Entwicklung und Planung verfahrenstechnischer Anlagen

In Kap. 1 werden Grundbegriffe der Verfahrenstechnik sowie des Apparate- und Anlagenbaus eingeführt. Die Apparate- und Anlagentechnik beschäftigt sich innerhalb der Verfahrenstechnik mit der technisch-wirtschaftlichen Umsetzung und dem Betrieb verfahrenstechnischer Prozesse in Form von Apparaten, Maschinen und Anlagen. Das schließt die Planung und Entwicklung sowie den Bau solcher Anlagen mit ein. Da dabei zum Teil erhebliche finanzielle Mittel eingesetzt und in den später betriebenen Anlagen oftmals große Stoff- und Energieströme umgewandelt werden, sind auch die mit der Umsetzung verbundenen umweltrelevanten sowie betriebs- und volkswirtschaftlichen Aspekte zu beachten. Das Kap. 1 beinhaltet eine Einführung in die Entwicklung und Planung verfahrenstechnischer Anlagen und schließt mit einer Literaturübersicht von etablierten deutschsprachigen Fachbüchern zur Thematik.

Die Entwicklung, Planung, Errichtung und Inbetriebnahme einer verfahrenstechnischen Anlage wird von den jeweiligen örtlichen und zeitlichen Gegebenheiten geprägt. Es handelt sich in der Regel um ein einmaliges Vorhaben und somit um ein Projekt. Damit die gesetzten Ziele fristgerecht erreicht werden, sind die Methoden des Projektmanagements anzuwenden. Grundlagen hierzu werden in Kap. 2 vermittelt. Die Entscheidungen zu einer Prozessentwicklung bindet meist ein großes Kapitalvolumen und ist daher mit erheblichen Risiken verbunden. Die Investitionen werden nur getätigt, wenn neben ihrer Wirtschaftlichkeit auch strategische Unternehmensziele damit erreicht werden.

Die Bindung finanzieller Mittel für eine Investition in eine technische Anlage wird in der Regel durch den zu erwartenden Nutzeffekt gerechtfertigt. Für eine solche Rechtfertigung sind Abschätzungen der Wirtschaftlichkeit bereits im Vorfeld einer Projektbearbeitung notwendig. Dabei wird für eine bestimmte Nutzungsdauer der ermittelte Aufwand mit den zu erwartenden Einsparungen, Erlösen oder sonstigen Nutzen verglichen. Entwickelte Prozessvarianten werden anhand technischer und wirtschaftlicher Kriterien bewertet. Die Bewertung sollte bereits in einem frühen Projektstadium erfolgen. Zur Abschätzung der Wirtschaftlichkeit einer zu errichtenden Anlage wird eine einfache jedoch bewährte Kostenvergleichsmethode vorgestellt. Dabei werden die Gesamtkosten für einzelne Verfahrensvarianten für einen bestimmten Zeitraum (ein Jahr) ermittelt und miteinander verglichen.

Die Modularisierung von Anlagen ist ein Trend innerhalb der Anlagentechnik, der immer mehr an Bedeutung gewinnt. Dabei steht ein systematischer Modularisierungsansatz, der die Prozessentwicklung und die physikalische Umsetzung des Prozesses in Form einer Anlage umfasst, im Vordergrund. Selbst ein zukünftiger Um- oder Rückbau einer Anlage wird dabei berücksichtigt, da die Modularisierung den Austausch und ggf. die Wiederverwendung von ganzen Modulen vereinfachen soll. Zur Modularisierung hat sich noch kein einheitlicher Standard etabliert. Erst seit wenigen Jahren werden koordinierte Forschungsprojekte zur Modularisierung verfahrenstechnischer Anlage durchgeführt und Arbeitskreise mit Vertreten aus der Industrie und Forschung aktiv.

Durch eine Erprobung von neu entwickelten Anlagen im kleineren Maßstab (Labor- oder Pilotmaßstab), können die Risiken und die darin begründeten Gefahren einer Anlage im Produktionsmaßstab minimiert werden. Solche Versuche sind oft ein wesentlicher Teil der Prozess- und Anlagenentwicklung. Dabei spielt die Übertragbarkeit von Ergebnissen aus Versuchs- und Pilotanlagen auf große Produktionsanlagen (Scale-up) sowie die Übertragbarkeit von Prozessen, die im großen Maßstab betrieben werden und in einem kleineren Maßstab untersucht werden sollen (Scale-down), eine wichtige Rolle. Die Ähnlichkeitslehre beinhaltet Arbeitsmethoden, die es gestatten, die physikalische Ähnlichkeit von ablaufenden Vorgängen zu bewerten. Die Grundlagen der Ähnlichkeitslehre und der damit verbundenen Dimensionsanalyse werden in Kap. 5 vorgestellt. Zunehmend werden die experimentellen Arbeiten durch „virtuelle Versuche“ auf Basis von Simulationsprogrammen ergänzt. Die Bedeutung der Versuchs- und Simulationstechniken in Verbindung mit einer Prozess- und Anlagenentwicklung wird in Kap. 5 behandelt.

Bereits bei der Planung verfahrenstechnischer Anlagen und beim Inverkehrbringen technischer Produkte sind eine Vielzahl gesetzlicher Bestimmungen und umfangreiche technische Regelwerke zu beachten. Diese betreffen u. a. die Arbeitssicherheit, den Umweltschutz und die Unbedenklichkeit der Produkte. Viele technische Anlagen bedürfen in Deutschland einer Anzeige oder Anmeldung durch den Betreiber bei einer dafür zuständigen Behörde. Es sind Mindeststandards einzuhalten, die wiederum eine Voraussetzung für eine Bau- bzw. Betriebsgenehmigung sind. Die Erfüllung der Anforderungen wird im Genehmigungsverfahren geprüft. Der Betriebsgenehmigung geht eine Antragstellung voraus, die zahlreiche wiederkehrende Prüfungen bzw. Abnahmen zur Folge haben kann. Die Grundlage hierfür bildet in Deutschland das Technische Recht. In Kap. 6 werden die Strukturen des Technischen Rechts ausführlich erläutert, das mehr und mehr durch geltende Regelungen innerhalb der EU bestimmt wird. Es werden die wichtigsten europäischen Richtlinien, die den Anlagenbau betreffen, vorgestellt und insbesondere die Druckgeräterichtlinie im Detail erklärt.

Zahlreiche Organisationen erarbeiten auf Basis der gesetzlichen Vorgaben und/oder dem aktuellen Stand der Technik und Wirtschaft qualifizierte Regeln bzw. Empfehlungen, die helfen, die hohen Sicherheitsanforderungen beim Bau von verfahrenstechnischen Anlagen zu erfüllen. Diese Normen, Richtlinien oder Empfehlungen enthalten u. a. anerkannte Lösungen für wiederkehrende Aufgaben, oder sie spezifizieren die z. T. komplexen Anforderungen, welchen die Anlagen genügen müssen. Kap. 7 behandelt Grundlagen dieser Standardisierungsarbeit und stellt die für die Anlagentechnik bedeutenden Organisationen vor.

Dem Anlagen- und Apparatebau stehen eine Vielzahl von Werkstoffen zur Verfügung, die in die Hauptgruppen Metalle, Nichtmetalle und Verbundwerkstoffe eingeteilt werden können. In Kap. 8 werden gängige Werkstoffe vorgestellt und Auswahlkriterien in Bezug auf deren Eigenschaften wie Festigkeit, Verarbeitbarkeit sowie chemische und thermische Beständigkeit diskutiert. Dabei werden insbesondere Stähle und Kunststoffe ausführlich behandelt.

Bei der Planung und dem Bau einer Anlage müssen neben den technischen, betrieblichen und wirtschaftlichen Forderungen auch eine Vielzahl von rechtlichen Vorschriften, die insbesondere Sicherheitsanforderungen betreffen, beachtet werden. Meist sind verschiedene Lösungen möglich. Die Dimensionierung und Gestaltung von Elementen des Apparate- und Maschinenbaues ist Gegenstand eigenständiger Fachdisziplinen mit einer umfangreichen Fachliteratur. Viele Elemente sind standardisiert (z. B. durch EN-, DIN- und ISO-Normen) und die Rechenverfahren zu ihrer Dimensionierung in technischen Regelwerken festgelegt. Für den Apparatebau geltende technische Regelwerke werden in Kap. 9 vorgestellt und detailliert erläutert. Es werden Grundlagen zur Festigkeitsberechnung von Druckbehältern vermittelt, die zur Auslegung einzelner Apparateelemente (Behältermantel, Behälterabschlüsse, Behälterausschnitte) auf Basis des AD 2000 Regelwerkes und der DIN EN 13445 bzw. DIN EN 13480 angewendet werden. Dabei werden nicht nur Druckbehälter aus Stählen, sondern auch die Besonderheiten beim Einsatz von Kunststoffen betrachtet. Das Kap. 9 behandelt zudem die Beanspruchung von Zentrifugentrommeln, die in verfahrenstechnischen Anlagen zur Abtrennung von Feststoffen oder emulgierten Flüssigkeiten vielfach zum Einsatz kommen sowie die Beanspruchung von Apparaten durch Windlasten, die bei hohen Bauwerken eine wichtige Rolle spielen kann.