Wer eine Verfahrensidee hat, möchte rasch herausfinden, ob sie Fuss fassen kann. Ist das machbar? │ Welche Membran? │ Wie sehen die Flüssigkeiten aus? │ Ausbeute? │ Kosten? │ System? │ Bedenken? │ Wo fange ich an?
Auch wenn Zufälle eine Rolle spielen, folgt Entwicklung bestimmten Prinzipien:
→ Verfahrensbeschrieb → Grundfliessbild → Verfahrensfliessbild → Stoffbilanz → Energiebilanz → Modellierung → Simulation
Process-Description
Der Weg zum vollständigen Verfahrensbeschrieb ist ein ‚Prozess zum Prozess‘ – vom Grundfliessbild bis zur Simulation. Moderne Engineering-Ansätze münden heute fast immer in eine computergestützte Simulation, die das Verfahren dynamisch abbildet.
Der Verfahrensbeschrieb beginnt damit, den Prozess verständlich zu machen (Grundfliessbild, Verfahrensfliessbild). Die Bilanzierungen (Stoffbilanz- und Energiebilanz) zeigen, wie viel tatsächlich passiert, und die Simulation macht den Prozess schliesslich so vollständig erfassbar, dass Zusammenhänge sichtbar werden, die in einer statischen Darstellung verborgen bleiben würden.
Wir begleiten unsere Kunden durch alle Schritte – vom Grundfliessbild bis zur Simulation. Dabei nutzen wir ein breites Spektrum an Werkzeugen, Methoden und Software, um den spezifischen Anforderungen gerecht zu werden.
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Basic Flow Diagram
Das Grundfliessbild ist die Basis der Verfahrensentwicklung. Es zeigt das Verfahren in klaren Blöcken mit einfachen Linien, sehr direkt, sehr übersichtlich. Jeder Block steht für einen wichtigen Schritt, jede Verbindung für einen Materialstrom. Die Darstellung wirkt reduziert. Gerade dadurch liefert sie sofort ein Gesamtbild des Ablaufs. Das Grundbild setzt das Verfahren ins Bild.
Die Idee des Grundbildes: Ordnung und Übersicht.
Process Flow Diagram.
Das Verfahrensfliessbild (Process Flow Diagram, PFD) stellt die Hauptschritte eines Prozesses in der Verfahrenstechnik mit Symbolen und Grössen dar.
Es visualisiert Apparate, Maschinen und Rohrleitungssysteme sowie wesentliche Prozessgrössen (Druck, Temperatur, Durchfluss, Zusammensetzung).
Ein gutes Verfahrensfliessbild bleibt während eines Projekts ständig im Einsatz, weil es Informationen zeigt, die alle Beteiligten suchen. Es wandert von Tisch zu Tisch, von Meeting zu Meeting, wie ein roter Faden. Jede Person findet darin das, was sie braucht. Zu technisch wirkt es abschreckend, zu simpel verliert es an Wert. Es trifft eine Balance, die Vertrauen schafft. Klare Linien, verständliche Symbole, präzise Angaben.
Das Verfahrensfliessbild: Sichtbare Lösungen.
Mass-Balance
Die Stoffbilanz (Material-Balance, Mass-Balance) ist das Navigationssystem verfahrenstechnischer Anlagen.
Die Stoffbilanz zeigt, wohin Stoffe strömen und wie sich ein Prozess verhält.
Mit zunehmender Zahl von Schritten oder Stufen, und je nachdem, ob man stationär oder dynamisch modelliert, kann die Erstellung schnell aufwändig werden.
In allen Membransystemen entstehen Verluste, die im realen Betrieb oft grösser sind als erwartet. Bereits beim Anfahren gegen Wasser wird die Berechnung schon mal anspruchsvoll. Besonders hoch sind die Stoffverluste beim Ausfahren und Spülen, in denen grosse Mengen Wasser eingesetzt und ein Teil davon anschliessend verworfen wird. Auch Fouling trägt zu den Verlusten bei.
Der Berechnungsaufwand / Genauigkeit richtet sich nach den Vorgaben des Kunden.
Für einfache Berechnungen eignet sich Software wie Microsoft Excel. Für dynamische Anwendungen geht's Richtung Matlab / Simulink, Comsol.
Energy-Balance
Die Energiebilanz für Membransysteme ist ebenfalls anspruchsvoll und immer nur eine Annäherung an den realen Prozess.
Sie umfasst thermodynamische sowie hydraulische Grössen. Fouling an Wärmetauschern und Membranen macht die Sache kompliziert.
Auch hier gilt: Der Berechnungsaufwand / Genauigkeit richtet sich nach den Vorgaben des Kunden.
Modeling
Prozessmodellierung übersetzt den Verfahrensbeschrieb in eine Form, die sowohl Menschen wie auch Computer verstehen.
Der digitale Teil ist meist der einfache.
Die Herausforderung liegt im Dazwischen.
Wir bauen Modelle, die in beiden Welten funktionieren.
Die Modellierung ist die Grundlage für Simulationen. Die Modellierung sucht Vereinfachungen und Abstraktionen. Sie basiert auf mathematischen Prinzipien, sehr oft Differentialgleichungen. Daraus entstehen stationäre oder dynamische Modelle.
Welche Grössen zählen? Wie präzise soll es werden? Genügt ein stationäres Modell, oder muss die Dynamik sichtbar werden?
Für die Modellierung braucht man die Systemparameter und die Systemvariablen:
Systemparameter sind diejenigen Eigenschaften, die dem System innewohnen.
Die Systemparameter bestimmen das System.
Systemvariablen beziehen sich auf die Eigenschaften des Systems, die sich im Laufe der Zeit ändern.
Die Systemvariablen sind die messbaren Eigenschaften des Systems.
Sytemparameter
Sytemvariablen
Simulation
Simulation bezeichnet den Umgang mit dem Modell. Wir gestalten es so, dass der Computer den Menschen unterstützt.