rt

Ke ine sich ere En tlüf tun g

O hne R V

Sic her e E ntlü ftun g

R V

Res erv epu mp e

pro duk tge füll tQz ulm in Abs ich erun g

S au glei tung ni cht eva kuie rt

Ke ine sich ere En tlüf tun g

Sic her e E ntlü ftun g

S tän dig er B y-P as s

R V

O hn e R V

St änd ige r By -Pa ss mit F RL V

O hn e Q zul min Ab sich eru ng

Sa ugle itun g e vak uie rt

Sau gle itun g e vak uie rt

Sa ugl eitu ng nich t

e vak uier t

Ke ine sic her e E ntlü ftun g

Sic he re E ntlü ftu ng

Sa ugl eitu ng eva kuie rt

Qz ulm in A bs iche run g

S tän dig er B y-P as s

S aug leit ung nic ht e va kuie rt

Sau gle itun g e vak uie rt

Stä nd iger By -Pa ss mit F RL V

G em eins ame B y-p ass L eitu ng

Get ren nte By- pas s L eitu ng

R ese rve pum pe nic ht p rodu ktg efü llt

O hne Qz ulm in A bsi che run g

Q zul min Ab sich eru ng

n ich t Vo llau tomat

umf ahr en

R V

ohn e R V

voll aut oma t u mfa hre n

Sau gle itun g n icht eva kui ert

Sa ug leitu ng eva kui ert

nich t V olla utomat

um fahr en

R V

oh ne RV

vo llau tom at umfahr en

Sa ugle itu ng e vak uie rt

S au glei tun g ni cht eva kui ert

K ein e s iche re Ent lüftu ng

S ich ere Ent lüft ung

S aug lei tung ev aku iert

Sa ugl eitu ng nich t

e vak uier t

Kei ne s ich ere En tlüft ung

Sich ere En tlüf tun g

G em ein same B y-p ass L eitu ng

Ge tren nte By -pa ss L eitu ng

G emein sam e B y-p ass L eit ung

Ge tren nte By -pa ss

L eit ung

AE _1 A3

AE _1 A2

AE _1B 1

AE _1 A1

AE _0 A2

A E_ 0A3

AE _0 A1

AE _0 B1

A E_ 1B2 AER 1C 3

AE R1 C1

AE R1 C2 AE R1 D1

AE R1 D2 AE R1E 2

AE R1E 1

A ER 0E 3AE R1 D4

A ER 1D 3

AE R1 E4

A ER0 E3

AE R0 E1

AE R0 E2

A ER1 F1

A ER0 F2

A ER 0F1

AER 1F 4

A ER1 F2

AE R1 F3

Cost Estimationa nd -ca lcu la tio n

Ma te ria l Abstract

Ave va PDMS™

Datenbasis

Microsoft Office Exce l Worksheet


Datenbasis

Microsoft Office Exce l Worksheet


Kostenschätzung


Kostenschätzung mitParametrischen Funktionen

Kostenschätzung


Kostenschätzung mitParametrischen Funktionen

Auslegung

Microsoft Office Excel Workshee t

Berechnungsdatenblätter für die

Standardausrüstungen

Auslegung

Microsoft Office Excel Workshee t

Berechnungsdatenblätter für die

Standardausrüstungen

Abbildung 71: Integration der Kostenschätzung im Rahmenwerk

Diese globale Datenbasis ist über einen Eintrag im Kostenschätzblatt mit dem Projekt ver-knüpft. Über diese Verknüpfung sind auch unterschiedliche Blickwinkel auf die Kostenstruk-turen einstellbar, da die Altdaten im Kontext des jeweiligen Anwenders stehen.

Um vorhandene Kostendaten für aktuelle Kostenschätzungen verwenden zu können, sind zu-sätzlich Preisindizes wie CEPCI [10] und Kölbel-Schulze Index [11] exemplarisch hinterlegt. Mit diesen Preisindizes können die Altdaten auf den Zeitpunkt der Kostenschätzung bzw. Beschaffung normiert werden. Der sehr bekannte Index „Chemical Engineering Plant Cost Index“ (CEPCI) wird monatlich aktualisiert [10] und in der Zeitschrift „Chemical Enginee-ring“ veröffentlicht. Wie auch der in Deutschland vierteljährlich veröffentlichte Kölbel-Schulze-Index [11] basiert er auf einer gewichteten Auswahl offizieller behördlicher Indizes.

Die Ermittlung aktualisierter Kosten aus den Altdaten erfolgt während der Kostenschätzung mit dem Verhältnis von aktuellem Indexwert zu dem entsprechenden alten Index:

alt

aktuellaltaktuell Indexwert

IndexwertKostenKosten =

In der Datenbasis sind nicht nur die gesamten Indizes hinterlegt und damit während der Kos-tenschätzung abrufbar, sondern auch die Teilgruppen.

Die eigentliche Kostenschätzung wird im hier vorgestellten Rahmenwerk an jedem zu schät-zenden Comos®-Objekt als Verknüpfung angebracht, wie in Abbildung 72 zu sehen. Diese Verknüpfung zeigt immer auf die gleiche Excel-Datei. Jedoch werden über Mapping-Tables individuell Equipment-Typ und Preistreiber an Excel übergeben und der wahrscheinlichste Schätzwert an Comos® zurück. Dort kann er dann mit den herkömmlichen Massenabfragen ausgewertet werden.


97

Abbildung 72: Anbindung an Comos®


98

Schätzung der Investitionskosten Grundlage für die Kostenschätzung sind das Flowsheet und die Daten der Prozesssimulation. Sie enthalten die nötigen Preistreiber wie Medien, Rohrklassen und Spezifikationen. Die Ge-nerierung des modulbasierten, objektorientierten R&I-Fließbildes wird im Kapitel 3.5.1 Arbeitspaket I: TU-Dortmund beschrieben.

Abbildung 72 zeigt nicht nur die Anbindung an Comos®, sondern auch das eigentliche Excel-Datenblatt zur Kostenschätzung. Die Listenfelder werden erst zur Laufzeit aus der ange-schlossenen Datensammlung generiert. Diese Flexibilität ermöglicht eine kontinuierliche Vergrößerung der Datenbasis, ohne die Notwendigkeit, die Listenfelder vorab zu füllen oder nach einer Veränderung der Datenbank anpassen zu müssen.

Exemplarisch realisiert sind lineare und potenzielle Interpolationskurven. Wie in dem Dia-gramm in Abbildung 72 auch zu sehen ist, wird nicht nur der Preis als Funktion des Preistrei-bers bestimmt. Ausgehend von einer geforderten Wahrscheinlichkeit für das Schätzergebnis wird für jeden Punkt auch ein Minimalwert und ein Maximalwert errechnet. Größere gefor-derte Wahrscheinlichkeiten führen zu einem größeren Schätzintervall.

Die Schätzgenauigkeit lässt sich auf 2 Arten erhöhen: Einmal führen viele Altdaten in der Nähe der aktuellen Schätzung zu einer Minimierung des Schätzfehlers. Andererseits führt erarbeitetes Detail-Know-How auch zu einer genaueren Schätzung: Abbildung 73 zeigt links mit dem großen Ergebnisbereich die ungenaue Schätzung einer unspezifizierten Pumpe, rechst hingegen wurden Pumpentyp und Dichtungsmaterial definiert (Chemienormpumpe mit einfacher Gleitringdichtung). Trotz der Verringerung an möglichen Altdaten, ergibt sich eine genauere Schätzung, da nur noch die Pumpenleistung als Preistreiber funktioniert.

aktuelle Kosten[€], CEPCIy = 2469,5x0,2644

R2 = 0,5701

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

0 10 20 30 40 50 60 70Leis tung[k W]

Kos

ten

[EU

R]


R2 = 0,984 6

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 10 20 30 40 50 60 70Leis tung[k W]

Kos

ten

[EU

R]

Abbildung 73: Vergleich von unterschiedlichem Detail-KnowHow

Die optional mögliche Ermittlung der Modulzuschläge für die direkten Nebenpositionen ist in Abbildung 74 zu dargestellt. Für die Modulzuschläge wurde Lehrbuchwissen von Peters und Timmerhaus [52] in der Datenbasis hinterlegt Sie können hier global für das ganze Unter-nehmen angepasst und erweitert werden. Die einzelnen Zuschläge können auch für das kon-krete Modul angepasst werden. In der Datenbasis ebenfalls hinterlegte Plausibiltätsgrenzen führen bei Überschreitung zu einem Farbumschlag bei den veränderten Nebenpositionen und erhöhen so die Aufmerksamkeit des Nutzers beim Verändern der Werte abweichend vom Standard.


99

Diese Modulzuschläge haben den Charakter einer Fall-Back-Sicherung: Normalerweise er-möglicht die modulare Kostenschätzung durch die Auswahl der Module über die oben ge-nannten Entscheidungsbäume sehr genaue Angaben über die einzelnen Nebenpositionen.

Anteile der M odulkosten [€]

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Kost

en [€

]

A pparate und Maschinen

Montage A pparate und Maschinen

Rohrleitungsmaterial

Montage der Rohrleitungen

Isolierung und A nstrich

Elektronisches Material

Montage der Elektronischen Einrichtung

MSR

MSR-Montagematerial

Montage MSR

Gebäude, Apparategerüste

Baunebenkosten

0 %

10 %

20 %

30 %

40 %

50 %

60 %

70 %

80 %

90 %

1 00 %

An

teil

[%]

Anteile der Modulkosten [%]Ba un eb e nko st en

G eb äu de , A pp ar a te ge rü st e

M on ta ge MSR

M SR-M on ta ge ma ter ia l

M SR

M on ta ge de r Ele ktr o nisc h en Ein r ic ht un g

Elekt ro nis ch es M ate r ial

Is olier u ng u nd An st ric h

M on ta ge de r Roh r leitu ng en

Ro hr leit un gs ma ter ia l

M on ta ge Ap pa r ate u nd M as ch ine n

A pp ar a te un d Mas c hine n

Abbildung 74: Optionale Ermittlung der direkten Nebenpositionen

Abbildung 75 bestätigt die Notwendigkeit, vom Anwender aus die eigene Sicht auf die Kos-ten zusätzlich zum Lehrbuchwissen einzubringen. Die meisten Methoden enthalten nur den einfachen Zusammenhang „größere Fläche ergibt teureren Wärmetauscher“. Nur Aspen Icarus kann genormte, häufig verwendete Standardgrößen als deutlich günstigere Alternative zu kleineren Sonderanfertigungen aufzeigen. Hervorzuheben sind hier die Preise für 150m² und 160m² Oberfläche.

Abbildung 75: Geschätzte Gesamtkosten für TEMA-Wärmetauscher als Funktion der Fläche für verschiedene Schätzmethoden nach Taal, Bulatov et al. [67]


100

Wenn es dieses Einsparpotential bei Standardgrößen aus Sicht des Anwenders gibt, dann kann die in diesem Rahmenwerk hinterlegte Datenbank im Kontext des jeweiligen Anwenders die-ses Einsparpotential abbilden.

Schätzung der Betriebskosten Die Ermittlung der Betriebskosten erfolgt über die technischen Verbrauchsmengen (Strom, Wasser, …) zusammen mit den in der Datenbasis hinterlegten Verrechnungspreisen für die jeweilige Verbrauchsmenge. Die Eingabehilfe aus Abbildung 76 unterstütz den Anwender im hier gezeigten Fall zum Beispiel bei der Ermittlung des Jahresverbrauchs einer 30kW-Pumpe mit 90% Auslastungsfaktor. Die Pumpe läuft also entweder 90% des Jahres mit Volllast (und ansonsten gar nicht) oder sie läuft das ganze Jahr über mit 27kW.

Abbildung 76: Eingabehilfe zur Bestimmung des Jahresverbrauchs verschiedener Betriebsmittel

Stochastik Wie zuvor gesehen, sind sowohl die aus der Schätzung resultierenden Investitionskosten als auch die in der Datenbank hinterlegten Verrechnungspreise für die jeweiligen Verbrauchs-mengen keine Einzelwerte, sondern Preisspannen mit einem wahrscheinlichsten Modalwert.

Abbildung 78 zeigt die im Rahmenwerk für die Kapitalwertanalyse verwendete dreiecksver-teilte Kostenfunktion: alle möglichen Preise befinden sich zwischen dem Minimum und dem Maximum, der Modalwert kennzeichnet den Preis mit der höchsten Wahrscheinlichkeit und dieser Preis befindet sich in der Nähe des Minimums (linksschief). Damit kann mit nur 3 Zah-len eine realistische Preisstruktur aufgebaut werden: Minimum und Maximum in der Daten-basis beschränken den Bereich aller möglichen Preise, der Modalwert wird sich in der Nähe des Minimums befinden, da sich die Marktteilnehmer auf einen günstigen Preis einigen wer-den wollen.


101

Abbildung 77: Dreiecksverteilte Kostenfunktion

Kosten 1 Kosten 2 Summe

Abbildung 78: Summe von 2 dreiecksverteilten Kostenfunktionen

Die Summe von 2 dreiecksverteilten Kostenfunktionen ähnelt einer Normalverteilung, wie in Abbildung 78 zu sehen ist. Die mathematische Begründung dafür liefern die zentralen Grenzwertsätze, zu finden unter anderem in [23]: Die (normierte und zentrierte) Summe einer großen Zahl von unabhängigen, identisch verteilten Zufallsvariablen ist annähernd (stan-dard)normalverteilt. Dies erklärt die Sonderstellung der Normalverteilung und die Nutzbarkeit der Dreiecksverteilung für die Kostendaten.

Wirtschaftlichkeitsanalyse Mit dem hier vorgestellten Rahmenwerk ist es möglich, auf Grundlage der Prozesssimulation, mit Hilfe der Entscheidungsbäume und den daraus resultierenden Modulen belastbare Kosten für den Kapitalbedarf abzuschätzen und damit Variantenvergleiche durchzuführen. Das Re-sultat sind optimale Anlagendesigns sowohl in Hinsicht auf Investitions- als auch auf Be-triebskosten.

Nachfolgende Formel für die Berechnung der jährlichen Gesamtkosten setz sich aus investiti-onsabhängigen Kostenarten, aus betriebsmittelverbrauchsabhängigen Kostenarten, aus den Personalkosten und den sonstigen Kosten zusammen. Mögliche Erlöse für Kuppelprodukte müssen vom Aufwand angezogen werden.


102

Hierin bedeuten:

K (€/a) Jährliche Gesamtkosten

I (€) Kapitalbedarf der Investition

ad (1/a) Prozentsatz für die Ermittlung der investitionsabhängigen Kosten d∈D

ΔId (€) Änderungen des Kapitalbedarfs der Investition I bei den Kostenarten d∈D

mv (ME/a) Technische Verbrauchsmenge (Strom, Wasser, …)

pv (€/ME) Verrechnungspreis für die jeweilige Verbrauchsmenge

Ab (Beschäftigte) Personalbedarf einer Art

pb (€/a und Beschäftigtem) Zugehörige Personalkosten

Cs (€/a) Sonstige Kosten

Eu (€/a) Erlöse für Kuppelprodukte

Abbildung 79 zeigt die Modulkosten, aufgeschlüsselt nach Nebenpositionen. Wie bereits vor-ab beschrieben, sind diese Kosten dreiecksverteilt und haben einen wahrscheinlichsten Wert (Modalwert). Da die Abschreibung die investitionsabhängigen Kosten beeinflusst und nicht alle Kostenarten abschreibbar sind, wird über ein Ja/Nein-Auswahlfeld die Abschreibungs-möglichkeit festgelegt. Standardwerte sind in der Datenbasis hinterlegt und können dort vom Anwender für alle Projekte angepasst und erweitert werden. Eine Änderung nur für das aktu-elle Projekt ist in der folgenden Eingabemaske möglich:


103

Abbildung 79: Modulkosten, aufgeschlüsselt nach Nebenpositionen

Grundsätzlich gibt es keine allgemein „beste“ Abschreibungsmethode, da die Wahl der geeig-neten Abschreibungsmethode von den Zielen der Bilanzpolitik abhängt. Zwar soll die Bilanz ein möglichst realistisches Bild der finanziellen Situation des Unternehmens widerspiegeln, aber nicht zuletzt von der Wahl der Abschreibungsmethode ist der Wert des abnutzbaren An-lagevermögens abhängig. Über den eigentlichen Wertverlust hinausgehende Abschreibungen führen zu stillen Reserven. Abschreibungen mindern als Betriebsausgabe den zu versteuern-den Gewinn, prinzipiell werden nur netto Anschaffungskosten oder die netto Herstellungskos-ten abgeschrieben.

Beispielhaft implementiert im Rahmenwerk ist die lineare Abschreibung, d.h. der Restbuch-wert des Vermögensgegenstandes, der abgeschrieben wird, sinkt linear, bis er am Ende der Nutzungsdauer den Wert 0 erreicht. Verteilt auf die Nutzungsdauer wird also in jedem Jahr der gleiche Betrag abgeschrieben.


104

Wie aus Abbildung 80 ersichtlich, werden zur Bestimmung der monatlichen Gesamtaufwen-dungen außer den investitionsabhängigen Modulkosten und den jährlichen Betriebskosten der Einzelmodule zusätzlich noch jährliche Betriebskosten der Gesamtanlage, Personalkosten und sonstige Kosten bestimmt.

Abbildung 80: Monatliche Gesamtaufwendungen inklusive Abschreibungen

Die Ermittlung der investitionsabhängigen Kostenarten erfolgt unabhängig von der Art der Finanzierung (eigen- oder fremdfinanziert), deshalb wird hier nur exemplarisch der sich erge-


105

bene durchschnittliche Zinssatz betrachtet. Eine Erweiterung und Anpassung des Datenmo-dells an die Bedingungen im Unternehmen des Anwenders ist leicht vorzunehmen.

Abbildung 81: Berechnungsdatenblatt für die Wirtschaftlichkeitsanalyse

Mit den voraussichtlichen Werten für Nutzungsdauer, Bauzeit, Zins- und Steuersatz lässt sich mit dem Berechnungsdatenblatt Abbildung 81 die Armotisationszeit und der erwartete Kapi-talwert am Ende der Nutzungsdauer bestimmen. Für diese „Punktlandung“ wird mit dem Mo-dalwert eines jeden Preises gerechnet. Abbildung 82 zeigt die Entwicklung des Kapitalwertes über die Nutzungsdauer an einem Beispiel auf. Deutlich zu erkennen sind die Anfangsinvesti-tion von ca. 80000€, die 3-jährige Bauzeit, die Armotisationszeit von 7 Jahren Betrieb (10 Jahre ab Investitionsbeginn) und der erwartete Kapitalwert von 60000€ am Ende der Nut-zungszeit.


106

erwarteter Kapitalwert

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

0 5 10 15 20 25

Zeit[a]

Kapi

talw

ert [

tsd€

]

Abbildung 82: Erwarteter Kapitalwert im zeitlichen Verlauf

Monte-Carlo-Simulation Um nun mit den Kostendaten Chancen und Risiken abwägen zu können wurde die Methode der Monte-Carlo-Simulation genutzt. Dabei wird nicht nur eine Berechnung vorgenommen, sondern es werden mehrere tausend Varianten ausgewertet. Dabei werden die Einzelwerte bei jedem Durchlauf entsprechend ihrer Häufigkeitsverteilung zufällig bestimmt.

Das Ergebnis dieser Simulationsläufe ist in Abbildung 83 zu sehen. Deutlichster Unterschied zur Berechnung im vorigen Kapitel ist Bestimmung von Häufigkeitsverteilungen. Zwar erge-ben fast die Hälfte aller möglichen Rechnungen ebenfalls eine Armotisationszeit von 10 Jah-ren (mit Bauzeit), aber in ca. 1,212% aller Fälle armotisiert sich diese Investition überhaupt nicht. In diesen seltenen Fällen stehen den maximalen Anlagenkosten die minimalen Einnah-men gegenüber.


107

Abbildung 83: Bestimmung von Kapitalwert und Armotisationszeit mit der Monte-Carlo-Simulation

3.5.2.4 Module Mit dem vorab vorgestellten eigenen Lösungsansatz wurden verschiedene Module preislich abgeschätzt. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf die Ermittlung der potentiellen Preis-treiber gelegt.

Pumpenmodule Abbildung 84 zeigt geschätzte Modulpreise in Abhängigkeit vom 3D-Layout und vom Nenn-durchmesser. Für die Schätzung mit dem in Kapitel 3.5.2.3 vorgestellten Rahmenwerk wur-den 3D-Layouts basierend auf Vorarbeiten von Hady [24] genutzt. Die angegebenen Preise der Module sind reine Apparatepreise ohne die eigentlichen Pumpen, ohne Motoren und ohne Frequenzumrichter.

Ausführung/ Layout

Horizontal-horizontal

Horizontal-vertikal 1

Horizontal-vertikal 2

Vertikal-vertikal 1

Vertikal-vertikal 2

DNDruck/DNSaug

100/150 26850 € 25150 € 27700 € 25300 € 27900 €

150/200 40200 € 37800 € 40750 € 38150 € 41150 €

200/250 58050 € 55300 € 58650 € 55850 € 59250 €

Abbildung 84: Preise für verschiedene Pumpenmodule in Abhängigkeit vom Nenndurchmesser


108

Der Nenndurchmesser wird bestimmt durch die Fördermenge, die Pumpenleistung hingegen hängt neben der Fördermenge auch von der Förderhöhe ab. Mit den in Abbildung 84 vorge-stellten Nenndurchmessern sind üblicherweise Pumpenleistungen von 3 bis 11 kW kombi-nierbar. Passende Pumpenpaare mit Motoren und Frequenzumrichter wurden mit dem in Ka-pitel 3.5.2.3 vorgestelltem Rahmenwerk und der darin enthaltenen Datenbasis folgenderma-ßen abgeschätzt:

3,0 kW 7900 € 5,5 kW 10650 € 7,5 kW 12500 € 11 kW 15150 €

Für das gesamte Pumpenmodul, also die Kombination aus Pumpen mit Antrieben und Nah-verrohrung, ergeben sich damit die größten Preistreiber Nenndurchmesser und Anschluß-leistung. Die Art der Ausführung trägt nicht so sehr zum Modulpreis bei. Für die uns vorlie-genden Daten ergibt sich folgende Erklärung: Während der Nenndurchmesser bei jedem Rohrleitungsabschnitt und jeder Armatur als Preistreiber auftritt, unterscheiden sich die ver-schiedenen 3D-Layouts oftmals nur in 2 zusätzlichen Krümmern und ein wenig Stahlbau.

Wenn zusätzlich zu den 3D-Layouts noch Varianten der Entscheidungsbäume aus Kapitel 3.5.1.1 betrachtet werden, dann rücken noch mehr preistreibende Komponenten ins Blickfeld, wie Abbildung 85 zeigt:

Ausführung/ Modultyp

DNDruck/DNSaug

„Standard“ (Durchschnitt aller 3D-Varianten)

PI PI

Zusätzlich mit Mindest-menge

PI PIPI PI

Vollausbau mit Mindest-menge und Kühlanschluß und Spülung

100/150 Ca. 26600 € + 10400 € + 13350 €

150/200 Ca. 39600 € + 11900 € + 14800 €

200/250 Ca. 57400 € + 15250 € + 18150 €

Abbildung 85: Preise für verschiedene Pumpenmodule, abhängig von der PID-Variante

Abbildung 85 zeigt auch die Notwendigkeit, die Preistreiber in den Modulen bereits frühzeitig zu bestimmen. So lassen sich die unterschiedlichen Nenndurchmesser nicht durch nur einen Modulzuschlag preislich den Pumpenleistungen zuordnen.


109

Pumpenleistungen von 3kW, kombiniert mit großen Nenndurchmessern ergeben einen Mo-dulzuschlag von 1,76. Werden hingegen große Pumpen (11kW) in Modulen mit kleinen Nenndurchmessern verbaut, um beispielsweise große Förderhöhen zu ermöglichen, dann be-trägt der Modulzuschlag für „Standard-Module“ 7,27.

Abweichungen vom Standard sind bei kleineren Modulgrößen relativ teuer zu realisieren im Verhältnis zum gesamten Modulpreis. Dies ist nicht weiter verwunderlich, da viele Abwei-chungen, wie zum Beispiel die Spülanschlüsse, einen über die verschiedenen Modulgrößen hinweg konstanten Anteil haben.

Wärmetauscher Ebenfalls abgeschätzt wurden verschiedene Varianten von Wärmetauschern. Beispielhaft sind in Abbildung 86 die Kennzahlen für verschiedene Kondensatoren und Verdampfer angege-ben. Die 3D-Layouts basieren wiederum auf Vorarbeiten von Hady [24]. Hauptunterschied zwischen den beiden Verdampfervarianten ist die Art der Heizdampfzuführung: bei Variante 1 wird der Heizdampf rohrseitig zugeführt, bei Variante 2 mantelseitig. Mit den in der Daten-basis hinterlegten Altdaten kristallisiert sich die Fläche als hauptsächlicher Preistreiber für diese Art von Modulen heraus.

Ausführung/ Layout

Kondensator Verdampfer Typ 1 Verdampfer Typ 2

Fläche 160 m² 300 m² 300 m²

Modulpreis 45500 € 70500 € 70500 €

Wärmetauscher 30000 € 50000 € 50000 €

Verrohrung 15500 € 20500 € 20500 €

Abbildung 86: Preise für verschiedene Wärmetauschermodule in Abhängigkeit vom Layout


110

Die Schätzung der Modulpreise erfolgte methodisch mit den hinterlegten Altdaten. Weitere Kostentreiber wie Materialien (z.B. Edelstahl) und Druckstufen (z.B. 30bar) können in der Datenbasis hinterlegt werden, wurden aber bei der Untersuchung der Layouts nicht betrachtet.

3.5.2.5 Benchmark Die Methodik der modularen Kostenschätzung wurde mit realen Kostendaten überprüft. Zu-sammen mit den Projektpartnern wurde als Vergleichs-Prozess eine Miniplant an der TU-Berlin ausgewählt. 2 Punkte beeinflussten diese Entscheidung hauptsächlich:

• Die während der Arbeit an der Miniplant ermittelten Daten unterliegen bei ihrer Ver-öffentlichung nicht solch strengen Vorschriften wie unternehmensspezifische Kenn-zahlen.

• Wegen der Größe der Anlage sind diese Daten leichter auf andere Projekte zu übertra-gen, als es Daten von Anlagen im Labormaßstab wären.

OCM-Reinigungsanlage Der Exzellenzcluster „Unifying Concepts in Catalysis“ (UniCat) wurde im Jahr 2007 im Rahmen der Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder gegründet. In diesem interdis-ziplinären Forschungsverbund arbeiten 250 Chemiker, Physiker, Biologen und Verfahrens-techniker aus vier Universitäten und zwei Max-Planck-Instituten aus Berlin und Brandenburg zusammen. Im Bereich C4 des Clusters ist eine Umsetzung der im Labor erzielten Ergebnisse für die Katalysetechnik in den Technikumsmaßstab vorgesehen. Hierfür wurde eine Miniplant zur katalytischen Umwandlung von methanhaltigem Erdgas in Ethylen errichtet. Der Prozeß ist in 3 Abschnitte unterteilt, wie in Abbildung 87 zu sehen: Reaktion, Reinigung und Pro-dukttrennung.

Abbildung 87: Fließbild der OCM-Miniplant [55]

Der Reinigungsteil besteht aus Absorber und Desorber für eine Monoethanolamin (MEA) Gaswäsche zur CO2 Abtrennung. Dieser Abschnitt wurde zuerst realisiert und dient als Ver-gleichsprozess für die modulare Kostenschätzung.


111

Beispielhaft für die Methodik wird im Folgenden die Schätzung der Investitionskosten für einen Wärmetauscher dargestellt:


R2 = 0,5531

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

Fläche[m²]

Kos

ten

[EU

R]

Abbildung 88: Schätzung des Plattenwärmetauschers W2 mit 0,4 m²

Die Ermittlung der Investitionskosten eines Plattenwärmetauschers mit 0,4m² Austauschflä-che für die OCM-Reinigungsanlage zeigt Abbildung 88. Die Altdaten für bis zu 1,5m² wurden aus 2 realisierten Projekten an der TU-Berlin ermittelt. Lediglich der Eintrag bei 0,4m² und 830€ gehört zum OCM-Projekt und dient der Veranschaulichung der Schätzung.

Bei einer geforderten Wahrscheinlichkeit von 75% wird ein Preis von 900€ für den genannten Wärmetauscher W2 geschätzt. Die große Abweichung zwischen Minimum und Maximum ist auf den zum Zeitpunkt der Schätzung noch unspezifizierten Wärmetauscher zurückzuführen: Qualitative Unterschiede, bedingt durch unterschiedliche Herstellungsverfahren verwischen in der Punkteschar ebenso wie unterschiedliche Preise für Sonderanfertigungen und Massenpro-dukte.

Aufgrund von strukturellen Unterschieden im Aufbau der Kostendaten kann nicht von jedem Equipment einzeln der Schätzwert mit dem tatsächlich realisierten Anschaffungspreis vergli-chen werden. Während sich die Positionen der Schätzung streng am R&I orientieren, sind die tatsächlichen Daten gruppiert nach Gewerken und Hersteller.

Für die gesamte Reinigungsanlage werden Equipmentkosten von 398 547,50€ geschätzt. Die tatsächliche Investition beläuft sich auf 412 243€. Der Schätzfehler von 3,5% liegt innerhalb der Erwartungen aus Kapitel 3.5.2.1 Modulare Kostenschätzung.

Die Dokumentation der Kostenschätzung (Datensammlung xls. und OCM- Gesamtanlage xls.) ist ebenso als Anhang in elektronischer Form (DVD) beigefügt.

Forschungsziel/Ergebnisse/Lösungsweg Gegenüberstellung der erzielten Ergebnisse

112

3.6 Gegenüberstellung der erzielten Ergebnisse

mit den Zielvorgaben aus dem Antrag

In diesem Kapitel sollen die Projektergebnisse mit der Zielsetzung des Antrags verglichen werden. Hierzu werden die Zielvorgaben aus dem Antrag im Einzelnen aufgeführt und bewer-tet:

„Analyse der Strukturen und Abläufe der Angebotserstellung und Entwicklung geeig-neter Methoden für eine modifizierte rechnergestützte Angebotsbearbeitung“

Interviews mit den Projektpartnern und Besuche vor Ort bei ihnen ermöglichten die Analyse der Angebotserstellung. Die erworbenen Kenntnisse sind in die Methodik der Modularisie-rung mit eingeflossen.

„Erarbeitung eines für die Angebotserstellung sinnvollen Datenmodells auf Grundla-ge schon vorhandener Ansätze (insbesondere das Datenmodell „CLiP“ der RWTH Aachen), Erfassung und Aufbereitung von Wissen für die Erstellung der Wissensbasen für das WMS (z. B. Erstellung PIM und EQM)“

In den Diskussionen mit den Projektpartnern wurde das Datenmodell "CLIP" der RWTH Aachen und der Aufbau der Wissensbasis in Form von Ontologien dem eigenen Datenmodell gegenübergestellt. Die Realisierung mit dem kommerziellen Planungswerkzeug Comos® hat sich dabei als sinnvoller herausgestellt.

„Erfassung und Aufbereitung von Wissen für die Erstellung der Wissensbasen für das WMS (z. B. Erstellung PIM und EQM)“

Interviews mit den Industriepartnern einerseits und die Untersuchung zahlreicher Fließbilder von realisierten verfahrenstechnischen Anlagen andererseits führten zum Aufbau der Wis-sensbasis. Diese wurde direkt in das kommerzielle Planungswerkzeug Comos® 9.0 eingebun-den.

„Einbindung eines leistungsfähigen Prozeßoptimierers (MINLP, Evolutionsstrategie)“

In den Gesprächen mit Industriepartnern hat sich herausgestellt, dass Sensivitätsberechnungen eine deutlich höhere Akzeptanz als rigorose Optimierungen erfahren. Deswegen wurde auf die bereits bestehende Implementierung der verschiedenen Fahrfälle in Comos® zurückge-griffen.

„Definition geeigneter spezifischer Kostenmodelle insbesondere für Equipment, Stahl-bau und Rohrleitungen, welche Aussagen zur statistischen Belastbarkeit und Genauig-keit der Investitionskosten ermöglichen.“

Mit Hilfe von freiverfügbaren Kostendaten [15] und von eigenen Altdaten konnten geeignete spezifische Kostenmodelle für Equipment, Stahlbau und Rohrleitungen erstellt werden. Diese Kostenmodelle ermöglichen Aussagen zur statistischen Belastbarkeit und Genauigkeit der Investitionskosten.

„Erzeugung von Datenbankelementen für Module und Templates für RI-Module als auch 3D-Equipment-Modelle sowie deren Implementierung in das Rahmenwerk. Für die Ermittlung der Modulkosten sind geeignete Methoden zur Erfassung und Struktu-


113

rierung von Daten aus vorhandenen Datenbanken unter Verwendung der angespro-chenen Mappingtechnologie zu entwickeln.“

Bei der Implementierung der Planungsmodule wurden alle erforderlichen Datenbankelemente erarbeitet. Die einzelnen technischen Lösungen können in Form von Templates abgelegt wer-den, so dass sie später zu einem funktionalen Gesamtmodul zusammengefasst werden kön-nen. Unter Einsatz der Mappingtechnologie können die Module über MS Excel dimensioniert werden. Um in dem objektorientierten Planungstool bequem auf die in anderen Datenbanken enthaltenen Kostendaten zugreifen zu können, wurde ebenfalls der Ansatz der Mapping-technologien verfolgt.

„Entwicklung geeigneter Kostenmodelle für die Abschätzung von speziellen oder sel-tenen Equipmenttypen, die eine besondere Kenntnis erfordern und erhebliche Schwie-rigkeiten für die Erstellung einer umfangreichen Datenbasis bereiten (z. B. Reaktoren, Ejektoren usw.)“

In dem Kostenschätzsystem wurden offene und erweiterbare Strukturen berücksichtigt. Bei der Entwicklung der Kostenmodelle für spezifische Ausrüstungen kann auf Erfahrungen und auf bereits abgeschlossene Projekte zurückgegriffen werden. Die Methodik für eine statisti-sche Analyse ist vorhanden. Alle Preistreiber sind in der Datenbank individuell definierbar.

„Möglichkeit der Berücksichtigung firmeninterner und fremder Standards und Daten bei der Modularisierung und Kostenmodellierung (z. B. von Herstellern und Lieferan-ten)“

„Implementierung geeigneter Rohrklassen und der dazugehörigen Rohrleitungsteile wie Absperrarmaturen, Rückschlagklappen“

Bei der Entwicklung des Programmrahmenwerks wurden für die Wissensbasen der Module sowohl firmeninterne als auch fremde Standards (z.B. Werksnormen) berücksichtigt. Für die Kostenmodellierung stehen exemplarisch einige Alt-Daten zur Verfügung. Aufgrund der Of-fenheit des Systems sind die Module und deren Kostendaten erweiterungsfähig und anpass-bar.

„Erweiterte Zielfunktionen unter Einfluss von Kapitalbedarf und Betriebskosten mit den zugehörigen Entscheidungsvariablen“

„Entwicklung eines geeigneten Kostenmodells für den Gesamtkapitalbedarf“

Investitions- und Betriebskosten sowohl von Einzelmodulen als auch von ganzen Anlagen gehen in die Berechnung von Kapitalwert und Armotisationszeit als Zielfunktion ein. Mit Hilfe der Monte-Carlo-Simulation werden deren Verteilungsfunktionen bestimmt, um Chan-cen und Risiken einzelner Alternativen abschätzen zu können.

„Entwicklung eines geeigneten einfachen Systems zur Erfassung und Berechnung der Betriebs-Kosten“

Ebenso wie die aus Alt-Daten geschätzten Investitionskosten haben auch die Betriebskosten eine statistische Häufigkeitsverteilung. Diese wurde in Form einer Dreiecksverteilung exem-plarisch und leicht verständlich implementiert.

„Wissensbasierter Entwurf von R&I-Fließbildern für Standardprozessmodule auf der Grundlage der verfahrenstechnischen Anforderungen mittels eines PID-Module-


114

Modellers (PIM). Der wissensbasierte Entwurf der RI-Module ist hierarchisch struk-turiert und soll aus verschiedenen Subsystemen bestehen. Dabei muss sichergestellt sein, dass jeder RI-Entwurf fehlerfrei und technisch sinnvoll ist. Zusätzlich werden hierdurch Voraussetzungen für projektspezifische Standardisierungen geschaffen.“

Die Wissensbasis wurde in Form von hierarchischen Entscheidungsbäumen abgebildet, um sicherzustellen, dass jederzeit nur fehlerfreie und technisch sinnvolle Module ausgewählt werden (s. Kapitel 3.5.1.1).

„Wissensbasierter Entwurf der 3D-Planungsmodule in einem Equipment-Modeller (EQM) auf der Grundlage der im CAPD-System bereits vorhandenen Module. Die Equipmentmodule stimmen mit der durch die PI-Module vorgegebenen prozesstechni-schen Funktion überein.“

„Manueller oder wissensbasierter Aufstellungsentwurf für einen gegebenen Stahlbau als Grundlage zur Ermittlung der Kosten für die verbindenden Rohrleitungen.“

„Erzeugung eines Stahlbaukonzeptes mit Materialauszug auf Grundlage statischer Berechnungen.“

„Automatische Verlegung der Rohrleitungen, die die EQMs verbinden unter Berück-sichtigung von Rohrtrassen und Bestimmung der Rohrleitungskosten.“

„Kopplung von PFD und EQM für die Auslegung der Ausrüstung“

Die technische Machbarkeit dieses Vorgehens ist exemplarisch gezeigt worden. Eine umfas-sendere Bearbeitung dieser Punkte erfolgte aufgrund der massiven Kürzung der Projektlauf-zeit im Vergleich zum Antrag nicht (s. Kapitel 3.5.1.4).

„Generierung eines Modells zur effektiven und belastbaren Kostenanalyse und für Sensitivitätsbetrachtungen“

Mit dem Programmrahmenwerk wurden verschiedene Module generiert. Besonderes Augen-merk wurde auf die Sensitivitätsbetrachtung und die belastbaren Kostenschätzungen gelegt (s. Kapitel 3.5.2.4)

„Implementierung einer vereinfachten Wirtschaftlichkeitsrechnung“

Auf Grundlage der Prozesssimulation, mit Hilfe der Entscheidungsbäume und der daraus re-sultierenden Module ist es möglich, eine Wirtschaftlichkeitsanalyse und damit einen Varian-tenvergleich durchzuführen. Die Realisierung der Wirtschaftlichkeitsanalyse wird innerhalb von Kapitel 3.5.2.3 dargestellt.

„Realisierung des Datentransfers von der Optimierschicht und Simulationsschicht“

„Erstellung von Schnittstellen zwischen den einzelnen Ebenen der Softwareumge-bung“

Für die Realisierung des Datentransfers von der Prozesssimulation konnte auf einen vorhan-denen xml-Importer zurückgegriffen werden. Die auf beiden Seiten der Schnittstelle notwen-digen Anpassungen wurden vorgenommen.


115

„Realisierung einer Fehlererkennung und Dokumentation, um belastbare Aussagen treffen zu können“

Durch die Revision einer Planung können verschiedene Bearbeitungsstände (erstellt von, ge-prüft von, freigegeben) gesichert werden und bleiben im Workflow überprüfbar. Durch eine rechnergestützte Dokumentation des Entscheidungsweges bleibt die Planung jederzeit nach-vollziehbar. Dies trägt zur Qualitätssicherung bei. Durch zusätzliche Hilfetexte wird der An-wender in seiner Entscheidungsfindung unterstützt.

„Auswahl eines geeigneten Prozesses in Absprache mit der Industrie“

Zusammen mit den Projektpartnern wurde als Vergleichsprozess die Miniplant der TU-Berlin zur katalytischen Umwandlung von methanhaltigem Erdgas in Ethylen ausgewählt (s. Kapitel 3.5.2.5)

Die problem- und lösungsbestimmenden Parameter für die Erstellung der Planungsmodule wurden durch Literaturrecherchen und Interviews mit erfahrenen Anlageningenieuren erfasst. Die so erworbene Wissensbasis für die Modularisierung wurde in Form von Entscheidungs-bäumen dargestellt und im Planungstool methodisch implementiert. Die offenen Strukturen in dem Programmrahmenwerk und die entwickelte Methodik bieten den Benutzern die Möglich-keit, die implementierte Wissensbasis zu erweitern und entsprechend eigene Module zu ent-werfen. Durch die modulare Anlagenplanung kann schon in der frühen Basic Engineering Phase mit einem großen Detaillierungsgrad geplant werden. Das baukastenorientierte System kann um weitere Designoptionen erweitert werden, so dass schnell und effizient mehrere An-lagenvarianten erzeugt werden können. Es wurde die Möglichkeit aufgezeigt, die Wissensba-sis in einem kommerziellen Planungstool umzusetzen, ohne auf zusätzliche Software nur für die Wissensbasis zurückgreifen zu müssen. Im Anschluss an die modulare Planung können die Varianten mit der modularen Kostenschätzung miteinander verglichen werden. Durch die modulare Kostenschätzung mit einer Datenbasis im Kontext des Anwenders konnte die Ge-nauigkeit und Belastbarkeit der darauf basierenden Kalkulationen verbessert werden.

Im Berichtszeitraum haben die wissenschaftlichen Mitarbeiter planmäßig ihre Arbeiten durchgeführt. Da allerdings die Realisierung des Datenmodells aufwendiger als erwartet war und die dadurch entstandene Verzögerung in 2008 nicht aufgeholt werden konnte, wurde in 2009 ein Antrag auf kostenneutrale Laufzeitverlängerung gestellt. Die an den beiden For-schungsstellen geleisteten Arbeiten waren für den Projektfortschritt notwendig und angemes-sen. Es wurde dazu die bewilligte Lizenz (OntoBroker) benötigt und beschafft. Leistungen Dritter waren nicht beantragt.

Die Mitglieder des Projektbegleitenden Ausschusses diskutierten abschließend die erzielten Projektergebnisse und stellten fest, dass die geplanten Projektziele erreicht wurden. Das For-schungsvorhaben wurde von vielen Projektpartnern aus der Industrie aktiv unterstützt. Dafür bedanken sich die durchführenden Forschungsstellen bei allen projektbeteiligten Partnern aus der Industrie.

Forschungsziel/Ergebnisse/Lösungsweg Ausblick

116

3.7 Ausblick Die Idee der Modularisierung im Planungsprozess wurde erfolgreich realisiert.

Wie in Kapitel 3.5.1.4 bereits beschrieben, wurde die Kopplung der automatisierten, modula-ren PID- Erstellung mit der Konstruktion von 3D-Equipmentmodellen (wissensbasierter 3D-Modulkonfigurator) bisher allerdings nur ansatzweise realisiert. Daher kann ein erstes Ziel weiterführender Arbeiten sein, eine geeignete Methodik zur Verknüpfung des zweidimensio-nalen und dreidimensionalen Anlagendesigns zu entwickeln.

Bevor die Verknüpfung des 2D- und 3D-Bereiches realisiert wird, sollte jedoch zunächst überprüft werden, inwieweit verfahrenstechnische Produktionsanlagen mit der vorgestellten Methode des modularen Anlagendesigns im industriellen Maßstab abgebildet werden können. Zu diesem Zweck könnten die Module und die modulare Kostenschätzung an einer existie-renden Anlage außerhalb der Universitäten angewendet werden.

Eine mögliche Erweiterung des Workflows zeigt die Abbildung 89.

Aspen Plus®

Prozesssimulation

Aspen Plus®

Prozesssimulation

Comos® FEED

PFD

Comos® FEED

PFD

Materialauszugenthält

Kostentreiber

Wissensbasiertes System & PID Entwürfe

Auswahl vorgefertigterModule für Standardausrüstungen

Datenbasis



Datenbasis



Kostenschätzung

Microsoft Office Excel WorksheetKostenschätzung mit

parametrischen Funktionen

Kostenschätzung

Microsoft Office Excel WorksheetKostenschätzung mit

parametrischen Funktionen

Kostenkalkulationssystem

Auslegung



Auslegung



Comos® FEED

PID

Comos® FEED

PID

3D-Planung

(Cadison 3D-Designer,

Aveva PDMS™,

Equipment Modelling

Aufstellung

Stahlbau

Rohrleitungen

Wissensbasierter 3DModulkonfigurator

Auswahl vorgefertigterEQM´s für Standardausrüstungen

• Entscheidungsbaum

• Eingabedaten

• Hinterlegte Normen

• zuvor festgelegte Bauteile

Wissensbasierter 3DModulkonfigurator

Auswahl vorgefertigterEQM´s für Standardausrüstungen

• Entscheidungsbaum

• Eingabedaten

• Hinterlegte Normen

• zuvor festgelegte Bauteile

Abbildung 89: Entwurf eines modularen Planungskonzeptes mit 3D-Anbindung

Die in den einzelnen kmU vorhandenen Datenbasen können zukünftig in das Rahmenwerk aufgenommen werden. Ebenfalls ist eine Nutzung unterschiedlicher Simulationswerkzeuge möglich. Diese Anbindung kann jeder Nutzer selbst vornehmen. Die hier exemplarisch mit Comos® vorgestellte Lösung ist auf andere Systeme übertragbar, Ansätze unter IT&Factory Cadison wurden vorbereitet.

Wirtschaftliche Bedeutung des Forschungsthemas Voraussichtliche Nutzung

117

4 Wirtschaftliche Bedeutung des Forschungsthemas für kleine und mittelständische Unternehmen (kmU)

4.1 Voraussichtliche Nutzung

der angestrebten Forschungsergebnisse

Aus den Bereichen Anlagenbau und der chemischen Industrie fehlen häufig die personellen und zeitlichen Ressourcen zur Erstellung genügend genauer Angebote und zur Erhebung und Aktualisierung von Kostendaten. Durch das Programm-Rahmenwerk werden die Nutzer in die Lage versetzt, auf Grundlage eigener oder fremder Kostendaten transparent durch die Nutzung eines detaillierten Kostenmodells und einer anpassbaren Umgebung Variantenver-gleiche durchzuführen und belastbare Angebote zu erstellen. In den bilateralen Gesprächen bei den Kooperationspartnern und in den Workshop an der TU Berlin und der TU Dortmund wurde die Bedeutung und der Nutzen des Projektes durch die Industrie hervorgehoben.

4.2 Möglicher Beitrag zur Steigerung

der Leistungs- und Wettbewerbsfähigkeit der kmU

Die kmU müssen durch den steigenden internationalen Konkurrenzdruck und durch die Glo-balisierung wesentliche Ressourcen in die Akquisition mit den Bestandteilen Anlagenentwurf und Angebotskalkulation investieren. Das wesentliche Nutzungspotential besteht vor allem darin, die Qualität der Angebotserstellung und die Planung für verfahrenstechnische Anlagen zu verbessern sowie die Planungskosten zu senken. Dies wird erreicht durch den rechnerge-stützten Entwurf der detaillierten Funktionsplanung sowie die Berücksichtigung von erprob-ten Standardausrüstungen für einzelne Ausrüstungen. Die dazu entwickelte Methodik greift einige, aber nicht alle möglichen Varianten auf. Der Aufbau von Modulen für die firmenin-ternen spezifischen Ausrüstungen im eigenen Planungswerkzeugen sowie von allumfassenden kompletten Datenbanken obliegt den jeweiligen Anlagenplanern, Kostenschätzern bzw. deren IT-Unterstützung.

Beim Ausbau des Rahmenwerks ist zu berücksichtigen, dass aus praxistauglichen Gründen firmenseigenen Werksnormen und Rohrklassen im System integriert werden können.

Beabsichtigte Umsetzung der angestrebten Forschungsergebnisse Veröffentlichungen

118

5 Beabsichtigte Umsetzung der angestrebten For-schungsergebnisse

Das Forschungsvorhaben wurde federführend von der AiF-Mitgliedgesellschaft DECHEMA e.V. sowie der GVT e.V. getragen.

Die Forschungsergebnisse sind in bekannten Fachzeitschriften (z.B.: Chemie Ingenieur Tech-nik, Chemie Technik, Chemie-Anlagen und Verfahren) publiziert (s. Kapitel 5.1) und auf ver-schiedenen Tagungen (z.B.: Berlin-Aachener Symposium „Informationstechnologien für Entwicklung und Produktion in der Verfahrenstechnik“) vorgestellt worden. So sind sie der Industrie generell zugänglich. Die Ergebnisse in Form des ausführlichen Abschlussberichtes werden interessierten Firmen (insbesondere kmU) zur Verfügung gestellt. Für interessierte Anwender sind separate Demonstrationen und Schulungen vorgesehen. Zahlreiche Industrie-kontakte bestehen bereits und sollen in Zukunft weiter vertieft werden. Der Transfer der For-schungsergebnisse in die Lehre hat bei den Studierenden zu einer Bewusstseinsbildung für die Vorteile der modulbasierten Anlagenplanung geführt. Zu dem Thema wurden zwei Diplom-arbeiten durchgeführt [47][76]. Die Übertragung der Forschungsergebnisse in die industrielle Praxis wird hierdurch katalysiert.

5.1 Veröffentlichungen

5.1.1 Artikel / Poster G. Wozny, C. Lühe "Support for plant design with a modular concept”, Czasopismo Technic-zne. Mechanika 2008, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej im. Tadeusza Kościuszki, Krakau, 2008, Seiten: 203-208

G. Wozny, C. Lühe "Modular Cost Estimation”, Poster für das Meeting mit dem Scientific Advisory Board für den Exzellenzcluster UniCat, Berlin, 5. März 2009

H. Schmidt-Traub, G. Schembecker, H. Uzuner "Wissensbasierter Entwurf von R&I-Fließbildern (PID’s) auf Basis von Modulen" , Chemie Ingenieur Technik 81, Wiley-VCH Verlag, Weinheim, September 2009, Seite:1096

5.1.2 Vorträge G. Wozny, C. Lühe, Vortrag “Modular cost estimation for an integrated engineering system” auf der 17. Internationalen Konferenz "Verfahrenstechnik und chemischer Apparatebau", 8.10.2008, Krakau

H. Schmidt-Traub, G. Schembecker, H. Uzuner, Präsentation der Zwischenergebnisse für die Firma Comos Industry Solutions "Modulbasierter Ansatz zur Planung verfahrenstechnischer Anlagen ", 24.11.08, Bad Honnef

G. Schembecker, "Die 50% Idee", Jahrestreffen der Fachgemeinschaft Prozess-, Apparate- und Anlagentechnik, 24.11.08, Bad Honnef

H. Schmidt-Traub, G. Schembecker, G. Wozny, C. Lühe, H. Uzuner "Treffen des projektbe-gleitenden AiF-Arbeitskreises", 08.12.2008, Technische Universität Berlin

H. Schmidt-Traub, G. Schembecker, H. Uzuner, "Modulbasierter Entwurf von R&I-Fließbildern (PID’s)", Gemeinsame Sitzung der Arbeitsausschüsse „Rechnergestützte Anla-

Beabsichtigte Umsetzung der angestrebten Forschungsergebnisse Veröffentlichungen

119

genplanung“ und „Pipes, Valves and Pumps“, 12.02.2009 im DECHEMA-Haus, Frankfurt am Main

H. Schmidt-Traub, G. Schembecker, G. Wozny, H. Uzuner, C. Lühe, Vortrag "Informations-technische Unterstützung der Anlagenplanung für die Angebots- und frühe Basic Engineering Phase durch ein modulares Planungskonzept", 26.-27. März 2009, Berlin-Aachener Symposi-um "Informationstechnologien für Entwicklung und Produktion in der Verfahrenstechnik, Berlin

G. Wozny, C. Lühe, Vortrag "Informationstechnische Unterstützung der Anlagenplanung für die Angebots- und frühe Basic Engineering Phase durch ein modulares Planungskonzept", 1. April 2009, Sitzung des Arbeitsausschusses „Cost Engineering“ im DECHEMA-Haus, Frank-furt am Main

H. Schmidt-Traub, G. Schembecker, G. Wozny, C. Lühe, H. Uzuner "2.Treffen des projekt-begleitenden AiF-Arbeitskreises", 05.06.2009, Technische Universität Dortmund

G. Wozny, C. Lühe, Vortrag "Informationstechnische Unterstützung der Anlagenplanung für die Angebots- und frühe Basic Engineering Phase durch ein modulares Planungskonzept", 9. Oktober 2009, Sitzung des Arbeitsausschusses „Cost Engineering“ im DECHEMA-Haus, Frankfurt am Main

G. Wozny; „Stand und Tendenzen im Anlagenbau“, Unternehmensworkshop 28. Januar 2010 Fraunhofer IFF Magdeburg

5.1.3 Präsentationen / Workshops H. Schmidt-Traub, G. Schembecker, G. Wozny, C. Lühe, H. Uzuner "3. Treffen des projekt-begleitenden AiF-Arbeitskreises", 30.10.2009, Technische Universität Dortmund

G. Schembecker, H. Uzuner, „Wissensbasierter Entwurf zur modularen Planung verfahrens-technischer Anlagen“, Präsentation der Forschungsergebnisse, 09.02.2010, Uhde GmbH, Dortmund

G. Schembecker, G. Wozny, C. Lühe, H. Uzuner "4. Treffen des projektbegleitenden AiF-Arbeitskreises", 19.02.2010, Technische Universität Berlin

G. Schembecker, G. Wozny, C. Lühe, H. Uzuner "Abschlußbericht und Vorstellung des Pro-grammrahmenwerks zum Forschungsvorhaben AIF/IGF-Nr: 15344 N „Informationstechni-sche Unterstützung der Anlagenplanung für die Angebots- und frühe Basic Engineering Phase durch ein modulares Planungskonzept“ 25. Februar 2010, Gemeinsame Sitzung der Arbeitsausschüsse "Rechnergestützte Anlagenplanung" und "Pipes, Valves and Pumps" im DECHEMA-Haus, Frankfurt am Main

Förderung

120

6 Förderung Das Forschungsvorhaben wurde aus Haushaltsmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) gefördert.

7 Bibliographische Daten

7.1 AiF-Mitgliedsvereinigung DECHEMA Deutsche Gesellschaft für Chemisches Apparatewesen, Chemische Technik und Biotechnologie e.V. Theodor-Heuss-Allee 25 60486 Frankfurt am Main

7.2 Durchführende Forschungsstellen

Forschungsstelle Leiter Projektleiter

Technische Universität Berlin Fachgebiet Dynamik und Betrieb technischer Anlagen Straße des 17. Juni 135/ Sekr. KWT 9 10623 Berlin

Prof. Dr.-Ing. Günter Wozny Prof. Dr.-Ing. Günter Wozny

Technische Universität Dortmund Lehrstuhl für Anlagen- und Prozesstechnik Emil-Figge-Strasse 70 44221 Dortmund

Prof. Dr.-Ing. G. Schembecker

Prof. Dr.-Ing. H. Schmidt-Traub

Berlin, den

Ort, Datum Unterschrift des Leiters und Stempelabdruck

der Forschungsstelle

Dortmund, den

Ort, Datum Unterschrift des Leiters und Stempelabdruck

der Forschungsstelle

Literaturverzeichnis

121

8 Literaturverzeichnis

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