CAE in derPLT - TU Dresden · Ganzheitliche Verfahrensentwicklung • Systematisches Vorgehen unter Berücksichtigung von Äußeren Einflussgrößen Wechselwirkungen von Verfahrensschritten

Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik

CAE in der Prozessautomatisierung Einführung in die Verfahrensentwicklung

SS 2012, 10.04.2012 Dipl.-Ing. F. Doherr

Verfahrensentwicklung (Vogel 2002)

• Übertragung einer im Labor reproduzierbar durchgeführten chemischen oder biotechnologischen Reaktion mit anschließendem Aufbereitungsverfahren in technische Dimensionen.

• Berücksichtigung ökonomischer sicherheitstechnischer ökologischer rechtlicher

Randbedingungen Urbas/Doherr © 2012 Folie 2 CAE@PA

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

Urbas/Doherr © 2012 Folie 3 CAE@PA

(Kussi et al. 2000)

Einordnung in Engineering-Phasenmodell

VT Basic Engineering

VT Detail Engineering

AT Basic Engineering

AT Detail Engineering

HAZOP ALARM HMI

Conceptual Design

EMR Konzept

Betriebs- Konzept


Conceptual Design Phasen (Goedecke & Hofen 2006)

Labor-forschung

Exploration Produkt Vorgaben für Weiterentwicklung

Prozess-synthese

Stoffdaten Unit Operations/ Funktionen Prozessfließbild Prozesssimulation

Projekt- studie

Verfahrenskonzept Schnellkosten-schätzung Herstellkosten PFD Verfahrens-bescheibung Stoff- & Energie-bilanzen Prozesssimulation Grobauslegung MSR-Entwurf Sicherheit ISBL, OSBL

Verfahrens- ausarbeitung

Versuchsanlage (Miniplant, Pilot) Laborversuche Simulation Auslegungsexp.

Basic- design

Kapazität Werkstoffe Prozesssimulation Massen & Energie-bilanzen 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


Prozesssynthese

Labor-forschung


Prozess-synthese


Projekt- studie




Basic- design





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!


Thermophysikalischee Eigenschaften…

Eigenschaftsklasse Spezifische Eigenschaft

Phasengleich-gewichte

Siede- und Schmelzpunkt, Dampfdruck, Fugazitäts- und Aktivitätskoeffizienten, Löslichkeit, VL,LL,SL-GG

P-V-T-Verhalten Dichte, Volumen, Kompressibilität, Kritische Eigenschaften

Kalorische Eigenschaften

Spezifische Wärme, Enthalpie, Entropie

Transporteigen-schaften

Entropie, Viskosität, Wärmeleitfähigkeit, Ionenleitfähigkeit, Diffusion

Chemisches GG GG-Konstanten, Assoziation & Dissoziation Bildungsenth., Geschwindigkeitskonstanten

Sicherheitstechnische Kenngrößen

Flammpunkt, Explosionsgrenzen, Selbstent-zündungstemperatur, Toxikologische Daten, MAK-Werte


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

Abfall Utilities

Produkte

Nebenprodukte

Rohstoffe

Katalysator


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, …)


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

• Entwurf der Separations- sequenz

• Entwurf des Wärme- übertragernetzwerks

Reaktion Separation

Vap Sep.

Solid. Sep.

Reaktion Liqu. Sep. Flash


Synthesemethodik von Trennverfahren (Schembecker 2006)

• Denken in Funktionen, nicht in Apparaten • Kombination für Trennung nutzbarer chemisch-physikalische Kräfte • Von der Funktion zum Prozessfließbild

Phasentrennung

Dekanter (LL), Flash (VL), Sedimentation (LS), Filtration (LS,VS), Zentrifuge (LS), Hydrozyklon (VS,LS,VL)

Phasenerzeugung ohne Recycle

Verdampfung, Kondensation, Kristallisation Membranverfahren

Phasenerzeugung mit Recycle

Einsatz eines Hilfsstoff, der wiedergewonnen werden muss Extraktion, Absorption, Adsorption


Prozesssimulation (angelehnt an Hartmann et al. 1979 nach Wozny 2006)

Strömungs-mechanik

Mehrdimensionale reibungsbehaftete Bewegung von Fluiden

Thermische Verfahrens-

technik

Übertragungs-prozesse zwischen strömenden Medien

Reaktions-technik

Chemische Umsetzungs-prozesse in technischen Apparaten

Mechanische Verfahrens-

technik

Zerteilungs- und Umsetzungs-prozesse in Stoffsystemen mit mindestens einer dispersen Phase

Verarbeitungs- technik

Ur- und Umform-prozesse, Füge- und Trennprozesse, Veredelungs- und Strukturver-änderungen

CFD-Simulation Fließschema-simulation

Fließschema-simulation Feststoffsimulation Logistiksimulation


Prozessmodellierung = heterogener Modellverbund

• Determinierte Modelle (physikalisch-chemische 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

Anw

endu

ngs-

brei

te

Ent

wic

klun

gs-

auw

fand


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

• 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

• Anfangsbedingungen xn,0,yn,0,un,0

Bilanzraum / Prozess n

un, xn-1

xn

yn

dn

C=Kostenparameter,p=Modellparameter, r=Regelgrößen,ζ=Unsicherheiten,d=Störungen,u=Stellgrößen

Min J(x,t,y,u,d,p,c,ζ)


Beispiel idealer Rührkesselreaktor

• Annahmen Ideal durchmischt

T=Tout,c=cout

Gekühlt p,ρ,V,cp=const.

• Reaktionsnetzwerk n Reaktionen, k Komponenten

• Bilanzraum • Bilanzgleichungen

Stoff Enthalpie

qin,Tin,cin

V,T,c

qout,T,c


Projektstudie: Vorbereitung Stop-GO-Entscheidung


Labor-forschung


Prozess-synthese


Projekt- studie




Basic- design




Verfahrensausarbeitung & Basic Design: Vorbereitung 2.te Stop-Go Entscheidung


Labor-forschung


Prozess-synthese


Projekt- studie




Basic- design




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


Ausblick Basic Engineering

VT Basic Engineering

VT Detail Engineering

AT Basic Engineering

AT Detail Engineering

HAZOP ALARM HMI

Conceptual Design

EMR Konzept

Betriebs- Konzept


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


Literatur

• Goedecke, R. & Hofen, W. (2006) Verfahrensentwicklung. In: R. Goedecke (Hrsg.) Fluidverfahrenstechnik Band 1. S. 6-27. Wiley-VCH.

• Kussi, Leimkühler, Ferne (2000). Ganzheitliche Verfahrensentwicklung. Chem-Ing.-Techn. 11/2000. S. 1285-1293.

• Schembecker, G. (2006) Prozesssynthese in der Trenntechnik. In: R. Goedecke (Hrsg.) Fluidverfahrenstechnik Band 1. S. 38-85. Wiley-VCH.

• Vogel, H. (2002) Verfahrensentwicklung - von der ersten Idee zur chemischen Produktionsanlage. Wiley-VCH.


Fakultät ETIT, Institut für Automatisierungstechnik, Professur für Prozessleittechnik

SS 2012, 10.04.2012 Dipl.-Ing. F. Doherr

CAE in der Prozessautomatisierung Planungsdokumente -verfahrenstechnische Fließbilder

Urbas/Doherr © 2012 CAE@PA Folie 24

Planungsdokumente

• Klassifikationen graphisch - nicht graphisch gewerkeübergreifend – gewerkespezifisch intern (Planung) – extern (Beschaffung, Hersteller) unternehmensspezifische Dokumente

Datenblätter, Listen, PLT-Stellenblätter, Beschreibungen,Gutachten, Geräteanforderungen, …

Verfahrenstechnische Fließbilder, Stromlaufpläne, Netzpläne, PLT-Stellenplan, Funktionspläne, Gebäude- und Lagepläne, Anschlusspläne, Aufstellungspläne, …


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



Grundfließbild

Verfahrensfließbild

Rohrleitungs- und Instrumentenfließbild (Rohrleitungs- und Instrumentierungsfließbild)

• DIN EN ISO 10628: Regeln zur Erstellung der verfahrenstechnischen Fließbildarten unterschiedlichen Abstraktionsgrads (anzugebende Informationen, Symbole, Darstellungsvorgaben)



Grundfließbild





Grundfließbild (Block diagram)

• Darstellung des verfahrenstechnischen Prozesses und der eingesetzten Stoffe in einer einfachen und abstrakten Gestaltungsform

• Darstellungsmittel:

Rechteck Rechteck

• Verfahren, Verfahrensabschnitte • Grundoperationen • Anlagenkomplexe von Werken • verfahrenstech. Anlagen bei Anlagenkomplexen • Teilanlagen • Anlagenteile

Fließlinien zur Darstellung von Stoff- oder Energieflüssen.



• Beispiel: DIN EN ISO 10628 Bild B.1



• 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



• Beispiel: Wasserkreisläufe der verfahrenstech. Versuchsanlage (nicht normkonform)



• Beispiel: Laboranlage (Projekt)

Projekt: Laboranlage - Batchprozess

Erstellt am: 02.11.2007

Bearb.: Falk Doherr

GRÖSSE FAX-NR. ZEICHN.NR. REV.

=TUD.H1.PFB001

MASSSTAB 1:1 BLATT 1 VON 1

Reaktion 1

Reaktion 2

Mischen Abfüllen

Spülen

Eingangsstoff 1Eingangsstoff 2Eingangsstoff 3

Eingangsstoff 1Eingangsstoff 2Eingangsstoff 3

Ausgangsstoff 1Ausgangsstoff 2

Frischwasser Schmutzwasser

Reaktion 3



• Beispiel: DIN EN ISO 10628 Bild B.2



Grundfließbild





• 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

Verfahrensfließbild (Process flow diagram)




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)



• Beispiel: Projekt der Verfahrenstechniker der TUD (Absorption saurer Gase aus Gasgemischen)



• Beispiel: DIN EN ISO 10628 Bild B.3 (Grundinform.)



• 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)



• Beispiel: DIN EN ISO 10628 Bild B.4 (Zusatzinform.)



Grundfließbild





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



• 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 19227-1) Linien Informationsflüsse zwischen Meß-, Regel- und

Steuerfunktionen und den Anlagenteilen und Rohrleitungen




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



• dargestellte Informationen: Zusatzinformationen:

Gerätearten wichtiger Meß-, Regel- und Steuerfunktionen

wesentliche Werkstoffe von Apparate und Maschinen Referenzkennzeichnung von Armaturen Namen von Anlagenteilen Höhenlage von Apparaten u. Maschinen



• Beispiel: DIN EN ISO 10628 Bild B.6 (Zusatzinform.)



• Beispiel:Teilanlage „Mischen“ des GZAT



• Beispiel:Teilanlage „Mischen“ des GZAT R&I-Fließbild ist ein Schema und keine Konstruktionszeichnung

Ausblick

Dokumente der Prozessautomatisierung • EMSR-Stellenblätter (Spezifikationsblätter) • EMSR-Stellenpläne (Loop-Diagramms) • Funktionspläne • Schaltschrankpläne • Hock-Ups (Montagezeichnungen) • Lagepläne (Location Plans) • Listen: Liste der Instrumente, Kabellisten,

Materiallisten,… (teilweise in folgenden Vorlesungen genauer erläutert)



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

Documents

CAE in derPLT - TU Dresden · Ganzheitliche Verfahrensentwicklung • Systematisches Vorgehen unter Berücksichtigung von Äußeren Einflussgrößen Wechselwirkungen von Verfahrensschritten