Materialverarbeitung Chemische Prozesstechnik

Optimierung des Temperiersystems für exotherme Batch-Reaktoren

Aktualisierung: 2026-02-10

Problemdefinition

Branchenherausforderungen

01 Beherrschung stark exothermer Reaktionsverläufe zur Vermeidung von 'Thermal Runaway'
02 Variabilität in der Produktqualität durch inkonsistente Temperaturprofile zwischen Chargen
03 Hoher Energieverbrauch durch ineffiziente Wärmeübertragungssysteme und Pumpenbetrieb

Spezifische Schwachstellen

Lange Aufheiz- und Abkühlphasen reduzieren die Anlagendurchsatzrate
Überschwingen der Reaktortemperatur bei kritischen Prozessschritten
Häufige Ausfälle von Gleitringdichtungen an Umwälzpumpen durch Kavitation oder Trockenlauf

Analyse des Ist-Zustands

"Einsatz veralteter On/Off-Ventilsteuerungen anstelle stetiger Regelventile Mangelnde Dynamik im Sekundärkreislauf (Mantelkreislauf) führt zu Trägheit in der Temperaturführung Fehlende Integration von sicherheitsgerichteten Abschaltmechanismen (SIS) gemäß aktuellen SIL-Anforderungen"

Leistungsauswirkungen

Rampenrate (Heizen/Kühlen)

Steigerung um ≥ 15% gegenüber Ist-Zustand

Temperaturgenauigkeit (Stationär)

± 0,5 K

Oee (Overall Equipment Effectiveness)

Verbesserung um ≥ 5% durch Zykluszeitreduktion

Pumpenregelung Drehzahlvariabel via 4-20mA / Profinet

Sicherheitsarchitektur 1oo2 oder 2oo3 Voting für kritische Temperatursensoren

Regelbereich Split Range 0-100% (Heizen/Kühlen überlappungsfrei)

Technische Verifizierung

Diese Lösung wurde von Atlamech Engineering nach folgenden Standards validiert:

Details anzeigen

Technischer Umfang

Implementierung einer Kaskadenregelung (Reaktor-Innentemperatur als Master, Manteltemperatur als Slave)
Retrofit des Sekundärkreislaufs mit frequenzgeregelten Umwälzpumpen und Split-Range-Regelventilen
Integration unabhängiger Sicherheitssensorik für Übertemperaturschutz (SIL-Loop)

Compliance-Standards

DIN EN 61511 (Funktionale Sicherheit - SIL)

ATEX Richtlinie 2014/34/EU (Explosionsschutz)

DGRL 2014/68/EU (Druckgeräterichtlinie)

NAMUR NE 37 (Frequenzumrichter in der chemischen Industrie)

Implementierungsstrategie

Phase 1 (Woche 1-2): Bestandsaufnahme, thermodynamische Analyse und HAZOP-Studie. Phase 2 (Woche 3-5): Detail-Engineering, Komponentenauslegung und Beschaffung. Phase 3 (Woche 6-7): Mechanische Installation und E-MSR-Montage während geplanter Stillstandszeit. Phase 4 (Woche 8): Loop-Tuning, SAT (Site Acceptance Test) und Schulung.

Wichtigste Liefergegenstände

Aktualisierte R&I-Fließschemata (P&ID) und Funktionsbeschreibungen (FDS)

Dimensionierungsberechnung für Wärmetauscher und Regelventile (Kv-Werte)

Inbetriebgenommenes Leitsystem-Modul mit optimierten PID-Parametern

Validierungsbericht der Sicherheitsfunktionen (Safety Loop Check)

Beratungsnotizen

Regelungsstrategie

Die Kaskadenregelung ist zwingend erforderlich, um die Totzeit des Wärmeübergangs durch die Reaktorwand zu kompensieren. Der Master-Regler (Innentemperatur) gibt den Sollwert für den Slave-Regler (Manteltemperatur) vor. Dabei müssen Begrenzungen (Limiters) implementiert werden, um den maximal zulässigen Temperaturgradienten (ΔT) zwischen Mantel und Produkt nicht zu überschreiten (Vermeidung von Thermoschock bei Glas- oder Emaille-Reaktoren).

Sicherheitstechnische Hinweise

Die Sicherheitsabschaltung (Notkühlung/Reaktionsstopp) muss hardwareseitig unabhängig von der Betriebsregelung (BPCS) realisiert werden, um SIL-Anforderungen zu erfüllen.
Bei der Auslegung der Regelventile ist auf kavitationsfreie Trims zu achten, insbesondere im Übergangsbereich der Split-Range-Regelung.
Wärmeträgermedien müssen regelmäßig auf Degradation geprüft werden, da sich ändernde Viskositäten direkt auf die PID-Parameter auswirken.

Infrastruktur-Taxonomie

Frequenzumrichter für Ex-Bereiche (z.B. ATEX Zone 1/2)

Split-Range Regelventile mit Stellungsreglern

Widerstandsthermometer (Pt100) mit kurzer Ansprechzeit (T09 < 3s)

Magnetgekuppelte Kreiselpumpen (Chemienormpumpen)

Sicherheits-SPS (Safety PLC) oder dedizierte Sicherheitsrelais

Typische Anwendungsmuster: Temperatur-Kaskadenregelung Split-Range Control (Heizen/Kühlen) Override Control (Begrenzungsregelung für Manteltemperatur)

Wissensgebiete

Chemische Prozesstechnik in der Materialverarbeitung Thermische Prozessführung und Temperierung exothermer Batch-Reaktoren

Zusammenfassung der technischen Beziehungen

Verwendete technische Komponenten

frequenzgeregelte Umwälzpumpen, Split-Range-Regelventile, 1oo2 oder 2oo3 Voting

Technische Einschränkungen

maximal zulässiger Temperaturgradient

Kern-Optimierungslogik

Temperatur-Kaskadenregelung

Zusammenfassung der Implementierungsbeispiele

Projekt-Kurzbeschreibung

Retrofit der Temperaturregelung für exotherme Batch-Reaktoren

Systemmaßstab

Industrieller Rührkesselreaktor mit Sekundärkreislauf zur Temperierung über Wärmeträgerfluid, inklusive Wärmetauscher und Umwälzpumpen.

Betriebsbedingungen

Kritische exotherme Reaktionsphasen unter Anforderungen der ATEX-Richtlinie und funktionaler Sicherheit gemäß DIN EN 61511.

Implementierungsbeschränkungen

Begrenzte Dynamik des bestehenden Mantelkreislaufs und wiederkehrende Kavitationsschäden an ungeregelten Pumpenaggregaten begrenzten die Anlageneffizienz.

Technisches Wissenscluster

Chemische Prozesstechnik in der Materialverarbeitung

Technische Grundlagen der chemischen Prozesstechnik mit Fokus auf Reaktordesign, Prozessüberwachung und Sicherheitsstandards für die Materialverarbeitung.

Reaktordesign und -skalierung

Auslegung von Batch- und Kontinuierreaktoren nach kinetischen Modellen und Stofftransportgleichungen.

Thermische Prozessführung und Temperierung exothermer Batch-Reaktoren

Technischer Leitfaden zur Auslegung und Optimierung von Temperierkreisläufen für diskontinuierliche chemische Reaktionen unter Berücksichtigung von Reaktionskinetik, Anlagensicherheit und Energieeffizienz.

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