Effektive Nutzung eines verfahrenstechnischen ... Scale-up Fliebild PDP Lebenszyklus Labore Digitale

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  • © Siemens AG 2012. Alle Rechte vorbehalten.

    Effektive Nutzung eines verfahrenstechnischen Labors

    Hand out Lunch and Learn am 20. Januar 2012

  • © Siemens AG 2012. Alle Rechte vorbehalten.

     Ende

     Unit Operations

     Scale-up

     Dienstleistungen

    Effektive Nutzung eines verfahrenstechnischen Labors

  • © Siemens AG 2012. Alle Rechte vorbehalten. Industry Sector - I IA AS PA ECSeite 3 2012-01-20

    Ende

    Unit Operations

    Scale-up

     Fließbild  PDP  Lebenszyklus  Labore Digitale Fabrik Dienstleistungen

    Die “Digitale Fabrik“ ist unsere langfristige Vision

    Design & Modernization

    Engineering Commissioning

    Operation

  • © Siemens AG 2012. Alle Rechte vorbehalten. Industry Sector - I IA AS PA ECSeite 4 2012-01-20

    Ende

    Unit Operations

    Scale-up

     Fließbild  PDP  Lebenszyklus  Labore Digitale Fabrik Dienstleistungen

    Unser Labor – auch für eine digitale Fabrik braucht man analoge Versuche

     Experimentalbereich mit 900 m² Laborfläche und 500 m² Lagerkapazität  Gemeinsame Labore für Prozessoptimierung und Prozesssicherheit

  • © Siemens AG 2012. Alle Rechte vorbehalten. Industry Sector - I IA AS PA ECSeite 5 2012-01-20

    Ende

    Unit Operations

    Scale-up

     Fließbild  PDP  Lebenszyklus  Labore Digitale Fabrik Dienstleistungen

    Unterstützung über den Lebenszyklus einer Anlage

    Entwicklungsphase  Proof of Principle  Verfahrensentwicklung  Opt. Verfahrensschritte  Process Design Package

    Planungsphase  Engineering  Bau  InbetriebnahmeBetriebsphase

     Kapazitätssteigerung  Energieeinsparung  Produktwechsel

  • © Siemens AG 2012. Alle Rechte vorbehalten. Industry Sector - I IA AS PA ECSeite 6 2012-01-20

    Ende

    Unit Operations

    Scale-up

     Fließbild  PDP  Lebenszyklus  Labore Digitale Fabrik Dienstleistungen

    Process Design Package

     Proof of principle und Ausarbeitung des Verfahrens  Optimierung der Verfahrensschritte

    und Scale-up  Herstellerunabhängig ggf. mit externen

    Partnern

     Kommerzielle Tools  In-House Tools  gekoppelt mit Stoffdatenbanken

    Modellierung / Simulation

     Mengen und Energiebilanz  Verfahrensfließbild  Apparateauslegung / Scale-up  ...

    Process Design Package (PDP)

    Versuche

  • © Siemens AG 2012. Alle Rechte vorbehalten. Industry Sector - I IA AS PA ECSeite 7 2012-01-20

    Ende

    Unit Operations

    Scale-up

     Fließbild  PDP  Lebenszyklus  Labore Digitale Fabrik Dienstleistungen

    Verfahrensfließbild

    Mischen / Reaktion

    Kristallisation

    fest-/ flüssig Trennung

    Heizen / Kühlen

    Verdampfen

    Destillation

    Rückführung

    Trocknen

    Verdampfen

    Kondensieren SV

    SV

    BS

    BS

    Heizen / Kühlen

    Kristallisation / Fällung

  • © Siemens AG 2012. Alle Rechte vorbehalten. Industry Sector - I IA AS PA ECSeite 8 2012-01-20

    Ende

    Unit Operations

    Scale-up

    Dienstleistungen

    Scale-up für unterschiedliche Prozesse

    „einfache“ Prozesse

    „schwierige“ Prozesse

    Labor

    Produktion

    Modell bekannt √ Modell validiert √

    Labor (scale-up-fähig)

    Modell-Entwicklung und Validierung erforderlich

    Technikum (ab D=300mm)

    Diese Methodik gilt für alle Grundoperationen

    ... Labor

  • © Siemens AG 2012. Alle Rechte vorbehalten. Industry Sector - I IA AS PA ECSeite 9 2012-01-20

    Ende

    Unit Operations

    Scale-up

    Dienstleistungen

    Scale-up-fähige Versuche

    Ist dieser Versuch Scale-up-fähig ?

    “Kommt darauf an”

     niederviskos / hochviskos ?  mehrphasig (Feststoff, Gas, Tropfen) ?  Stoffübergang ?  geringe / hohe Reaktionswärme ?  mischungssensitive Reaktion ?  Zeitbedarf ?

    BetriebslaborBetriebslabor

  • © Siemens AG 2012. Alle Rechte vorbehalten. Industry Sector - I IA AS PA ECSeite 10 2012-01-20

    Ende

    Unit Operations

    Scale-up

    Dienstleistungen

    Aufgaben eines verfahrenstechnisches Labors

    Scale-up-fähige Versuche

     Sind meine durchgeführten Versuche Scale-up-fähig ?  Was muss ich beachten damit die Versuche Scale-up-fähig sind ?

  • © Siemens AG 2012. Alle Rechte vorbehalten. Industry Sector - I IA AS PA ECSeite 11 2012-01-20

    Ende

    Unit Operations

    Scale-up

    Dienstleistungen

    Scale-up – Modellansätze

    Modellentwicklung  mittels mathematisch-physikalischen /

    thermodynamischen Modellen

     und empirischen Korrelationen mit dimensionslosen Kenngrößen

    Modellverifizierung  und Anpassung der Modellparameter basierend auf

    Versuchsergebnissen

    m B

    n A

    C cck dt dc ⋅⋅=

    mn PrReCNu ⋅⋅=

      

      

    ⋅ −⋅=

    TR Ekk Aexp0

    Nu = α d / λ (Nusselt-Zahl) Re = w d ρ / η (Reynolds-Zahl) Pr = η cP / λ (Prandtl-Zahl)

    Reaktion: A + B  C Arrhenius Gleichung Diese Methodik gilt für alle Grundoperationen

    Ähnlichkeitstheorie

  • © Siemens AG 2012. Alle Rechte vorbehalten. Industry Sector - I IA AS PA ECSeite 12 2012-01-20

    Ende

    Unit Operations

    Scale-up

    Dienstleistungen

    Scale-Up – Kriterien (1)

     gleiche Mischzeit  gleiche Verweilzeit  gleicher Suspendiergrad  gleicher Stoffübergang  gleiche Tropfengröße  gleiche spezifische

    Oberfläche  gleicher Leistungseintrag

    (mittel oder lokal)

  • © Siemens AG 2012. Alle Rechte vorbehalten. Industry Sector - I IA AS PA ECSeite 13 2012-01-20

    Ende

    Unit Operations

    Scale-up

    Dienstleistungen

    Scale-up – Kriterien (2)

     gleiche Übersättigung  gleiche Partikelgröße  Filtrationszeit  gleiche Raum-Zeit-Ausbeute  gleicher Umsatz  gleiche Konzentration  gleiche Temperatur  gleiche spezifische Verdampfungsleistung

    Beim Scale-up können nicht alle Parameter gleich gehalten werden

    Kritische Parameter herausfinden und auf den anspruchvollsten Schritt auslegen

  • © Siemens AG 2012. Alle Rechte vorbehalten. Industry Sector - I IA AS PA ECSeite 14 2012-01-20

    Ende

    Miniplant  Trocknung Membrantechnik  Kristallisation  Sicherheit Reaktion DSV Destillation  Kolonne, WT Unit Operations

    Scale-up

    Dienstleistungen

    Wärmeübertrager, Kolonnen und Sicherheitseinrichtungen

    Mischen / Reaktion

    Kristallisation

    fest-/ flüssig Trennung

    Heizen / Kühlen

    Verdampfen

    Destillation

    Rückführung

    Trocknen

    Verdampfen

    Kondensieren SV

    SV

    BS

    BS

    Heizen / Kühlen

    Kristallisation / Fällung

    Kühlen

    Heizen

  • © Siemens AG 2012. Alle Rechte vorbehalten. Industry Sector - I IA AS PA ECSeite 15 2012-01-20

    Ende

    Miniplant  Trocknung Membrantechnik  Kristallisation  Sicherheit Reaktion DSV Destillation  Kolonne, WT Unit Operations

    Scale-up

    Dienstleistungen

    Wärmeübertrager, Kolonnen und Sicherheitseinrichtungen

     Auslegung, Simulation und Scale-up mittels kommerzieller und In-House Tools  Stoffdaten aus Datenbanken  i.d.R. keine Versuche erforderlich

  • © Siemens AG 2012. Alle Rechte vorbehalten. Industry Sector - I IA AS PA ECSeite 16 2012-01-20

    Ende

    Miniplant  Trocknung Membrantechnik  Kristallisation  Sicherheit Reaktion DSV Destillation  Kolonne, WT Unit Operations

    Scale-up

    Dienstleistungen

    Destillation und Verdampfung im Labor

    Mischen / Reaktion

    Kristallisation

    fest-/ flüssig Trennung

    Heizen / Kühlen

    Verdampfen

    Destillation

    Rückführung

    Trocknen

    Verdampfen

    Kondensieren SV

    SV

    BS

    BS

    Heizen / Kühlen

    Kristallisation / Fällung

  • © Siemens AG 2012. Alle Rechte vorbehalten. Industry Sector - I IA AS PA ECSeite 17 2012-01-20

    Ende

    Miniplant  Trocknung Membrantechnik  Kristallisation  Sicherheit Reaktion DSV Destillation  Kolonne, WT Unit Operations

    Scale-up

    Dienstleistungen

    Destillation im Labor

    Untersuchung „schwieriger“ Systeme  Elektrolyte, reaktive Systeme, Konzentrationen im ppm-Bereich  Untersuchungen zum Produktverhalten (Schäumen, Geruch, Farbe)  Stabilität bei thermischer Belastung, Werkstofftests (Materialprüfung)

    Validierung von Simulationen  Nachbildung von Betriebszuständen in Bestandsanlagen

    Einsatzbereiche / technische Daten  Batch- und Kontiverfahren, Vakuum- und Druckdestillation, Reaktiv-,

    Schleppmittel- und Zweidruckdestillation  bis 250°C, bis 2 l/h, 2 mbar bis 16 bar, 7 m Packungen / Böden  Glaskolonnen + Edelstahldruckkolonne Durchmesser 50 mm

  • © Siemens AG 2012. Alle Rechte vorbehalt