In vielen Industrieanlagen wächst der Druck: steigende Produktionsmengen, höhere Anforderungen an Sicherheit und Nachhaltigkeit sowie die Notwendigkeit, flexibel auf neue Rohstoffe reagieren zu können. So war es auch in diesem Projekt: Die bestehenden Lagerkapazitäten hatten ihre Grenzen erreicht. Eine Umstellung auf Tanklagerung war mit der bisherigen Infrastruktur kaum mehr möglich – die Logistik stand an einem Wendepunkt.

An dieser Stelle kamen wir ins Spiel. Mit unserer Expertise in Anlagenplanung, Sicherheitstechnik und Prozessintegration haben wir die Grundlage geschaffen, um die Rohstofflogistik eines Werks zur Produktion von Kunstharzen zukunftssicher aufzustellen.

Abb. 1: Anwendungsbereiche Kunstharze

Unser Auftrag

Wir wurden beauftragt, die Konzeptplanung für ein neues Tanklager zu erstellen – als Entscheidungsvorlage für die Erweiterung der Lagerkapazität. Im Zentrum stand dabei nicht nur die reine Schaffung von zusätzlichem Volumen, sondern die Entwicklung eines ganzheitlichen Konzepts, das Sicherheit, Nachhaltigkeit und Effizienz miteinander verbindet.

Abb. 2: Spektrum zur Erstellung einer Konzeptplanung für ein neues Tanklager inmitten einer vorhandenen Lager- und Produktionsumgebung

Die Planung im Detail

Das neue Tanklager ist modular konzipiert und sieht in der Endausbaustufe acht vor Ort gefertigte Tanks mit je 250 m³ Nutzinhalt vor. In der ersten Bauphase werden sechs Tanks errichtet, in einer zweiten Ausbaustufe zwei weitere ergänzt. Die Tanks sind für verschiedene Medien ausgelegt, die in der Herstellung von Kunstharzen eingesetzt werden.

Wir haben dabei folgende Schwerpunkte gesetzt:

Explosionsschutz:
Sämtliche Anlagenteile sind für den Betrieb in explosionsgefährdeten Bereichen (Ex-Zonen) ausgelegt. Damit wird höchste Sicherheit im täglichen Betrieb gewährleistet.

WHG-konforme Sicherheitstechnik:
Alle Tanks stehen in einer Auffangwanne, die mindestens das Volumen eines Lagertanks aufnehmen kann. Eine spezielle Beschichtung sorgt dafür, dass selbst im Havariefall kein Tropfen unkontrolliert in die Umwelt gelangt.

Moderne Infrastruktur:
Fünf Entladestationen für Tankkraftwagen sorgen für kurze Wege, klare Zuordnung der Medien und einen reibungslosen Betrieb – auch unter Volllast.

Prozessstabilität:
Für temperaturempfindliche Rohstoffe sind Tanks und Rohrleitungen mit Heizsystemen ausgestattet, um konstante Bedingungen zu gewährleisten.

Nachhaltigkeit:
Abluftströme werden nicht in die Atmosphäre abgegeben, sondern über eine regenerative Nachverbrennung behandelt – ein klarer Beitrag zum Umweltschutz.

Abb. 3: Fließbild zur Konzeptplanung des neuen Tanklagers

Mehr als ein Tanklager

Für uns ist dieses Projekt weit mehr als die Planung von acht Tanks. Es ist ein Beispiel für die Transformation industrieller Logistik: von der klassischen Rohstofflagerung hin zu einer Anlage, die höchsten Sicherheitsstandards genügt, die Umwelt schützt und den Produktionsstandort fit für die Zukunft macht.

Unser Beitrag

Durch die enge Zusammenarbeit unseres Projektteams ist ein Konzept entstanden, das alle Aspekte – von der technischen Machbarkeit über die Prozessintegration bis zur Sicherheits- und Umwelttechnik – berücksichtigt.

Wir sind stolz, mit dieser Planung die Grundlage für eine sichere, nachhaltige und effiziente Rohstofflogistik geschaffen zu haben.

Abb. 4: gerenderte 3D Aufstellungsplanung zur Konzepterstellung Tanklager

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Kontinuierliche Herstellungsverfahren haben in verschiedenen Industriezweigen erhebliche Bedeutung erlangt, auch in der Produktion von Schmierölen. Dieser Bericht untersucht die Vorteile und den Einsatz von kontinuierlichen Herstellungsverfahren für die Produktion von Schmierölen.

Abb. 1: Planung einer Schmierstoffanlage mit SMB- und ABB-Einsatz

Die Auswahl der richtigen Produktionsverfahren – kontinuierlich oder im Batchmischer?

Um es Vorweg zu nehmen. Die kontinuierlichen Verfahren zur Produktion von Schmierölen leisten einen wichtigen Beitrag zur effizienten Herstellung von Schmierstoffen.

Das Portfolio eines typischen Schmierstoffproduzenten umfasst in der Regel Hunderte von Einzelrezepturen, die in den Herstellverfahren betriebswirtschaftlich und technisch optimal abgebildet werden müssen. Trotz der großen Zahl an Rezepten zeigt sich in der Praxis, dass nur einige wenige Rezepte einen Großteil der Produktionsmenge ausmachen. Für diese begrenzte Anzahl an Rezepten mit großen Produktionsvolumen pro Batch macht ein kontinuierliches Verfahren Sinn.

Grundsätzlich gilt:

• Bei großen Batchvolumen ist der Einsatz eines kontinuierlichen Verfahrens sinnvoll
• Kleinere Batchgrößen werden in der Regel in diskontinuierlichen Chargenmischern hergestellt.

Die Auswahl des richtigen Produktionssystems wird mit Hilfe einer betriebswirtschaftlichen Analyse der Gesamtproduktion, der sogenannten ‚Plant-Improvement-Analyse‘ durchgeführt, die an anderer Stelle hier im Blog beschrieben wird.

Diese Analyse berechnet die notwendige Anzahl und die Größen an diskontinuierlichen Chargenmischern, dem Automatic-Batch-Blender (ABB) und an kontinuierlichen Produktionssystemen, dem Simultaneous-Metering-Blender (SMB) oder dem In-Line-Blender (ILB).

Mit den kontinuierlichen Systemen von SMB und ILB ist es sehr einfach, Produktionsgrößen von 100 bis 200 Tonnen oder sogar darüber hinaus kontinuierlich zu produzieren.

Abb. 2: Schmierstoffanlage mit DDU, Matrix-Verteiler und 2 Simultaneous-Metering Blender (SMB)

SMB und ILB erklärt

Der Simultaneous-Metering-Blender (SMB)

Für die Herstellung von Schmierstoffen unterscheidet man in der Regel zwischen dem Simultaneous-Metering-Blender (SMB) und dem In-Line-Blender, wobei die beiden Bezeichnungen oftmals irreführend sind und zu Verwechselungen einladen.

Bei der Produktion mit dem SMB werden die flüssigen Rohstoffe (Basisöle, Additive und Kleinmengen) nacheinander über eine Transferleitung in einen Fertigprodukttank gefördert. Die Rohstoffe werden hierbei entweder direkt aus den Lagertanks oder alternativ aus kleineren Cocktail-Mischern oder Fässern/IBC’s in die Transferleitung gefördert. Auch aus Fassentleerstationen (DDU) kann in den SMB gefördert werden. Gemessen wird die Menge jeder einzelnen Komponente über Massedurchflussmesser, die den Endpunkt der Zugabe eines jeden einzelnen Rohstoffs sehr präzise erkennen können.

Abhängig von der Förderleistung und der Viskosität werden die unterschiedlichen Rohstoffe im SMB über Sammler auf wenige Zuführleitungen zur Transferleitung verteilt. Die Zuführleitungen unterscheiden sich im Durchmesser und enthalten jeweils einen Massedurchflussmesser zur Endpunktserkennung der Dosierung jeder einzelnen Rezeptkomponente.

Sollten die Basisöle noch erwärmt werden müssen, wird dieser Prozessschritt ebenfalls im SMB über das Zuschalten eines Wärmetauschers kontinuierlich während der Dosierung der Basisöle in die Fertigprodukttanks durchgeführt.

Die Rezeptkomponenten werden somit nacheinander, sequentiell in einen Fertigprodukttank gefördert. In diesem Tank erfolgt die Vermischung aller Rezeptkomponenten zum fertigen Schmieröl. Die Durchmischung ist eine einfache verfahrenstechnische Aufgabe und kann in großen Tanks auch über seitlich eingesetzte Rührwerke erfolgen.

Der Vorteil dieser Produktionsmethode ist die sehr schnelle und sehr genaue Dosierung großer Mengen an Rohstoffen unter gleichzeitiger Erwärmung der Basisöle in einen Fertigprodukttank, in dem die Vermischung separat erfolgen kann. Nach Beendigung der Dosierung steht der SMB sofort wieder für weitere Rezepte zur Verfügung. Somit ist der SMB wesentlich schneller als ein Mischbehälter. Die Batchzeiten sind sehr viel geringer.

Abb. 3: SMB-Zuführleitungen/Schema Dosierung SMB

Bei diskontinuierlichen Batchverfahren muss nach dem Dosieren erst die Rezeptur fertig gestellt werden, bevor wieder neu dosiert werden kann. Außerdem dauert die Erwärmung in Behältern über Außenschlagen wesentlich länger als in effizienten Plattenwärmetauschern im SMB.

Der Nachteil des SMB liegt in der begrenzten Flexibilität. Es können grundsätzlich natürlich nur die Komponenten dosiert werden, die auch am SMB angeschlossen sind. Als Ausweg kann ein ‚Cocktailmischer‘ am SMB dienen, der flexibel alle Arten von Fasswaren oder Kleinmengen aufnehmen und auf den SMB dosieren kann.

Die Reinigung des SMB erfolgt über ein Molchsystem, welches die Transferleitung vom SMB bis zum Fertigprodukttank rückstandsarm reinigt. Lediglich Restmengen zwischen dem Rohstoffsammler, dem Massedurchflussmesser bis zum Anschluss an die Zuführleitung sind auch nach einer Druckluftbehandlung nicht 100% zu vermeiden.

Der SMB wird als platzsparende, eigenständige Plattform gebaut, auf der alle notwendigen Einheiten zur Dosierung und Erwärmung der Rohstoffe untergebracht sind. Als Plug’n Play Einheit kann die Montage einer solchen Skid-Unit einfach und schnell erfolgen.

Der In-Line-Blender (ILB)

Bei der Produktion von Schmierölen mit dem ILB werden alle Rezeptkomponenten gleichzeitig im richtigen Mischungsverhältnis in eine Transferleitung dosiert. Auch hier können die Rohstoffe direkt aus Lagerbehältern oder aus Cocktail-Mischern gefördert werden. Ein Transfer von Additiven aus einer Fassentleerstation (DDU) ist für den ILB nicht geeignet, da das Additiv aus der DDU nur diskontinuierlich zur Verfügung steht.

Für jeden der parallel dosierten Rohstoffe wird eine eigene Zuführleitung und ein eigener Massedurchflussmesser benötigt. Das kann bedeuten, dass – im Vergleich zum SMB – leicht die drei- bis vierfache Menge an Zuführleitungen benötigt werden. Die Kosten für einen ILB sind somit grundsätzlich höher als für einen SMB-Skid. Auch in einem ILB können die Basisöle erwärmt werden, bevor die Additivkomponenten zudosiert werden. Zusätzlich wird im ILB eine statische oder dynamische In-Line Mischeinrichtung installiert, so dass alle Komponenten am Ende des ILB komplett vermischt sind.

Der ILB wird genauso wie der SMB als unabhängige Plattform gebaut und geliefert, so dass ein einfacher Einbau auch in vorhandene Produktionsanlagen gewährleistet werden kann.

Der Vorteil des ILB liegt eindeutig in der sofortigen Fertigstellung des Schmieröls bei Verlassen der ILB-Einheit. Alle Rohstoff-Komponenten werden parallel im korrekten Verhältnis zugegeben und sofort vermischt. Ein Fertigprodukttank wird theoretisch zur Vermischung der Rohstoffkomponenten nicht mehr benötigt.

Abb. 4: ILB-Zuführleitungen/Schema Dosierung ILB

Die Wirklichkeit sieht jedoch so aus, dass der fertige Schmierstoff aus dem ILB-Skid aus logistischen Gründen doch wieder in einen Fertigprodukttank gefördert wird, in dem das Fertigprodukt auf die Abfüllung wartet. Des Weiteren ist zu beachten, dass der ILB eine gewisse, mehrere Minuten dauernde Einlaufphase hat, in der alle Komponenten hochfahren und das korrekte Mengenverhältnis zueinander gefunden werden muss. In dieser Einlaufphase kann das korrekte Verhältnis der Rohstoffe zueinander nicht garantiert werden. Entweder wird der Schmierstoff aus dieser Einlaufphase als Verlust separat ausgeschleust oder das Material aus der Einlaufphase wird im Fertigprodukt mit dem Rest der Charge vermischt. Hierzu wird wiederum ein Fertigprodukttank benötigt. Auch zu Ende der kontinuierlichen Produktion im ILB kann es zu Verschiebungen im Verhältnis der Rohstoffe kommen und somit zu einem Fertigprodukt, welches gegebenenfalls außerhalb der definierten Spezifikation liegt.

Auch die Qualitätssicherung des Fertigprodukts im ILB muss bedacht werden. Eine kontinuierliche Probennahme ist erforderlich und was passiert bei Off-Spec Material? Sollte der Fertigprodukttank nicht vorhanden sein, ist ein Nachmischen nicht mehr möglich.

Wenn es gelänge, eine stabile Produktion im ILB zu garantieren und den Fertigprodukttank zu umgehen durch direkte Abfüllung in Gebinde/TKW, dann ist der ILB eine unschlagbare Alternative als kontinuierliche Produktionseinheit. Durch den Wegfall der Fertigprodukttanks rechnet sich das etwas höhere Investment im Vergleich zum SMB immer. Wenn aber eine Durchmischung aufgrund der Ein- und Auslaufmengen erfolgen muss und somit ein Fertigprodukttank notwendig ist, dann ist rein betriebswirtschaftlich ein Investment in den ILB immer weniger rentabel als in den SMB.

Mögliche Restmengen im ILB werden hier durch den Einsatz der Molchtechnik minimiert aber im Bereich der Zuführleitungen nicht komplett vermieden. Eine jeweilige Betrachtung der Restmengen für die Anwendungsfälle ist notwendig.

Separat zu bewerten ist die Steuerung des ILB. Durch die notwendige, dauerhafte Dosierung der Rohstoffe im korrekten Verhältnis sind alle Massedurchflussmesser kontinuierlich durch die Steuerung abzufragen und bei Abfall einer Förderleistung die anderen Komponenten entsprechend anzupassen und herunterzufahren. Fällt also eine Komponente aus, wird der ILB-Betrieb lahmgelegt.

Abb. 5: Planung einer komplette Schmierölanlage

Fazit

Die Philosophie des In-Line-Blenders (ILB) mit der sofortigen Fertigstellung des Schmieröls hinter dem Blender in kontinuierlicher Fahrweise hört sich verlockend an. Könnte das Schmieröl direkt hinter dem ILB abgefüllt und auf Fertigprodukttanks verzichtet werden, dann wäre diese Produktionsmethode das Mittel der Wahl für große Batchvolumen. Im Vergleich zum SMB und besonders zum Mischbehälter sind die Produktionszeiten wesentlich geringer.

In der Realität kann aber auf Fertigprodukttanks nicht verzichtet werden, da Ein- und Auslaufmengen des ILB untergerührt werden. Auch die Qualitätssicherung der Fertigprodukte bedarf zurzeit noch einer Zwischenlagerung, um einen Puffer bis zur Qualitäts-Freigabe nach der Laboruntersuchung oder auch der  Möglichkeit einer Nachstellung des Fertigprodukts zu haben.

Der SMB ist ebenfalls in der Lage, große Mengen an Fertigprodukt kontinuierlich zu produzieren. Benötigt hierfür jedoch zwingend einen Fertigprodukttank zum Vermischen der sequentiell zugegebenen Rohstoffe. Somit ist eine Qualitätssicherung und auch Nachmischung im Fertigprodukttank jederzeit möglich.

Da die Batchzeiten im SMB wesentlich geringer sind als für vergleichbare Mengen aus Mischbehältern, ist der SMB die beste Wahl bei kontinuierlichen Produktionsverfahren in der Schmierölherstellung.

Wenn es gelänge, das Qualitätsmanagement bei der Produktion durch den ILB gesichert durchzuführen und eine direkte Abfüllung aus dem ILB zu gewährleisten, dann könnte bei Wegfall des Fertigprodukttanks das ILB-Verfahren seine Vorteile ausspielen und die SMB Technologie ersetzen.

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Polyesterharze sind Kunstharze und Kondensationsprodukte aus zwei- oder mehrwertigen Alkoholen (z. B. Glykole oder Glycerin) und Dicarbonsäuren. Ungesättigte Polyesterharze (UPR) werden u.a. zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen, Spachtelmassen oder Gießharzen verwendet. Gesättigte Polyesterharze (SPR) werden u. a. für Pulverlacke, Coil- und Can-Coatings, Fahrzeuglacke, Verpackungen und Industrielacke verwendet.

Philosophie der Produktionsanlagen

Die industrielle Herstellung von Polyesterharz erfolgt im Allgemeinen im Batchverfahren. Die Harze werden hergestellt, indem die Rohstoffe in einen Reaktor mit einem Arbeitsvolumen zwischen 5 und 50 m³ dosiert werden. Das Reaktionsgemisch wird erhitzt und, falls erforderlich, unter Druck gesetzt. Das dabei entstehende Reaktionswasser muss während der Umsetzung entfernt und die durch den exothermen Prozess entstehende Wärme abgeführt werden.

Polyesterharzanlagen sollen die universelle Produktion einer Vielzahl von Polyesterharzen gewährleisten und möglichst universell einsetzbar sein. Multipurpose-Kunstharzanlagen, die aus Standardkomponenten in vorgefertigten Einheiten aufgebaut sind, bilden eindeutig der Trend bei der Konstruktion und Installation von hochwertigen und dennoch kostengünstigen Reaktionsanlagen.

In multipurpose Anlagen kann die Produktion von Polyesterharzen in einem großen Temperatur- und Druckbereich gefahren werden, die zur Herstellung von Hochleistungs-Polyesterharzen für den Weltmarkt erforderlich sind.

Design & Aufbau

Typischerweise sind die Polyesterharzanlagen so konzipiert, dass sie die Schwerkraft für Materialfluss nutzen (Abb. 1). Auf der obersten Ebene (in der Regel Ebene 4) sind Wiegebehälter für die Vordosierung von Säureanhydriden und – falls erforderlich – Behälter für das Schmelzen mehrwertiger Alkohole installiert.

Die 3. Ebene ist die Reaktorebene. Der Reaktor wird mit den vordosierten Rohstoffen sowie den zusätzlich benötigten Reaktionspartnern befüllt. Auf dieser Ebene können Handkomponenten aus Containern oder Schleusen in den Reaktor gegeben werden.

In der 2. Ebene befindet sich die Heiz-/Kühlebene für die Reaktionsbehälter. Die Heiz- und Kühleinrichtungen werden in Skid-Einheiten vormontiert, um die Installationszeit und -kosten zu minimieren.

Abb. 1: 3D-Layout einer Polyesterharzanlage

Neben den Heiz-/Kühlstationen befinden sich auf den Ebenen 2 und 1 die Verdünnungsbehältern, in die das heiße Harz überführt und mit Lösungsmitteln verdünnt wird.

Dosierung von Rohstoffen

Die vollautomatische Beschickung der Reaktoren mit festen und flüssigen Rohstoffen erfordert einen Feststoffwiegebehälter und ggf. ein Schmelzbehälter pro Reaktor.

Der Feststoffwiegebehälter ist auf Wägezellen montiert und wird mit den Anhydriden von Dicarbonsäuren befüllt. Für kleiner Mengen werden üblicherweise Big-Bags oder Säcke verwendet. Es ist jedoch oftmals wirtschaftlicher und attraktiver, die festen Rohstoffe als Bulkware in Silos zu lagern. Die Dosierung der Schüttgüter in die Feststoffwiegebählter erfolgt dann mit Hilfe eines pneumatischen, stickstoffbasierten Transfersystems.

Die mehrwertigen Alkohole werden für die Charge im Schmelzbehälter entsprechend der Rezepturdaten vordosiert. Die ebenfalls auf Wägezellen stehenden Behälter müssen ebenfalls beheizt werden, da die verwendeten Alkohole bei Raumtemperatur oft auskristallisieren können. Neben den Wägezellen können auch Massedurchflussmesser eine attraktive, alternative Methode zur Dosierung von Rohstoffen darstellen.

Massedurchflussmesser sind im Vergleich zu Waagen die präzisesten Messgeräte, aber bei Verwendung eines Massemessers für mehrere Dosiergefäße kann immer nur ein Gefäß befüllt werden.

Hauptausrüstung

Zur Hauptausrüstung einer Kunstharzanlage für die Herstellung von Polyesterharz gehören neben den oben genannten Dosierbehältern die folgenden Geräte:

Reaktor, Kolonnen/Dephlegmator, Steigrohr, Kondensator, Trennvorlage und Auffangbehälter. Ausrüstungen, die mit heißen Reaktionsmedien in Berührung kommen, sollten aus rostfreiem Stahl, Werkstoff Nr. 1.4571 (316Ti) hergestellt werden.

Aus Sicherheitsgründen ist die Ausrüstung auf eine Temperatur von 300°C ausgelegt, auch wenn die Reaktionstemperatur nicht so hoch ist. Das Thermalöl zur Beheizung des Behälters hat ohnehin eine Temperatur von ca. 300°C. Der Auslegungsdruck hängt von dem Druck ab, bei dem die Reaktion ablaufen soll. Für mittlere und hochmolekulare Polyesterharze kann der Auslegungsdruck bei 10 barÜ liegen. Der genaue Auslegungsdruck kann anhand der Rezepturen überprüft werden. Bei der Konstruktion der Anlage ist die gleichmäßige Auslegung aller verbundenen Ausrüstungsteile in Abhängigkeit von Temperatur und Druck ein sicherheitsrelevantes Thema.

Bei niedermolekularen Harzen kann der Prozess auch bei Normaldruck durchgeführt werden. Der Auslegungsdruck sollte jedoch aus Sicherheitsgründen nicht unter 3 bar liegen. Alle direkt miteinander verbundenen Geräte müssen aus Sicherheitsgründen für dieselbe Temperatur und denselben Druck ausgelegt sein.

Abb. 2: Aufbau einer Polyesterharzanlage

Das entstehende Reaktionswasser wird über eine Kolonne oder einen Dephlegmator (temperierbarer vertikaler Wärmetauscher mit Prallblechen) aus der Reaktionsmischung entfernt, um die Gleichgewichtsreaktion auf die Produktseite zu zwingen. Das Reaktionswasser wird in ein Auffangbehälter abgeleitet.

Vakuumeinheiten

Die robusteste Lösung für ein Vakuumsystem ist sicherlich die Wasserringpumpe. Um eine Kontamination des Kühlwassers mit Partikel aus dem Reaktionsgut zu vermeiden, sollte die Vakuumpumpe in einem Sekundärkreislauf installiert werden, in dem die Verunreinigungen aufgefangen werden. Das Wasser im Sekundärkreislauf wird je nach Betriebsweise nach ein paar Tagen oder Wochen gewechselt.

Mit Wasserringpumpen kann im Reaktor ein Mindestvakuum von 60 – 70 mbara erreicht werden. Eine weitere Reduzierung des Drucks erfordert zusätzliche technische Einrichtungen.

Eine Möglichkeit, den Druck im Reaktor weiter zu reduzieren, ist der Einbau von Dampf- oder Gasinjektoren. Auch der Einbau einer zusätzlichen Boosterpumpe kann für eine zusätzliche Verdichtung vor der Vakuumstation sorgen und führt zu einem niedrigeren Druck im Prozess. Es muss darauf geachtet werden, dass die Druckerhöhungspumpen mit zusätzlichen Filtern geschützt bzw. in definierten Intervallen gereinigt werden.

Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz von trockenlaufenden oder ölgeschmierten Vakuumpumpen. Auch hier muss auf die Reinigung und/oder den Schutz der Pumpen geachtet werden. Der Einsatz ist unbedingt vorher durch eine Testreihe zu überprüfen.

Steuerungssysteme

Die größte Entwicklung bei Kunstharzanlagen hat sich im letzten Jahrzehnt sicherlich im Bereich der Prozesssteuerung vollzogen. Sicherheitsgerichtete Sicherheitssteuerungen sind in der Lage, die Prozesse so sicher wie möglich zu gestalten. Dennoch halte ich mechanische Sicherheitseinrichtungen als „letzte“ Absicherung für notwendig.

Die Installation von Durchfluss- und Temperatursensoren am Vor- und Rücklauf der Heiz-/Kühlsysteme bietet die Möglichkeit, den Prozess auf der Energieseite zu dokumentieren. Die von den Sensoren gelieferten Daten können von der Steuerung leicht ausgewertet werden und zeigen in Echtzeit den Energieverbrauch der gesamten Anlage an.

Abb. 3: Hierarchie der Steuerungsebenen

Die Verbindung des Leitsystems mit SCADA-Systemen, ERP-Systemen und Tools zur vorbeugenden Instandhaltung gibt den Betreibern und der Managementebene die Möglichkeit, nicht nur die Produktion in Echtzeit zu verfolgen, sondern auch vorbeugende Maßnahmen zur Erhaltung der Produktionsfähigkeit zu ergreifen.

Ein intelligentes und integriertes Steuerungssystem ist Teil der IT-Infrastruktur des Unternehmens und ist eingebunden in den kompletten Firmenablauf, um die Produktqualität und -verfügbarkeit unter möglichst nachhaltigen Bedingungen zu optimieren.

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Nicht der Bauch definiert die Batchgröße

Was ist die optimale Batchgröße?

Bei der Erweiterung von Produktionsanlagen ist oftmals die zentrale Frage, wie groß die neue Produktionseinheit gewählt werden muss. Hier geht es in der Regel um Chargenreaktoren oder kontinuierliche Produktionseinheiten, deren Größe alle weiteren Auslegungsdaten einer Produktionsanlage bestimmt.

Somit lohnt sich ein Blick auf die Bestimmung der Anlagengröße, um eine notwendige, aber nicht übergroße Anlage zu planen.

Würde es gelingen, jedes einzelne Rezept einer Produktionseinheit zu betrachten und für jedes einzelne Rezept eine optimale Batchgröße zu bestimmen, dann wäre eine Definition der optimalen Reaktorgröße für eine Menge an Rezepten möglich.

Genau diesen Ansatz verfolgt unsere ‚Plant-Improvement-Analyse (PIA)‘. Bei der PIA wird für jedes Rezept eine ganzheitliche, betriebswirtschaftliche Betrachtung des Produktionsumfeldes entwickelt und die optimierte Batchgröße nach betriebswirtschaftlichen Gesichtspunkten definiert.

Die optimale Batchgröße beschreibt den Punkt, bei dem die Summe aus Lager- und Produktionskosten (Gesamtkosten) minimal sind (s. Abb. 1).

Abb. 1: Bestimmung der optimalen Produktionsmenge aus Lager- und Produktionskosten

Welche Faktoren beeinflussen die optimale Batchgröße?

Bei der Produktion von Gütern fallen Kosten an, deren Höhe abhängig ist vom jeweiligen Energieverbrauch (Betriebsmittel wie Strom oder Gas), eventuellen Rüstkosten für Maschinen, der Arbeitszeit von Mitarbeitern oder Kosten für Laboranalysen. Diese Produktionskosten sind für jedes einzelne Rezept immer individuell zu berücksichtigen.

Neben den Produktionskosten fallen Lagerkosten an. Die Rohstoffe und Fertigprodukte müssen gelagert werden und so entstehen physische Lagerkosten und Kapitalbindungskosten.

Die Produktions- und Lagerkosten sind in Abhängigkeit der Produktionsmenge zwei gegenläufige Kostenblöcke (s. Abb. 1).

Je größer die Produktionsmenge ist, desto geringer sind die relativen Produktionskosten. Gründe hierfür können die gleiche Produktionszeit bei größerem Volumen sein oder geringere Laborkosten pro Menge. Gleichzeitig steigen die Lagerkosten bei größeren Produktionsvolumen durch mehr Bedarf an Lagerstätten und höheren Kapitalbindungskosten.

Bei der PIA wird die optimale Produktionsmenge eines Batches (optimale Batchgröße) für jedes einzelne Rezept einer Produktionslinie in Abhängigkeit der Lager-, und Produktionskosten bestimmt.

Es entsteht eine statische Simulation, die über einen definierten Zeitraum (z. Bsp. Jahresbedarf) die wirtschaftlich optimale Batchgröße für alle Rezepte berechnet (s. Abb. 2).

Abb. 2: Ermittlung der betriebswirtschaftlich optimalen Batchgröße nach PIA am Beispiel einer Anlage zur Produktion von Schmierstoffen (LOBP)

Rechnerisch wird die optimale Produktionsmenge bestimmt nach der modifizierten Andler-Formel (EOQ-Formel).
(Kurt Andler: Rationalisierung der Fabrikation und optimale Losgröße. Oldenbourg, München. 1929.)

In der betriebswirtschaftlichen Lehre zur Bestimmung der optimalen Lagerbestände ist die Andler Formel ein bekanntes und angewendetes Modell.

Anpassung der PIA an Nebenbedingungen

Nebenbedingungen aus der Realität können die Ergebnisse aus der rechnerischen Simulation der betriebswirtschaftlich optimalen Produktionsgröße beeinflussen.

So können bei der Definition der Batchgrößen Transportgrößen, Verpackungsgrößen oder auch Beschaffungsprobleme von Rohstoffen eine Rolle spielen und die Lagerkapazitäten bzw. die Batchgrößen beeinflussen.

Daher ist für jedes Rezept eine Prüfung der PIA-Ergebnisse unter Berücksichtigung der Nebenbedingungen durchzuführen. Erst dann werden die tatsächlichen Lagergrößen für Rohstoffe und Fertigprodukte sowie die optimalen Batchgrößen endgültig festgelegt.

Abb. 3: Beispiel einer Zusammenfassung der realen Ergebnisse aus der PIA mit Anpassung an Nebenbedingungen

Anwendungsbereiche

Ursprünglich wurde die Methode entwickelt zur Größenbestimmung bei der Fertigung von Losstücken. Die Lagerkosten werden den Rüstkosten gegenübergestellt und die wirtschaftliche Losgröße ermittelt.

Von uns eingesetzt, wird die Plant Improvement Analye (PIA) genutzt zur wirtschaftlichen Batchgrößenbestimmung in der Produktion von chemischen und petrochemischen Produkten. In der Praxis eingesetzt, haben wir die PIA zur Auslegung von optimalen Produktionsstätten für die Produktion von Schmierölen (LOBP) und die Betrachtung von Kunstharzreaktoren.

Für beide Anwendungsfälle liegen Erfahrungswerte vor. Hier können sowohl kontinuierliche Fertigungslinien als auch diskontinuierliche (Batch) Reaktions- und Mischprozesse berücksichtigt werden.

Bei der Anwendung der PIA werden die Anzahl und Größen der Lagertanks und Verpackungseinheiten für Rohstoffe und Fertigprodukte bestimmt als auch die Größe und Menge der kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Produktionseinheiten.

Aus der PIA-Simulation werden das Materialfluss- und das Prozessfluss-Diagramm entwickelt, in dem die Mengen und Größen der Lager- und Produktionsbehälter dargestellt und auch die Anlieferung der Rohstoffe und die Abfüllung der Fertigprodukte definiert wird (s. Abb. 4 und 5).

Abb. 4: Massebilanz aus PIA-Simulation für eine Schmierstoffanlage

Abb. 5: Prozessfluss-Diagramm einer Schmierstoffanlage entwickelt aus der PIA Simulation

Management Summary

Die Ermittlung der optimalen Größe von Produktionseinheiten ist die Grundlage für die Planung von Neuanlagen (Greenfield) oder Produktionserweiterungen (Greyfield).

Die hier vorgestellte Plant-Improvement-Analyse (PIA) liefert eine Berechnung der optimalen Batchgröße auf Basis von betriebswirtschaftlichen Daten, deren Ergebnisse mit realen Nebenbedingungen erweitert wird.

Insbesondere im Bereich der Kunstharzanlagen (Synthetic Resin Plants, SRP) und Schmierstoffanlagen (Lube Oil Blending Plant, LOBP) ist die PIA bereits erprobt und erfolgreich angewendet worden.

Die Analyse bietet als Ergebnis die Größe und Anzahl der notwendigen Produktionseinrichtungen sowie die zugehörigen Lagerkapazitäten für Rohstoffe und Fertigprodukte auf Basis der Realdaten von jedem einzelnen Produkt einer Produktionseinheit.

Die PIA-Simulation ist die Grundlage für jede verfahrenstechnische Betrachtung und Planung einer Produktionsanlage auf betriebswirtschaftlicher Basis unter Einbeziehung von Realdaten und Störfaktoren. Eine kostengünstige, schnelle und ganzheitliche Auslegung von Produktionsanlagen.

Für weitere Informationen können Sie mich gerne kontaktieren!

Kontakt

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Die größtmögliche Kapazität und Flexibilität von Anlagentechnik abrufen – bei maximaler Sicherheit und Produktqualität. Diese Projekte werden realisiert mit zuverlässiger, kreativer und professioneller Planung und Umsetzung durch über 25 Jahre Erfahrung im Kunstharzanlagenbau.

Die industrielle Herstellung der unterschiedlichen Harztypen erfordert große Kenntnisse im Bereich der

• Dosierung von Rohstoffen
• Beheizung und Kühlung der technischen Ausrüstung
• Aufbau und Verbindung der Anlagentechnik
• Auslegung und Ausführung der Apparate
• Materialauswahl der Apparate, Armaturen und Instrumente
• Steuerung der Kunstharzanlagen

Erst bei optimal auf den Harztypen und den Anwendungsfall angepasste Anlagentechnik werden bestmögliche Ergebnisse in Bezug auf Ausbeute, Qualität und Sicherheit erzielt.

Alkydharzanlagen/Polyesterharzanlagen

Durch die fortwährende Weiterentwicklung der Alkyd- und Polyesterharze entsprechend der Anforderungen aus Industrie und Handwerk sowie in immer stärkerem Maße aus dem Bereich des Umweltschutzes spielen Alkyd- und Polyesterharze weiterhin eine bedeutende Rolle und gehören bis heute zu den wichtigsten Kunstharzen.

Eigens auf die Produktion zugeschnittene Alkydharzanlagen und Polyesterharzanlagen berücksichtigen die thermischen Belastungen bei der Produktion, die Materialanforderungen an Ausrüstung, Armaturen und Instrumente, die optimierte Trennung von Alkoholen und Wasser bei der Polyesterharzherstellung und eine optimierte Sicherheitsphilosophie durch Kombination von klassischen, mechanischen Sicherheitstechnik mit sicherheitsgerichteten, vollautomatischen Steuerungssystemen.

Turn-Key Polyesterharzanlage

3D Modell Polyesterharzanlage

Anwendungen

Alkydharze:
Formulierung von Lacken, z.B. Holzlacken, Malerlacken sowie Parkett-Versiegelungen, Lasuren, Pflegesystemen, Grundierungen, Deck- und Einschichtlacke, Einbrennlacke, 2K-Lacke und Druckfarben (überwiegend pastös).

Polyesterharze:
Gießharze zum Einbetten elektrischer und elektronischer Bauteile; Laminate für die Fahrzeugindustrie, Behälterindustrie, Bauwesen, Möbelindustrie, Werkzeugbau; Formmassen in der Elektrotechnik und Feinwerktechnik/Mechatronic; Bindemittel für Farben und Lacke

Acrylatharzanlagen

Acrylatharze zeichnen sich durch ihre hervorragenden physikalischen Eigenschaften, wie

• Transparenz, glänzendes Aussehen und Farbstabilität
• Wetter-, Chemikalien- und Hitze- und Lösemittelbeständigkeit
• Verarbeitbarkeit, Elastizität, hervorragende mechanische Festigkeit
• Schnelle Trocknung und Pigmentverteilung bei Raumtemperatur

in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen aus.

Bei der Produktion von Acrylatharzen sind die besonderen Eigenschaften der chemischen Reaktion in speziell geplanten und konzipierten Acrylatharzanlagen zu berücksichtigen. Die Exothermie der Reaktion muss beherrscht und die Anlagenbediener, die Umwelt und die Anlagentechnik müssen sicher geschützt werden. Die sichere Ableitung der entstehenden Energie durch Kondensationssysteme, klassische und mechanische Schutzeinrichtungen zusammen mit sicherheitsgerichteten, vollautomatischen Steuerungssystemen sorgen für einen optimalen Schutz bei der Herstellung in Acrylatharzanlagen. Durch kontinuierliche Dosierung der Rohstoffe kann ebenfalls die Energiemenge kontrolliert und ein sicherer Ablauf der Produktion bei minimaler Batchzeit erzielt werden.

Elektropolierte Oberflächen, optimierte Rührsysteme sorgen nicht nur für den optimalen Wärmetransport, sondern auch für eine rückstandsarme Produktion.

Produktionsreaktor

Heiz-/Kühlstationen in Skid Bauweise

Anwendungen für Acrylatharze

Herstellung bei Farben und Lacken auf Grund Ihrer hervorragenden Haltbarkeit und Haftung auf verschiedenen Substraten. Für Holz-, Dekorations- und Industrieanstriche, Bautenschutz und Straßenmarkierungen, zur Formulierung von Grundierungen, Decklacken und Beschichtungen, Automotive, als Massen für Spritzguss- und Formpresstechnik (injection or compression molding), für Druckfarben und als Klebstoffe als wässrige Latex Emulsionen.

Phenolharzanlagen

Das von Leo Hendrik Baekeland entwickelte erste Phenolharz im Jahr 1905 gilt als der erste komplett synthetisch hergestellte Kunststoff der Welt. Seither ist die Entwicklung durch immer neue technische Anforderungen und aus Umweltschutzgründen kontinuierlich vorangeschritten. Phenolharze (PF-Harze/Phenoplaste) sind ein Kondensationsprodukt aus Phenol und Formaldehyd und äußerst hitzeresistent, einfach pressbar, haben eine gute Formstabilität und Isolationsfähigkeit.

Zur Produktion in eigens hierfür geplanten und konzipierten Phenolharzanlagen ist die Kontrolle der Reaktion wichtig – entweder im Eintopfverfahren oder bei der kontinuierlichen, stöchiometrischen Dosierung von aller festen und flüssigen Reaktionsteilnehmer. Beheizt mit Dampf oder Heißwasser ist auf eine optimale Ausnutzung der Heiz- und Kühlflächen zu achten, auf die optimale und schnelle Wärmeverteilung im Reaktor und auf eine ausreichende Dimensionierung der Anlagenteile.

Phenolharzreaktor

Rührtest

Anwendungen für Phenolharze

Formmassen für Pressen, Spritzpressen und Spritzgießen, Klebstoffe, Lack- und Imprägnierzwecke, Fußbodenbeläge, Härtemittel für Pressmassen,
Herstellung von Leiterplatten, hitzeresistenten und robusten Komponenten, wie z. Bsp. Bremsbeläge, Schaumstoffe oder Hartfaserplatten
Herstellung und Beschichtung von Schichtpressstoffen mit sehr ausgeprägter Widerstandsfähigkeit, wozu Phenolharze als leistungsfähige Bindemittels den Holzplatten, Papier- oder Gewebebahnen zugesetzt werden.

Melaminharzanlagen

Bei der Kondensation von Melamin mit Formaldehyd entstehen Melaminharze (MF-Harze, Aminoplaste), die die nach dem Durchhärten duroplastische Kunststoffe bilden. Neben den klassischen Melaminharzen werden durch Modifikation der Reaktionspartner auch Melamin-Phenol-Formaldehydharze (MPF-Harze) und Melamin-Harnstoffharze (UMF-Harze) hergestellt.

Melaminharze sind in der Regel gut witterungs- und lichtbeständig und dauerhaft thermisch /mechanisch stabil.

Melaminharzanlagen werden abgestimmt auf eine moderate Beheizung mit Dampf oder Heißwasser und einer Kühlung mit einer möglichst großen Austauschfläche. Die notwendige Dosierung von Säuren und Laugen erfolgt vollautomatisch, bestenfalls in Abstimmung mit online Analysemethoden zur Endpunkterkennung der Reaktion.

Ausrüstung Reaktorhaube

Anwendungen für Melaminharze

Schichtpressstoffe mit Papier, Glasfasern oder Baumwollgewebe, Herstellung von Formteilen für elektrische Isolierteile, Vorkondensate werden als Leim- oder Lackharze genutzt, Herstellung von Laminaten, Geschirr, Haushaltsgeräten und Möbeln

Firnissanlagen (Bindemittelanlagen für Druckfarben)

Firnisse werden als Bindemittel für Druckfarben für den Buch- und Offsetdruck genutzt. Sie werden produziert aus dem Vermischen von Harzen und pflanzlichen oder mineralischen Ölen. Als Harze werden vorwiegend phenolmodifizierte Kolophoniumharze verwendet.

Beim eigentlichen Mischvorgang nehmen die kolloidal gelösten Harze das Öl auf und quellen zu einer viskosen Masse. Die mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften der eigentlichen Druckfarbe werden durch die Firnisse bestimmt.

Die Produktion in speziell geplanten Firnissanlagen erfolgt bei hohen Temperaturen in der Regel über 200°C, so dass die Anlagen mit Thermalöl beheizt werden. Eine Eigenart des Produktionsprozesses ist der hohe Feststoffanteil in der Abluft, die durch speziell gespülte Abluftkanäle vom Feststoff befreit wird.

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