Prozesssimulation

Die Prozesssimulation ist ein computergestütztes Verfahren zur Darstellung, Berechnung und Optimierung komplexer verfahrenstechnischer Prozesse. Sie kommt überall dort zum Einsatz, wo in Prozessen mit Flüssigkeiten, Gasen und Dämpfen gearbeitet wird – etwa bei chemischen Reaktionen, der thermischen Trennung von Stoffgemischen oder der Auslegung von Wärmetauschern/Wärmeübertrager. Sie ist durch keine Alternative zu ersetzen, wenn es um eine effiziente und genaue Berechnung solcher Vorgänge geht.

Die Prozesssimulation spielt ihre Stärken besonders bei der Darstellung und Berechnung von komplexen Prozessen oder Prozessstufen aus. Im Gegensatz zu vereinfachten Handberechnungen ermöglicht sie die gleichzeitige Berücksichtigung aller relevanten Stoffdaten, Betriebsparameter und Wechselwirkungen zwischen Prozessstufen. Zudem lassen sich Optimierungen, Sensitivitätsanalysen und Vorhersagen für Umbaumaßnahmen effizient durchführen, ohne in die reale Anlage eingreifen zu müssen.

Für die Prozesssimulation kommen branchenführende Programme zum Einsatz, darunter ChemCAD, Aspen Plus und HYSYS. Ergänzend werden spezialisierte Tools wie Aspen Heat Exchanger Design & Rating oder CC-THERM für die Wärmetauscherauslegung/Wärmeüberträgerauslegung, Aspen Flare System Analyzer für Fackelsysteme und Aspen Energy Analyzer für Energieoptimierungen genutzt. Die Wahl des passenden Tools hängt von der spezifischen Fragestellung und dem Prozesstyp ab.

Zunächst wird der Prozess mit seinen einzelnen Prozessstufen im Simulationsmodell aufgebaut. Anschließend werden die Komponenten definiert, die dem Prozess zugeführt werden – hierzu steht eine umfangreiche Komponentendatenbank zur Verfügung, aus der Stoffe ausgewählt oder bei Bedarf ergänzt werden können. Danach werden Apparate wie beispielsweise Destillationskolonnen mit ihren Dimensionen und Betriebsparametern konfiguriert. Erzeugt die Simulation erste passable Ergebnisse, folgt die Optimierung, unter anderem mithilfe der Sensitivitätsanalyse.

Die Sensitivitätsanalyse ist ein wichtiges Optimierungswerkzeug innerhalb der Prozesssimulation. Sie zeigt an, wie sich ein schrittweises Verändern von Parametern auf den Prozessschritt oder das Ergebnis auswirkt. Damit lässt sich gezielt ermitteln, welche Betriebsparameter den größten Einfluss auf Produktqualität, Energieverbrauch oder Ausbeute haben – und wo Optimierungspotenzial besteht.

Die Prozesssimulation ist für alle Branchen relevant, in denen verfahrenstechnische Prozesse stattfinden. Dazu gehören insbesondere die Chemie-, Pharma- und Mineralölindustrie sowie die Ver- und Entsorgung. Überall dort, wo Stoffe getrennt, gemischt, umgewandelt oder thermisch behandelt werden, liefert die Simulation verlässliche Ergebnisse für Planung, Auslegung und Optimierung von Produktionsanlagen.

Eine professionelle Prozesssimulation umfasst das Abbilden von Prozessstufen und ganzen Prozessen im Simulationsmodell, die Ermittlung aller relevanten Stoffdaten, das Berechnen aller Stoffströme und Parameter sowie die Vorhersage der Ergebnisse von Umbaumaßnahmen und Optimierungen. Darüber hinaus gehören die Auslegung von Prozessausrüstung im Bereich der Destillation und Wärmeübertragung, die Erstellung von Energie- und Massenbilanzen sowie die Simulation von Rohrleitungsnetzwerken zum Leistungsspektrum.

Die Prozesssimulation ermöglicht die präzise Auslegung und Berechnung von Destillations- bzw. Rektifikationskolonnen. Die einzelnen Stoffe werden der Kolonne zugewiesen, die dann mit ihren Dimensionen, Inneneinbauten und Betriebsparametern konfiguriert wird. Graphische Darstellungen wie Dampfdruckkurven und Siedediagramme helfen dabei, ein erstes Gefühl für das Stoffverhalten zu bekommen und die Trennung optimal zu gestalten.

Ja, die Prozesssimulation ermöglicht die vollständige Auslegung und Berechnung von Wärmetauschern/Wärmeübertrager wie Kondensatoren und Reboilern. Im Bereich der thermischen Prozesse lassen sich alle relevanten Komponenten auslegen, sobald der Prozess optimiert ist. Spezialisierte Tools wie Aspen Heat Exchanger Design & Rating oder CC-THERM unterstützen dabei die detaillierte Wärmetauscherberechnung/Wärmeüberträgerberechnung.

Die Prozesssimulation eignet sich hervorragend für bestehende Anlagen – insbesondere bei geplanter Anlagenoptimierung, Debottlenecking oder Verfahrens- und Produktänderungen. Bevor reale Änderungen umgesetzt werden, können verschiedene Szenarien durchgespielt und deren Auswirkungen auf Stoffströme, Energiebedarf und Produktqualität bewertet werden. Durch die gezielte Analyse der Produktionsabläufe lassen sich Engstellen identifizieren und meist zu einem Bruchteil der Kosten eines Neubaus beheben, dabei sind teils sehr hohe Produktionssteigerungen möglich. Das reduziert Planungsrisiken und vermeidet kostspielige Fehlentscheidungen.

Ja, die Simulation von komplexen Rohrleitungsnetzwerken ist ein fester Bestandteil des Leistungsspektrums. Dabei werden bestehende Rohrleitungsnetzwerke realitätsnah abgebildet, jede einzelne Leitung wird modelliert, im System verbunden und mit allen wichtigen Komponenten wie Ventilen, Druckerzeugern oder Regelarmaturen integriert. So lassen sich Schwachstellen identifizieren und Maßnahmen zur Optimierung ableiten.

Die Prozesssimulation liefert detaillierte Energie- und Massenbilanzen, die Optimierungspotenziale im Energiehaushalt einer Anlage aufzeigen. Durch die Analyse von Wärmeströmen, Wärmeintegration und die Optimierung thermischer Trennprozesse können Energiekosten signifikant gesenkt werden. Insbesondere bei der Anlagenoptimierung und beim Debottlenecking lassen sich durch die Simulation des Aufheizens und Abkühlens von Stoffströmen erhebliche Einsparungen erzielen.

Die Prozesssimulation berechnet chemische und thermische Prozesse auf Basis von Stoff- und Energiebilanzen ganzer Anlagen oder Prozessstufen. Die CFD-Simulation (Computational Fluid Dynamics) hingegen analysiert detaillierte dreidimensionale Strömungsverläufe, Druckverluste und Wärmeübergänge in einzelnen Apparaten oder Anlagenteilen. Beide Methoden ergänzen sich: Die Prozesssimulation liefert Randbedingungen für die CFD, während die CFD detaillierte Erkenntnisse über lokale Strömungsphänomene liefert.

Die Dauer einer Prozesssimulation hängt von der Komplexität des Prozesses und der Fragestellung ab. Einfache Einzelapparate wie ein Wärmetauscher/Wärmeüberträger können innerhalb weniger Tage simuliert werden. Komplette Prozesse mit mehreren verbundenen Stufen, Rückführungen und Optimierungsschleifen erfordern dagegen einen deutlich längeren Zeitraum. Entscheidend für die Effizienz sind die Qualität der verfügbaren Prozessdaten und die Erfahrung der simulierenden Person.

Für eine Prozesssimulation werden Angaben zu den eingesetzten Stoffen (Zusammensetzung, Mengenströme), den Betriebsbedingungen (Temperatur, Druck) und den vorhandenen Apparaten (Abmessungen, Inneneinbauten) benötigt. Die eingesetzten Medien werden über die interne Stoffdatenbank ausgewählt oder selbst modelliert und alle relevanten Prozessparameter wie Temperatur, Druck und Volumenstrom definiert. Je vollständiger die Eingangsdaten, desto genauer sind die Simulationsergebnisse.

Die Genauigkeit einer Prozesssimulation hängt von der Qualität der Stoffdaten, der Wahl des thermodynamischen Modells und der Erfahrung des Anwenders ab. Moderne Prozesssimulationstools arbeiten mit validierten thermodynamischen Gleichungen und umfangreichen Stoffdatenbanken, sodass für die meisten verfahrenstechnischen Fragestellungen sehr genaue Ergebnisse erzielt werden. Für unbekannte Stoffsysteme können zusätzliche experimentelle Daten erforderlich sein, um Komponenten zu modellieren und so die Modellgenauigkeit sicherzustellen.

Die Kosten einer Prozesssimulation richten sich nach dem Umfang und der Komplexität der Aufgabenstellung. Einfache Berechnungen einzelner Apparate sind bereits mit überschaubarem Aufwand realisierbar, während die Simulation ganzer Produktionsanlagen mit mehreren Prozessstufen, Rückführungen und Optimierungsschleifen einen höheren Projektumfang erfordert. In jedem Fall steht der Aufwand in einem wirtschaftlich attraktiven Verhältnis zum Nutzen, insbesondere wenn durch die Simulation kostspielige Fehlplanungen, unnötige Überdimensionierungen oder Produktionsausfälle vermieden werden. Für ein individuelles Angebot empfiehlt sich eine unverbindliche Erstberatung.

Prozesssimulationen werden eingesetzt, um die thermodynamischen Anlagenzustände zu modellieren und die Abblasemassenströme zu ermitteln. Durch die genaue Kenntnis der Prozessbedingungen bei Störfällen können Sicherheitsventile passgenau dimensioniert werden. Ohne Prozesssimulation wäre eine präzise Bestimmung der relevanten Abblasefälle bei komplexen Prozessen kaum möglich.

Die Prozesssimulation ist bereits in der Konzeptfindung und im Basic-Engineering ein unverzichtbares Werkzeug. Im Rahmen des Basic-Engineering unterstützt sie bei der Auswahl des optimalen Verfahrens und der Erstellung von Massen- und Energiebilanzen. Damit können verschiedene Verfahrensalternativen frühzeitig verglichen und das wirtschaftlichste Konzept identifiziert werden, bevor kostspielige Detail-Engineering-Phasen beginnen. Auch in späteren Projektphasen kann die Simulation sinnvoll eingesetzt werden, um die Fahrweise der geplanten Anlage (selbst im späteren Betrieb) zu optimieren.