News


3. ENPRO-Tag ein voller Erfolg | 27.09.2017
Am 27. September 2017 fand der 3. ENPRO-Tag als ganztägige Veranstaltung mit Beteiligung von über 70 Experten aus Industrie und Hochschulen im DECHEMA-Haus, Frankfurt am Main, statt.
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ENPRO - Vortrag ausgezeichnet | 17.03.2017
Der Konferenzbeitrag „Suspension Flow Characteristics, Solid Phase Axial Dispersion and Product Size Distribution in a Continuous Tubular Crystallizer“ wurde auf dem „ProcessNet Jahrestreffen – Mechanische Flüssigkeitsabtrennung und Kristallisation 2017“ mit dem diesjährigen Vortragspreis ausgezeichnet.
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ENPRO - Datenintegration White Paper vorgesteltt | 10.02.2016
Das ENPRO-Verbundprojekt Datenintegration hat am 10.02.2016 ihr White-Paper zu Anwendungsszenarien und Modellierungsanforderungen vorgestellt.
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Präambel

Einführung

Die deutsche chemische Industrie steht in einem starken globalen Wettbewerb. Die Mitbewerber verfügen über günstigere Kostenstrukturen und holen auch technologisch auf. Auch in der Spe-zialchemie entstehen zunehmend Produktionskapazitäten in den Schwellenländern. Die Märkte fordern schnellere Entwicklung und effiziente Herstellung von Spezialitäten und neuen Produk-ten zur schnellen Marktbedienung bei gleichzeitiger hoher Energieeffizienz und Ressourcen-schonung. Daher haben die drei Firmen BASF, Bayer und Evonik zusammen mit Zuliefererfir-men und Universitäten die gemeinsame Initiative „Energieeffizienz und Prozessbeschleunigung für die Chemische Industrie“ gestartet. Ziel der Arbeiten ist die deutliche Steigerung der Ener-gieeffizienz neuer Herstellprozesse durch die Schaffung neuer, noch nicht am Markt etablierter Technologien bei gleichzeitiger deutlicher Verkürzung der Durchlaufzeiten von Innovationspro-jekten, besonders in der Spezialchemie. Dies wird in Zukunft noch mehr bestimmend sein für den Innovations- und damit dem Markter-folg. Traditionelle Verfahren mit Batch-Betrieb werden durch kleine, modulare, kontinuierlich betriebene Produktionsanlagen ersetzt.

 Gleichzeitig werden damit auch zwei Schwerpunkte der Strategie der Bundesregierung zur Sicherung und Stärkung des Wissenschafts- und Industriestandortes Deutschland aufgegriffen und in ein koordiniertes Vorgehen eingebracht. Dies gilt zum Einen für das 6. Energiefor-schungsprogramm mit seinen wichtigen Handlungsfeldern unter denen Energieeinsparung und Energieeffizienz eine maßgebliche Rolle spielen. Zum Anderen sind in der Hightech-Strategie der Bundesregierung mit Blick auf künftige Wettbewerbsfähigkeit und Marktstellung bestimmte, als besonders wichtig erachtete Schlüsseltechnologien angesprochen, darunter auch Produkti-onstechnologien. Die vorliegende Initiative greift diese beiden Schwerpunkte auf mit dem Ziel, dem Gebot der Nachhaltigkeit durch die Entwicklung energie- und ressourceneffizienter Prozes-se gerecht zu werden und gleichzeitig die Wettbewerbsfähigkeit durch beschleunigte Prozess-entwicklung signifikant zu steigern.

 

Vorüberlegungen und Zielsetzung

Die Kombination aus Energieeffizienz und Prozessbeschleunigung stellt eine besondere Heraus-forderung für alle Beteiligten dar (Chem. Industrie, Anlagenbauer, Zulieferer und Universitäten). Auf verschiedenen Symposien mit Beteiligten aus Industrie und Wissenschaft wurden bereits eine Vielzahl von Ideen und Aktivitäten diskutiert, bewertet und konkretisiert. Dazu gehören z.B. die verstärkte Nutzung von mathematischen Modellen, skalierbaren Miniplant-Anlagen mit konti-nuierlicher Prozessführung und Komponenten zur schnelleren Verfahrensentwicklung, die simul-tane bzw. stark überlappende Bearbeitung von Entwicklung, Planung und Anlagenbau durch integrierte Informationsnutzung sowie die Minimierung von Beschaffungs-, Bau- und Inbetrieb-nahmezeiten durch intelligente Modularisierung. Darüber hinaus sind Themen der Arbeitsorgani-sation und des Change Managements wichtig, um einerseits z.B. Faktoren aus besonders er-folgreichen Projekten zu identifizieren und andererseits Entwicklungen und Erkenntnisse aus anderen Industriezweigen (z.B. Fertigungsindustrie) möglichst schnell für die chemische Indust-rie nutzbar zu machen bzw. zu adaptieren. Aus diesen Vorüberlegungen resultiert ein Projektverbund, in dessen Einzelprojekten einerseits die technische Machbarkeit der Entwicklung skalierbarer Komponenten (Smart-Scale Compo-nents) zur Erreichung von Energieeffizienz und Prozessbeschleunigung nachgewiesen und andererseits die Vorteile einer verstärkten Modularisierung und des integrierten Datenmanage-ments über den gesamten Prozess aufgezeigt werden sollen.

Die Modularisierung von Schlüsselkomponenten (z.B. Kolonnen, Pumpen, etc.) und die Datenin-tegration (Datenmanagement) tragen wesentlich zum Ziel des Gesamtvorhabens der Effizienz-steigerung und Prozessbeschleunigung bei und ermöglichen eine industrieweite Nutzung. Zu dieser Zielerreichung des Gesamtvorhabens wird eine Austauschplattform eingerichtet. Diese dient der projektübergreifenden Kommunikation, dem einfachen Informationsabgleich an den Schnittstellen zwischen den Einzelprojekten und den verschiedenen Beteiligten, sowie der wis-senschaftlichen Analyse der Ergebnisse und Weiterentwicklung des Gesamtvorhabens. Auf dieser Basis können dann ggf. auch weitere Forschungs- und Entwicklungsvorhaben mit Schwerpunkten wie z.B. Prozesssynthese, Standardisierung, Arbeitsorganisation und Change Management sinnvoll ergänzt werden. Dieses Vorhaben wurde als F&E-Projekt bereits im Koordinierungskreis der nationalen Techno-logieplattform SusChem Deutschland vorgestellt und dort sehr positiv aufgenommen.

 

Der Projektverbund und seine Arbeitsschwerpunkte

 Generelles Forschungs- und Entwicklungsziel ist die Demonstration des Energie- und Zeitein-sparpotenzials einer beschleunigten Prozessentwicklung mit Hilfe wieder verwendbarer Stan-dardmodule für eine kontinuierliche Prozessführung (anstelle von Batch) und einer verbesserten, software-unterstützten Methodik. Die Module und Komponenten müssen durchgängig und ska-lenübergreifend verwendbar sein, um eine beschleunigte Modellierung und Prozessauslegung zu ermöglichen. Im Labor wird mit dem Anlagenaufbau schon das Detail-Engineering für die Produktionsanlage gemacht, die dann aus fertig konzipierten Modulen zusammengestellt wird. Die sinnvolle Kombination dieser Komponenten in Modulen sowie die zugehörige durchgängige Informationsmodellierung von der Prozessauslegung bis zur Inbetriebnahme sind wesentliche Querschnittsaktivitäten zur deutlichen Reduzierung der Durchlaufzeiten einerseits und zur ener-getischen Optimierung andererseits.

 

Smart-Scale Komponenten für Reaktion (Front End) und Aufarbeitung (Down Stream)

 Hier sollen Smart Scale Komponenten für die kontinuierliche Prozessführung entwickelt und erprobt werden, um damit die Phasen der Verfahrensentwicklung und des Scale-up in den Pro-duktionsmaßstab deutlich zu verkürzen. So wird durch die direkte Übertragung von Laborrezep-turen in die Produktion unter Vermeidung von Pilotversuchen und aufwändigen Rezepturanpas-sungen der Ressourcenverbrauch stark verringert und der Entwicklungsprozess beschleunigt. Voraussetzung für die frühzeitige Darstellung solcher produktionsnaher Prozesse bereits im Entwicklungsstadium ist die Bereitstellung und modellhafte Beschreibung neuartiger skalierbarer Apparatekonzepte mit vergleichbarem charakteristischem Verhalten im Labor- und im Produkti-onsmaßstab. Im Labor bisher vorherrschende Glasapparate werden durch skalierbare Metallap-parate ersetzt, mit denen direkt auch Werkstoff- und Oberflächeneffekte wie Korrosion, katalyti-sche Nebenwirkungen oder Belagbildung sowie neue Prozessbedingungen untersucht werden können. Eine frühe Integration von Rückführungen, interne Wärmenutzung und Schließen von Stoffkreisläufen führt so schon im Labor zu produktionsnahen Ergebnissen und zu einer Verbes-serung der prozessintegrierten Energieeffizienz. Eine dazu passende Bewertungsmethodik erlaubt die kombinierte Betrachtung des Energie- und Ressourcenverbrauches und zeigt die Einsparpotentiale. Die skalierbaren Komponenten sollen dann die Basis für ein Plattformkonzept bilden, in dem die einzelnen Komponenten, Module und Gewerke im Durchsatz und den Pro-zessbedingungen aufeinander abgestimmt sind. Die gleichzeitige Skalierung der verschiedenen Module auf die einzelnen Plattformstufen ist insbesondere bei kritischen Reaktionsschritten, intensivierten Trennverfahren oder dem Feststoffhandling noch technisches Neuland, zu dem sehr viel Forschungsaufwand erforderlich ist. Mit diesem modularen Aufbau lassen sich Produk-tionskapazitäten schnell den Markterfordernissen anpassen und insbesondere Spezialitätenpro-dukte mit kleineren Kapazitäten und kürzeren Lebenszyklen wirtschaftlich herstellen.

 

Integrierte Aktivitäten für Modularisierung und  Datenmanagement

Die Modularisierung bzw. die Zusammenfassung der o.g. zu entwickelnden skalierbaren Kom-ponenten in Module ist eine wichtige Voraussetzung für das angestrebte Plattformkonzept. Damit wird dann auch der Planungsprozess durch den Umgang mit bekannten Größen be-schleunigt und auch für den Beschaffungsprozess werden im Investitionsprojekt Zeitvorteile erreicht. Daher soll der oben beschriebene Prozess der Entwicklung von skalierbaren Kompo-nenten unterstützt und ergänzt werden durch die Entwicklung entsprechender Planungs- und Hardware-Module für wiederkehrende Prozessschritte und vielfach eingesetzte Komponenten (Pumpen, Kolonnen, Reaktoren, Infrastruktur, etc.). Diese Module sind in ein Planungswerkzeug einzubinden, das den gesamten Gestaltungsprozess von der frühen Prozessentwicklung im Labor bis zum 3D-Anlagenmodell unterstützt. Der Gedanke des Simultaneous Engineering und optimierte Abläufe (Process Excellence, Six Sigma) kommen dabei zum Tragen und müssen auf die neue Umgebung angepasst werden. In dem Vorhaben soll dies neben den skalierbaren Komponenten an den Beispielen von Pumpen und Kolonnen als vielfach eingesetzte Kompo-nenten demonstriert werden.

 Die Übergänge vom Labor- zum Planungs- und Konstruktionsmodul und der damit verbundene Informationszuwachs und –transfer müssen in definierten Arbeitsabläufen (Workflow) gestaltet werden. Der schnelle Zugriff auf die aktuell verfügbaren Planungs- und Anlagendaten ist für alle Projektbeteiligten von entscheidender Bedeutung und stellt daher besondere Anforderungen an den Informationsaustausch und die Datenintegration (Datenmanagement) innerhalb eines Pro-jektes dar. An dem Beispiel der skalierbaren Komponenten und Standardmodule wird eine von den Beteiligten gestaltete Daten-Modellierung als Basis für den Gewerke- und phasenübergrei-fenden Informationsaustausch entwickelt. Damit wird eine gemeinsame Informationsplattform von der Labor- bis zur Produktionsanlage erstellt. Die so geschaffene Verbindung zwischen Technologie und Management der an dem Projekt Beteiligten wird deutliche Effizienzvorteile bringen. Diese Informationsplattform kann später um weitere Elemente wie z.B. Kostenschät-zung, Wirtschaftlichkeitsbetrachtung, Risikobewertung oder Marktanalyse ergänzt werden.

 

Zeitrahmen, Ergebnisse und Ausblick

Die Einzelvorhaben sind zunächst jeweils für einen Zeitraum von drei Jahren angelegt. Nach Ende des ersten und zweiten Jahres werden Zwischenergebnisse dargestellt. Das Gesamtvor-haben stellt mit der Austauschplattform eine optimale Nutzung der Ergebnisse sicher, auch falls einzelne Vorhaben etwas zeitversetzt starten oder weitere später hinkommen sollten.

 Die drastische Verkürzung der Entwicklungszeiten eines Produktionsprozesses von der ersten Idee bis zur Marktbedienung in der Spezialchemie bei gleichzeitiger Energie- und Ressourcenef-fizienz bedeutet einen Paradigmenwechsel in der Chemischen Industrie und kann beispielge-bend für andere Industriesparten wie der Pharmaindustrie und der Agrochemie sein. Die hier gezeigten Vorteile sollen in weiteren Folgeprojekten mit weiteren Partnern aus verschiedenen Bereichen ausgebaut werden. Der Modulgedanke wird auf andere Prozessschritte ausgeweitet und auf wichtigen Plattformstufen realisiert. Die Datenintegration wird über alle Prozessabschnit-te ausgedehnt und weitere Zulieferer und Software-Dienstleister werden eingebunden, um die Vorteile auf breiter Basis zu nutzen.

In der Forschung werden Simulations- und Skalierungsmethoden noch weiter ausgebaut werden müssen, um das Scale-up-Risiko für kritische Schritte zu verringern. Insbesondere stark exotherme Reaktionen, Feststoffhandling und gekoppelte Prozessschritte müssen noch intensi-ver angeschaut werden. Konzepte aus der optimierten Produktion im Automobilbau oder z.B. der Flugzeugindustrie sind auf Übertragbarkeit für die Prozessindustrie zu prüfen, um die Entwick-lungsschritte schneller und effizienter zu gestalten. Demonstrationsanlagen an den Hochschulen wie auch in den Technika der Industrie können für Trainings- und Schulungszwecken genutzt werden, die eine schnellere Umsetzung von neuartigen Produktionskonzepten erlauben.

Mit diesen Aktivitäten wird Deutschland Technologieführerschaft auf dem Gebieten der Prozess-entwicklung und der Energieeffizienz beweisen. Damit werden nicht nur in der chemischen Industrie Arbeitsplätze erhalten und geschaffen, sondern der Modulcharakter der Anlagenkom-ponenten unterstützt gerade flexible kleinere und mittlere Unternehmen. Nach Vorbild der Auto-mobilindustrie oder des Maschinenbaus können Lieferketten gestaltet werden, die großes Sy-nergiepotenzial und Wettbewerbsvorteile bieten.