Sorgfältige Planung macht Mehrproduktanlagen lukrativ

Plug & Produce in der Chemieindustrie

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Mehrproduktanlagen bieten hohe Flexibilität und Effektivität. Um eine wirtschaftliche Fahrweise zu gewährleisten, ist es sinnvoll Mehrproduktanlagen nach dem Prinzip „Plug & Produce“ zu gestalten. Das bedeutet, dass eine möglichst geringe Zahl an Teilanlagen vorgesehen ist, die wechselseitig andockbar gestaltet werden. Dies setzt die Vorbereitung im Planungsprozess voraus mit entsprechendem Zeitvorlauf für die hard- und softwareseitigen Maßnahmen.

Mit Mehrproduktanlagen lassen sich flexibel unterschiedliche Produkte herstellen. Betrachtet man z. B. kostspielige Teilanlagen wie Kurzwegverdampfer oder Siebschneckenzentrifugen, sind diese – eingebunden in vorhandene Anlagen – oft nur für ein Produkt genutzt und haben ggf. längere Stillstandszeiten. Mittels „Plug & Produce“ können Anlagenkosten reduziert werden, indem die Zahl dieser Teilanlagen reduziert und sie wechselseitig andockbar gestaltet werden (nachfolgend „Andockmodul“ genannt). Die Umbauphase sollte dabei aber möglichst kurz gehalten werden, ist jedoch nur in wenigen Fällen im Minuten-Maßstab realisierbar.

Die erforderlichen Schritte ergeben sich in einem konkreten Fall aus dem jeweiligen chemischen Verfahren. Im Unterschied zu mechanischen Fertigungen benötigen die meisten Prozesse Hilfsstoffe, die zu- und abgeführt, abgetrennt oder aufgearbeitet werden müssen. Ebenso können bei den Hilfsstoffen genauso wie bei den Edukten und Produkten Gefahrenpotenziale auftreten. Weiterhin sind häufig energetische Effekte sowie Reinheitsanforderungen zu beachten. Nur eine ganzheitliche technische Konfiguration des Andockmoduls („Plug“) kann den angestrebten Prozessablauf („Produce“) gewährleisten. Für die Auslegung der Anlagen sind die bekannten Planungsmethoden wie Mengenbilanzen, Auslegung von Pumpen und Behältern anwendbar, jedoch sind weitere Anforderungen zu berücksichtigen.

Andockmodul für eine Filtration

Als Beispiel soll ein Andockmodul für eine Filtration, bestehend aus Filter mit vorgeschalteter Pumpe, betrachtet werden, deren Beschickung aus einem Tank der vorhandenen Anlagentechnik erfolgen soll. Im Fließbild ist das Andockmodul dargestellt im Kontext der alten Anlagentechnik sowie der erforderlichen Änderungen. Dabei wird angenommen, dass bei einem unzulässigen Druckaufbau eine Sicherheitseinrichtung in Funktion tritt, eine Vorreinigung vor sowie eine Filterspülung nach einer Produktkampagne notwendig sind (neben der gängigen Befüll- und Entleertechnik) und ein periodisches Freiblasen des Filters erfolgen soll. Der Produktstrom soll eine brennbare Komponente enthalten, ebenso seine Gasphase. Die Sensorik ist ebenso wie die Änderung des Produktwegs im Fließbild dargestellt. Die Planung dieser Prozesserweiterung muss diesen Gegebenheiten Rechnung tragen, beginnend beim physischen Einbringen und Aufstellen des Moduls neben der vorhandenen Anlagentechnik bis zur Inbetriebnahme-Prozedur mit Vorreinigung. Einige der auftretenden Fragen sind:

  • Passt das Andockmodul platzmäßig an die Anlage?
  • Erfolgt die Verbindung als feste Verrohrung oder mittels Schläuchen?
  • Soll das Andockmodul an der Anlage oder vorher separat (ggf. an Spülstationen) vorgereinigt werden?
  • Wie werden die Hilfsmedien entsorgt (Spül- bzw. Reinigungsflüssigkeit und das Gas für das Freiblasen)?
  • Welche Arbeitsschritte der Inbetriebnahme können gewährleisten, dass die Reinheitsanforderungen erfüllt werden?

Einbindung in die Steuerung

Ein wesentlicher Aspekt ist die übergeordnete Steuerung des Prozesses. Die Datengenerierung und -auswertung im Rahmen des Andockmoduls sowie die Auslösung mehrerer Schalthandlungen kann von einer modulinternen SPS erfolgen (z. B. das automatische Freiblasen mit Stickstoff bei hohem Differenzdruck am Filter). Demgegenüber ist festzustellen, dass der Gesamtprozess von der vorhandenen Steuerungshierarchie geführt wird und diese auch das zusätzliche Andockmodul einbeziehen muss. Demnach ist eine Adaptierung in der zentralen Steuerungssoftware erforderlich. Um die Andockzeit möglichst kurz zu halten, ist eine detaillierte Planung der Montage- und der Inbetriebnahmeabläufe hilfreich. Im vorliegenden Beispiel ist anzuraten, die Rohrleitungsführungen für das Andocken inkl. Kupplungen, Schaltventile für Produkt, Hilfsstoffe/Medien, Sicherheitseinrichtungen usw. offline vorzubereiten, um einen kurzfristigen Umbau zu ermöglichen. Ähnlich kann die Software vorbereitet werden; hier bietet sich die Vorab-Simulation mithilfe eines digitalen Zwillings, d. h. anhand eines Simulationsmodells des Prozesses, an. Dies sollte die Prozessparameter und ebenso die zeitlichen Abläufe wie Belegungszeiten, Reinigungsperioden, Freigabeverriegelungen, Schaltketten u. ä. beinhalten.

Konzeptionelle Schritte

Es wird erkennbar, dass die ökonomischen Vorteile von „Plug & Produce“ eine komplexe Planung und Vorbereitung erforderlich machen. Für die Vorbereitung derartiger Prozessänderungen werden folgende prinzipiellen Schritte vorgeschlagen:

  • Klärung der Mengenbilanzen, Bearbeitungszeiten/-geschwindigkeiten und Parameter inkl. der neuen Module (ggf. als Simulation)
  • Planung der Abläufe zur Einbringung/Montage der Module sowie zur Umbauphase
  • Konzipierung aller Steuerungsabläufe und Verriegelungen (dezentral und übergeordnet), des Datenmanagements und der Dokumentation (Simulation ist auch hier hilfreich)
  • Erstellung der Fließbilder für den „Endzustand“ und für die Umbauphase (ggf. mit Provisorien);
  • Beschreibung der neuen Module bzgl. Kapazität, Medien und Schnittstellen, Sensorik/Aktorik, Abmaße (analog einem Lastenheft)
  • Detailbeschreibung der Anforderungen für die einzelnen Gewerke für Umbau- und Endzustand
  • Weitere Umsetzung der Vorbereitung wie branchenüblich mit Ausschreibungen und Beschaffungen der Leistungen, Montagen, Funktionstests usw..

Praktische Erwägungen zeigen, dass die besonderen Herausforderungen in den zeitlichen Abläufen sowie in den Schnittstellen zwischen zentralen und dezentralen Steuerungen zu sehen sind.

Gefährdungen erkennen

Die Spezifik von „Plug & Produce“ bedingt eine erweiterte Herangehensweise bei der Planung derartiger Vorhaben. Mit dem Grad der Vernetzung steigt auch die Wahrscheinlichkeit von sicherheitstechnischen und funktionellen Gefährdungen: Bereits der Ausfall einer Komponente (z. B. des Stickstoffsystems) kann die Funktion des Gesamtsystems beeinträchtigen. Derartigen Problempunkten kann durch ein rechtzeitiges Erkennen der möglichen Risiken begegnet werden, um die Gefährdungen sowohl für den späteren laufenden Betrieb als auch in der Umbauphase zu ermitteln. Für deren Beherrschung lässt sich die Methodik von Risikoanalysen nutzen. Umfangreiche Beispiele hierfür werden in der Publikation „Prozessoptimierung für Industrie 4.0 durch Risikoanalysen“ dargestellt. Auch eine konsultative Expertenberatung ist möglich.

www.prozesstechnik-online.de

Suchwort: cav1018ebert


Autor: Bernd Ebert

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