Prozesssimulation Neue Methode zur Prozesssimulation erlaubt Prozessoptimierung

Autor / Redakteur: Bernhard Scharvogel / M.A. Manja Wühr

Mit einer kombinierten deterministischen und statistischen Methode zur Prozesssimulation analysiert Clariant Produktionsprozesse – in der jeweils notwendigen Genauigkeit und Schnelligkeit. Bei bisherigen Analysen konnten Einsparungen von mehreren hunderttausend Euro erreicht werden.

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Einfluss des Observers auf die Selektivität und damit auf die Ausbeute des Verfahrens seit Installation des Tools
Einfluss des Observers auf die Selektivität und damit auf die Ausbeute des Verfahrens seit Installation des Tools
( Archiv: Vogel Business Media )

Dass man chemische Prozesse mit mathematisch-statistischen Methoden planen oder analysieren kann, ist nicht neu. Die meisten Methoden sind allerdings speziell auf einzelne Prozessschritte festgelegt. Häufig hat auch eine einzelne, sehr spezielle Verbesserung an einem Parameter sogar negative Einflüsse auf andere Parameter.

Wenn man aber deshalb eine ganze Kette von Produktionsprozessen mit einer sehr genauen Methode untersucht, werden die Rechnungen extrem aufwändig und die Ergebnisse sehr detailliert – oft zu detailliert. Setzt man hingegen durchwegs eine einfachere Methode an, sind die Aussagen viel zu allgemein.

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„Daher wollten wir eine Methode entwickeln, die, wo es nötig ist, sehr genau arbeitet und an den anderen Punkten einfacher gehalten sein kann“, erklären Olaf Wachsen und Jörg Appel den Anspruch. Wo eine notwendige Grundmenge an Daten vorliegt, kann ihre Methode ansetzen.

Sie vergleicht die Daten aus dem Prozessleitsystem (PLS) und aus anderen Quellen mit denen, die der Computer als optimal errechnet. Gemeinsam mit den Betriebsmitarbeitern und externen Spezialisten loten Wachsen und Appel dann das tatsächliche Verbesserungspotenzial aus. Häufig gibt es nämlich verschiedene Lösungen für ein Problem, chemische, thermische oder mechanische, sodass auch interdisziplinär gedacht werden muss.

Vorher gewusst was kommt

Die verschiedenen Simulationsmethoden lassen sich je nach Anforderungen kombinieren. Und die Betriebsleiter ahnen meistens schon, auf welchen Prozess sich der Blick im Detail lohnt und wo eine Schätzung aus der Erfahrung ausreicht. Wachsen stellt fest: „Wenn man verstanden hat, was in einem Prozess passiert, damit er gut läuft oder wieso er schlecht läuft, kann man ihn auch optimieren.“

So läuft in einem deutschen Clariant-Betrieb jetzt schon seit zwei Jahren eine Simulation der Prozesse parallel zu den tatsächlichen Synthesen in der Anlage. Mit den Daten aus sechs Monaten Beobachtung des Prozessleitsystems konnte die Simulation vorhersagen, was die Betriebsmitarbeiter in den nächsten Minuten oder Stunden tun müssen, bzw. was passiert, wenn nicht.

Schneller als Echtzeit simulieren

Die Grundlage für diese Vorhersage bildet ein detailliertes kinetisches Modell der Transportvorgänge und der Reaktionen im chemischen Reaktor der Anlage. Dieses Modell ist mit einer statistischen Auswertung der Daten aus dem Prozessleitsystem verbunden, um die Schwankungen der Randbedingungen zu beschreiben, die durch Wechselwirkungen der einzelnen Anlagenteile untereinander auftreten. Der Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass die Simulation schneller rechnen kann, als die Produktion in Echtzeit dauert. Nur so können Zustände, die in der Zukunft liegen, simuliert werden.

Das Herzstück des komplexen Datenhandlings bildet der Prozessobserver, der an die speziellen Bedürfnisse der Anlagensteuerung angepasst wurde. Auf diese Weise kann das Modell in der Messwarte des Betriebes genutzt werden.

Effizienzoptimierung

Die Bildschirmgrafik zeigt den Einfluss des Observers auf die Selektivität und damit auf die Ausbeute des Verfahrens. Seit Installation des Observers kann der Prozess viel näher an der maximal möglichen Ausbeute gefahren werden. Rohstoffeinsatz und Energieeffizienz der Anlagen können mit dieser Herangehensweise deutlich verbessert werden.

Ein weiteres Modellierungsprojekt hat durch die Anwendung der Simulation den Anteil an Nebenprodukten gesenkt. Hier musste lediglich die Fahrstrategie der Kessel verändert werden. Insgesamt erbringen die-se Beispiele eine Einsparung von mehr als 300 000 Euro. „Der Clou ist, dass sich der Einsatz von Arbeitszeit und Investitionen in die meisten der Projekte in weniger als einem Jahr rentiert“, so Jörg Appel.

Je mehr Parameter einer Synthese bekannt sind, desto mehr Stellschrauben gibt es zur Verbesserung. „Es kann in manchen Fällen schon ausreichen, die Temperatur der Reaktion um zwei Grad Celsius zu verringern“, erklärt Wachsen. So einfach ließ sich in einem Fall mit minimalem Aufwand ein Millionenbetrag einsparen.

Geringer Aufwand, großer Nutzen

Und die beiden promovierten Chemiker, die sowohl für die Division Functional Chemicals (FUN) als auch für Group Technology als Prozessentwickler arbeiten, sehen noch viel mehr Potenzial: „Man kann generell sagen, dass alle Prozesse, die seit Jahren laufen und über die wir genügend Daten bekommen können, mit diesem Ansatz verbesserbar wären“, erklärt Olaf Wachsen. Etwas Mut und sechs Monate Beobachtung reichen häufig aus, um Verbesserungen zu erarbeiten. Täglich fällt in den Betrieben eine Menge Daten an, die gespeichert und ausgewertet werden könnten.

Wachsen und Appel wissen, dass in ihrer Lösung viel Potenzial steckt: „Bisher haben wir noch immer etwas verbessern können“, sagt Appel selbstbewusst: Meistens kann die Produktausbeute erhöht oder durch effizientere Prozesse der Einsatz von Rohstoffen oder Energie reduziert werden. Das gilt auch für Hilfsstoffe wie die Katalysatoren. Nach mehreren sehr erfolgreichen Projekten haben beide Prozessentwickler auch Kollegen anderer Clariant Divisionen beraten und geschult. Ein Trainee der Division Pigments & Additives analysiert und optimiert mit ihrer Methodik die Prozesse am Standort Rhein-Main.

Award für Prozessinnovation

Der Ansatz von Wachsen und Appel entspricht genau dem, was CEO Jan Secher in seiner Rede beim Clariant Innovation Award im November 2007 betonte: Dass ein wichtiges, häufig vernachlässigtes Gebiet der Innovation das der neuen und verbesserten Prozesse sei. Nicht umsonst erhielten die beiden für ihr Hilfsmittel zur Prozessinnovation den mit 20 000 Schweizer Franken dotierten „Silver Award“. „Allein, wenn wir nur die Prozesse der beispielsweise 150 umsatzstärksten Produkte verbessern können, kann das deutliche Effizienzverbesserungen bringen“, ist sich Dr. Olaf Wachsen sicher: „Fangen wir doch einfach mal an – und verteilen wir die Methodik in alle Geschäftsbereiche und Regionen.“

Der Autor ist Leiter Kommunikation bei Clariant, Muttenz/Schweiz

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