Simulationswerkzeuge Aus dem Alltag von Simulationsexperten

Autor / Redakteur: Gabriele Rzepka / Anke Geipel-Kern

Prozess- und Anlagenplaner sind sich einig: Simulationswerkzeuge haben ihre Arbeit revolutioniert. Hat sich für die Verfahrensingenieure hier ein El Dorado der unbegrenzten Möglichkeiten aufgetan? Oder stoßen sie auch heute noch an Grenzen?

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Ungewöhnliche Anlagenzustände erfordern schnelle und intuitive Reaktionen der Anlagenfahrer. Das trainieren sie an der virtuellen Messwarte, die die Realität eins zu eins widerspiegelt.
Ungewöhnliche Anlagenzustände erfordern schnelle und intuitive Reaktionen der Anlagenfahrer. Das trainieren sie an der virtuellen Messwarte, die die Realität eins zu eins widerspiegelt.
( Bild: Bayer MaterialScience )

Gleich ob es um die Planung einer neuen Chemieanlage geht oder die Optimierung einer bestehenden: Simulationswerkzeuge sind das Mittel der Wahl.

Angefangen von der thermodynamischen Prozesssimulation, über die Apparatedimensionierung, Materialfluss- und Kostenanalyse, Verfügbarkeitssimulation bis hin zur Abbildung von Stoff- und Energieströmen – der Verbundsimulationen – liefern sie den Planern ihre Ergebnisse. Aber: „Auch mit der Simulation können wir nicht vollständig auf Experimente verzichten. Es sind jedoch weniger Versuche notwendig, um die Simulation zu verifizieren. Hätten wir die Simulationsergebnisse nicht, müssten wir alles experimentell untersuchen“, beschreibt Ingrid Lunt-Rieg, Leiterin Simulationstechnik bei Degussa Evonik die Vorteile. Sehr komplexe Systeme und Zusammenhänge, die intuitiv nicht immer fassbar sind, lassen sich durch mathematische Lösungen abbilden. So einfach wie es klingt, ist es jedoch meist nicht: „Besonders kritisch ist die Anwendung von nicht zum Stoffsystem passenden thermodynamischen Modellen, die irreführende Ergebnisse liefern“, erläutert Axel Polt, Leiter der Einheit Conceptual Process Engineering bei BASF. Eine Simulation ist nur so gut wie der Bearbeiter und die Eingangsdaten. „Wer die Simulation mit Müll füttert, bekommt hinten auch Müll wieder heraus“, stellt Polt lapidar fest.

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Großen Schaden richtet eine schlecht angepasste Thermodynamik an. Viel Ar-beit ist unter Umständen umsonst, wenn Phasengleichgewichte, Enthalpiebeschreibungen und Transportdaten, wie Dichte, Wärmekapazitäten, Viskosität und Leitfähigkeit, nicht stimmen. „Insbesondere bei der simultanen Beschreibung von Reaktion, Stoff- und Wärmeübergang geraten viele Werkzeuge an ihre Grenzen. Der Anwender braucht eine solide Ausbildung und Erfahrung, um die Fallstricke erkennen zu können“, findet Konrad Triebeneck, Simulationsexperte bei Bayer Technology Services. Ideen, aus der Simulation geboren, müssen immer einer kritischen Prüfung unterzogen werden, möglichst in einem größeren Team. Die Diskussion mit allen Projektbeteiligten zur Validierung der Modellergebnisse ist unumgänglich; Fachwissen der erfahrenen Kollegen sehr gefragt.

Auch wenn das Planungswerkzeug Simulation aus dem heutigen Ingenieuralltag nicht mehr weg zu denken ist, bedarf es einer gefühl- und respektvollen Behandlung. Die einfache Nutzbarkeit, die gefällige grafische Nutzeroberfläche und viele kleine versteckte Einstellmöglichkeiten verleiten vor allem unerfahrene Planer zum leichtsinnigen Umgang mit dem Werkzeug. Besonders bei komplexen Komponentensystemen können falsche Ergebnisse herauskommen. „Klickt der Bediener einfach Stoffdaten an, ohne an die Bildung einer Vielzahl von neuen Verbindungen zu denken, wird das Simulationsergebnis höchst unerfreulich aussehen. Dann hat er nämlich falsche Stoffdatenbeschreibungen, und die Apparate sind nicht ausreichend dimensioniert, die Komponententrennung ist nicht möglich und die erforderliche Produktreinheit nicht erfüllt“, warnt Lunt-Rieg. Jüngere Kollegen arbeiten aus diesem Grund mit älteren, erfahrenen zusammen.

Außerdem sollte der Computer nicht das Experiment eliminieren. Durch die Zusammenarbeit von Simulationsspezialisten und Experimentalisten ergeben sich Impulse und Ideen, die letztendlich zu dem gewünschten Ziel führen – dem optimalen Anlagenkonzept.

Überraschendes Ergebnis

Hin und wieder finden „Simulanten“ aber auch gerade durch einen Fehler bei der Softwarehandhabung den Stein der Weisen. Beim Upscaling einer kleineren bestehenden Anlage auf eine größere und deren Optimierung ist Polt bei seinem ersten Projekt ein typischer Eingabefehler unterlaufen. Er setzte den Heizdampfstrom zu einem großen Verdampfer versehentlich zu null. „Das Simulationsergebnis war so interessant, dass wir uns die Trennung noch genauer anschauten. Die Spezifikationen erreichten wir nahezu ohne Heizdampf. Hieraus entstand eine neue Verfahrensvariante mit einer signifikanten Energieersparnis.“

Ursache und Wirkung lassen sich in der Simulation transparent und schnell darstellen. Die Planer spielen wie in einem Video-spiel viele Szenarien durch, wodurch das Expertenteam eine solide Diskussionsgrundlage für den zu gestaltenden Prozess erhält. Jeder muss über den Tellerrand seines Simulationsabschnittes hinausblicken, um im Austausch mit den Kollegen Missverständnisse und Fehlinterpretationen zu vermeiden.

So hilfreich Softwaretools in der Chemieanlagenplanung und -optimierung auch sind, hin und wieder stoßen sie an ihre Grenzen. Klassischerweise ist die Simulation im Bereich Fluidverfahrenstechnik und Energiemanagementsystemen etabliert. Darüber hinaus hat die heutige Softwarelandschaft nach Ansicht von Triebeneck durchaus noch Lücken: „Es fehlen Werkzeuge zur routinemäßigen Beschreibung von komplexen Apparaten, in denen in mehrphasiger Umgebung sehr schnelle Reaktionen ablaufen. Die spielen sich zum Teil im Mikrobereich ab und verlangen die gleichzeitige Beschreibung von Strömungsfeld und Konzentrationsverteilung. Hier sind erst einige zaghafte Bemühungen im Gange.“ Wachstumsgebiete sind die Feststoffsimulation und die Simulation von Bioprozessen. Sind die Erkenntnisse der Reaktionskinetik und Stoffumwandlung lückenhaft, eignen sich Simulationen auf Basis physikalischer Modelle nicht. Hier können empirische, datengetriebene Modelle auf Basis neuronaler Netze oder hybride Modelle Abhilfe leisten.

Besondere Zustände

Die chemische Industrie nutzt die Errungenschaften der Simulation nicht nur zur Anlagenplanung, sondern auch zum Training der Anlagenfahrer. Durch die Anbindung eines dynamischen Anlagenmodells an das simulierte oder auch reale Prozessleitsystem, stehen sie vor der gleichen Ansicht, wie sie die künftige Messwarte liefert. Ungewöhnliche Situationen und Sonderfahrweisen kann das Personal ohne Risiko üben und ausprobieren. Dr. Christine Maul, Abteilungsleiterin Advanced Manufacturing Solutions, Bayer Technology Services, erläutert: „In dem Trainingssimulator lassen sich sehr seltene Anlagenzustände, die aber hohe Anforderungen an das Betriebspersonal stellen, gefahrlos und wiederholt schulen. Im Training können die Leute die virtuelle Anlage bis an die physikalischen Grenzen fahren und sehen, wie sie sich verhält.“

Simulationswerkzeuge sind aus der chemischen Industrie nicht mehr wegzudenken. Doch erfahrene Anwender wissen: Erst Plausibilitätsprüfungen, der Austausch im Team und schließlich das Experiment machen die Software zu einem praktikablen Planungs- und Optimierungswerkzeug.

Die Autorin ist freie Mitarbeiterin bei PROCESS.

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