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SCHWACHSTELLENANALYSE EINER REINSTWASSERANLAGE MIT SANKEY-DIAGRAMM-ANALYSE
WORKSHOP FÜR PRODUKTIVITÄT UND EFFICIENCY ENGINEERING
DR. RER. NAT. CLAUDIA KAISER ARCADE ENGINEERING KARLSRUHE, 04. OKTOBER 2016
AUFGABENSTELLUNG
• Visualisierung von Massen- und Energieflüssen sowie Kapazitäten
• Kapazitätsbewertung
• IST-Stand
• Forecast
• Sensitivitätsanalyse
• Umsetzungskonzepte
• Ausbau/ Erweiterung
• Einführung alternativer Prozesstechnik
• Implementierung
UPW ANLAGE IN DER HALBLEITERTECHNIK ALLGEMEINES
• Industriestandard: unterbrechungsfreies Arbeiten 24/7/365
• Process Design: "N+1" - Konzept
• Neuinvestition einer UPW Anlage entsprechen 8 - 10% der Gesamtinvestition
(Basement, Grundversorgung, Reinraum, Infrastruktur - Process Tools excl.)
• entscheidender Kostenfaktor sind Abschreibungen der Process Tools
- Stillstand muss unbedingt vermieden werden
• Betriebskosten der Fabrik: 1,0 Mio €/d excl. Abschreibung,
1,7 Mio €/d incl. Abschreibungen
UPW … Ultra Pure Water … Reinstwasser
UPW ANLAGE IN DER HALBLEITERTECHNIK N+1 KONZEPT - SCHEMA
V V
Stufe: Kapazität = V
Einzelapparat Kapazität = V x 0,25 Belastung = V x 0,20
Einzelapparat Kapazität = V x 0,25 Belastung = V x 0,25
Normalzustand N+1 Apparate in Betrieb
Regeneration N Apparate in Betrieb
Einzelapparat wird regeneriert
Zusätzlicher Verbrauch V2
Beispiel: N+1 = 5 N = 4
Pretreatment Deionisierung Make-Up Polishing
Stufe 1 Stufe 2 ….. Stufe n
Rückführung
Loop
A B C D UPW
Verb
rauc
her
Rohw
asse
r
Stufe 1 Stufe 2 ….. Stufe n
Stufe 1 Stufe 2 ….. Stufe n
• Stufe 1: Vorbehandlung/ Pretreatment
• Mechanische Filtration des Rohwassers
• Entfernung ionogener Verunreinigungen wie
Eisen und Mangan
• Ggf. Enthärtung
• Stufe 2: Deionisierung
• Kombination von Ionenaustausch- und
Membranprozessen
• Stufe 3: Feinreinigung/ Make-Up
• Entfernung gelöster Gase
• Entfernung gelöster organischer
Verbindungen
• Stufe 4: Endreinigung/ Polishing
• unter permanenter Rezirkulation
über den "Loop"
• Jede der Teilstufen enthält einen Speisetank und mehrere Verfahrensschritte
UPW ANLAGE AUFBAU
LOOP … Anschluss der Verbraucher, Zulauf inkl. Überströmung
ANSATZ
• Modellierung mit Umberto 5.6 (2011/12)
• Modellierung mit Umberto NXT (2015/16)
KONZEPT DER SPITZENSTROMDARSTELLUNG
ENGPASSBESEITIGUNG
Stufe 1 Stufe 2
Stufe 3
Stufe 4 Stufe 5 Stufe 6
Engpass 1
Engpass 3 Engpass 2
Gesamtkapazität
Kapazität der Einzelstufe
PRINZIP DER VISUALISIERUNG VON KAPAZITÄTEN
Entscheidender Fall Zu berechnender Massenfluss übersteigt die Kapazität einer Teilstufe
"Imitation der Realität" Die Teilstufe erlaubt rechnerisch nur den z.Z. maximal möglichen Fluss. "Rückmeldungen" an vorgelagerte Stufen sind erforderlich, um dort die Flüsse auf das mögliche Maß zu begrenzen.
"Projektion der Zukunft" Die Teilstufe erlaubt rechnerisch auch den z.Z. nicht möglichen Fluss. Die Kapazitätsanzeige schaltet dabei von grün über gelb nach rot.
Einfache Rechnung Vollständige zukünftige
Massen- und Energiebilanz Gut kommunizierbar Kapazitätssituation ist
visualisiert
Das unbefriedigende reale Verhalten ist abgebildet
Die Kapazitätslücken sind nur indirekt erkennbar
Die Kapazitäten sind nicht visualisiert
PRINZIP DER VISUALISIERUNG VON KAPAZITÄTEN
Grün und Gelb werden gleichzeitig gezeigt Rot ersetzt Grün/Gelb im Falle eines Kapazitätsbedarfs.
KONZEPT DER KAPAZITÄTSDARSTELLUNG
BEISPIEL EINER BOTTLENECK-ANALYSE
nur Polishing kalt betroffen
ursprüngliche Lieferantenspezifikation
für Vollausbau benötigt
BLATTEINTEILUNG (VOLLAUSBAU)
Hauptanlage, Massen- und Energieströme,
umschaltbar: Kapazitätsanzeige
Hilfsprozesse Energieverteiler
Gase- und Chemikalienverteiler
Kapazitätsanalyse
Recycling
Kostenanalyse
T5: Loop
P1: Water
P2: Chemikalien/Gase
P3: Energien
P4: Waste water
T6: 10 Raww ater tank T14: 14
Main line
T17: 23Cation towerAnion tower T19: 24 Reverse
osmosisT20: 26 Mainline
U V
T24: 33Mixed bed T26: 35 Main
line
T27: 41 Polishingpumps
T28: 42 Heatexchanger
U V
T29: 43 UVoxidizerT30: 44
PolisherT31: 45 UF cold
T32: 46 Mainline cold
T34: 48UF hot
T35: 49 Mainline hot
T10: S1 ChemicalDosing
T36: 47a Heatexchanger UF hot
T37: 47b HeaterUF hot
T38: 511FAB 1 cold
T40: 541FAB 1 hot T41: 543
Rekuperator
T43: 82 WWT Collect
P70: CAEX Regenerat
P4: Waste water
P71: 82 to RWT
P
P81: TP K totP
P82: TP UPW heiss
T12: 13 Multi-media Filter
T11: 11RW Pumps
T23: 34 Membranedegasifier
T22: 32 UVoxodiser
T39: 510 FAB
T44: 540 FAB
120 m3/h
30 m3/h
Demand cold
Demand hot
T45: ANALYTICS
P4: Waste water
P84: Pol UF Reject
T46: S4 UF Reject RecylingP91: UF Recycle
P5: Abluft
42 m3/h
Services
T48: S7 Rinse WT Collect .
P4: Waste water
P68:UFKSP
P95:UFHSP
P97: SGENT50: S6a
P87: PolUFH Reject
P83: Pol MB Regen
T60: E_Disp
T61: K_Disp
T62: H_Disp
P109: ET1
P110: ET2
P111: ET3
P112:ETPol
P113: KT1
P116: KTPol
P117: HT1
P120: HTPol
T63: TT1
T64: TT2
T65: TT3
T66: TTPol
T67: TTRy
P109: ET1
P113: KT1
P117: HT1
P110: ET2
P111: ET3
P112:ETPol
P116: KTPol
P120: HTPol
TI
TI
TI
P
P
P135: HzUFH WT
P136: UV Polish
P137:WT UF princ
P139: E Pol Pmp
P142: EVE
P143: EP3
P144: EUV3
P145: ERO
P148: EP2
P150: EP10 m3/h
0 m3/h
0 m3/h
T69: 544 UFHRETKUEHL
P153: WT K UFH Return
T70: C1 Chemiedispatch
P155: PT1
P156: PT2
P157: PT3 P2: Chemikalien/Gase
T71: G1 Gasedispatch
P158: PT1
P159: PT2
P160: PT3
P161: Polishing
P162: MXB REGE
Energy Dispatch .
P167: RO spül
Chemical and Gases .
T7: 20 Filteredw ater tank
F1E Version 1.0 dated 15.01.2015 .
P174: Polish
T8: 30 Permeatetank
T9: 40 UPWtank
104.5 m3/h
50 m3/h31 m3/h
0.5 m3/h
34.95 m3/h
0.5 m3/h
11 m3/h
Production
T1:Pretreatment I T2: Pretreatment II T3: Make up System
T4: Polishing system
T78: 16 Backwash Col lect Tank
T79: 18 Backwash Reuse Filter
T59: C RECLAIM TANK COLD .
T80: H RECLAIM TANK HOT .
T81: RECU
T82: 62 AC RECL .
T83: 63 RO RECL .
T84: 61 PUMP .RECL .
TI
TI
T85: RECU RECL 2 .
90 m3/h
P
P
TI TI
P98: RC Pumpen kP197: ETRy
P197: ETRy
T68: 515 Rinsecold waste switch
P4: Waste water
T86: 545 Rinse hotwaste switch
Pretreatment I Pretreatment II Make up System
PolishingReclaim
T16: 17 BackwashPump
P8: el. LeistBackwashPump
T18: 12Servicepumps
P59: Servicepump
11.5 m3/h
241.5 m3/h
177.6 m3/h
TI
TI TI
TI
62.15 m3/h
288.6 m3/h
208.6 m3/h
30 m3/h
352.9 m3/h202.7 m3/h
130 m3/h
163.5 m3/h
41.5 m3/h
T25: 44bPumps
P102: E WTPumpen
P4: Waste water
P4: Waste water
P108: CTA to RWT130 m3/h
130 m3/h
200.8 m3/h
P118: Reject F2
P119: FactoryReclaim F2
TI
Reclaim Tota
Raw WaterIntake
Fab WasteWater
22.5 m3/h
P4: Waste water
Intake from F2
Physical Processes .
Capacity Summary .
P170: TPOL
T21: 31 Permeatepumps
T15: 21 FWPumps
T13: 22 Activatedcarbon filter
120 m3/h
8.737 m3/h
P92: S4 to FWT
130 m3/h
NOT FULLY ACTIVATED
MASSEN-/ENERGIEFLUSS- UND KAPAZITÄTSANALYSE
MASSENFLUSS- UND KAPAZITÄTSANALYSE
BEISPIELPROJEKTE PROJEKTAUSGANG
1. Erweiterung einzelner Prozess-Stufen um Kapazitätsdefizite
auszugleichen.
2. Entscheidung für eine Neuinvestition einer Gesamtanlage statt einer
Erweiterung.
3. Pilotierung von Abwasserrecycling zur Kapazitätserhöhung.
4. Stufenplan für Investitionssteuerung und Ausweitung der Analyse auf
mehrere Standorte.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.
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