Auswahlkriterien für Stickstoff-Schutzgasabdeckungen

In Industrien, in denen die Herstellung, Verarbeitung und Lagerung von brennbaren, entzündbaren oder explosiven Stoffen im Mittelpunkt steht, hat Sicherheit oberste Priorität. Schutzgase schirmen diese Produkte gegen einen Kontakt mit dem Luftsauerstoff ab und eliminieren damit eines der drei Elemente des Zünddreiecks, das aus Zündquelle, Brennstoff und Sauerstoff besteht.

Um die Inertisierung eines  Lagertanks zu erreichen gibt es prinzipiell folgende drei Möglichkeiten:

• Reduzierung des Sauerstoffgehalts im Dampfraum auf einen kleineren Wert als die Konzentration, die für eine Verbrennung notwendig ist (als Sauerstoffgrenzkonzentration (SGK)) bezeichnet;
• Reduzierung der Brennstoffkonzentration im Dampfraum auf einen kleineren Wert als die Mindestkonzentration, die für eine Verbrennung notwendig ist (untere Explosionsgrenze (UEG) oder Entzündbarkeitsgrenze);
• Erhöhung der Brennstoffkonzentration im Dampfraum auf einen höheren Wert als die Höchstkonzentration, die für eine Verbrennung notwendig ist (obere Explosionsgrenze (OEG) oder obere Entzündbarkeitsgrenze, Bild 3).

Welches Inertisierungssystem ist das richtige?

Bei der Neuinstallation eines Stickstoffabdecksystems oder der Nachrüstung eines vorhandenen Systems müssen folgende Gesichtspunkte berücksichtigt werden: Die Art des zu inertisierenden Behältnisses, die erforderlichen Regeleinrichtungen (druckbasiert oder Sauerstoffkonzentration) und das zu verwendende Inertgas – zumeist Stickstoff, obwohl auch Argon oder Kohlendioxid zum Einsatz kommen können.  Bei der Entwicklung eines neuen oder optimierten Konzepts für eine Abdeckung ist zunächst der Behältertyp zu berücksichtigen. Er legt fest, ob eine Abdeckung benötigt wird, und falls dies der Fall sein sollte, ob eine Druck- oder eine Konzentrationsregelung vorzuziehen ist. Der häufigste Tanktyp ist der Festdachtank (Bild 4). Bei Lagerung von entzündbaren oder empfindlichen Stoffen in diesen Tanks wird nachdrücklich eine Stickstoffabdeckung empfohlen. Ein weniger verbreiteter Tanktyp ist der Schwimmdachtank. Diese Tanks werden normalerweise nicht abgedeckt, da hier kein Dampfraum mit entzündbaren Dämpfen entsteht. Der seltenste Tanktyp ist der Festdachtank mit Schwimmdecke, auch bekannt als Festdachtank mit innerer Schwimmdecke. Der Dampfraum oberhalb der inneren Decke dieser Tanks wird gelegentlich abgedeckt.

Neben Lagertanks und ähnlichen Anlagenbehältern kann bei einigen geschlossenen Räumen, die nicht mit Druck beaufschlagt sind – beispielsweise pneumatische Förderanlagen, Vorratsbehälter für Pulver oder Stäube oder Behälter mit kontrollierter Atmosphäre – eine Gaseindüsung erforderlich sein. Die Stickstoffabdeckung ist auf jeden Fall in Räumen einzusetzen, die mangels ausreichender Abdichtung keinen geringfügig positiven Druck aufrechterhalten können.

Drei Verfahren ein Ziel: die Stickstoffregelung

Für die Stickstoffregelung werden üblicherweise folgende drei Verfahren verwendet:

• Kontinuierliche Spülung: Systeme mit kontinuierlicher Spülung nutzen eine konstante Stickstoffzufuhr, die einfach umzusetzen ist, jedoch zu einem hohen Stickstoffverbrauch führt. Zudem kann der Stickstoff die Dämpfe im Dampfraum auswaschen und die Abluftreinigungssysteme einer Anlage zusätzlich belasten. Auch kann bei einer zu schnellen Entleerung des Tanks und einem zu schnellen Absinken des Flüssigkeitspegels Luft in den Dampfraum eindringen. Trotz dieser Nachteile wird dieses Verfahren weiterhin verwendet, da es schnell und einfach zu realisieren ist. Durch einen Ersatz dieser Methode mit druck- oder konzentrationsgeregelten Verfahren lassen sich Einsparungen erzielen.
• Druckregelung: Druckregelungssysteme kommen bei geschlossenen Tanks zum Einsatz, die mit Druck beaufschlagt werden können. Ein Ventil misst den Druck im Dampfraum des Tanks und speist Stickstoff in der benötigten Menge ein. Dies sorgt für eine sichere Gaszusammensetzung im Luftraum.
• Konzentrationsregelung: Konzentrationsregelsysteme mit sehr hoher Effizienz eignen sich für offene Tanks, die den Druck nicht halten können (Bild 5). Hier ist der Stickstoffverbrauch wegen der bedarfsabhängigen Stickstoffzufuhr optimiert. Ein Sauerstoffanalysesystem misst die tatsächliche Konzentration des Sauerstoffs im Dampfraum und regelt die Stickstoffzufuhr zum Tank. Ein wesentlicher Bestandteil des Analysesystems ist die Probenkonditionierungseinheit. Der Einsatz von integrierten Sauerstoffsensoren wird durch die Bedingungen bei den meisten dieser Prozesse ausgeschlossen. Mit einem entsprechend ausgelegten Probenkonditionierungssystem kann der Analysator zuverlässige Messungen bei unterschiedlichsten Prozessbedingungen, einschließlich Extremwerten bei Druck, Unterdruck und Temperatur, vornehmen, spezifische Bedingungen durch grobe Partikel oder hohe Feuchte mit eingeschlossen.

Durch die kontinuierliche Konzentrationsüberwachung und Druckregelung kann die Stickstoffnutzung optimiert werden. Dadurch lässt sich Stickstoff einsparen, wodurch sich die Überwachungs- und Regeleinrichtungen schnell amortisieren.

Art der Stickstoffversorgung hängt von Bedarf und Stromkosten ab

Für die Versorgung mit Stickstoff kommen verschiedene Optionen in Frage: vom Flüssigstickstofftank über Dewar-Behälter, Tubes, Flaschenbündel oder Einzelflaschen. Eine weitere Möglichkeit ist die Vor-Ort-Erzeugung von Stickstoff über eine Kryogen-, Druckwechsel-, Adsorptions- (PSA) oder Membrananlage. Welche Versorgungsart gewählt wird, hängt von den spezifischen Anforderungen an Reinheit, Nutzungsmuster, Volumen, Transportfähigkeit, Platzbedarf und örtlichen Stromkosten ab.

Per PSA-Anlage oder Membrangenerator kann Stickstoff in verschiedenen Reinheiten hergestellt werden. Dabei gilt: je geringer die Reinheit, desto niedriger die Anlagenkosten. Die Kosten für den Stickstoff werden reduziert, wenn eine Reinheit von 94 bis 97,5 % akzeptabel ist. Das Nutzungsmuster ist ein weiterer wichtiger Parameter zur Bestimmung des Gasversorgungssystems. Es gibt drei grundlegende Nutzungsmuster: eine konstante, erratische oder periodische Zufuhr. Bei einer konstanten Basislinie ist die Gaszufuhr konstant – beispielsweise bei der Begasung einer großen Tankfarm. Hier ist eine Vor-Ort-Erzeugung die geeignete Versorgungsform. Bei einem erratischen Muster lässt sich der Gasbedarf schwer einschätzen. Häufig liegt das an Abfüll- oder Spülprozessen. Für diese Fälle eignet sich die  Versorgung über einen Flüssigstickstofftank, um den variablen Anforderungen an die Gaszufuhr zu entsprechen. Bei dem periodischen Nutzungsmuster ist der Stickstoffverbrauch vorhersagbar, aber nicht konstant. Die optimale Lösung wäre hier eine Vor-Ort-Erzeugungsanlage mit Flüssigstickstoff-Back-up. In vielen Anlagen kommen kombinierte Nutzungsmuster vor. Das Nutzungsmuster einer Anlage kann durch Messung des Stickstoffdurchsatzes über einen bestimmten Zeitraum, in der Regel eine Woche, ermittelt werden.

Fazit: Durch die Stickstoffabdeckung steigen Produktqualität und Prozesssicherheit. Die Auswahl der geeigneten Stickstoffversorgung und des Stickstoffregelsystems hängen vom Design der Anlage und der jeweiligen Anwendung ab. Die Stickstoffeindüsung ist ein weit verbreitetes, einfaches und effizientes Verfahren, mit dem Betriebskosten eingespart werden können. Auf Basis eines Gutachtens lassen sich die Zielgrößen Sicherheit, Qualität und minimale Investitions- und Betriebskosten optimieren.

_{Autoren: Paul Yanisko, Commercial Technology, Air Products
Dr.}