Sankeyanalyse – zwischen Tabellenkalkulation und Fließbildsimulation

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  • Das Sankey-Diagramm zeigt die Kapazitätsanalyse sowie Massen- und Energieströme für einen überkritischen Extraktionsprozess. © Schwartze id.vt, Ingenieursdienstleistungen  in der Verfahrenstechnik
  • Kopplung von Sankeyanalyse und Fließbildsimulation © Schwartze id.vt, Ingenieursdienstleistungen  in der Verfahrenstechnik

Eine nützliche und facettenreiche Analysemöglichkeit zwischen Tabellenkalkulationen und Fließbildsimulationen sind Sankeyanalysen.

In der Anlagenplanung ist die Aufgabenstellung komplex und der richtige Lösungsansatz entscheidet darüber, ob ein Unternehmen weiterhin wirtschaftliche Anlagen planen und errichten kann. Dabei sind die Projektziele für den Planungsprozess neuer Anlagen üblicherweise eine schlüssige Kundenkommunikation im Abstimmungs- oder Akquisitionsprozess sowie eine sichere, und dabei möglichst schlanke Ausführung der geplanten Installation in der Umsetzung. Ziele für bestehende Anlagen sind in der Regel eine verbesserte Ressourceneffizienz, die Kapazitätsbestimmung einer Anlage oder die Kostenoptimierung für den Anlagenbetrieb.

Werkzeug in der Anlagenplanung
Hierbei haben sich Sankeyanalysen als geeignetes Werkzeug in der Anlagenplanung bewährt – von der Projektakquisition bis zur Betriebsphase. Übersichtlicher und besser validierbar als komplexe Exceltabellen und weniger aufwändig als Fließbildsimulationen lassen sich mit dieser Methode unterschiedliche Szenarien schnell modellieren und in mengenproportionalen Sankey-Diagrammen ausgezeichnet visualisieren. Ein großer Vorteil der Sankeyanalyse liegt darin, dass die Darstellung der Ergebnisse auf die Aufgabenstellung angepasst werden kann. Gleiches gilt für die Detailtiefe der technischen Modellierung.
Auch in der Analysephase und Projektakquisition liegt der große Vorteil dieser Methodik in der anschaulichen und intuitiven Darstellung komplexer Prozesse für verschiedene Szenarien. Dieses ist hilfreich, weil die Entscheidungskompetenz für Projekte sowohl bei technischen Fachleuten als auch bei „technikfernen“ Personen liegt und die vielschichtigen Zusammenhänge verständlich und eindeutig vermittelt werden sollen.
Zwei Beispiele aus erfolgreich abgeschlossenen Projekten zeigen, wie auch frühe Planungsphasen und betriebliche Fragestellungen erheblich vom Einsatz der Sankeyanalysen profitieren. In beiden Anwendungen wurde für die Analyse das Softwaretool Umberto verwendet.

Beispiel einer überkritischen ­Extraktionsanlage
Bei diesem vereinfachten Modell handelte es sich um ein Projekt in der Konzeptphase, bei dem ein Upscaling aus dem Technikumsmaßstab in den Produktionsmaßstab erfolgen sollte. Neben den Massen- und Energiebilanzen sollten die Kosten und Kapazitäten der einzelnen Aggregate in Abhängigkeit der Produktionsmenge für verschiedene Anlagenszenarien abgeschätzt werden.
In den einzelnen Prozessschritten werden zunächst alle für die Modellierung notwendigen Gleichungen beschrieben. So wird bspw. in der Pumpe zur Verdichtung des Lösungsmittels vor der Extraktion die notwendige elektrische Leistung berechnet. Der Massenstrom des ein- und austretenden Lösungsmittels ändert sich nicht und wird somit lediglich an die Extraktion weitergereicht. In der Extraktion wird aus dem Rohstoff das Extrakt gewonnen und in der folgenden Abscheideeinheit das Lösungsmittel durch Absenkung des Drucks vom Extrakt getrennt. Eine weitere Aufreinigung des Produktes wird hier nicht berücksichtigt. Der größte Teil des Lösungsmittels wird im Kreislauf gefahren, bei dem ein Teil des Lösungsmittels durch frisches ersetzt wird.
Da in diesem Fall der Extraktionsverlauf an Experimente angepasst werden muss, können die aus den Experimenten erhaltenen Koeffizienten als Parameter hinterlegt werden, um die Extraktion für verschiedene Bedingungen zu berechnen. Die Parameter können entweder lokal in Umberto oder – zur einfacheren Bearbeitung durch mehrere Personen – in Excel erstellt und über Live-Links mit dem Umberto-­Modell gekoppelt werden. So können mehrere Varianten des Modells effizient für verschiedene Parametersätze verwaltet werden.
Die Abbildung zeigt anhand der Kapazität der einzelnen Aggregate, wie zusätzlich zu den Massen- und Energieströmen weitere Größen in die Modellierung aufgenommen und abgebildet werden können. Mit Hilfe einer solchen Darstellung können die Bottlenecks des Prozesses für verschiedene Szenarien leicht identifiziert, und auch den nicht direkt am Projekt beteiligten Personen verdeutlicht werden.

Vielfältige Möglichkeiten auch in der ­Betriebsphase
Das zweite Beispiel zeigt eine Einsatzmöglichkeit der Sankeyanalyse in der Betriebsphase. Im Projekt sollte die Frage geklärt werden, wie sich verschiedene Lösungsmittel auf die Prozessführung auswirken. Der chemische Prozess enthält eine Produktionseinheit mit mechanischen Misch- und Trennprozessen, zwei Aufbereitungseinheiten für die in der Produktion entstandenen Lösungsmittel-Produktgemische sowie die Sammlung der Betriebsmittel. Zur Beschreibung der mehrstufigen Destillationen in den Aufbereitungsstufen wurde das Fließbildsimulationsprogramm ProSim Plus eingesetzt. Die Kopplung zwischen Umberto und ProSim Plus erfolgte über MS-Excel.
Die weitere Abbildung zeigt das Ergebnis der Sankey­analyse. Die Abbildung des Gesamtprozesses auf einem einzigen Blatt bietet eine maximale Übersichtlichkeit. Die Sankeypfeile ermöglichen eine rasche Orientierung auf die Hauptströme und z. B. die Beurteilung von Rückführverhältnissen und anderen Recyclingschleifen. Bei Bedarf kann an jeder Stelle durch einen Doppelklick „in die Tiefe“ gegangen werden, es öffnen sich dann Unternetze mit Detailinformationen. Diese werden angewählt, um spezielle Fragen zu klären oder die genauen Zahlenwerte zur Prüfung zu erhalten. Für jedes der betrachteten Szenarien konnten die unterschiedlichen Prozessführungen an verschiedenen Betriebspunkten konsistent analysiert und präsentiert werden. Die sich daraus ergebenden notwendigen Maßnahmen für den Einsatz verschiedener Lösungsmittel wurden plausibel und nachvollziehbar identifiziert.

Auf den Punkt gebracht
Sankeyanalysen können für die Planung und Optimierung von verfahrenstechnischen Prozessen gewinnbringend eingesetzt werden. Transparenz, Konsistenz und Nachvollziehbarkeit sind dabei die intrinsischen Treiber. Damit nimmt die Sankeyanalyse ihren Platz zwischen Tabellenkalkulation und Fließbildsimulation ein und kann auch als integrative Klammer dienen.

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