Chemie & Energie
Analyse und Optimierung von Anlagen
Die Prozesssimulation hat sich als ein wesentliches Werkzeug zur Unterstützung des Entwurfs, der Analyse und des Betriebs verfahrenstechnischer Prozesse und Anlagen etabliert.
Neben den theoretischen Grundlagen, einer modernen Software, bedarf es einem vertieften Prozessverständnis um das reale Verhalten der Anlage abzubilden.
Der steigende Kostendruck und die Forderung der Ressourcenschonung (Energie, Rohstoff, Wasser) führt zur Notwendigkeit einer laufenden Optimierung der vorhandenen Anlagen. Diese kann durch Modellierung erfolgen.
Es lassen sich 2 Arten der Anlagensimulation unterscheiden:
- Es werden nicht messbare Größen der realen Anlage zugänglich
Beispiele: Fouling-Faktoren an Wärmeübertragern, Bodenwirkungsgrade von Kolonnen, Kolonnenbelastungen, Katalysatoralterungen, Viskositäten, Reaktionsenergien etc. - Es lassen sich Verfahrensalternativen beurteilen
Beispiele: Welche Auswirkungen auf die Anlage entstehen durch Wechsel des Feeds ? Wie ändern sich die Produktausbeuten durch Wechsel des eingesetzten Katalysators? Wie ist das Rücklaufverhältnis der Kolonne einzustellen, bei festgelegter Produktqualität? - Es können Ausbeuten, Produktqualitäten, Energieeinsatz durch Fallstudien am Modell verbessert werden und nicht an der realen Anlage
Beispiele: Zur Minimierung des Energieeinsatzes der Anlage ist die optimale Verschaltung der Wärmeübertrager nötig. Welche Wärmeübertrager sollten wie miteinander verschaltet werden ?->Pinch Methode. Wo liegen die Engpässe in meiner Kolonne? Welche Maßnahmen können im Prozess getroffen werden, um vorhandene Feedqualitätschwankungen zu kompensieren? - Es können neue Betriebsbedingungen entsprechend den sich ändernden Marktbedingungen errechnet werden
- Unterstützung beim Design-und Scale-up der Anlage in allen Stufen der Projektentwicklung
- Sensitivitätsanalysen am Modell erlauben die Ermittlung der Schlüsselvariablen des Prozesses
VTS arbeitet vorzugsweise mit dem Prozesssimulator ChemCAD sowie mit Eigenentwicklungen zur Auslegung spezieller Apparate. Bedingt durch Studien-und Diplomarbeiten können auch auf umfangreiche Erfahrungen mit PRO/II und Aspen+ zurückgegriffen werden.
Spezifisches Know-how wurde im Raffineriebereich bei der Simulation einer Rohöldestillationsanlage, einem FCC-Hauptfraktionator , einer Clausanlage und bei Anlagen der petrochemischen Industrie gesammelt.
Technische Anlagen werden bis heute noch zum überwiegenden Teil stationär ausgelegt. Reale Prozesse verhalten sich jedoch dynamisch!
Die stationäre Auslegung führt oft zur Überdimensionierung von Hauptapparaten.
Beispiel:
Durch dynamische Simulation erfolgt die Quantifizierung des Kolonnen-holdup. Ein größerer holdup führt zu höheren Investitionskosten ! Ein höherer Flüssigkeitsinhalt führt ebenfalls zur Glättung von Eingangsstörungen, jedoch auch zu längeren internen Produktlaufzeiten und verzögerten Regelungen. Die Minimierung des holdup unter Nutzung der dynamischen Simulation führt sowohl zu geringeren Betriebs- als auch Investionskosten.
Neue Anforderungen an Produktqualitäten, sowie die konsequente Einhaltung von Prozesstemperaturen bzw. -drücken bedürfen einer effizienten Regelungsstruktur. Moderne Regler müssen in der Lage sein, Kolonnenparameter einzustellen, die vom Marketing vorgegebene Produktqualitäten auch bei sich ändernden Feedqualitäten erreichen. Im Gegensatz dazu muss beim Tuning von Reglereinstellungen an der realen Anlage die Produktion nicht qualitätsgerechter Produkte in Kauf genommen werden!
- Es können zeitabhängige Prozesse modelliert werden
Beispiele: Reaktor-, Regeneratorprozesse mit Umschaltoptimierung, Batchprozesse, Tankblending etc. - Schärfung des realen Prozessverständnisses / dynamischen Verhaltens von Anlagenteilen im Normal- und gestörtem Betrieb
Beispiele: Identifizierung von Prozesstotzeiten, -verstärkungen, Zeitkonstanten
Minimierung des holdup - Optimierung von An- und Abfahrvorgängen zur Minimierung der Ausfallzeiten
Frage: Lässt sich die neue Anlage mit dem gegebenen Equipment auch an- und abfahren, z.B. im Wärmeverbund? - Erhöhung der Anlagensicherheit durch Simulation von zeitabhängigen Störfällen
Frage: Kann der Reaktor bei Ausfall der Kühlung noch gefahrlos abgefahren werden ? Welche Eingriffszeit habe ich zur Verfügung? - Erstellung/Gegenüberstellung neuer Regelungskonzepte / Ermittlung der Verkopplung von Reglern / Reglertuning am Modell
VTS kann auf spezifische Kenntnisse mit Aspen Dynamics und Hysys.plant zurückgreifen. Als Faustregel kann gelten, das für dynamische Modellierungen der Aufwand mindestens um Faktor 3 höher ist, im Vergleich zu stationären Simulation (abhängig vom Detailierungsgrad).