Prüfer: Prof. Dipl.- Ing. Richard Kuttenreich, (MBA)

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1 Seminararbeit Fakultät für Maschinenbau und Verfahrenstechnik Master Umwelt- und Verfahrenstechnik WiSe 2011/2012 Daniel Wagner (927857) Markus Seitz (927853) Wirtschaftlichkeitsbetrachtung einer Destillationsanlage Prüfer: Prof. Dipl.- Ing. Richard Kuttenreich, (MBA) Thema erhalten am: Abgabedatum:

2 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis... II Abbildungsverzeichnis... III Tabellenverzeichnis... IV Abkürzungsverzeichnis... V 1.0 Einleitung (Markus & Daniel) Verfahrensbeschreibung (Markus & Daniel) Anlagenbeschreibung (Markus & Daniel) Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der Anlagenimplementierung Kostenvergleichsrechnung (Markus & Daniel) Gewinnvergleichsrechnung (Markus & Daniel) Rentabilitätsrechnung (Markus & Daniel) Amortisationsrechnung (Markus & Daniel) Fazit (Markus & Daniel) II

3 Abbildungsverzeichnis Abbildung 2.1 Verfahrensschema Batch und fraktionierte Destillation... 2 Abbildung 3.1 Schnittzeichnung einer 12 Liter und 25 Liter Destillationsanlage von Tieser. 5 Abbildung 4.1 Grafische Darstellung der kritischen Menge beim Kostenvergleich Schnittzeichnung... 9 III

4 Tabellenverzeichnis Tabelle 4.1 Grunddaten der verschiedenen Destillationsanlagen... 6 Tabelle 4.2 Kostenvergleichsrechnung... 7 Tabelle 4.3 Fortsetzung Kostenvergleichsrechnung... 8 Tabelle 4.4 Gewinnvergleichsrechnung... 9 IV

5 Abkürzungsverzeichnis VOC LM volatile organic compound Lösemittel V

6 1.0 Einleitung In Bezug auf die Anforderungen des Umweltamts sind viele produzierende Unternehmen verpflichtet, eine VOC-Reduzierung (volatile organic compound) im Unternehmen umzusetzen. Bei VOC s handelt es sich meistens um Lösemitteldämpfe die durch reinigen, entfetten von Bauteilen bzw. Werkzeugen erzeugt werden. Dabei könne z.b. anfallende Gesamtemissionen sich aus den Arbeitsbereichen Beschichten und Reinigen zusammensetzen. Im Bereich der Lackierpistolenreinigung fallen vor allem Lacke, Verdünner und Lösemittel (für Reinigungszwecke) an. Vor allem Lösemittel, die zum Reinigen der Lackierapplikationen (Lackierwerkzeug) benötigt werden, stellen die Hauptemittenten von VOC dar. Aus diesem Grund ist die Betrachtung einer Lösemittelaufbereitung, welches zur Applikationsreinigung anfällt, durch eine Destillationsanlage zu regenerieren. Durch die Verwendung von lösemittelarmen Lacken (High-Solid- und Ultra-High-Solid-Lacke), mit einem erhöhten Festkörperanteil, werden die meisten Lösemittelverbräuche durch das Reinigen der Applikationstechnik hervorgerufen und aus diesem Grund nicht weiter betrachtet. Aus ökonomischer und ökologischer Sichtweiße muss das eingesetzte Lösemittel im Kreislauf geführt werden. Das besagt, dass das verunreinigte Lösemittel im Bereich der Lackierapplikationsreinigung aufbereitet werden soll, um mit diesem Regenerat erneut zu reinigen. Somit soll eine ökologische und ökonomische Reinigung für den Lösemitteleinsatz im Bereich des Beschichtens gefunden werden. Hierfür wird Wirtschaftlichkeitsbetrachtung für eine Destillationsanlage durchgeführt, dabei sollen die verschiedenen Anlagentypen eines Herstellers auf ihre Amortisationszeit und der Vergabe durch ein externes Aufbereitungsunternehmen (Lohndestillation) untersucht werden. Ziel dieser Arbeit stellt die wirtschaftliche Betrachtungsweise zur Anlagenbeschaffung dar, dabei spielen folgende Punkte eine wesentliche Rolle: - Beschreibung des Vorhabens - Techn. Skizzen, Bilder - Kostenvergleichsrechnung - Gewinnvergleichsrechnung - Rentabilitätsrechnung - Amortisationsrechnung - geplanter Personaleinsatz, Lohnkosten - Dienstleistungskosten Seite 1

7 2.0 Verfahrensbeschreibung Ein geeignetes Verfahren zur Lösemittelrückgewinnung ist die diskontinuierliche Destillation. Hier handelt es sich um ein thermisches Trennverfahren von binären Gemischen. Durch ein gezieltes Verdampfen und anschließendes Kondensieren der Lösemittel werden die unterschiedlich großen Siedepunkte (Dampfdruck-Unterschiede sind groß) der einzelnen Komponenten ausgenutzt. Als technischer Standard werden in der Praxis z.b. in Lackierereien oder Schreinereien Destillationsanlagen zur Aufbereitung von Lösemitteln, die mit Lacken verschmutzt wurden, im kleinen oder im großen Maßstab eingesetzt. Das Verfahrensprinzip zur Batchdestillation sowie zur fraktionierten Destillation zeigt die Abbildung 2.1 detaillierter. Für eine gute Reinigungsleistung der aufbereiteten Lösemittel ist eine Trennung der einzelnen Komponenten nicht erforderlich, sofern das Lösemittel durch ein Geeigneteres zu substituieren ist. Bei der thermischen Aufbereitung von Lösemitteln, die mit Lacken verunreinigt wurden, können geringe Konzentrationen von Lacklösemitteln im Waschlösemittel enthalten sein. Diese Lacklösemittel können gegebenenfalls eine Aufbereitung durch Destillation erschweren. Ein schonenderes Aufbereiten der Lösemittel durch Destillation kann durch Vakuum erreicht werden. Durch das Evakuieren der Atmosphäre im Behälterinneren ist ein automatisches Befüllen der Kolonne realisierbar. Eine solche Vakuumeinheit eignet sich nur bei Lösemitteln mit einer Siedetemperatur > 200 C, sowie wärmeunbeständigen Lösemitteln (chlorierte Lösemittel), um eine Zersetzung des Lösemittels zu verhindern. Kondensator Zulauf Lösemittel Auffangbehältnis Verdampfer Destillat (Erzeugnis) Abbildung 2.1 Verfahrensschema Batch und fraktionierte Destillation Seite 2

8 Falls sehr hohe Anforderungen an die Reinheit des Destillates gestellt werden, empfiehlt sich die Aufbereitung mittels Rektifikation. Die Rektifikation dient zur thermischen Trennung eines Flüssigkeitsgemisches mit kleinem Siedepunktunterschied (Dampfdruck Unterschiede sind gering). Hier wird ein Teil des Kondensates zurück in die Kolonne geführt, welches im Gegenstrom zu den aufsteigenden, leichter flüchtigen Komponenten mit Leichtsiedern in die Dampfphase gelangt. Somit ist eine Anreicherung der schwersiedenden Komponenten im Sumpf und der leichtsiedenden Komponenten im Kopf der Kolonne sichergestellt. Aufgrund der höheren Anlageninvestitionen wird für einfache. Als Destillat sind hauptsächlich Niedrig- und Mittelsieder zu erwarten. Im Sumpf (Rückstand) bleiben die Festkörper sowie die schwerer flüchtigen Komponenten des LM zurück. Dabei werden die Rückstände im Sumpf sehr hart und können so an die Behälterinnenwand anbacken. Damit ein solches Anbrennen verhindert wird, kommen sogenannte Folienbeutel zum Einsatz. Mit der Verwendung des Beutels können Rückstände nicht an das Behälterinnere anhaften. Bei größeren Destillieranlagen werden Rührwerke verwendet, um ein Anbacken des Rückstandes zu vermeiden; diese kommen ab Liter Tagesmengen zum Einsatz. Wichtige Anforderungen an Destillationsanlagen zur Aufbereitung von LM sind: einfache Bedienung einfache Säuberung Komponenten, die mit LM in Kontakt treten, müssen in Edelstahl ausgeführt werden großvolumige Kessel, damit eine gute Dampfentfaltung möglich ist Ein großer Vorteil der Destillation besteht in der einfachen und kompakten Anlagenrealisierung. Hierfür werden meist nur Starkstromsteckdosen für einen Betrieb der Anlage benötigt. Je nach anfallender Lösemittelmenge, die zur Aufbereitung geführt werden soll, sind Anlagen von 12 l bis 120 l für den einfachen Destillationsbetrieb realisierbar. Es ist auf eine Edelstahlausführung der mit LM in Kontakt tretenden Bauteile zu achten, da aggressive LM eine ätzende Wirkung auf Kupfer ausüben und es so zu Korrosion der Bauteile führen kann. Seite 3

9 3.0 Anlagenbeschreibung Nach einer ausführlichen Marktrecherche für eine geeignete Destillationsanlage durch einfache, aber dennoch schonende und automatische Aufbereitung des verschmutzten Lösemittels zur Wiederverwertung für eine Applikationsreinigung, ist ein Anlagenhersteller (Firma Tieser) durch seine einfache aber dennoch sehr effektive Destillationsanlage als am sinnvollsten zu bewerten. Ein weiterer, wichtiger Punkt ist die Nähe des Anlagenherstellers, da immer ein Ansprechpartner sowie eine große Anzahl an Ersatzteilen in unmittelbarer Nähe zur Verfügung stehen. Bei der Destillationsanlage der Firma Tieser handelt es sich um eine Anlage, wie sie im graphischen Gewerbe, in der Arzneimittelindustrie, in Holz, Lacke- Harz- und Kunststoffverarbeitende Betriebe und vielen weiteren Bereichen, eine langjährige Anwendung finden. Aus Abbildung 3.1 ist die detaillierte Funktionsweise der Anlage zu entnehmen. Das verunreinigte Lösemittel (LM) wird manuell oder automatisch in einen Folienbeutel ( Rec Bag ), der sich im Kessel befindet, gefüllt. Anschließend folgt ein erwärmen des verunreinigten LM bis zur Siedetemperatur des Gemisches. Hierbei wird das LM durch ein Wärmeträgeröl, welches sich im Heizmantel befindet, mittels elektrischen Heizschlangen erhitzt und zum Sieden gebracht. Anschließend erfolgt das verflüssigen durch eine luftgekühlte Kondensationseinheit. Das so aufbereitete Lösemittel wird in einem eigens dafür vorgesehenen Behältnis aufgefangen. Im Kessel verbleiben die Rückstände, welche mit dem Folienbeutel einfach zu entsorgen sind. Durch die Verwendung des Folienbeutels, kann auf den Reinigungsprozess, welcher nach jedem Destilliervorgang erfolgen müsste, verzichtet werden. Die Destillationstemperatur (126 C für n-butylacetat) und der Destillationszyklus (3,30 bis 4,30 Stunden) können durch einen Temperaturregler bzw. einer Zeitschaltuhr eingestellt werden. Die Anwesenheit einer Bedienperson ist lediglich zum Befüllen, Einstellen der Temperatur sowie der Destillationsdauer und zum Entleeren der Rückstände erforderlich. Des Weiteren zeichnet sich diese Anlage durch ihre kompakte und effiziente Art aus. Vorteile zur Konkurrenz: Anlagenhersteller und Zulieferer in direkter Umgebung zum Unternehmen einfache und effektive Bauart der Anlage zum Betrieb der Anlage wird lediglich eine Starkstromversorgung benötigt sehr einfache Bedienung der Anlage eine kompakte Anlage mit geringem Platzbedarf geringe Kosten bei Betrieb und Wartung je nach Bedarf beliebig nachrüstbar (z.b. Vakuumeinheit, automatische Befüllung etc.) Seite 4

10 Abbildung 3.1 Schnittzeichnung einer 12 Liter und 25 Liter Destillationsanlage von Tieser Seite 5

11 4.0 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der Anlagenimplementierung 4.1 Kostenvergleichsrechnung Zur Lösemittelaufbereitung sollen zwei unterschiedlich große Destillationsanlagen der Firma Tieser verglichen werden. Die 12 Liter Destillationsanlage D12 Ax mit Edelstahlkühler (INOX) soll den Jahresverbauch an Lösemittel mit 4000 l/a (334 Destillationsvorgänge) decken. Durch den Einsatz von Folienbeuteln wird ein verschmutzungsarmer Betrieb realisiert. 50 Folienbeutel für die 12 Literanlage sind mit 62,50 vom Hersteller angegeben. Der Folienbeutel muss nach jedem Destillationsvorgang erneuert werden, somit ergeben sich pro Jahr 416,25. Mit der 25 Liter Destillationsanlage D 25 Ax mit Edelstahlkühler (INOX) soll ebenfalls den Jahresverbauch an Lösemittel mit 4000 l/a (160 Destillationsvorgänge) gedeckt werden. Hierzu sind ebenfalls Folienbeutel zu verwenden, dabei sind für 50 Folienbeutel (25 Liter) 120 zu vergüten (pro Jahr 384 ). Tabelle 4.1 Grunddaten der verschiedenen Destillationsanlagen Weitere Angabe D12 Ax D 25 Ax Anschaffungskosten 3.905, ,00 Lebensdauer 10 Jahre 10 Jahre Zinssatz 10 % 10 % Sonstige Fixkosten 261,64 432,15 Jährliche Arbeitszeit 22,2 h/jahr 10,67 h/jahr Seite 6

12 Tabelle 4.2 Kostenvergleichsrechnung D 12 Ax D 25 Ax Berechnung 1 Anschaffungskosten 3.905, ,00 2 Nutzungsdauer Jahre Zinssatz % Sonstige Fixkosten 261,64 432,15 5 Verbrauchsmaterial / Stück 1,25 2,40 6 Jährliche Arbeitszeit h / Jahr 22,2 10,67 7 Lohnkosten / h 70,00 70,00 8 Stromkosten / KWh 0,10 0,10 9 Strombedarf KWh/ Liter 0,3033 0, Jahresmenge Liter / Jahr Chargenmenge Liter / Charge Chargenanzahl Chargen / Jahr [10] / [11] 13 Abschreibung / Jahr 390,50 645,00 [1] / [2] 14 Zinsen / Jahr 195,25 322,50 [1] x [3] / 2 15 Sonstige Fixkosten/Jahr / Jahr 261,64 432,15 16 Summe Fixkosten / Jahr 847, ,65 [13]+[14]+[15] 17 Fixe Stückkosten / Liter 0,21 0,35 [16]/[10] 18 Lohnkosten / Jahr 1.554,00 746,90 [6] x [7] 19 Materialkosten / Jahr 417,50 384,00 [5] x [12] 20 Energiekosten / Jahr 114,24 121,58 [8]x[9]x[10] 21 Entsorgungskosten / Jahr 400,00 400,00 22 Lösemittelzukauf / Jahr 3360, ,00 23 Summe variable Kosten / Jahr 5.845, ,48 [16]-[22] 24 Variable Stückkosten / Liter 1,46 1,25 [23]/[10] Seite 7

13 Tabelle 4.3 Fortsetzung Kostenvergleichsrechnung 25 Gesamtkosten / Jahr 6.693, ,13 [16]+[23] 26 Chargenkosten / Charge 20,04 40,08 [25] / [12] 27 Stückkosten / Liter 1,67 1,60 [22]/[11] 28 Kostendifferenz / Liter 0,07 Nach der Kostenvergleichsrechnung zeigt sich, dass die Anlage D 25 Ax die kostengünstigere Alternative ist. Da bei ungleicher Ausbringungsmenge pro Charge die Chargenkosten nicht direkt miteinander verglichen werden können, müssen die Kosten pro Leistungseinheit ausgerechnet werden. Hierfür bietet es sich an, die Stückosten auf einen Liter Lösemittel zu beziehen. Bei der Betrachtung der beiden Anlagen unter den abgeschätzten Rahmenbedingungen entsteht eine Kostendifferenz von 7 Cent pro Liter Lösemittel. Kritische Menge: Da der Vergleich von Investitionsalternativen nicht immer zu sinnvollen Ergebnissen führt soll nun die Kritische Menge bestimmt werden. Oft verändern sich die produzierten bzw. in diesem speziellen Fall die anfallenden Mengen an Lösemittel. Aus diesem Grund muss nicht immer die Anlage D 25 Ax die günstigere sein. Die Menge an Lösemittel, ab der die große Anlage kostengünstiger aufbereitet, wird kritische Menge genannt. Seite 8

14 Kosten pro Jahr [Euro] Wirtschaftlichkeitsbetrachtung einer Destillationsanlage Hiermit wurde eine kritische Menge für die vorliegende Kostenvergleichsrechnung mit 2630 Litern pro Jahr ermittelt. Damit ist das bisherige Ergebnis bestätigt. Somit wäre bei einem Absinken der aufkommenden Lösemittelmenge, wie sie beispielsweise bei einem Einbruch der Auftragslage auftreten kann, auf einen Wert von 2630 Litern im Jahr immer noch die große Destillationsanlage D 25 Ax kostengünstiger. Dies geht auch aus Abbildung 4.1 hervor. Hier wurden die Produktionskosten in Abhängigkeit der Produktionsmenge für beide Anlagenvarianten aufgetragen. Der Schnittpunkt der beiden Geraden kennzeichnet die kritische Menge Anlage D 12 Ax Anlage D 25 Ax Produktionsmenge pro Jahr [Liter] Abbildung 4.1 Grafische Darstellung der kritischen Menge beim Kostenvergleich 4.2 Gewinnvergleichsrechnung Tabelle 4.3 Gewinnvergleichsrechnung D 12 Ax D 25 Ax Berechnung 1 Stückerlöse / Liter 3,34 3,34 2 Erlöse / Jahr , ,00 3 Summe Fixkosten / Jahr 847, ,65 4 Summe variable Kosten / Jahr 5.845, ,48 5 Variable Stückkosten / Liter 1,46 1,25 6 Gewinn / Jahr ,87 [2]-[3]-[4] 7 Gewinndifferenz / Jahr 281 Seite 9

15 Bei der Destillationsanlage D25 Ax ist mit einem 281,00 höheren Gewinn zu rechnen. Gewinnschwellenanalyse Berechnung für die Anlage D 12 Ax Berechnung für die Anlage D 25 Ax Hieraus lässt sich nun ableiten, dass die kleine Destillationsanlage ab einer jährlichen anfallenden Lösemittelmenge von 451 Litern gewinn einbringt und somit wirtschaftlich betrieben wird. Bei der größeren Anlage sind zum Erreichen der Gewinnzone aufgrund der höheren Fixkosten die hauptsächlich durch den Höheren Anschaffungspreis resultieren zirka 670 Liter pro Jahr erforderlich. Da im vorliegenden Beispiel die Destillationsanlage in einem großen Industriebetrieb mit einem Lösemittelverbrauch von 4000 Litern jährlich eingesetzt wird, erbringt die Anlage D 25 Ax den meisten Gewinn. Zumal langfristig nicht mit sinkenden Lösemittelverbräuchen zu rechnen ist. 4.3 Rentabilitätsrechnung Berechnung für die Anlage D 12 Ax Seite 10

16 Berechnung für die Anlage D 25 Ax Die kleine Destillationsanlage besitzt eine 126 % höhere Rentabilität und wäre unter diesem Gesichtspunkt zu bevorzugen. 4.4 Statische Amortisationsrechnung Um die Rückflusszeiten der Investitionen zu errechnen wird die statische Amortisationsrechnung verwendet. Der Zeitraum t der sogenannten Kapitalrückflusszeit wird nachfolgend berechnet. Die kleine Destillationsanlage besitzt eine um 0,3 Jahre kürzere Amortisationszeit und wäre unter diesem Aspekt zu bevorzugen. Seite 11

17 5.0 Fazit Abschließend wird nun der wirtschaftliche Aspekt der beiden Anlagen kurz zusammengefasst und gegenübergestellt. Wie bereits in der Kostenvergleichsrechnung errechneten Gegenüberstellung der Anlagen weist die D 25 Ax Stückkosten von 1,60 pro Liter Lösemittel auf. Dem gegenüber stehen Stückkosten von 1,67 pro Liter Lösemittel bei der Anlage D 12 Ax. Vergleicht man nun die möglichen Gewinne beider Anlagen so ergeben sich für die kleinere Anlage pro Jahr und für die größere Anlage 6.947,87 pro Jahr. Somit erwirtschaftet die Anlage D 25 Ax jährlich 281 mehr Gewinn. Betrachtet man nun die Anlagen jeweils in der Kostenvergleichsrechnung und in der Gewinnvergleichsrechnung zeigt sich in beiden Fällen eine bessere Wirtschaftlichkeit der großen Anlage D 25 Ax. Hiermit ist die größere Anlage zu bevorzugen. Vergleicht man nun die beiden Anlagen in der Rentabilität sowie der Amortisationszeit, so zeigt die kleine Anlage D 12 Ax jeweils bessere Werte als die große Anlage D 25 Ax. Grund hierfür ist der wesentlich geringere Kapitaleinsatz bei der Anschaffung der Anlagen. Da sich die Gewinne beider Anlagen sehr ähneln, ergibt sich die bessere Rentabilität und Amortisationszeit hauptsächlich aus den geringeren Anschaffungskosten der kleinen Anlage. Zusammenfassend ist die größere Anlage aus wirtschaftlicher und technischer Sicht zu bevorzugen. Da mit einer größeren Anlage größere Schwankungen sowie eine größere jährliche Kapazität auffangen zu können. Dem gegenüber steht die wirtschaftliche Betrachtung in der sich die variablen Kosten pro Liter Lösemittel auf die Dauer als niedriger erweist. Allerdings sind die Fixkosten aufgrund der höheren Abschreibungen bei der Anlage D 25 Ax höher als bei der kleinen Anlage D 12 Ax. Aufgrund der genannten Gründe fällt die Entscheidung auf eine Investition der großen Anlage D 25 Ax. Seite 12