Das wertvolle Produkt wird im Lagerbereich an eine Pumpstation angeschlossen und in den Vorlagebehälter am Füller gefördert. Aus dem Tanklagerbereich werden sowohl ortsgebundene als auch mobile Produktbehälter an eine Pumpenstation angeschlossen. Die Verbindung auf der Saugseite der Pumpe wird über Schläuche hergestellt, die bis zu 50 m lang sein können. Über die Pumpenstation wird das Produkt zum Produktfüller gefördert, der ein Stockwerk höher und eine Leitungslänge von ca. 40 m entfernt ist. Am Ende der Produktion soll das Produkt möglichst verlustfrei ausgeschoben werden. Das Endprodukt enthält Alkohol und wird in der Ex-Zone gelagert. Zusätzlich soll der komplette Transferweg gereinigt werden. Das eingesetzte Reinigungsmittel ist Ethanol.
Aus dieser Ausgangssituation lassen sich die wichtigsten Ziele für eine effiziente Produktion leicht ableiten. Im Vordergrund stehen neben der Verlustreduzierung bzw. der maximalen Ausbeute eine effektive Reinigung (minimale Produktverschleppung), die Reduzierung des Reinigungsmittelverbrauchs und ein schneller Produktwechsel. Für diese Aufgabenstellung gab es drei Lösungsansätze – Mischphase, Molchtechnik und Whirlwind-Technologie –, die der Produktionsbetrieb miteinander verglichen hat. Die klassische Variante ist, mit Mischphasen beim Ausschieben zu arbeiten. Je nach Viskosität, Rohrleitungsdurchmesser und Fließgeschwindigkeit entstehen verschieden große Mischphasen. Über die unterschiedlichen chemisch-physikalischen Eigenschaften von Produkt und Treibmedium können Mischphasen über Sensoren (z. B. Leitfähigkeit, Trübung, Dichte) erkannt und Verfahrensschritte automatisiert werden. Die grundsätzliche Voraussetzung für dieses Verfahren ist, dass sich das Treibmedium mit dem Produkt „verträgt“. Je nach Aufgabenstellung werden Mischphasen mehr oder weniger toleriert und dann entweder sehr scharf oder toleranter am Messpunkt getrennt.
Bei der Molchtechnik wird ein Passkörper (der Molch) in die Rohrleitung eingebracht. Dieser wird dann mit einem Gas oder einer Flüssigkeit als Treibmedium durch die Rohrleitung gedrückt und schiebt damit das Produkt vor sich her. Bei der Molchtechnik ist besonderes Augenmerk auf die Gestaltung der Rohrstrecke zu legen. Da der Molch ein Passkörper ist, muss die gesamte Rohrstrecke, wie Rohr, Bogen, T-Stücke, Armaturen und Sensoren, molchfähig sein, also exakt den gleichen Querschnitt wie das Rohr haben. Aus diesem Grund werden Molche immer nach einer Pumpe in eine Leitung ein und vor einem Behälter wieder ausgeschleust.
Bei beiden Varianten ist eine zusätzliche Reinigung der Leitungen notwendig, wenn das Produkt gewechselt wird.
Mit der Whirlwind-Technologie von Ruland Engineering lässt sich das Produkt aus einer Rohrleitung in zwei Schritten ausschieben und die Leitung in zwei weiteren Schritten reinigen und trocknen. In den ersten beiden Schritten wird das Produkt mit einem Luft-/Gasstrom (hier Stickstoff) herausgedrückt. In einem weiteren Schritt wird das System unter Zusatz von Reinigungsmitteln gereinigt und am Ende kann im vierten Schritt noch eine Trocknung der Leitung erreicht werden. Die Whirlwind-Technologie kann auch bei Standardeinbauten wie Ventilen und Sensoren problemlos eingesetzt werden. Begrenzungen gibt es lediglich bei großen Nennweitensprüngen innerhalb einer Leitung oder bei absperrenden Elementen wie z. B. Verdrängerpumpen. Über einen Bypass können aber auch solche Hürden übersprungen werden.
Da die Whirlwind-Technologie noch relativ jung ist, wurden auf einem eigens dafür aufgebauten Versuchsstand Tests gefahren, um belegbare Daten zu erhalten. Mit diesen Daten hat der Herstellbetrieb eine technische Entscheidungsmatrix für die drei beschriebenen Verfahren erstellt. Hier schnitt die Whirlwind-Technologie am besten ab, obwohl als Grundinvestition sowohl eine Stickstoffversorgung als auch ein Gaswäscher für das Gas-/Produkt-/Ethanolgemisch notwendig waren. Die Vorteile, wie minimale Produktverluste, hocheffiziente Reinigung, Reduzierung der normalerweise benötigten Reinigungsmittelmenge um über 90 % und eine auf ein Drittel geschrumpfte Chargenwechselzeit verglichen mit einem Ausschub und einer CIP-Reinigung mit einem der anderen Verfahren, überwiegen mittelfristig die höheren Anfangsinvestitionskosten und wirken sich vor allem nachhaltig positiv auf die Umwelt aus. Im Mai 2010 wurde die beauftragte Anlage in Betrieb genommen und validiert.
Eine weitere, analog aufgebaute Anlage wurde inzwischen beauftragt. Als nächster Schritt soll das Whirlwind-Prinzip auch in anderen Bereichen eingesetzt werden. Erste grundlegende Versuche sind bereits erfolgversprechend absolviert.
The valuable product is connected to a pumping station in the tank farm area and fed to the storage tank at the filler. Both stationary and mobile product containers are used for this purpose. The connection on the receiving side of the pump is achieved with hoses that can be up to 50 m in length. The product is fed to the filler via the pumping station, which is located one level higher and some 40 m away. At the end of the production process, the product has to be cleared from the plant with minimal loss. The final product contains alcohol and is stored in the hazardous area. In addition, the complete transfer line has to be cleaned using ethanol.
Based on this initial situation, the most important aims for efficient production are easy to deduce. Loss reduction and maximum yield are particularly important along with efficient cleaning (minimal residues in the plant), lower cleaning agent use and quick product changes. Three possible options – a mixed phase, pigging and the Whirlwind technology – were identified and compared with one another.
The classic approach is to use mixed phases when clearing the product. The size of these phases varies depending on the viscosity, pipe diameter and flow rate. Sensors (e.g. for conductivity, diffusion or density) detect the different chemical and physical properties of the product and the flushing medium, enabling process steps to be automated. The compatibility of the flushing medium and the product is a fundamental prerequisite. The extent to which mixed phases are tolerated is determined by the task involved, in other words they are separated more or less strictly at the measuring point.
If a pigging system is chosen, a fitting body (the pig) is inserted into the piping. The pig is then moved through the piping by a gas or a liquid, pushing the product in front of it out of the plant. The pigging technology requires the piping to have a special design: since the pig has a fixed diameter, the complete piping run – not only the pipe itself but also all bends, tees, valves and sensors – has to be piggable, i.e. have exactly the same cross-section. For this reason, pigs are always inserted downstream of a pump and extracted upstream of a tank.
Both variants necessitate additional cleaning of the pipes if the product is changed.
Using Ruland Engineering’s Whirlwind technology, the product can be cleared from the piping in two steps, with two additional steps for cleaning and drying. In the first two steps, the product is forced out with an air or gas stream (in this case nitrogen). Next, cleaning agent is added in order to clean the system. In the optional fourth step, the piping can be dried. The Whirlwind technology can also be employed without any problems for standard components like valves and sensors. The only restrictions concern large differences in diameter within the piping or shut-off elements like displacement pumps. Whirlwind can get round these limitations with a bypass.
As the Whirlwind technology is still fairly young, tests were carried out on a specially constructed pilot facility in order to obtain empirically sound data. The manufacturer used this information to create a decision matrix for the three possible alternatives. Whirlwind came out best, even though it meant a prior investment in a nitrogen supply and a gas washer for the gas-ethanol-product mix. The advantages – such as minimal product loss, highly efficient cleaning, an over 90% reduction in cleaning agent use in normal operation and batch change times only a third of those required by the other processes based on clearing and CIP cleaning – outweigh the higher initial investment in the medium term and the environmental impact is much smaller. The new plant was commissioned and validated in May 2010.
A second plant of similar design has been ordered in the meantime. There are also plans to introduce the Whirlwind principle in other areas in the near future. Basic preliminary tests have already been completed successfully.
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