Verfahrensfließbilder: Definition, Erstellung und Anwendung

Was ist ein Verfahrensfließbild?

Ein Verfahrensfließbild (Process Flow Diagram, PFD) ist eine technische Zeichnung, die Hauptaspekte eines Produktionsprozesses in der Verfahrenstechnik darstellt. Es visualisiert die Abfolge der Verfahrensschritte, Apparate, Maschinen und Rohrleitungssysteme sowie wesentliche Prozessgrößen wie Druck und Temperatur.

Verfahrensfließbilder erleichtern es, den Ablauf eines Verfahrens oder die Funktionsweise einer Anlage zu verstehen und stellen alle relevanten Informationen zur Verfügung, die für die Planung, Steuerung und Optimierung von Prozessen benötigt werden.

Historisch sind Verfahrensfließbilder entstanden, um die Komplexität von technischen Prozessen in der Chemieindustrie und später auch in anderen industriellen Bereichen zu vereinfachen und standardisiert darzustellen. Seit der Industrialisierung wird das Verfahrensfließbild kontinuierlich als universelles Werkzeug eingesetzt, um den Aufbau von Anlagen, die Durchführung von Prozessen sowie den Material- und Energiefluss innerhalb der Anlage nachvollziehbar darzustellen. Standardisierungen wie die EN ISO 10628 haben später die Darstellung vereinheitlicht und ermöglichten eine klare und verständliche Visualisierung, die die Kommunikation zwischen verschiedenen Fachabteilungen vereinfacht.

Typen von Verfahrensfließbildern

Es gibt verschiedene Typen von Verfahrensfließbildern, die je nach Zweck, Detailgrad und Fachrichtung variieren. Die wichtigsten Typen sind:

Grundfließschema (Block Flow Diagram, BFD)

Das Grundfließschema stellt die wesentlichen Schritte und Einheiten eines Prozesses auf einer sehr abstrakten Ebene dar und ist daher besonders für das Pre-Engineering nützlich. Dieser Typ Verfahrensfließbild zeigt nur die Hauptkomponenten des Prozesses und verzichtet auf detaillierte Informationen. Blockfließbilder sind besonders nützlich in der Planungsphase, um einen ersten Überblick über den Prozess und die Hauptschritte zu erhalten.

• Einsatzgebiet: Frühe Planungsphasen, um ein grobes Verständnis des Gesamtprozesses zu erlangen.
• Details: Keine spezifischen Details zu Rohrleitungen, Instrumentierungen oder genauen Betriebskonditionen.

Prozessfließbild (Process Flow Diagram, PFD)

Das Prozessfließbild bietet eine detailliertere Darstellung als das Grundfließschema und zeigt alle relevanten Prozessschritte, Hauptausrüstungsteile und wesentliche Rohrleitungen. PFDs sind besonders nützlich, um den Ablauf des gesamten Prozesses mit den spezifischen Material- und Energienströmen zu verdeutlichen.

• Typische Informationen: Apparate und Ausrüstungen, Hauptströme, Temperatur- und Druckangaben.
• Einsatzgebiet: Ingenieurplanung und Entwurfsphase, da die Fließbilder für eine detaillierte Analyse des Prozesses verwendet werden können.

Rohrleitungs- und Instrumentierungsfließbild (R&I-Fließschema, Piping and Instrumentation Diagram, P&ID)

Das Rohrleitungs- und Instrumentierungsfließbild geht noch tiefer ins Detail als das Prozessfließbild. Ein P&ID zeigt alle Apparate, Instrumente, Rohrleitungen, Ventile und Regelkreise, die für den Betrieb einer Anlage erforderlich sind. Die hohe Detailgenauigkeit ermöglicht es Technikern und Ingenieuren, die Wartung und den Betrieb effizient durchzuführen. Die PFDs dienen oft als Grundlage für das Basic-Engineering, während die detaillierten Informationen in P&IDs für das Detail-Engineering essenziell sind.

• Details: Sämtliche Rohrleitungen, Instrumente, Steuer- und Regelkreise.
• Zweck: Präzise Anleitung für den Betrieb, die Wartung und die Überwachung der Anlage.

Steuerungsfließbild

Ein Steuerungsfließbild konzentriert sich auf die Darstellung der automatisierten Steuerungs- und Regelungssysteme innerhalb eines Prozesses. Es zeigt Regelkreise, Steuergeräte und Sensoren, die zur Automatisierung des Prozesses beitragen. Steuerungsfließbilder sind besonders hilfreich bei der Einrichtung und dem Testen von Steuerungssystemen.

• Einsatzbereich: Optimierung und Prüfung der Steuer- und Regelungstechnik.
• Besonderheiten: Fokus auf die Logik und den Ablauf der Steuerung, ohne explizite Details der physikalischen Anlagenstruktur.

Energieflussdiagramm

Ein Energieflussdiagramm stellt die energetischen Aspekte eines Prozesses dar und gibt Aufschluss über den Energieverbrauch und die Energieverteilung innerhalb der Anlage. Es hilft bei der Analyse der Effizienz eines Systems und identifiziert Bereiche mit hohem Energieverbrauch.

• Details: Energiemengen, Wärmeflüsse, Wirkungsgrade.
• Nutzen: Identifikation und Reduktion von Energieverlusten.

Sicherheitsfließbild

Sicherheitsfließbilder heben sicherheitsrelevante Aspekte eines Prozesses hervor. Diese Verfahrensfließbilder betonen potenzielle Gefahrenstellen, Sicherheitsventile und Notabschaltsysteme. Sie sind ein wichtiger Bestandteil der Risikobewertung und tragen zur sicheren Auslegung und zum Betrieb der Anlage bei.

• Inhalte: Sicherheitsventile, Notabschaltsysteme, potenzielle Gefahrenstellen.
• Anwendung: Risikomanagement und Sicherstellung des sicheren Betriebs.

Materialflussdiagramm

Das Materialflussdiagramm beschreibt den Verlauf und die Menge von Materialströmen innerhalb eines Prozesses. Es stellt dar, wie Rohstoffe, Zwischenprodukte und Endprodukte in einer Anlage bewegt und verarbeitet werden. Dies ist besonders hilfreich, um Engpässe im Materialfluss zu erkennen und die Effizienz des Produktionsprozesses zu steigern.

• Schwerpunkte: Materialströme, Mengen und Flussrichtungen.
• Anwendungsbereich: Optimierung von Produktionsabläufen und Minimierung von Materialverlusten.

Wichtige Symbole und Notationen

Symbole im Verfahrensfließbild: Bedeutung und Verwendung

Verfahrensfließbilder verwenden spezifische Symbole, um verschiedene Komponenten, wie Maschinen, Leitungen und Ventile, abzubilden. Diese Symbole sind standardisiert und haben jeweils eine eindeutige Bedeutung, was das Verständnis des Fließbildes erheblich erleichtert. Das Erkennen und Interpretieren dieser Symbole ist entscheidend, um die Funktionsweise eines Prozesses zu verstehen und die Rolle einzelner Komponenten zu analysieren.

Beispiele für Symbole:

• Behälter/Tank: Ein rechteckiges Symbol mit einem halboffenen oder offenen oberen Rand stellt einen Tank dar, der Flüssigkeiten oder Gase speichert.
• Pumpe: Ein Kreis, der mit einem Dreieck verbunden ist, stellt eine Pumpe dar und zeigt an, dass an dieser Stelle Flüssigkeit gefördert wird.
• Ventil: Ein Quadrat symbolisiert ein Ventil, das den Durchfluss von Medien steuert.
• Wärmetauscher: Ein Wärmetauscher wird durch zwei in sich verflochtene Rechtecke symbolisiert und stellt den Austausch von Wärme zwischen verschiedenen Strömen dar.

Zum Beispiel kannst Du anhand eines Kreises mit einem markanten Dreieck sofort erkennen, dass es sich um einen Verdichter handelt. Dies ermöglicht Dir, die Bedeutung dieser Komponente innerhalb des Prozesses zu verstehen und zu analysieren, wie sie das Medium beeinflusst.

Fließbild-Symbolsprache: Verständnis der Flussrichtung und Steuerung

Neben den Standardsymbolen ist die Symbolsprache in Verfahrensfließbildern wichtig, um die Flussrichtung und Steuerung von Material- oder Energieströmen zu verdeutlichen. Verschiedene Linien und Pfeile in Verfahrensfließbildern beschreiben diese Flüsse sowie deren Steuerungsgrad.

Symbole zur Darstellung des Flusses und der Steuerung:

• Pfeile: Ein Pfeil zeigt die Richtung des Material- oder Energieflusses an, sodass Du sofort erkennen kannst, wohin ein Strom fließt.
• Gepunktete Linien: Diese repräsentieren Steuerungs- oder Datenpfade, die auf spezifische Kontrollpunkte hinweisen.
• Linienstärken und -arten: Unterschiedliche Linientypen, z. B. durchgezogene oder gestrichelte Linien, zeigen den Grad der Kontrolle über einen Strom an. Eine durchgezogene Linie steht oft für einen vollständig kontrollierten Strom, während eine gestrichelte Linie auf eine weniger streng kontrollierte Leitung hindeutet.
• Kreise: Häufig werden Kreise verwendet, um Messpunkte zu kennzeichnen, die für das Überwachen bestimmter Prozessparameter notwendig sind.

Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Erstellung eines Verfahrensfließbildes

Schritt 1: Auswahl des richtigen Tools

Zur Erstellung eines Verfahrensfließbildes benötigst Du eine spezialisierte Software, die technische Anforderungen erfüllt und gängige Symbole bietet. Ein verbreitetes Tool, welches auch wir für die Erstellung von Verfahrensfließbildern verwenden, ist AutoCAD Plant 3D. Es ermöglicht eine detaillierte Darstellung von Prozessen und unterstützt die Erstellung präziser Rohrleitungs- und Instrumentierungsdiagramme. Alternativ gibt es Software wie Microsoft Visio für einfachere Fließbilder oder spezialisierte Prozessdesign-Tools wie Aspen Plus und Siemens COMOS für umfangreichere und simulationsfähige Diagramme. Die Wahl der Software hängt vom Detailgrad, den Du benötigst, und den Anforderungen des Prozesses ab.

Schritt 2: Zweckbestimmung des Verfahrensfließbildes

Definiere genau, wofür Du das Verfahrensfließbild benötigst. Die Anforderungen sind unterschiedlich, je nachdem, ob das Diagramm für die Planung eines neuen Prozesses, zur internen Kommunikation oder für Schulungszwecke erstellt wird. Der Zweck legt fest, wie detailliert das Fließbild sein muss und welche Symbole und Notationen Du verwenden solltest.

Schritt 3: Layout-Planung und Struktur

Plane das Layout des Verfahrensfließbildes, bevor Du mit der detaillierten Ausarbeitung beginnst:

1. Flussrichtung festlegen: Üblicherweise wird der Prozessfluss von links nach rechts oder von oben nach unten dargestellt, um eine klare Leserichtung zu gewährleisten.
2. Platzierung der Hauptkomponenten: Bestimme, wo die wichtigsten Einheiten wie Reaktoren, Wärmetauscher, Pumpen oder Trenneinheiten positioniert werden sollen.
3. Skalierung und Abstände: Achte auf konsistente Abstände zwischen den einzelnen Einheiten, um eine saubere und gut lesbare Darstellung zu erreichen.
4. Vorab-Anordnung der Mess- und Steuerelemente: Diese Elemente sollten ebenfalls geplant werden, da sie einen wichtigen Teil des Prozesses überwachen und steuern.

Schritt 4: Detailausarbeitung des Verfahrensfließbildes

Beginne nun mit der detaillierten Ausarbeitung:

• Prozesseinheiten einzeichnen: Zeichne jede wichtige Prozesseinheit ein und verwende standardisierte Symbole (meist von der Software bereitgestellt), z.B. für Reaktoren, Lagerbehälter und andere technische Geräte.
• Verbindungen herstellen: Verbinde die Einheiten mit Leitungssystemen oder Rohren und achte auf Klarheit. Die Verbindungslinien sollten die Realität des Prozesses präzise abbilden.
• Fließrichtungen kennzeichnen: Füge Pfeile hinzu, um die Fließrichtung anzugeben, und stelle sicher, dass alle Haupt- und Nebenflüsse klar verständlich sind.
• Mess- und Steuerungselemente einfügen: Platziere Messgeräte wie Druck-, Temperatur- oder Durchflussmesser an den relevanten Stellen. Füge außerdem Steuerungselemente hinzu, die den Prozess beeinflussen (z. B. Regelventile oder Automatisierungssysteme).

Schritt 5: Überprüfung und Korrektur des Fließbildes

Überprüfe Dein Verfahrensfließbild auf Vollständigkeit und Richtigkeit. Stelle sicher, dass alle Symbole korrekt und standardkonform verwendet wurden und alle Flussrichtungen und Verbindungen eindeutig dargestellt sind. Korrigiere mögliche Fehler und vereinfachte Darstellungen, falls nötig, um eine klare Lesbarkeit für andere Ingenieure und Beteiligte sicherzustellen.

Schritt 6: Beschriftung und Kennzeichnung

Gib jeder Einheit und Verbindung eine klare Bezeichnung. Diese sollten eindeutig sein und den Zweck der jeweiligen Komponente oder Leitung wiedergeben. Du kannst auch eine Legende einfügen, in der alle Symbole erklärt werden. Eine übersichtliche Beschriftung erleichtert das Verständnis und reduziert das Fehlerrisiko.

Schritt 7: Finalisierung und Export

Wenn das Fließbild fertiggestellt ist, speichere es in einem gängigen Format (z.B. PDF oder DWG, je nach den Anforderungen der Zielgruppe). Überprüfe, ob das Format in der geplanten Anwendung unterstützt wird.

Anwendungen und Praxisbeispiele für Verfahrensfließbilder in der Verfahrenstechnik

Chemische Verfahrenstechnik

In der chemischen Verfahrenstechnik werden Verfahrensfließbilder genutzt, um komplexe chemische Produktionsprozesse zu visualisieren und zu planen. Hier dienen sie dazu, die verschiedenen Verfahrensschritte zur Umwandlung von Rohstoffen in Endprodukte zu strukturieren. Anwendungen reichen von der Herstellung von Basischemikalien wie Ammoniak oder Schwefelsäure bis hin zu komplexen Syntheseverfahren in der Pharmaindustrie. Beispielsweise helfen Verfahrensfließbilder dabei, Reaktoren, Wärmeübertrager, Destillationskolonnen und andere Apparate anzuordnen und die Stoff- und Energieflüsse zu erfassen. Dies ermöglicht eine effiziente Kontrolle und Optimierung von Produktionsprozessen.

Praxisbeispiel: In der Herstellung von Ammoniak wird Stickstoff aus der Luft und Wasserstoff aus Erdgas zu Ammoniak umgesetzt. Ein Verfahrensfließbild zeigt die Schritte von der Gasaufbereitung über die Kompression bis hin zur Reaktion und Abkühlung des Endprodukts, um den Prozessablauf zu steuern und Engpässe zu identifizieren.

Mechanische Verfahrenstechnik

Die mechanische Verfahrenstechnik konzentriert sich auf physikalische Trenn- und Mischprozesse, bei denen Stoffe ohne chemische Umwandlung verarbeitet werden. Verfahrensfließbilder kommen hier beispielsweise bei der Planung von Mühlen, Filtern, Zyklonen, Zentrifugen und anderen mechanischen Apparaten zum Einsatz. Ziel ist es, Partikelgrößen anzupassen, Stoffe zu trennen oder zu mischen. Diese Technik findet Anwendung in der Lebensmittel-, Pharma- und Bauindustrie, wo es oft darauf ankommt, Stoffeigenschaften wie Reinheit oder Partikelgröße exakt zu kontrollieren.

Praxisbeispiel: In einer Getreidemühle veranschaulicht das Verfahrensfließbild den Weg des Getreides durch die verschiedenen Mühlenstufen, Siebe und Filter, die zur Trennung und Anpassung der Partikelgröße eingesetzt werden. Solche Darstellungen ermöglichen die Überwachung des gesamten Mahlprozesses, was die Qualität und Effizienz verbessert.

Wasser- und Abwassertechnik

In der Wasser- und Abwassertechnik dienen Verfahrensfließbilder zur Darstellung von Klärprozessen, bei denen Abwasser gereinigt und Trinkwasser aufbereitet wird. Sie zeigen die Abfolge der mechanischen, biologischen und chemischen Reinigungsschritte, die erforderlich sind, um Schadstoffe zu entfernen und Wasserqualitätsstandards einzuhalten. Solche Fließbilder umfassen in der Regel Sedimentationsbecken, biologische Klärbecken, Belüftungsstufen und Desinfektionsanlagen.

Praxisbeispiel: Eine kommunale Kläranlage nutzt Verfahrensfließbilder, um den Ablauf von der Grobrechenentfernung über die Schlammbehandlung bis zur letzten Reinigungsstufe im Sandfilter abzubilden. Dadurch ist eine präzise Steuerung und Anpassung der Prozesse möglich, um die gesetzlich vorgeschriebene Wasserqualität zu gewährleisten.

Versorgungstechnik und Entsorgungstechnik

Die Versorgungstechnik sorgt für die Bereitstellung von Ressourcen wie Wasser, Gas, Elektrizität und Wärme, während die Entsorgungstechnik die umweltgerechte und wirtschaftliche Beseitigung von Abfällen organisiert. Verfahrensfließbilder helfen hier, Systeme zur Verteilung und Rückgewinnung darzustellen, um Versorgungs- und Entsorgungsprozesse optimal zu steuern. Im Bereich der Abfallentsorgung zeigen sie etwa den Weg des Mülls von der Sammlung über die Sortierung bis zur Verwertung oder Endlagerung.

Praxisbeispiel: Bei der thermischen Abfallbehandlung veranschaulichen Verfahrensfließbilder den Prozess vom Einfüllen des Abfalls über die Verbrennung bis hin zur Abgasreinigung. Dadurch wird sichtbar, wie Wärme zur Energiegewinnung zurückgewonnen und Schadstoffe aus dem Rauchgas gefiltert werden, was eine umweltschonende Energieerzeugung sicherstellt.

Häufig gestellte Fragen zu Verfahrensfließbildern

Welche Standards und Normen gelten für Verfahrensfließbilder?

Für Verfahrensfließbilder gibt es zahlreiche Normen und Standards, die weltweit eine einheitliche und verständliche Darstellung gewährleisten sollen. Besonders relevant ist die Norm DIN EN ISO 10628, die spezifische Anforderungen an die Struktur und Inhalte von Verfahrensfließbildern vorgibt, einschließlich der erforderlichen Symbole und Kennzeichnungen. Diese Norm sorgt dafür, dass Verfahrensfließbilder, unabhängig vom Land oder von der Branche, von Fachleuten leicht interpretiert werden können.

Eine weitere wichtige Norm ist die DIN 28004, die Richtlinien für den Aufbau von Verfahrensfließbildern in der Chemie- und Verfahrenstechnik gibt. Im Bereich der Anlagenplanung wird zudem häufig auf die Normen VDI 3699 und VDI 3703 zurückgegriffen, die sich auf die Rohrleitungs- und Instrumentierungsdiagramme (P&ID) konzentrieren, aber auch für Verfahrensfließbilder relevante Aspekte enthalten.

Einige internationale Standards wie ANSI/ISA-5.1 (Instrumentierungssymbole und -kennzeichnungen) und ISO 14084 (für Prozessabbildungen und Prozessfließbilder) spielen ebenfalls eine Rolle. Durch die Einhaltung dieser Standards wird eine klare und universelle Verständlichkeit der Verfahrensfließbilder gesichert, die sowohl die Planung als auch die Wartung von Anlagen effizienter macht.

Was ist bei der Dokumentation von Verfahrensfließbildern zu beachten?

Die Dokumentation von Verfahrensfließbildern ist entscheidend, da sie die vollständige Funktionalität und Struktur einer Anlage festhält und allen Beteiligten eine genaue Orientierung bietet. Es ist wichtig, dass die Dokumentation nicht nur die aktuelle Auslegung und Funktionsweise des Systems beschreibt, sondern auch Änderungen und Aktualisierungen im Laufe der Zeit aufzeigt. Hierzu sollten alle Modifikationen und Ergänzungen präzise dokumentiert werden, um eine lückenlose Rückverfolgbarkeit zu gewährleisten.

Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Verständlichkeit der Dokumentation. Verwende klare, unmissverständliche Bezeichnungen und Symbole, die in den geltenden Normen definiert sind. Zudem sollten die Dokumente stets aktuell und für alle beteiligten Abteilungen zugänglich sein. Auch die Integration in ein Dokumenten-Management-System (DMS) kann hilfreich sein, um die Dokumentation zentral und übersichtlich zu speichern, sodass Änderungen und neue Versionen immer nachvollziehbar bleiben.

Bei der Archivierung von Verfahrensfließbildern sind Sicherheitskopien und regelmäßige Updates unerlässlich. Vor allem in sicherheitsrelevanten Bereichen, wie der chemischen Industrie, sollte die Dokumentation umfassend und vollständig sein, um Betriebsstörungen oder Risiken durch veraltete Informationen zu vermeiden.

Welche Zukunftsaussichten gibt es für Verfahrensfließbilder?

Die Zukunft der Verfahrensfließbilder wird maßgeblich von der Digitalisierung und neuen Technologien geprägt. Digitale Fließbilder, die direkt mit Prozessleitsystemen verbunden sind, ermöglichen eine dynamische Visualisierung von Betriebsprozessen in Echtzeit. Diese dynamischen Verfahrensfließbilder bieten eine Echtzeit-Überwachung und erleichtern es, den aktuellen Status der Anlage sofort zu erfassen und eventuelle Störungen frühzeitig zu erkennen.

Ein weiterer Trend ist der Einsatz von 3D-Visualisierungen und virtuellen Simulationen. Mit diesen Technologien wird es möglich, komplexe Anlagen schon in der Planungsphase besser zu verstehen und in Betriebssimulationen mögliche Schwachstellen frühzeitig zu identifizieren.

Zukunftsweisend ist auch die Integration von künstlicher Intelligenz und Machine Learning. Diese Technologien können Verfahrensfließbilder in der Fehlererkennung und Analyse unterstützen. Algorithmen könnten beispielsweise frühzeitig auf potenzielle Probleme oder Optimierungsmöglichkeiten hinweisen und so die Effizienz und Sicherheit der Anlagen verbessern.

Verfahrensfließbilder entwickeln sich somit immer mehr zu dynamischen, intelligenten Werkzeugen, die nicht nur die Planung und Dokumentation von Prozessen unterstützen, sondern auch proaktiv zur Prozessoptimierung beitragen.