Unterschiede zwischen einem kontinuierlichen Prozess und einem Batch-Prozess

Jeder Produktionsprozess kann danach klassifiziert werden, wie die Rohstoffe zugeführt werden und wie aus diesen das Produkt hergestellt wird.

Man unterscheidet hauptsächlich zwischen kontinuierlichen Prozessen und Batch-Prozessen, wobei es Varianten gibt, die Merkmale beider Prozesse kombinieren.

• Kontinuierlicher Prozess. Die Strömung der Rohstoffe in das System ist während des gesamten Produktionsprozesses konstant, ebenso wie die Produktabgabe.
• Batch-Prozess (auch als Chargenprozess bekannt). Die Gesamtmenge der Rohstoffe wird zu Beginn des Prozesses in das System eingeführt, und nach einer bestimmten Zeit wird die Gesamtmenge des Produkts erhalten.

In Prozessen, in denen eine Wärmezufuhr oder -abgabe an das Produkt erforderlich ist, unterscheiden sich der Energieverbrauch und die Dauer des Prozesses je nachdem, ob er kontinuierlich oder im Batch-Verfahren durchgeführt wird.

Darüber hinaus bestimmt die Art des Prozesses die Größe der erforderlichen Wärmeaustausch-Anlage.

Einige der häufigsten Gründe für die Wahl eines Batch-Prozesses anstelle eines kontinuierlichen Prozesses sind folgende:

• Die Verfügbarkeit des zu verarbeitenden Produkts oder der Wärme- oder Kälteleistung ist nicht kontinuierlich.
• Es ist eine bestimmte Verweilzeit im Prozess erforderlich, beispielsweise zur Stabilisierung der Produkteigenschaften oder zur Entwicklung chemischer Reaktionen.
• Die Wartungs- und/oder Reinigungsarbeiten nehmen einen erheblichen Teil der Prozesszeit in Anspruch.

Beispiel: Angenommen, es wird eine Durchflussmenge von 10.000 kg/h Heißwasser bei 85 ºC für den Verbrauch in einem bestimmten Produktionsprozess benötigt, dessen Dauer 30 Minuten beträgt. Dazu steht Leitungswasser mit einer Temperatur von 20 °C und Dampf mit 4,5 barg (155 °C) als Heizmedium zur Verfügung. Die Erwärmung soll über einen Rohrwärmetauscher erfolgen.

Kontinuierlicher Prozess

Die Durchflussmenge des Heißwassers wird während des gesamten Prozesses konstant gehalten.

Abbildung 1. Schema eines kontinuierlichen Prozesses mit Wärmetauscher

Der Gesamtwasserverbrauch beträgt 10.000 kg/h x 0,5 h = 5.000 kg.

Die gemäß der Energiebilanz erforderliche Dampfmenge bei 4,5 barg beträgt 1.300 kg/h, die während des gesamten Prozesses konstant bleibt.

• Der Gesamtdampfverbrauch beträgt daher 1.300 kg/h x 0,5 h = 650 kg.

Der Rohrbündelwärmetauscher muss in der Lage sein, die Wasserdurchflussmenge sofort von 20 °C auf 85 °C zu erwärmen.

• Der Konstrukteur muss zunächst einen Gehäusedurchmesser mit einer dem Wasserdurchfluss entsprechenden Anzahl von Innenrohren auswählen.
• Die Länge der Rohre muss eine ausreichende Austauschfläche gemäß der Gleichung Q = U x A x LMTD gewährleisten, wobei Q die Austauschleistung, U der Gesamtwärmeübergangskoeffizient, A die Austauschfläche und LMTD die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz ist.
• Bei Temperatursprüngen wie in diesem Beispiel (von 20 °C auf 85 °C) ist es üblich, dass der kontinuierliche Prozess einen Wärmetauscher mit einer großen Nennlänge, z. B. 3.000 mm, erfordert.

Proceso batch

Die heiße Wassermasse wird vor Beginn des Prozesses zugeführt.

Abbildung 2. Schema eines Batch-Prozesses (chargenweise) mit Wärmetauscher

Um den Batch-Prozess (Chargenprozess) durchzuführen, ist ein Behälter mit einem Fassungsvermögen von 5.000 kg erforderlich, um die gesamte benötigte Wassermenge aufzunehmen. Der Gesamtwasserverbrauch ist daher derselbe wie im kontinuierlichen Prozess. Es gibt jedoch Unterschiede zum kontinuierlichen Prozess:

• Im Batch-Prozess ist eine bestimmte Zeit t1 erforderlich, um zunächst die gesamte Wassermenge bei 20 °C im Behälter anzusammeln.
• Anschließend wird eine bestimmte Zeit t2 benötigt, um diese Wassermasse von 20 °C auf 85 °C zu erwärmen. Diese hängt von der Umwälzmenge ab, die nicht unbedingt mit der Verbrauchsmenge übereinstimmen muss (in diesem Beispiel 10.000 kg/h).
• Die Gesamtbetriebszeit im Batch-Betrieb ist die Summe aus der Prozessdauer (in diesem Beispiel 30 Minuten) und diesen Vorlaufzeiten: also t1 + t2 + 0,5 Stunden. Im kontinuierlichen Betrieb entspricht die Gesamtbetriebszeit jedoch der Prozessdauer von 0,5 Stunden.

Energiebilanz

Aufgrund der Energiebilanz ist die erforderliche Dampfmenge bei 4,5 bar Überdruck zu Beginn der Umwälzung größer, wenn das Wasser kälter ist (bei 20 °C beim Start), und nimmt bei jedem Durchgang durch den Rohrbündelwärmetauscher ab, da sich das Wasser im Speicher erwärmt.

• Angenommen, es wird eine maximale Aufheizzeit t2 von 1 Stunde festgelegt und eine Umwälzmenge von 7.500 kg/h gewählt: In diesem Beispiel werden zum Erwärmen von 5.000 kg Wasser von 20 °C auf 85 °C zu Beginn der Umwälzung 700 kg/h Dampf und am Ende 410 kg/h benötigt.
• Obwohl die Abnahme der Dampfmenge im Laufe der Zeit nicht linear ist, kann der Gesamtverbrauch als Durchschnitt des Anfangs- und Endverbrauchs angenähert werden: ½ x (700 kg/h + 410 kg/h) x 1 h = 555 kg. Die Reduzierung des Dampfverbrauchs gegenüber einem kontinuierlichen Prozess ist mit 14,6 % erheblich: 555 kg statt 650 kg.

Im Gegensatz zum kontinuierlichen Prozess muss der Rohrwärmetauscher im Batch-Betrieb nicht den gesamten Temperaturunterschied von 20 °C auf 85 °C sofort ausgleichen, sondern führt Teilschritte durch, die immer kleiner werden, bis die Erwärmung abgeschlossen ist.

• Bei gleichem Gehäusedurchmesser und gleicher Anzahl der Innenrohre wie im kontinuierlichen Prozess ist die Nennlänge des Wärmetauschers für den Batch-Prozess deutlich geringer.
• Für den Batch-Prozess wird in der Regel ein Rohrwärmetauscher mit einer Nennlänge von 1.500 mm (die Hälfte des kontinuierlichen Prozesses in diesem Beispiel) benötigt, wodurch die Kosten geringer sind.

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