SCHWACHSTELLENANALYSE EINER REINSTWASSERANLAGE MIT SANKEY-DIAGRAMM-ANALYSE

WORKSHOP FÜR PRODUKTIVITÄT UND EFFICIENCY ENGINEERING

DR. RER. NAT. CLAUDIA KAISER ARCADE ENGINEERING KARLSRUHE, 04. OKTOBER 2016

AUFGABENSTELLUNG

• Visualisierung von Massen- und Energieflüssen sowie Kapazitäten

• Kapazitätsbewertung

• IST-Stand

• Forecast

• Sensitivitätsanalyse

• Umsetzungskonzepte

• Ausbau/ Erweiterung

• Einführung alternativer Prozesstechnik

• Implementierung

UPW ANLAGE IN DER HALBLEITERTECHNIK ALLGEMEINES

• Industriestandard: unterbrechungsfreies Arbeiten 24/7/365

• Process Design: "N+1" - Konzept

• Neuinvestition einer UPW Anlage entsprechen 8 - 10% der Gesamtinvestition

(Basement, Grundversorgung, Reinraum, Infrastruktur - Process Tools excl.)

• entscheidender Kostenfaktor sind Abschreibungen der Process Tools

- Stillstand muss unbedingt vermieden werden

• Betriebskosten der Fabrik: 1,0 Mio €/d excl. Abschreibung,

1,7 Mio €/d incl. Abschreibungen

UPW … Ultra Pure Water … Reinstwasser

UPW ANLAGE IN DER HALBLEITERTECHNIK N+1 KONZEPT - SCHEMA

V V

Stufe: Kapazität = V

Einzelapparat Kapazität = V x 0,25 Belastung = V x 0,20

Einzelapparat Kapazität = V x 0,25 Belastung = V x 0,25

Normalzustand N+1 Apparate in Betrieb

Regeneration N Apparate in Betrieb

Einzelapparat wird regeneriert

Zusätzlicher Verbrauch V2

Beispiel: N+1 = 5 N = 4

Pretreatment Deionisierung Make-Up Polishing

Stufe 1 Stufe 2 ….. Stufe n

Rückführung

Loop

A B C D UPW

Verb

rauc

her

Rohw

asse

r

Stufe 1 Stufe 2 ….. Stufe n

Stufe 1 Stufe 2 ….. Stufe n

• Stufe 1: Vorbehandlung/ Pretreatment

• Mechanische Filtration des Rohwassers

• Entfernung ionogener Verunreinigungen wie

Eisen und Mangan

• Ggf. Enthärtung

• Stufe 2: Deionisierung

• Kombination von Ionenaustausch- und

Membranprozessen

• Stufe 3: Feinreinigung/ Make-Up

• Entfernung gelöster Gase

• Entfernung gelöster organischer

Verbindungen

• Stufe 4: Endreinigung/ Polishing

• unter permanenter Rezirkulation

über den "Loop"

• Jede der Teilstufen enthält einen Speisetank und mehrere Verfahrensschritte

UPW ANLAGE AUFBAU

LOOP … Anschluss der Verbraucher, Zulauf inkl. Überströmung

ANSATZ

• Modellierung mit Umberto 5.6 (2011/12)

• Modellierung mit Umberto NXT (2015/16)

KONZEPT DER SPITZENSTROMDARSTELLUNG

ENGPASSBESEITIGUNG

Stufe 1 Stufe 2

Stufe 3

Stufe 4 Stufe 5 Stufe 6

Engpass 1

Engpass 3 Engpass 2

Gesamtkapazität

Kapazität der Einzelstufe

PRINZIP DER VISUALISIERUNG VON KAPAZITÄTEN

Entscheidender Fall Zu berechnender Massenfluss übersteigt die Kapazität einer Teilstufe

"Imitation der Realität" Die Teilstufe erlaubt rechnerisch nur den z.Z. maximal möglichen Fluss. "Rückmeldungen" an vorgelagerte Stufen sind erforderlich, um dort die Flüsse auf das mögliche Maß zu begrenzen.

"Projektion der Zukunft" Die Teilstufe erlaubt rechnerisch auch den z.Z. nicht möglichen Fluss. Die Kapazitätsanzeige schaltet dabei von grün über gelb nach rot.

Einfache Rechnung Vollständige zukünftige

Massen- und Energiebilanz Gut kommunizierbar Kapazitätssituation ist

visualisiert

Das unbefriedigende reale Verhalten ist abgebildet

Die Kapazitätslücken sind nur indirekt erkennbar

Die Kapazitäten sind nicht visualisiert

PRINZIP DER VISUALISIERUNG VON KAPAZITÄTEN

Grün und Gelb werden gleichzeitig gezeigt Rot ersetzt Grün/Gelb im Falle eines Kapazitätsbedarfs.

KONZEPT DER KAPAZITÄTSDARSTELLUNG

BEISPIEL EINER BOTTLENECK-ANALYSE

nur Polishing kalt betroffen

ursprüngliche Lieferantenspezifikation

für Vollausbau benötigt

BLATTEINTEILUNG (VOLLAUSBAU)

Hauptanlage, Massen- und Energieströme,

umschaltbar: Kapazitätsanzeige

Hilfsprozesse Energieverteiler

Gase- und Chemikalienverteiler

Kapazitätsanalyse

Recycling

Kostenanalyse

T5: Loop

P1: Water

P2: Chemikalien/Gase

P3: Energien

P4: Waste water

T6: 10 Raww ater tank T14: 14

Main line

T17: 23Cation towerAnion tower T19: 24 Reverse

osmosisT20: 26 Mainline

U V

T24: 33Mixed bed T26: 35 Main

line

T27: 41 Polishingpumps

T28: 42 Heatexchanger

U V

T29: 43 UVoxidizerT30: 44

PolisherT31: 45 UF cold

T32: 46 Mainline cold

T34: 48UF hot

T35: 49 Mainline hot

T10: S1 ChemicalDosing

T36: 47a Heatexchanger UF hot

T37: 47b HeaterUF hot

T38: 511FAB 1 cold

T40: 541FAB 1 hot T41: 543

Rekuperator

T43: 82 WWT Collect

P70: CAEX Regenerat

P4: Waste water

P71: 82 to RWT

P

P81: TP K totP

P82: TP UPW heiss

T12: 13 Multi-media Filter

T11: 11RW Pumps

T23: 34 Membranedegasifier

T22: 32 UVoxodiser

T39: 510 FAB

T44: 540 FAB

120 m3/h

30 m3/h

Demand cold

Demand hot

T45: ANALYTICS

P4: Waste water

P84: Pol UF Reject

T46: S4 UF Reject RecylingP91: UF Recycle

P5: Abluft

42 m3/h

Services

T48: S7 Rinse WT Collect .

P4: Waste water

P68:UFKSP

P95:UFHSP

P97: SGENT50: S6a

P87: PolUFH Reject

P83: Pol MB Regen

T60: E_Disp

T61: K_Disp

T62: H_Disp

P109: ET1

P110: ET2

P111: ET3

P112:ETPol

P113: KT1

P116: KTPol

P117: HT1

P120: HTPol

T63: TT1

T64: TT2

T65: TT3

T66: TTPol

T67: TTRy

P109: ET1

P113: KT1

P117: HT1

P110: ET2

P111: ET3

P112:ETPol

P116: KTPol

P120: HTPol

TI

TI

TI

P

P

P135: HzUFH WT

P136: UV Polish

P137:WT UF princ

P139: E Pol Pmp

P142: EVE

P143: EP3

P144: EUV3

P145: ERO

P148: EP2

P150: EP10 m3/h

0 m3/h

0 m3/h

T69: 544 UFHRETKUEHL

P153: WT K UFH Return

T70: C1 Chemiedispatch

P155: PT1

P156: PT2

P157: PT3 P2: Chemikalien/Gase

T71: G1 Gasedispatch

P158: PT1

P159: PT2

P160: PT3

P161: Polishing

P162: MXB REGE

Energy Dispatch .

P167: RO spül

Chemical and Gases .

T7: 20 Filteredw ater tank

F1E Version 1.0 dated 15.01.2015 .

P174: Polish

T8: 30 Permeatetank

T9: 40 UPWtank

104.5 m3/h

50 m3/h31 m3/h

0.5 m3/h

34.95 m3/h

0.5 m3/h

11 m3/h

Production

T1:Pretreatment I T2: Pretreatment II T3: Make up System

T4: Polishing system

T78: 16 Backwash Col lect Tank

T79: 18 Backwash Reuse Filter

T59: C RECLAIM TANK COLD .

T80: H RECLAIM TANK HOT .

T81: RECU

T82: 62 AC RECL .

T83: 63 RO RECL .

T84: 61 PUMP .RECL .

TI

TI

T85: RECU RECL 2 .

90 m3/h

P

P

TI TI

P98: RC Pumpen kP197: ETRy

P197: ETRy

T68: 515 Rinsecold waste switch

P4: Waste water

T86: 545 Rinse hotwaste switch

Pretreatment I Pretreatment II Make up System

PolishingReclaim

T16: 17 BackwashPump

P8: el. LeistBackwashPump

T18: 12Servicepumps

P59: Servicepump

11.5 m3/h

241.5 m3/h

177.6 m3/h

TI

TI TI

TI

62.15 m3/h

288.6 m3/h

208.6 m3/h

30 m3/h

352.9 m3/h202.7 m3/h

130 m3/h

163.5 m3/h

41.5 m3/h

T25: 44bPumps

P102: E WTPumpen

P4: Waste water

P4: Waste water

P108: CTA to RWT130 m3/h

130 m3/h

200.8 m3/h

P118: Reject F2

P119: FactoryReclaim F2

TI

Reclaim Tota

Raw WaterIntake

Fab WasteWater

22.5 m3/h

P4: Waste water

Intake from F2

Physical Processes .

Capacity Summary .

P170: TPOL

T21: 31 Permeatepumps

T15: 21 FWPumps

T13: 22 Activatedcarbon filter

120 m3/h

8.737 m3/h

P92: S4 to FWT

130 m3/h

NOT FULLY ACTIVATED

MASSEN-/ENERGIEFLUSS- UND KAPAZITÄTSANALYSE

MASSENFLUSS- UND KAPAZITÄTSANALYSE

BEISPIELPROJEKTE PROJEKTAUSGANG

1. Erweiterung einzelner Prozess-Stufen um Kapazitätsdefizite

auszugleichen.

2. Entscheidung für eine Neuinvestition einer Gesamtanlage statt einer

Erweiterung.

3. Pilotierung von Abwasserrecycling zur Kapazitätserhöhung.

4. Stufenplan für Investitionssteuerung und Ausweitung der Analyse auf

mehrere Standorte.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.

Fragen • Anregungen • Diskussion