Planung, Bau und Betrieb von Chemieanlagen - Übung Allgemeine Chemie. Verfahrenstechnik. Rückblick auf vorherige Übung

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1 Planung, Bau und Betrieb von Chemieanlagen - Übung Allgemeine Chemie 1 Verfahrenstechnik Rückblick auf vorherige Übung

2 2 Energieintegration Prozessintegrierter Energieaustausch 1. Thermodynamische Optimierung des internen Wärmeaustausches Pinch-Analyse mit Composite Curve (CC) 2. Thermodynamische Optimierung der externen Wärmeströme Analyse der Grand Composite Curve (GCC) 3. Apparative Umsetzung Synthese eines Wärmeaustauscher-Netzwerkes (HEN)

3 3 Pinch - Analyse Kühlen oberhalb des Pinch Pinch-Regeln: 1. Nicht oberhalb Pinch kühlen! Q & H Q & X T Q & H Q & X 2. Nicht unterhalb Pinch heizen! 3. Keine Wärme über Pinch übertragen! Pinch Q & K Q & K H & Energieübertragung über den Pinch Heizen unterhalb des Pinch Q & H T Q & X Q & H Q & X Q & H T Q & H Q & X Pinch Q & K Q & KQ & X H & Q & X Pinch Q & K Q & K Q & X H &

4 4 Grand Composite Curve Interpretation der Grand Composite Curve T Q & H2 Hot Utility Q & H1 1 Heizen auf verschiedenen Temperaturniveaus? Heizniveau Heizniveau 2 interne Wärmeübertragung Pinch 4 5 Kühlen auf verschiedenen Temperaturniveaus? Cold Utility interne Wärmeübertragung sinnvoll? Kühlniveau 1

5 5 HEN 3. Entwurf Pinch Tmin = 10 K S h1 180 C 150 C 40 C 3,4 kw/k S h2 150 C 80 C C 40 C 180 C 160 C H E C E 2 0,6 kw/k 60 C S k1 0,4 kw/k 130 C E 3 30 C S k2 130 C E 4 2,2 kw/k

6 6 HEN Optimierung der Netzwerke Regel 1: Schleifen identifizieren und aufbrechen! Wärmetauschernetz mit Schleife Wärmetauschernetz ohne Schleife Pinch Pinch E 1 E 3 E 1 E 2 C E 2 E 4 C E 2 * H H

7 7 HEN Optimierung Regel 2: Pfade identifizieren und aufbrechen! Wärmetauschernetz mit Pfad zwischen Wärmequelle und -senke Pinch Wärmetauschernetz ohne Pfad zwischen Wärmequelle und -senke Pinch E 1 E 3 E 1 E 3 C E 2 C H H

8 8 Case Study Ist das Wärmetauscher-Netzwerk sinnvoll aufgebaut? Reduzierung der Investitions- und Revisionskosten - Minimale Anzahl von Wärmetauschern realisieren - Größe der Wärmetauscher maximieren - Kürzer Rohrleitungen / Weniger Isolierung - Mehrere Kühl- und Heizmedien Reduzierung der Betriebskosten (Kühlung, Heizung) - Möglichst beste Ausnutzung der internen Verschaltung - Verwendung vieler Wärmetauscher - Erlauben von Schleifen und Pfaden - Unbegrenzte Rohrleitungslänge - Wenige Kühl- und Heizmedien

9 9 Case Study Minimum zwischen Investitionskosten und Betriebskosten

10 Planung, Bau und Betrieb von Chemieanlagen - Übung Allgemeine Chemie 10 Verfahrenstechnik Wirtschaftlichkeitsrechnung

11 Wirtschaftlichkeitsprüfung Marktanalyse Patentsituation Verfahrensidee Wirtschaftlichkeit ja Labor- und Kleinversuche Wirtschaftlichkeit nein ja Miniplant Pilotanlage Wirtschaftlichkeit nein Genehmigungsfähigkeit Genehmigungsfähigkeit Genehmigungsfähigkeit ja Prozessauslegung standortbezogen Kostenkalkulation Wirtschaftlichkeit nein nein ja Freigabe der Investitionsmittel Planung, Bau und Betrieb von Chemieanlagen - Übung - Einleitung Einstellung der Entwicklung 11 Que Schm

12 12 Investitionskostenrechnung Kapazitäts-Methode (6/10- oder Degressionsexponenten-Methode) " I = I 0 $ # K K 0 % ' & n " $ # A A 0 % ' & Berechnungsgrundlage: Daten einer Vergleichsanlage Genauigkeit: 30-50% I = Investitionskosten [ ] I 0 = Investitionskosten der Vergleichsanlage [ ] K = Kapazität [t/a] K 0 = Kapazität der Vergleichsanlage [t/a] A = Preisindex für Chemieanlagen A 0 = Preisindex zum Zeitpunkt der Vergleichsanlage n = Degressionsexponent (häufig n=0,6)

13 13 Investitionskostenrechnung Produkt/Prozess Degressionsexponent Mittelwert Minimalwert Maximalwert Standard- Abweichung Kapazitätsbereich [10 3 t/a] Aceton / aus Propylen 0,5 0,45 0,55 0, Degressionsexponent Ammoniak / aus Erdgas 0,72 0,63 0,76 0, Ammoniumnitrat / aus NH 3 +HNO 3 0,63 0,54 0,65 0, Ethylenoxid / Direktox. von Ethylen 0,69 0,65 0,8 0, Ethylen / aus Raffineriegasen 0,7 0,67 0,71 0, Butanol / aus Propylen, Oxo-Synthese 0,54 0,48 0,6 0, Chlor / aus der NaCl-Elektrolyse 0,62 [%] 0,35 0,82 0, Essigsäure / Methanol-Carbonylierung 0, ,68 0,76 0, Formaldehyd / über Methanol 0,6 0,66 0,71 0, Phosphorsäure / Nassverfahren 0,64 0,58 0, Propylen 1200,71 0,65 0,77 0, Salpetersäure / aus Ammoniak 0,64 0,55 0,93 0, Schwefelsäure / nach Kontaktvert. von Schwefel 0,64 0,56 0,7 0, Preisindex Apparate und Maschinen Rohrleitungen und Armaturen MSR-Einrichtungen Isolierung und Anstrich Elektrotechnische Ausrüstung Bauteilkosten Planungskosten Chemieanlagen insgesamt Indexbasis: 2000 = 100% 100 Nov 03 Feb 04 Mai 04 Aug 04 Nov 04 Feb 05 Mai 05 Aug 05 Nov 05 Feb 06 Mai 06

14 14 Investitionskostenrechnung Gesamtfaktor-Methode I = I MA f G Berechnungsgrundlage: Investitionskosten Maschine + Apparate Genauigkeit: 15-30% I = Investitionskosten [ ] I MA = Investitionskosten für Maschinen + Apparate (bekannt) [ ] f = Zuschlagsfaktor (ca. 4)

15 Investitionskostenrechnung Einzelfaktoren-Methode I = I MA i f i Berechnungsgrundlage: Investitionskosten Maschine + Apparate Genauigkeit: 15-30% I = Investitionskosten [ ] I MA = Investitionskosten für Maschinen + Apparate (bekannt) [ ] f i = einzelne Zuschlagsfaktoren Bereiche mit den höchsten Zuschlagsfaktoren: - Maschinen + Apparate: f MA = 1 (per Definition) - Montage (insb. Rohrleitungen): f M = 1,05 - Mess- und Regeltechnik: f M&R = 0,39 - Bau (Infrastruktur, Gebäude): f B = 0,5 Planung, Bau und Betrieb von Chemieanlagen - Übung - Einleitung 15

16 16 Investitionskostenrechnung Einzelkalkulation I = I i + i j NK j Berechnungsgrundlage: Einzelkosten aller Bauteile und Arbeiten Genauigkeit: 5-10% I = Investitionskosten [ ] NK = Nebenkosten [ ] i,j = Indizes der einzelnen Bauteilkosten und Arbeitskosten

17 17 Investitionskostenrechnung Statische Investitionskostenrechnung (Pay-Out-Zeit) I = t payout (L a HK a ) mit t payout <1 3 Jahre nutzbar für kurzfristige Kleinprojekt I = Investitionskosten [ ] t payout = Zeit bis zur Amortisierung der Anlage [a] L a = Leistungen (Einnahmen pro Jahr) [ /a] HK a = Herstellkosten (Ausgaben pro Jahr) [ /a]

18 18 Übung Schätzen Sie die Investitionskosten für eine neue Anlage zur Herstellung von t/a Polyethylen wurde schone eine Anlage mit einer Kapazität von 114 kg/h für 15 Mio. errichtet. a) Berechnen Sie die Investitionskosten für b) Wie groß sind die maximal zu erwartenden Investitionskosten? c) Wodurch wird die Genauigkeit der Berechnung entscheidend beeinflusst? Preisindizes nach Kölbel/Schulze: Degressionsexponent für PU-Anlagen n=0,65

19 19 Break-Even-Analyse [Mio / Jahr] 1,5 1,3 1,1 0,9 0,7 0,5 Einnahmen = Erlöse Gewinn Verlust Herstellkosten Break-Even-Point-Analyse Abschätzung des Risikos für eine Investition bei Variation der Parameter: Auslastung Preise fixe Kosten var. Kosten 0,3 Fixe Kosten 0, Auslastung [%]

20 20 Übung Durchführen einer Break-Even-Analyse max. Anlagenkapazität: t/a Fixkosten: 10 Mio. /a Energiekosten: 500 /t Rohstoffkosten: 250 /t Katalysator: 150 /t sonst. Hilfsstoffe: 100 /t Erlös: 3000 /t 1. Zeichen Sie die Gesamtkosten und die Erlöse in ein Diagramm (Kosten/a über Produktionsmenge) ein. 2. Bestimmen Sie den Break-Even-Point. Wo befinden sich die Gewinn- und Verlustzone? 3. Unter welchen Umständen kann es sinnvoll sein, eine Anlage in der Verlustzone weiter zu betreiben? Wann sollte die Produktion eingestellt werden? 4. Welchen Gewinn oder Verlust erwarten Sie bei einer Produktion von t/a und bei einer Produktion von t/a?

21 21 ENDE Vielen Dank für die dauerhaft ungeteilte Aufmerksamkeit J