Das nachfolgende Beispiel beschreibt für einen ty-pischen Batch-Prozess, die Bierproduktion, den Teilprozess der Würzeproduktion im Sudhaus. Die auf die Würzeproduktion folgenden Schritte wie Fer-mentation, Pasteurisation, Verpackung und andere Nebenprozesse werden der Einfachheit halber weg-gelassen.
Abb. 14-1 zeigt die Würzeproduktion anhand eines vereinfachten Verfahrensfliessbilds und eines ver-einfachten Gantt-Diagramms der verwendeten Equipments. Es sind die in der Anlage eingesetzten HEXs und die angetroffenen Betriebsbedingungen dargestellt.
In Tab. 14-1 ist die Stromtabelle der Würzeproduk-tion dargestellt, wie sie z.B. als “erster Wurf” hätte erarbeitet werden können. Wie bereits schon in Ka-pitel 9 beschrieben, gibt es verschiedene Möglich-keiten der Energiemodellierung und somit der Dar-stellung der Prozessanforderungen. Durch den zu-sätzlichen Freiheitsgrad “Zeit” eröffnen sich bei Batch-Prozessen weitere Möglichkeiten der Model-lierung – diese werden in Kapitel 15 im Detail be-schrieben.
Im Gegensatz zu kontinuierlichen Strömen, welche mit einem konstanten Massenstrom beschrieben
werden, ist ein Batch-Strom durch seine Masse und eine Startzeit tstart und Stoppzeit tstop definiert. Die Mengen werden vom Produkt-Rezept vorgeschrie-ben. Start- und Stoppzeit definieren die Existenzzeit des Stroms und in der Folge auch dessen Massen-strom. Die Zeitangaben sind relativ und t=0 ist nor-malerweise auf den Zeitpunkt gesetzt, an dem der erste Arbeitsschritt eines Rezepts gestartet wird.
Der erste Arbeitsschritt kann bereits eine thermi-sche Anforderung (z.B. Erwärmung eines Pro-dukts), oder aber auch z.B. die Vorbereitung eines Equipments (siehe Abschnitte 13.5 und 14.2.2) sein.
Abb. 14-1: Bierproduktion: Vereinfachtes Verfahrensfliessbild und vereinfachtes Gantt-Diagramm einer einzelnen Würzecharge.
Würze-pfanne
Aus-schlag-G.
2x Wasser
Malz
Maisch-pfanne
Maisch-bottich 2x
Vorlauf-gefäss
2x Mühle
2x
°C
58 98°C
Treber
Wasser
Hopfen
Läuter-bottich
2x
Zur Gärung
Würze- Vor-wärmung
Würze-Kühlung
Maisch-bottich
Maisch-pfanne Läuter-bottich
Vorlauf-gefäss
Ausschlag-gefäss Würze-pfanne
75°C 76°C
72°C
93°C
97°C
95°C
7.5°C 3
/ 2
3 / 1
maischen
läutern verdünnen
sieden
kühlen Malz + Wasser
Wasser
h
0 1h 2h 3h 4h 5h 6h 7h 8h 9h 10h 11h 12h
°C 53
Pfannendunst-kondensator
Nachfolgend werden die Hauptschritte der Würze-produktion beschrieben, anhand derer die Stromta-belle grob nachvollzogen werden kann (die Start- und Stoppzeiten tstart und tstop sowie die Vor- und Nachbereitungszeiten der Equipment dpre und dpost
seien durch den Prozess und den Anlagenbetreiber vorgegeben).
1. Brauwasser (erwärmt auf 58°C –
Strom C1) und gemahlenes Malz (auf Um-gebungstemperatur) werden gemischt und ergeben die sogenannte Maische. Die Mai-sche wird mit ca. 53°C in den Maischbot-tich geleitet.
2. Ein Drittel der Maische wird in die Mai-schepfanne geleitet, wo sie mit einem be-stimmten Temperatur-Zeit-Profil erhitzt wird (Ströme C2, C3, C4). Zwei Drittel der Maische werden einem anderen thermi-schen Prozess im Maischbottich selber un-terzogen (Ströme C5 und C6). Am Ende des Kochprozesses in der Maischepfanne wird die Maische zurück in den Maischbot-tich geleitet, wo sich eine Mischtemperatur von 74.5°C einstellt20. Diese schrittweisen
20 Das nicht-isotherme Mischen im Maischbottich könnte theoretisch als ein aufzuheizender und ein abzukühlender Strom definiert werden.
thermischen Prozesse entwickeln kom-plexe bio-chemische Reaktionen, welche Stärke auflösen und sie in einfacher fer-mentierbare Zucker spalten.
3. Die Maische wird anschliessend in den Läuterbottich geleitet, wo die Malztreber aus der Flüssigkeit abgeläutert (filtriert) werden, womit die sogenannte Bierwürze entsteht. Nach dem Läutern wird die Bier-würze mit 76-grädigem Sprühwasser ver-dünnt, um den verbliebenen Zucker in den übrig gebliebenen Malztrebern zu lösen (Strom C7). Die Wärme in den abgeläuter-ten Malztrebern kann theoretisch genutzt werden (Strom H4).
4. Vom Vorlaufgefäss wird die Bierwürze in einem HEX vorgewärmt, in die
Würzepfanne geleitet, in einem externen HEX auf atmosphärische Siedetemperatur erhitzt (Strom C8) und anschliessend teil-weise verdampft (Strom C9). Rund 7% der Bierwürze wird im Kochprozess verdampft, welcher in Realität in 5 einzelnen Schritten erfolgt: 1. Sieden unter Atmosphärendruck, Equipment Strom Tin Tout m
m &
cp tstart tstop dpre dpost[°C] [°C] [kg] [kg/s] [kJ/kg K] [min] [min] [min] [min]
Brauwasser C1 8 58 33‘954 11.318 4.18 0 50 0 0
Maischepfanne C2 53 61 16‘353 27.255 3.7 61 74 0 20
Maischepfanne C3 61 74.5 16‘353 18.170 3.7 86 101 0 20
Maischepfanne C4 74.5 98 16‘353 13.628 3.7 118 138 0 20
Maischbottich C5 53 62 32‘707 34.070 3.7 67 83 67 51
Maischbottich C6 62 68 32‘707 36.341 3.7 118 133 67 51
Sprühwasser C7 8 76 37‘507 6.1893 4.18 325 426 0 0
Würze-Vorwärmer C8 72 100 71‘365 39.647 4.1 420 456 0 0
Würzepfanne C9 100 101 5‘495 1.053 2‘252 463 550 40 31
Würzekühler H1 95 7.5 64‘820 11.872 4.1 582 683 0 0
Pfaduko H2 100 99 5‘495 1.053 2‘252 463 550 5 5
Kondensatkühler H3 99 20 5‘495 1.053 4.18 463 550 5 5
Malztreber H4 74 20 11‘500 4.259 3.5 395 440 0 0
Tab. 14-1: Stromtabelle der Würzeproduktion. Pfaduko: Pfannendunstkondensator.
2. Erhitzen bis zum Siedepunkt bei Über-druck, 3. Sieden bei ÜberÜber-druck, 4. Druck-reduktion, 5. Sieden bei Atmosphären-druck, bis ein bestimmter Zuckergehalt er-reicht ist.
Diese Schritte sind in einer einzelnen „ge-mittelten“ Prozessanforderung zusammen-gefasst (Strom C9). Die verdampften Brü-den haben einen hohen Energieinhalt, der z.B. durch Kondensation (z.B. im soge-nannten Pfannendunstkondensator) und Abkühlung zurückgewonnen werden kann (Ströme H2 und H3).
5. Die Bierwürze wird schliesslich in das Aus-schlaggefäss geleitet, wo sie sich eine Weile setzt. Mit der Kühlung auf 7.5°C wird die Bierwürze auf die Fermentation vorbe-reitet (Strom H1).
Equipment
Ein Equipment wurde in Abschnitt 13.5 wie folgt de-finiert.
Gemäss obiger Definition erfolgt eine Wärmeüber-tragung also immer zwischen Equipments, während Ströme in diesen Equipments vorkommen.
Ein typisches Equipment für Batch-Prozesse ist der Reaktor. Er kann eine Vielzahl von Arbeitsschritten durchführen: Heizen, Kühlen, mit oder ohne vorge-schriebenes Temperatur-Zeit-Profil, Verdamp-fen/Destillieren, Mischen, Warten, usw.
In Abb. 14-1 z.B. stellen der Maischbottich und die Maischepfanne je ein Equipment dar. In beiden Equipments kommen mehrere Ströme vor (C5 und C6 im Maischbottich, C2 bis C4 in der Mai-schepfanne). Die Kombination von Maischbottich o-der Maischepfanne und z.B. Dampf (im Equipment
„Dampfleitung“) beschreibt in der Folge die Mantel-heizung.
Wichtig zu wissen: Da mit der Pinch-Analyse die Wärmeübertragung im Vordergrund steht, werden vereinfachend nur diejenigen Equipments berück-sichtigt, in denen eine Prozessanforderung stattfin-det.
Equipments werden für kontinuierliche Prozesse definiert, um mittels MOC Supertargeting die Kos-ten von wiederverwendbarer Wärmeübertragungs-fläche richtig zu berücksichtigen. In der Analyse von Batch-Prozessen erfüllen Equipments die gleiche Funktion – so soll z.B. die Mantelfläche des Maisch-bottichs nicht für jeden Erwärmungsschritt einzeln berechnet werden. Equipments spielen aber auch eine bedeutende Rolle bei der Zeitplanung von sich überlappenden Batch-Prozessen. Dies wird im nächsten Abschnitt genauer betrachtet.
14.3 Zyklische Wiederholung von