Einführung in die Verfahrensentwicklung

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1 Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik CAE in der Prozessautomatisierung Einführung in die Verfahrensentwicklung SS 2012, Dipl.-Ing. F. Doherr

2 Übertragung einer im Labor reproduzierbar durchgeführten chemischen oder biotechnologischen Reaktion mit anschließendem Aufbereitungsverfahren in technische Dimensionen. Berücksichtigung ökonomischer sicherheitstechnischer ökologischer rechtlicher Randbedingungen Verfahrensentwicklung (Vogel 2002) Urbas/Doherr 2012 Folie 2

3 Ganzheitliche Verfahrensentwicklung Systematisches Vorgehen unter Berücksichtigung von Äußeren Einflussgrößen Wechselwirkungen von Verfahrensschritten untereinander Optimierung der gesamten Wertschöpfungskette Beschaffung & Lagerung der Einsatzstoffe Durchführen der Prozessschritte Abfüllen und Verteilen der Produkte (Kussi et al. 2000) Urbas/Doherr 2012 Folie 3

4 Einordnung in Engineering- Phasenmodell Conceptual Design VT Basic Engineering VT Detail Engineering Betriebs- Konzept HAZOP ALARM HMI EMR Konzept AT Basic Engineering AT Detail Engineering Urbas/Doherr 2012 Folie 4

5 Conceptual Design Phasen (Goedecke & Hofen 2006) Laborforschung Prozesssynthese Projektstudie Verfahrensausarbeitung Basicdesign Exploration Produkt Vorgaben für Weiterentwicklung Stoffdaten Unit Operations/ Funktionen Prozessfließbild Prozesssimulation Verfahrenskonzept Schnellkostenschätzung Herstellkosten PFD Verfahrensbescheibung Stoff- & Energiebilanzen Prozesssimulation Grobauslegung MSR-Entwurf Sicherheit ISBL, OSBL Versuchsanlage (Miniplant, Pilot) Laborversuche Simulation Auslegungsexp. Kapazität Werkstoffe Prozesssimulation Massen & Energiebilanzen Verfahrensfließbild Konstruktion Maschinen Aufstellung Betriebsführung Wirtschaftlichkeit Data-Sheets Sicherheit Chemie, CT, VT Chemie, CT, VT Chemie, CT, VT, Apparate, EMSR Task Force Projektorganisation CT,VT,Apparate, EMSR Urbas/Doherr 2012 Folie 5

6 Prozesssynthese Laborforschung Prozesssynthese Projektstudie Verfahrensausarbeitung Basicdesign Exploration Produkt Vorgaben für Weiterentwicklung Stoffdaten Unit Operations/ Funktionen Prozessfließbild Prozesssimulation Verfahrenskonzept Schnellkostenschätzung Herstellkosten PFD Verfahrensbescheibung Stoff- & Energiebilanzen Prozesssimulation Grobauslegung MSR-Entwurf Sicherheit ISBL, OSBL Versuchsanlage (Miniplant, Pilot) Laborversuche Simulation Auslegungsexp. Kapazität Werkstoffe Prozesssimulation Massen & Energiebilanzen Verfahrensfließbild Konstruktion Maschinen Aufstellung Betriebsführung Wirtschaftlichkeit Data-Sheets Sicherheit Chemie, CT, VT Chemie, CT, VT Chemie, CT, VT, Apparate, EMSR Task Force Projektorganisation CT,VT,Apparate, EMSR Urbas/Doherr 2012 Folie 6

7 Prozesssynthese Schritt 1: Stoffdaten für die Prozessauslegung Prozesssimulation mit benötigt Stoffdaten Thermische und kalorische Eigenschaften reiner Stoffe (z.b. Dampfdruck, Wärmekapazität) und von Gemischen (z.b. Phasengleichgewicht) Chemische Reaktionen Stoff und Wärmeübergang Hohe Genauigkeit erforderlich Nichtlineare Effekte (Mischungslücke, Azeotrope) Recherche in Stoffdatenbanken Reinstoffe, Gemische Daten häufig inter/extrapoliert! Urbas/Doherr 2012 Folie 7

8 Thermophysikalischee Eigenschaften Eigenschaftsklasse P-V-T-Verhalten Kalorische Eigenschaften Phasengleichgewichte Transporteigenschaften Chemisches GG Sicherheitstechnische Kenngrößen Spezifische Eigenschaft Siede- und Schmelzpunkt, Dampfdruck, Fugazitäts- und Aktivitätskoeffizienten, Löslichkeit, VL,LL,SL-GG Dichte, Volumen, Kompressibilität, Kritische Eigenschaften Spezifische Wärme, Enthalpie, Entropie Entropie, Viskosität, Wärmeleitfähigkeit, Ionenleitfähigkeit, Diffusion GG-Konstanten, Assoziation & Dissoziation Bildungsenth., Geschwindigkeitskonstanten Flammpunkt, Explosionsgrenzen, Selbstentzündungstemperatur, Toxikologische Daten, MAK-Werte Urbas/Doherr 2012 Folie 8

9 Prozesssynthese Schritt 2: Konzeptentwicklung Aufgabe der Prozesssynthese ist es, in einem vorgegebenen zeitlichen Rahmen verlässliche und kostengünstige Konzepte für verfahrenstechnische Prozesse auf der Grundlage einer oft noch unvollständigen Datenbasis zu entwickeln (Schembecker 2006) Utilities Personal Rohstoffe Katalysator Produkte Nebenprodukte Abfall Utilities Urbas/Doherr 2012 Folie 9

10 Methoden der Prozesssynthese Evolutionäres Vorgehen Punktweise Weiterentwicklung bestehender Anlagen durch erfahrene Prozessentwickler Optimierungsverfahren Lösungssuche in Superstrukturen (Grossmann 1985, Biegler et al. 1997) Heuristische Verfahren Regeln fassen das Wissen erfahrener Prozessentwickler Beispiel PROSYN (Schembecker et al. 1994, ) Urbas/Doherr 2012 CAE@PA Folie 10

11 Conceptual Design of Chem Prozesses (Douglas 1985, 1988, 1995 nach Schembecker 2006) Hierarchisch-heuristische Methode Entscheidung über kontinuierliche/ diskontinuierliche Betriebsweise Festlegung Input-Output Struktur Bestimmung der Recylce-Struktur Reaktion Separation Entwurf der Separationssequenz Entwurf des Wärmeübertragernetzwerks Reaktion Flash Liqu. Sep. Vap Sep. Solid. Sep. Urbas/Doherr 2012 Folie 11

12 Synthesemethodik von Trennverfahren (Schembecker 2006) Denken in Funktionen, nicht in Apparaten Kombination für Trennung nutzbarer chemisch-physikalische Kräfte Von der Funktion zum Prozessfließbild Phasentrennung Phasenerzeugung ohne Recycle Phasenerzeugung mit Recycle Dekanter (LL), Flash (VL), Sedimentation (LS), Filtration (LS,VS), Zentrifuge (LS), Hydrozyklon (VS,LS,VL) Verdampfung, Kondensation, Kristallisation Membranverfahren Einsatz eines Hilfsstoff, der wiedergewonnen werden muss Extraktion, Absorption, Adsorption Urbas/Doherr 2012 Folie 12

13 Prozesssimulation (angelehnt an Hartmann et al nach Wozny 2006) Strömungsmechanik Thermische Verfahrenstechnik Reaktionstechnik Mechanische Verfahrenstechnik Verarbeitungstechnik Mehrdimensionale reibungsbehaftete Bewegung von Fluiden Übertragungsprozesse zwischen strömenden Medien Chemische Umsetzungsprozesse in technischen Apparaten Zerteilungs- und Umsetzungsprozesse in Stoffsystemen mit mindestens einer dispersen Phase Ur- und Umformprozesse, Füge- und Trennprozesse, Veredelungs- und Strukturveränderungen CFD-Simulation Fließschemasimulation Fließschemasimulation Feststoffsimulation Logistiksimulation Urbas/Doherr 2012 Folie 13

14 Prozessmodellierung = heterogener Modellverbund Anwendungsbreite Entwicklungsauwfand Determinierte Modelle (physikalischchemische Transportmodelle) Hybride Modelle (Phys. Chemisch + knn) Statistische Modelle (Empirische Modelle) Unscharfe Methoden (Neuro Fuzzy, knn) Klassifikatormodelle (aus Computational Intelligence) Heuristische Modelle (Regelwissen) (Adaptionsmodelle), Short-Cut-Modelle Black-Box-Modelle Urbas/Doherr 2012 CAE@PA Folie 14

15 Modellierungssystematik Wahl eines geeigneten Bilanzraums Vollständiger Satz linear unabhängiger Bilanzgleichungen Masse, Stoffe, Energie, ggf. Impuls Ergänzung durch Verknüpfungsbeziehungen (z.b. Phasen-GG, Summen) Vereinfachungen! Vorgabe von Designgrößen und Spezifikationen Ggf. Nebenbedingungen für Optimierung u n, x n-1 d n Bilanzraum / Prozess n Gleichungsnebenbedingungen f(x,t,y,u,d,p,ζ)=0 Ungleichungsnebenbedingungen g(x,t,y,u,d,p,ζ)>=0 Reglergleichungen h(x,t,y,u,d,p,r,ζ)>=0 Min J(x,t,y,u,d,p,c,ζ) y n x n Anfangsbedingungen x n,0,y n,0,u n,0 C=Kostenparameter,p=Modellparameter, r=regelgrößen,ζ=unsicherheiten,d=störungen,u=stellgrößen Urbas/Doherr 2012 CAE@PA Folie 15

16 Beispiel idealer Rührkesselreaktor Annahmen Ideal durchmischt T=T out,c=c out Gekühlt p,ρ,v,c p =const. q in,t in,c in Reaktionsnetzwerk n Reaktionen, k Komponenten V,T,c Bilanzraum Bilanzgleichungen Stoff Enthalpie q out,t,c Urbas/Doherr 2012 CAE@PA Folie 16

17 Projektstudie: Vorbereitung Stop-GO-Entscheidung Laborforschung Prozesssynthese Projektstudie Verfahrensausarbeitung Basicdesign Exploration Produkt Vorgaben für Weiterentwicklung Stoffdaten Unit Operations/ Funktionen Prozessfließbild Prozesssimulation Verfahrenskonzept Schnellkostenschätzung Herstellkosten PFD Verfahrensbescheibung Stoff- & Energiebilanzen Prozesssimulation Grobauslegung MSR-Entwurf Sicherheit ISBL, OSBL Versuchsanlage (Miniplant, Pilot) Laborversuche Simulation Auslegungsexp. Kapazität Werkstoffe Prozesssimulation Massen & Energiebilanzen Verfahrensfließbild Konstruktion Maschinen Aufstellung Betriebsführung Wirtschaftlichkeit Data-Sheets Sicherheit Chemie, CT, VT Chemie, CT, VT Chemie, CT, VT, Apparate, EMSR Task Force Projektorganisation CT,VT,Apparate, EMSR Urbas/Doherr 2012 Folie 17

18 Verfahrensausarbeitung & Basic Design: Vorbereitung 2.te Stop-Go Entscheidung Laborforschung Prozesssynthese Projektstudie Verfahrensausarbeitung Basicdesign Exploration Produkt Vorgaben für Weiterentwicklung Stoffdaten Unit Operations/ Funktionen Prozessfließbild Prozesssimulation Verfahrenskonzept Schnellkostenschätzung Herstellkosten PFD Verfahrensbescheibung Stoff- & Energiebilanzen Prozesssimulation Grobauslegung MSR-Entwurf Sicherheit ISBL, OSBL Versuchsanlage (Miniplant, Pilot) Laborversuche Simulation Auslegungsexp. Kapazität Werkstoffe Prozesssimulation Massen & Energiebilanzen Verfahrensfließbild Konstruktion Maschinen Aufstellung Betriebsführung Wirtschaftlichkeit Data-Sheets Sicherheit Chemie, CT, VT Chemie, CT, VT Chemie, CT, VT, Apparate, EMSR Task Force Projektorganisation CT,VT,Apparate, EMSR Urbas/Doherr 2012 Folie 18

19 Schwerpunkte Basic Design (Goedecke 2006) Kapazitätsfestlegung Werkstoffauswahl Verfeinerte Prozesssimulation Massen- und Energiebilanzen Verfahrensfließbilder und Prozessbeschreibungen Konstruktion & Data-Sheets für Apparate & Maschinen Aufstellungskonzept Sicherheitstechnischer Entwurf Konzepte für Umweltschutz und Sicherheit Anlieferungs- und Entsorgungslogistik Schnittstellen zu Nebenanlagen Investitionskosten Energieverbrauchszahlen Soffverbrauchszahlen Entsorgungskosten Produktpreis Absatzplan Kapazitätsauslastung Umsetzbares Anlagenkonzept! Stop/Go Entscheidung Urbas/Doherr 2012 Folie 19

20 Ausblick Basic Engineering Conceptual Design VT Basic Engineering VT Detail Engineering Betriebs- Konzept HAZOP ALARM HMI EMR Konzept AT Basic Engineering AT Detail Engineering Urbas/Doherr 2012 Folie 20

21 Ausblick Basic Engineering (Goedecke 2006) Dokumente Grundfließbilder Verfahrensfließbilder (Prozessschemata) Verfahrens- und Prozessbeschreibungen Massen- und Energiebilanzen (Stoffstromlisten) Medienlisten Risikoanalysen Aufstellungspläne Ausrüstungslisten Apparatespezifikationen Dokumente mit PLT-Anteilen Chargenablaufpläne (Belegungspläne) Gefahren- und Ex-Zonen- Pläne R & I Schemata Verfahrenstechnische MSR- Instrumentenspezifikationen Armaturenspezifikationen Isolierungsauslegungen Sicherheitsdaten von Reinstoffen Urbas/Doherr 2012 CAE@PA Folie 21

22 Literatur Goedecke, R. & Hofen, W. (2006) Verfahrensentwicklung. In: R. Goedecke (Hrsg.) Fluidverfahrenstechnik Band 1. S Wiley-VCH. Kussi, Leimkühler, Ferne (2000). Ganzheitliche Verfahrensentwicklung. Chem-Ing.-Techn. 11/2000. S Schembecker, G. (2006) Prozesssynthese in der Trenntechnik. In: R. Goedecke (Hrsg.) Fluidverfahrenstechnik Band 1. S Wiley-VCH. Vogel, H. (2002) Verfahrensentwicklung - von der ersten Idee zur chemischen Produktionsanlage. Wiley-VCH. Urbas/Doherr 2012 CAE@PA Folie 22

23 Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik CAE in der Prozessautomatisierung Planungsdokumente - verfahrenstechnische Fließbilder SS 2012, Dipl.-Ing. F. Doherr

24 Klassifikationen Planungsdokumente graphisch - nicht graphisch Verfahrenstechnische Fließbilder, Stromlaufpläne, Netzpläne, PLT-Stellenplan, Funktionspläne, Gebäude- und Lagepläne, Anschlusspläne, Aufstellungspläne, Datenblätter, Listen, PLT-Stellenblätter, Beschreibungen,Gutachten, Geräteanforderungen, gewerkeübergreifend gewerkespezifisch intern (Planung) extern (Beschaffung, Hersteller) unternehmensspezifische Dokumente Urbas/Doherr 2012 CAE@PA Folie 24

25 verfahrenstechnische Fließbilder verfahrenstechnisches Fließbild: Zeichnerische Darstellung des Ablaufs, Aufbaus und der Funktion einer verfahrenstechnischen (Teil-)Anlage Wesentliches Mittel beim Entwurf des verfahrenstechnischen Prozesses dienen dem Informationsaustausch zwischen den an der Planung, Montage, IBS, Betrieb und Instandhaltung beteiligten Arbeitsgruppen Vereinfachung der fachübergreifenden Verständigung Urbas/Doherr 2012 Folie 25

26 verfahrenstechnische Fließbilder Grundfließbild Verfahrensfließbild Rohrleitungs- und Instrumentenfließbild (Rohrleitungs- und Instrumentierungsfließbild) DIN EN ISO 10628: Regeln zur Erstellung der verfahrenstechnischen Fließbildarten unterschiedlichen Abstraktionsgrads (anzugebende Informationen, Symbole, Darstellungsvorgaben) Urbas/Doherr 2012 Folie 26

28 Grundfließbild (Block diagram) Darstellung des verfahrenstechnischen Prozesses und der eingesetzten Stoffe in einer einfachen und abstrakten Gestaltungsform Darstellungsmittel: Fließlinien zur Darstellung von Stoffoder Energieflüssen. Rechteck Rechteck Verfahren, Verfahrensabschnitte Grundoperationen Anlagenkomplexe von Werken verfahrenstech. Anlagen bei Anlagenkomplexen Teilanlagen Anlagenteile Urbas/Doherr 2012 Folie 28

29 Grundfließbild (Block diagram) Beispiel: DIN EN ISO Bild B.1 Urbas/Doherr 2012 Folie 29

30 Grundfließbild (Block diagram) dargestellte Informationen: Grundinformationen: Benennung der Rechtecke Benennung der Ein- und Ausgangsstoffe Fließrichtungen Zusatzinformationen: Benennung der Stoffe zwischen den Rechtecken Durchflüsse / Mengen von Ein- und Ausgangsstoffen Durchflüsse / Mengen von Energie bzw. Energieträgern charakteristische Betriebs- und Prozessbedingungen Urbas/Doherr 2012 CAE@PA Folie 30

31 Grundfließbild (Block diagram) Beispiel: Wasserkreisläufe der verfahrenstech. Versuchsanlage (nicht normkonform) Urbas/Doherr 2012 Folie 31

32 Grundfließbild (Block diagram) Beispiel: Laboranlage (Projekt) Eingangsstoff 1 Eingangsstoff 2 Eingangsstoff 3 Reaktion 1 Eingangsstoff 1 Eingangsstoff 2 Eingangsstoff 3 Reaktion 2 Mischen Reaktion 3 Abfüllen Ausgangsstoff 1 Ausgangsstoff 2 Frischwasser Spülen Schmutzwasser Projekt: Laboranlage - Batchprozess GRÖSSE FAX-NR. ZEICHN.NR. REV. Urbas/Doherr 2012 Erstellt am: CAE@PA Folie 32 Bearb.: Falk Doherr =TUD.H1.PFB001 MASSSTAB 1:1 BLATT 1 VON 1

33 Grundfließbild (Block diagram) Beispiel: DIN EN ISO Bild B.2 Urbas/Doherr 2012 Folie 33

35 Verfahrensfließbild (Process flow diagram) Konkretisierung der chemischen und physikalischen Zusammenhänge (Elementarfunktionen) und Überführung dieser auf wesentliche apparatetechnische Objekte (Behälter, Pumpen, Wärmetauscher, Mischer, ) Detaillierte Darstellung der apparatetechnischen Realisierung des Verfahrens (Prozesses) mit allen wesentlichen Informationen DIN EN ISO 10628: Darstellung eines Verfahrens oder einer verfahrenstechnischen Anlage mit Hilfe von graphischen Symbolen, die durch Linien verbunden sind. Darstellungsmittel: graphische Symbole Anlagenteile Linien Fließlinien für Stoffe und Energien bzw. Energieträger Urbas/Doherr 2012 CAE@PA Folie 35

36 Verfahrensfließbild (Process flow diagram) dargestellte Informationen: Grundinformationen: Art und Bezeichnung der Apparate und Maschinen Benennung, Fließweg und -richtung der Ein- und Ausgangsstoffe und Energien Durchflüsse / Mengen der Ein- und Ausgangsstoffe charakteristische Betriebsbedingungen (Druck, Temperatur, ) (Darstellung durch Fähnchen an Strömen und Apparaten) Urbas/Doherr 2012 CAE@PA Folie 36

37 Verfahrensfließbild (Process flow diagram) Beispiel: Projekt der Verfahrenstechniker der TUD (Absorption saurer Gase aus Gasgemischen) Urbas/Doherr 2012 Folie 37

38 Verfahrensfließbild (Process flow diagram) Beispiel: DIN EN ISO Bild B.3 (Grundinform.) Urbas/Doherr 2012 Folie 38

39 Verfahrensfließbild (Process flow diagram) dargestellte Informationen: Zusatzinformationen: Darstellung wesentlicher Armaturen Benennung und Durchflüsse / Mengen der Zwischenstoffe an entscheidenen Stellen Aufgaben für Messen, Stellen und Regeln angeben Durchflüsse / Mengen von Energie bzw. Energieträgern ergänzende Betriebsbedinungen Kennzeichnende Größen von Apparaten u. Maschinen Höhenlage von wesentlichen Apparaten u. Maschinen (Darstellung in Strom- und Apparateleiste) Urbas/Doherr 2012 CAE@PA Folie 39

40 Verfahrensfließbild (Process flow diagram) Beispiel: DIN EN ISO Bild B.4 (Zusatzinform.) Urbas/Doherr 2012 Folie 40

42 R&I-Fließbild (P&I Diagram) detaillierte Darstellung der konkreten technischen Realisierung eines Verfahrens bzw. einer verfahrenstechnischen Anlage mit Hilfe von graphischen Symbolen und Linien technischer Prozess technisches System (Verfahren, Funktion) (Geräte, Instrumentierung) Verdeutlichung aller geräte- und informationstechnischen Zusammenhänge, die für eine praktische Abwicklung notwendig sind Urbas/Doherr 2012 Folie 42

43 R&I-Fließbild (P&I Diagram) eines der wichtigsten Planungsdokumente einer verfahrenstechnischen Anlage Informationssammler gewerkeübergreifendes Kommunikationsmittel (z.b. Verfahrensentwicklung EMSR-Planung) Darstellungsmittel: graphische Symbole Anlagenteile, Rohrleitungen Meß-, Regel- und Steuerfunktionen (DIN ) Linien Informationsflüsse zwischen Meß-, Regel- und Steuerfunktionen und den Anlagenteilen und Rohrleitungen Urbas/Doherr 2012 Folie 43

44 dargestellte Informationen: Grundinformationen: R&I-Fließbild (P&I Diagram) Funktion, Art und ID (z.b. Referenzkennzeichen) der Apparate und Maschinen kennzeichnende Größen von Apparaten und Maschinen Nennweiten, Druckstufen, Rohrklassen und Ausführungen von Rohrleitungen Meß-, Regel- und Steuerfunktionen und deren ID Urbas/Doherr 2012 Folie 44

45 dargestellte Informationen: Zusatzinformationen: R&I-Fließbild (P&I Diagram) Gerätearten wichtiger Meß-, Regel- und Steuerfunktionen wesentliche Werkstoffe von Apparate und Maschinen Referenzkennzeichnung von Armaturen Namen von Anlagenteilen Höhenlage von Apparaten u. Maschinen Urbas/Doherr 2012 Folie 45

46 R&I-Fließbild (P&I Diagram) Beispiel: DIN EN ISO Bild B.6 (Zusatzinform.) Urbas/Doherr 2012 Folie 46

47 R&I-Fließbild (P&I Diagram) Beispiel:Teilanlage Mischen des GZAT Urbas/Doherr 2012 Folie 47

48 R&I-Fließbild (P&I Diagram) Beispiel:Teilanlage Mischen des GZAT R&I-Fließbild ist ein Schema und keine Konstruktionszeichnung Urbas/Doherr 2012 Folie 48

49 Dokumente der Prozessautomatisierung EMSR-Stellenblätter (Spezifikationsblätter) EMSR-Stellenpläne (Loop-Diagramms) Funktionspläne Schaltschrankpläne Hock-Ups (Montagezeichnungen) Lagepläne (Location Plans) Listen: Liste der Instrumente, Kabellisten, Materiallisten, Ausblick (teilweise in folgenden Vorlesungen genauer erläutert) Urbas/Doherr 2012 Folie 49

50 Literatur DIN EN ISO 10628: Fließschemata für verfahrenstechnische Anlagen. Berlin: Beuth, 2001 Früh, K.F. (Hrsg.) ; Maier, U. (Hrsg.): Handbuch der Prozessautomatisierung. München : Oldenbourg Industrieverlag, 2004 Favre-Bulle, B.: Automatisierung komplexer Industrieprozesse. Wien : Springer-Verlag, 2004 NAMUR-Arbeitsblatt 35: Abwicklung von PLT-Projekten. Leverkusen : NAMUR, 2003 PAS 1059: Planung einer verfahrenstechnischen Anlage Vorgehensmodell und Terminologie. Berlin : Beuth, 2006 Urbas/Doherr 2012 CAE@PA Folie 50