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Debottlenecking Performance-Potenziale nutzen: Debottlenecking in der Praxis

| Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Bittermann / Dr. Jörg Kempf

Ziel eines Debottleneckings ist es, die Produktionskapazität einer bestehenden Anlage durch Änderung der Ausrüstung bzw. der Abläufe zu erhöhen. Konkret geht es darum, Durchsatzbeschränkungen zu beseitigen. Gelingt dies, ist das für den Betreiber äußerst profitabel, erhöht doch ein Debottlenecking die Kapazität meist zu einem Bruchteil der Kosten für einen Neu- oder Erweiterungsbau. PROCESS hat praktische Beispiele zusammengestellt.

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Eine gut dokumentierte Anlage ist die beste Voraussetzung für ein effizientes Debottlenecking
Eine gut dokumentierte Anlage ist die beste Voraussetzung für ein effizientes Debottlenecking
(Bild: JIS Job Industrial Inc.)

Im Verlauf des üblichen Lebenszyklus von 40 bis 50 Jahren wird eine Chemieanlage immer wieder verändert, modernisiert und optimiert: Retrofit, Revamp und Debottlenecking heißt das im Fachjargon – die deutschen Begrifflichkeiten „Nachrüstung/Umbau“, „Zustandsverbesserung/Instandhaltung“ und „Beseitigen von Engstellen“ sind leider weniger gebräuchlich.

Insbesondere das Beseitigen von Flaschenhälsen bietet Unternehmen die Möglichkeit, rasch auf Marktveränderungen zu reagieren und die Produktionskapazität deutlich zu erhöhen. Beispielsweise baut aktuell der Spezialchemie-Konzern Lanxess seine Mesamoll-Produktion in Krefeld-Uerdingen aus, weil die Nachfrage nach diesen phthalatfreien Weichmachern steigt. Mit einem Investitionsvolumen im mittleren einstelligen Millionen-Euro-Bereich wird die Produktionsanlage um 40(!) Prozent ausgebaut. Im Rahmen dieses Debottleneckings werden die technischen Einrichtungen in der bestehenden Anlage umfangreich aufgestockt, beispielsweise durch neue Wärmetauscher und Reaktionskessel. Die zusätzlichen Weichmacher-Kapazitäten sollen bereits Ende 2010 zur Verfügung stehen.

Praxisbeispiel: Filtrationszeiten verkürzen

Ein erfolgreiches Projekt steuert auch VTU bei: In einer Produktionsanlage zur Herstellung eines pharmazeutischen Produkts wird über eine Ultrafiltrationsanlage der Fermentationsbrei filtriert. Die Filtration ist insofern schwierig, da dieser Prozessschritt aufgrund der Degradationseigenschaften des Produkts bei tieferen Temperaturen stattfinden sollte, um die Gesamtausbeute möglichst hoch zu halten. Allerdings darf die Filtrationstemperatur eine gewisse Minimaltemperatur nicht unterschreiten, da ansonsten Proteine ausfallen, welche die Durchlässigkeit der Membrane verschlechtern und somit die Filtrationszeit verlängern. Ziel des Debottlenecking-Projekts war, die Filtrationszeit zu verkürzen, um die Gesamtausbeute zu vergrößern.

Nach Durchspielen verschiedener Varianten stellte sich heraus, dass die Umstellung der Ultrafiltrations (UF)-Anlage vom Batch- auf den Conti-Mode einer Vergrößerung der Membranfläche und somit einer höheren Investition vorzuziehen ist. Die aus vier Loops bestehende Anlage wurde auf die kontinuierliche Fahrweise umgebaut, wobei in jedem Loop Konzentrations- und Diafiltrationsfaktoren über die entsprechende Zudosierung von Demi-Wasser eingestellt werden können.

Diese Fahrweise hat den Vorteil, dass die Verweilzeit der Fermentationsbrühe, die kontinuierlich der UF-Anlage zudosiert wird, wesentlich verringert wird. Zudem kann die Produktkonzentration des Filtrats im Unterschied zur Batch-Anlage konstant gehalten werden. Die Gesamtausbeute stieg um 16 Prozent; die ursprüngliche Zielsetzung von zehn Prozent wurde wesentlich überschritten.

Mitarbeiter kennen „ihre“ Anlage am besten

Während Lanxess und VTU in den geschilderten Beispielen gezielt vorgehen, um den Flaschenhals einer Produktion zu weiten, basieren viele andere Debottlenecking-Erfolge auf Verbesserungsvorschlägen des Betriebspersonals. Das ist auch naheliegend, kennen diese Mitarbeiter ihre Anlage doch aus der täglichen Arbeit am besten.

Ein Praxisfall: Mit ihrer Idee für einen neuen Filter konnten drei BASF-Mitarbeiter in der Sokalan-Produktion (Waschmittelzusätze, die das Ausfärben von Kleidungsstücken beim Waschen verhindern) einen Flaschenhals weiten und die Filtrationszeit um mehr als die Hälfte senken.

Zum Hintergrund: Bevor das Produkt vom Reaktor in den Lagerbehälter gefüllt werden kann, müssen Verunreinigungen herausgefiltert werden. Um eine 20-t-Charge zu reinigen, waren bisher zwischen vier und sieben Stunden nötig. Da die Leistung des Filters für die Produktmenge nicht ausreichte und ein größerer Filter aufgrund der Apparateanordnung nicht infrage kam, mussten bislang zwei Filter hintereinander geschaltet werden.

Der auf Vorschlag der Mitarbeiter installierte neue Filter hat konstruktionsbedingt eine um 70 Prozent größere Filterfläche. Die größere Fläche reicht aus, um nun mit nur einem Filter die verlangte Filtrationsqualität (100 µm) zu erreichen. Dadurch sinkt auch die Zeit für die Filtration auf rund zwei Stunden pro Charge.

Auch beim Kunststoffproduzenten Vinnolit funktioniert das betriebliche Vorschlagwesen: Ein Mitarbeiter aus der Produktion schlug vor, eine Destillationskolonne in einer anderen Weise zu säubern als bisher. Die Kolonne zur Reinigung von Zwischenprodukten verschmutzte mehrmals pro Jahr und musste dann normalerweise für jeweils zwei Tage abgestellt, gespült, getrocknet und wieder in Betrieb genommen werden. Das hatte entsprechende Produktionseinschränkungen in der gesamten Anlage zur Folge. Heute wird die Kolonne nach entsprechenden verfahrenstechnischen Änderungen im laufenden Betrieb mit Kondensat gespült – das vermeidet den Produktionsausfall, und es fällt auch deutlich weniger Abwasser an.

Debottlenecking mit der Pinch-Technologie

Ein beträchtlicher Teil der Energiekosten von Anlagen der Prozesstechnik wird durch Aufheizen und Abkühlen von Stoffströmen verursacht. Die Pinch-Technologie ist ein Ansatz zur systematischen Optimierung des Energieverbrauches. Dabei werden Zielsetzungen wie Wirtschaftlichkeit, Energieeffizienz und Investitionskosten bewertet – und daraus wiederum die optimale Umsetzungsstrategie abgeleitet.

Ein Praxis-Beispiel für den Einsatz der Pinch-Technologie bei der Dr. Willmar Schwabe Arzneimittel findet sich in „Mit der Pinch-Technologie Prozesse und Anlagen optimieren“, herausgegeben von der Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg: Die Herstellung erfolgt vorwiegend im Batch-Betrieb und benötigt insbesondere für Extraktionsprozesse Wärme- und Kälteenergie in größerem Umfang. Zu beachten war, dass die im Pharmabereich geforderte Good Manufacturing Practice (GMP) es nur sehr begrenzt erlaubt, Prozessveränderungen im stofflichen Bereich vorzunehmen. Daher konzentrierte sich das bei Schwabe durchgeführte Projekt in erster Linie auf den Bereich der betrieblichen Energieversorgung.

Ergebnis: Das Energie-Einsparpotenzial lag im Prozess- und Versorgungssystem insgesamt bei rund 310 000 Euro pro Jahr, was 20 Prozent der bestehenden Energiekosten ausmacht. Von den für dieses Ziel entwickelten Projekten besaß etwa die Hälfte eine Amortisationszeit von weniger als zwei Jahren. Ein energetisches Debottlenecking also.

Im Übrigen kann nicht nur die Technik optimiert werden, das gilt auch für organisatorische Abläufe. Das ist z.B. bei der Optimierung der Logistikkette (Supply chain) der Fall, typischerweise bei diskontinuierlichen Batch-Prozessen. Bei Batch-Anlagen muss der Ablauf der einzelnen Prozessschritte nachvollzogen werden – befüllen, reinigen usw. Diese Zeiten muss man sich genau anschauen und eine Verfügbarkeitsanalyse erstellen. Vielfach können Produktionsplanungs-Spezialisten allein durch Änderung der Abläufe oder die Installation eines Pufferbehälters eine höhere Anlagenkapazität realisieren.

Debottlenecking per Virtual Reality

Dem Betreiber stehen heute leistungsfähige Visualisierungs- und Simulations-Werkzeuge zur Verfügung. Auch auf diese Weise ist ein Debottlenecking möglich: Für neue Anlagen gibt es oft ein Simulationsmodell zum Training der Anlagenfahrer, das im Idealfall mit dem Prozessleitsystem verbunden ist. Das Personal kann hier nicht nur trainieren, wie die Anlage funktioniert, sondern kann mit dem Simulationsmodell auch Parameter durchspielen und auf diese Weise ebenfalls Engstellen beseitigen: Aus dem Anlagenfahrer wird per Virtual Reality ein Anlagen-Optimierer.

Fazit

Das Debottlenecking – ob gezielt über die entsprechende Dimensionierung von Wärmetauschern und Kolonnen, den Einsatz der Pinch-Technologie oder eher zufällig über Verbesserungsvorschläge – ist für den Betreiber meist äußerst profitabel im Vergleich zum Neu- oder Erweiterungsbau. Kein Wunder also, dass das Auffinden von Flaschenhälsen speziell für Ingenieur-Dienstleister zu einem wichtigen Standbein geworden ist.

* Der Autor ist freier Mitarbeiter bei PROCESS.

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