Stickstoffgeneratoren für die Chemieindustrie
NITROBERG®-Stickstoffgeneratoren versorgen Chemieanlagen mit Inertgas aus der eigenen Druckluft, von der Tanküberlagerung bis zum Spülen ganzer Leitungsstrecken, einstellbar zwischen 97 % und 99,999 % Reinheit. Ob sich die Eigenerzeugung gegenüber dem Bezug per Tank und Flasche lohnt, hängt an Menge, Lastverlauf und Reinheitsstufe. Dieselben drei Größen führen von der Verbraucherliste zur Baugröße.
Was ein Stickstoffgenerator in einer Chemieanlage versorgt
In einer Chemieanlage hält Stickstoff den Sauerstoff aus allem heraus, was mit ihm reagieren würde. Vier Aufgaben tragen den Verbrauch. Er liegt als Stickstoffüberlagerung über Lösemitteln und Produkten in Tanks und Silos, und er inertisiert Reaktoren bei sauerstoffempfindlicher Chemie. Dazu spült er Behälter und Leitungen nach der Reinigung, und er fährt Anlagenteile vor Instandhaltung und Befahren frei.
Was die Versorgungsfrage in der Chemie bestimmt, ist die Menge und die Dauer, nicht die Spitzenreinheit. Überlagern und Spülen laufen im Dauerbetrieb und machen den größten Teil des Verbrauchs, während die hohe Reinheit meist an einem einzelnen Prozess hängt. Deshalb entscheidet die Menge über die Anlage und der einzelne Prozess über die Reinheit.
Erzeugt wird das Gas aus Druckluft, und weil die Trennung am Kohlenstoffmolekularsieb stattfindet, schlägt jede Reinheitsstufe unmittelbar in Druckluftbedarf um. Das ist der Hebel, um den es im nächsten Abschnitt geht. Wie das Verfahren im Einzelnen abläuft, steht auf der Seite zum PSA-Stickstoffgenerator, und warum das Kohlenstoffmolekularsieb die erreichbare Reinheit nach oben begrenzt, erklärt der zugehörige Beitrag.
Welcher Prozess welche Reinheit braucht, und welcher die Menge treibt
Auf einem gewachsenen Chemiestandort steht die Reinheitsangabe oft seit Jahren in der Anlagendokumentation, festgelegt für den einen Prozess, der sie damals gebraucht hat. Seitdem versorgt sie alles mit. Die Werte in der folgenden Tabelle sind übliche Praxiswerte und taugen als Ausgangspunkt, um die eigene Angabe dagegen zu halten. Verbindlich sind am Ende Ihre Stoffdaten und Ihre Gefährdungsbeurteilung.
| Prozess | Übliche Reinheit | Was der Stickstoff dort tut | Treiber |
|---|---|---|---|
| Überlagern von Lager- und Prozesstanks und Silos | 99,9 % | Hält den Kopfraum unterhalb des zündfähigen Bereichs und schützt das Produkt vor Oxidation | Menge |
| Inertisieren von Reaktoren | 99,9 bis 99,99 % | Hält eine inerte Atmosphäre über sauerstoffempfindlicher Chemie | Reinheit |
| Spülen von Behältern und Leitungen | 99,9 % | Entfernt Restluft und Feuchte nach der Reinigung und vor dem Wiederanfahren | Menge |
| Freifahren vor Instandhaltung und Befahren | 99,9 % | Verdrängt zündfähige Reste, bevor geöffnet oder befahren wird | Menge |
| Lösungsmittelrückgewinnung | 99,9 % | Trägt als inertes Gas durch Kondensation und Rückgewinnung | Menge |
| Katalysatorhandling | 99,9 bis 99,99 % | Schützt vor Deaktivierung und vor Selbstentzündung beim Umfüllen | Reinheit |
| Polymerproduktion | 99,9 bis 99,99 % | Inertisiert Reaktion, Entgasung und Granulatlager | Reinheit |
| Pneumatischer Transport von Pulvern und Schüttgütern | 99,9 % | Fördert, ohne dass eine zündfähige Atmosphäre entsteht | Menge |
Entscheidend ist die letzte Spalte. In fünf von acht Zeilen steht dort Menge, und genau das unterscheidet die Chemie von der Pharmaproduktion. Die Prozesse, die dauernd laufen, bestimmen die Größe der Anlage. Die Reinheit kommt aus drei Prozessen, und die lassen sich getrennt versorgen.
Wie die Reinheitsstufe den Kompressor bestimmt
Reinheit ist nicht kostenlos. Jeder Kubikmeter Stickstoff kostet eine feste Menge Druckluft, und dieses Verhältnis, der Luftfaktor, steigt oberhalb von 99,9 % steil an. Er hängt allein von der eingestellten Reinheit ab, nicht von der Baugröße.
| Reinheit | 97 % | 98 % | 99 % | 99,5 % | 99,9 % | 99,99 % | 99,995 % | 99,999 % |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Güte | – | – | 2.0 | 2.5 | 3.0 | 4.0 | 4.5 | 5.0 |
| Restsauerstoff | – | – | 10.000 ppm | 5.000 ppm | 1.000 ppm | 100 ppm | 50 ppm | 10 ppm |
| Luftfaktor | 2,3 | 2,3 | 2,6 | 2,9 | 3,4 | 4,6 | 5,2 | 6,4 |
Für 97 % und 98 % weist das Datenblatt keine Güte und keinen Restsauerstoffwert aus.
Ein Chemiestandort mit 150 Nm³/h Dauerbedarf für Überlagern und Spülen braucht bei 99,9 % rund 510 Nm³/h Druckluft. Wird dieselbe Menge auf 99,999 % gesetzt, verlangt sie rund 960 Nm³/h, also fast den doppelten Kompressor und fast die doppelte elektrische Leistung. Dazu fällt der Generator mehrere Baugrößen höher aus, weil dieselbe Maschine bei hoher Reinheit deutlich weniger liefert.
Das ist eine Modellrechnung mit den Luftfaktoren aus dem Datenblatt und kein Projektwert, die Größenordnung gilt aber für jeden Standort. Deshalb lohnt es, einen einzelnen Prozess mit hoher Anforderung getrennt zu versorgen, statt den ganzen Standort anzuheben.
Vom Lastprofil zur Baugröße des Stickstoffgenerators
Die Baugröße fällt nicht aus der Jahresmenge, sondern aus dem Lastverlauf. Überlagern zieht dauerhaft dieselbe kleine Menge, ein Spülzyklus für wenige Minuten ein Mehrfaches davon, eine Verpackungslinie konstant wenig. In dieser Reihenfolge kommen Sie von Ihren Verbrauchern zur Maschine.
Jeden Verbraucher einzeln aufnehmen
Nehmen Sie Tanklager, Reaktoren, Spülstationen, Förderleitungen und Verpackung getrennt auf, je mit Menge, Dauer und Zeitverlauf. Ein Spülzyklus ist eine Spitze und keine Dauerlast. Wer alle Spitzen addiert, landet bei einer Baugröße, die der Normalbetrieb nie ausnutzt.
Reinheit je Prozess festlegen
Prüfen Sie die höchste Anforderung Ihrer Liste gegen die Tabelle weiter oben und rechnen Sie mit dem Luftfaktor nach, was sie kostet, wenn sie für den ganzen Standort gilt. Oft ist eine zweite, kleine Versorgung für diesen einen Prozess günstiger.
Spülspitzen über den Puffer, nicht über die Baugröße
Eine Spitze von Minuten fängt der Stickstoffbehälter ab und nicht die nächstgrößere Maschine. Über die Baureihe reichen die Stickstoffbehälter von 90 l bis 6.000 l, die Druckluftbehälter von 90 l bis 10.000 l. Nutzbar ist davon die Menge, die zwischen Speicherdruck und Prozessdruck liegt.
Druckluft prüfen, Menge und Qualität
Bedarf mal Luftfaktor ergibt die nötige Druckluftmenge, und sie muss gegen die freie Kapazität Ihrer Station gerechnet werden, bevor eine Baugröße feststeht. Rechnen Sie dabei mit dem ungünstigen Fall: Eine zusätzliche Dauerabnahme in der Größenordnung der Modellrechnung oben übersteigt die Reserve einer gewachsenen Station regelmäßig, und dann ist die Erweiterung der Druckluftseite Teil der Investition und keine Nebenposition. Für eine erste Einschätzung genügen die Liefermenge vom Typenschild Ihrer Verdichter und die tatsächliche Auslastung aus der Steuerung. In der Chemie kommt eine Frage dazu, die andere Branchen nicht haben: Wo saugt der Kompressor an? Lösemitteldämpfe in der Ansaugluft belasten die Aufbereitung zusätzlich, Ölreste und Restfeuchte verkürzen die Lebensdauer des Kohlenstoffmolekularsiebs. Dazu kommen Aufstellfläche, Zuluft und Abwärme im Kompressorraum.
Sie bekommen Baugröße, Druckluftbedarf und Puffervolumen zurück.
Eine Zeile je Verbraucher mit Menge, Dauer und Reinheit genügt. Unsere Anwendungstechniker rechnen die Auslegung durch und melden sich mit einem Vorschlag.
Explosionsschutz und die Pflichten des Betreibers
Der Explosionsschutz ist in der Chemie eine Pflicht des Betreibers, und die Inertisierung ist das technische Mittel, mit dem er sie erfüllt. Wie viel Stickstoff ein Standort braucht, entscheidet sich deshalb zum Teil hier.
Die Sauerstoffgrenzkonzentration entscheidet, nicht das Datenblatt
Unterhalb einer stoffspezifischen Sauerstoffkonzentration ist ein Gemisch nicht mehr zündfähig, und die Betriebspraxis fährt mit Sicherheitsabstand darunter. Dieser Wert unterscheidet sich zwischen Lösemitteln, Gasen und Stäuben erheblich, eine Universalzahl gibt es nicht. Er kommt aus den Sicherheitsdaten des Stoffs und aus Ihrer Gefährdungsbeurteilung.
In Deutschland gibt § 12 der Gefahrstoffverordnung die Rangfolge der Schutzmaßnahmen vor: zuerst gefährliche Mengen oder Konzentrationen von Gefahrstoffen vermeiden, dann Zündquellen und auslösende Bedingungen, und erst danach die schädlichen Auswirkungen verringern. Die Inertisierung setzt die erste Stufe dieser Rangfolge technisch um. Der Paragraf nennt sie nicht wörtlich, die Zuordnung ergibt sich aus der Rangfolge.
Sauerstoffüberwachung, weil Stickstoff Sauerstoff verdrängt
Stickstoff ist nicht brennbar und nicht giftig, und gerade deshalb wird seine eigentliche Gefahr unterschätzt. Er verdrängt Sauerstoff. In Aufstellräumen und erst recht in befahrbaren Behältern braucht es deshalb eine Sauerstoffüberwachung, und das Befahren folgt den Regeln für Arbeiten in engen Räumen. Die anerkannte Branchenreferenz dazu ist EIGA Doc 44, „Hazards of inert gases and oxygen depletion“.
Die Pflichten bleiben beim Betreiber. Der Generator liefert das Inertgas, mit dem sie erfüllt werden, und die Auslegung legt fest, welche Menge und welche Reinheit am Entnahmepunkt ankommen.
Daraus folgt eine Frage, die vor der Baugröße steht und nicht nach ihr. Wo die Inertisierung eine Schutzmaßnahme trägt, ist die Verfügbarkeit der Stickstoffquelle Teil derselben Gefährdungsbeurteilung wie die Maßnahme selbst. Der Pufferbehälter überbrückt dabei Minuten, nicht Stunden. Welche Rückfallebene darüber hinaus nötig ist und ob der Prozess sie überhaupt braucht, entscheidet sich an Ihren Stoffen und an Ihrer Fahrweise, und diese Entscheidung gehört in die Anlagenplanung, bevor eine Maschine ausgewählt wird.
Eigenerzeugung oder Tanklieferung für Chemiebetriebe
Der klassische Bezugsweg ist Flüssigstickstoff aus der Tankanlieferung oder das Flaschenbündel. Beides hängt an einem Liefervertrag, an jährlichen Preisanpassungen und an Terminen. Bei kleinem, stark schwankendem Bedarf und bei seltenen Spitzen bleibt die Lieferung die richtige Antwort. Bei hoher Dauerlast, wie sie in der Chemie der Normalfall ist, kippt die Rechnung zur Eigenerzeugung, und wo genau, zeigt die Auslegung über Jahresmenge und Lastverlauf. Getauscht wird dabei ein Preisrisiko gegen ein anderes: Statt der jährlichen Anpassung Ihres Gaslieferanten tragen Sie den Strompreis. Strom beschaffen Sie allerdings ohnehin, Sie kennen Ihre Konditionen, und Sie sind dabei nicht an einen einzelnen Lieferanten mit Abnahmeverpflichtung gebunden.
Aus der Gasrechnung wird eine kalkulierbare Position
Aus der laufenden Gasrechnung werden eine Investition und ein Stromverbrauch, der sich kalkulieren lässt. Bei hoher, gleichmäßiger Last liegt die Amortisation gegenüber der Flüssiggasversorgung typischerweise bei zwei bis drei Jahren. Verglichen wird dabei die Eigenerzeugung mit dem laufenden Flüssiggasbezug; eine Erweiterung Ihrer Druckluftstation steckt in dieser Spanne nicht drin und gehört in Ihre eigene Rechnung. Ein Tank verliert zusätzlich Produkt durch Abdampfen, auch wenn Sie nicht entnehmen.
Verschleißteile zum Instandhaltungstermin
Filter und Standardkomponenten kaufen Sie am freien Markt, wo Sie wollen. Das entscheidet sich seltener am Preis als am Termin: Teile, die jeder Händler führt, bekommen Sie in Ihr Instandhaltungsfenster, statt auf eine Lieferung des Herstellers zu warten.
Menge ohne Liefervertrag
Die verfügbare Menge hängt am Kompressor und am eigenen Bedarf, nicht an einem Abnahmevertrag und nicht an einem Liefertermin. Ändert sich Ihr Lastprofil, ändern Sie die Fahrweise, statt nachträglich Konditionen zu verhandeln.
Direkter Zugang zur Technik
Auslegungsfragen gehen an die Technik und nicht an ein Callcenter, erreichbar unter +49 2151 568 9550. Lieferung, Inbetriebnahme, Einweisung und Service kommen aus einer Hand innerhalb der BERG Group, die Garantie läuft drei Jahre und mit Servicevertrag bis zu fünf.
Welcher Stickstoffgenerator zu welchem Volumenstrom passt
500 und 4000 sind Typenbezeichnungen und keine Leistungsangaben. Zwischen diesen beiden Enden liegen 18 Baugrößen, bei 99,9 % Reinheit decken sie 4,1 bis 654,9 Nm³/h ab, und die Abstände dazwischen sind entsprechend klein. Die nutzbare Leistung hängt an der eingestellten Reinheit, deshalb steht unten die Spannweite je Reinheit und nicht eine einzelne Zahl.
| Kennwert | Baugröße 500 | Baugröße 4000 |
|---|---|---|
| Stickstoff bei 97 % | 10,7 Nm³/h | 1.709,1 Nm³/h |
| Stickstoff bei 99,9 % | 4,1 Nm³/h | 654,9 Nm³/h |
| Stickstoff bei 99,999 % | 1,2 Nm³/h | 191,7 Nm³/h |
| Druckluftbedarf bei 99,9 % | 13,9 Nm³/h | 2.226,6 Nm³/h |
| Stickstoffbehälter | 90 l | 6.000 l |
| Druckluftbehälter | 90 l | 10.000 l |
Der Arbeitspunkt der meisten Chemiestandorte liegt bei 99,9 %. Die hohen Reinheiten kosten nutzbare Leistung, Druckluft und damit Baugröße: Bei 99,999 % liefert dieselbe Maschine rund ein Neuntel der Menge, die bei 97 % möglich ist. Das vollständige System mit Kompressor, Aufbereitung und Speicher finden Sie auf der Seite zur Stickstofferzeugungsanlage, die Produktübersicht zeigt die Baureihe im Zusammenhang.
Häufige Fragen aus der Chemieindustrie
Inertisieren heißt, den Sauerstoff in einem Behälter, einem Reaktor oder einer Leitung so weit zu verdrängen, dass ein Gemisch nicht mehr zündfähig ist. Dazu wird Stickstoff eingespeist, bis der Restsauerstoff unter der stoffspezifischen Grenzkonzentration liegt, und anschließend wird dieser Zustand gehalten. Liegt das Gas dauerhaft über dem Produkt, spricht man von Stickstoffüberlagerung, bei Lager- und Prozesstanks auch von Tankinertisierung.
Nein. Stickstoff brennt nicht, er nimmt einer Atmosphäre im Gegenteil die Zündfähigkeit, und genau darauf beruht die Inertisierung. Die Gefahr liegt woanders: Stickstoff verdrängt Sauerstoff, und in einem Aufstellraum oder in einem Behälter kann die Atmosphäre dadurch unbemerkt sauerstoffarm werden. Was daraus für den Betrieb folgt, steht weiter oben im Abschnitt zum Explosionsschutz.
Der Preis hängt an zwei Größen: an der Menge, die der Standort dauerhaft braucht, und an der Reinheit, die der anspruchsvollste Prozess verlangt. Beides geht in die Baugröße ein, die Reinheit zusätzlich in den Druckluftbedarf und damit in den Stromverbrauch. Belastbar ist deshalb erst eine Auslegung und keine Listenzahl. Gegenüber der Flüssiggasversorgung liegt die Amortisation typischerweise bei zwei bis drei Jahren, und je gleichmäßiger und höher die Last ist, desto schneller trägt die Rechnung.
Ja, und in vielen Fällen ist das die günstigere Lösung. Zwei Wege führen dahin: Die Hauptmenge läuft auf 99,9 %, und der anspruchsvolle Prozess bekommt eine eigene, kleinere Versorgung. Oder er wird aus einem separaten Strang mit höherer Reinheit gefahren. Welcher Weg billiger ist, entscheidet der Mengenanteil dieses einen Prozesses. Liegt er klein, lohnt die Trennung fast immer, weil der Luftfaktor für die gesamte Menge sonst auf dem höheren Wert steht.
Über den Pufferbehälter. Der Generator produziert gleichmäßig, die Spitze dauert Minuten, und die Differenz nimmt der Stickstoffbehälter auf, der zwischen den Spitzen wieder gefüllt wird. Ein Puffer deckt damit Minuten ab, nicht Stunden. Nutzbar ist nicht das ganze Behältervolumen, sondern nur die Menge, die zwischen Speicherdruck und Prozessdruck liegt. Deshalb gehören Behältergröße und Speicherdruck zusammen entschieden.
Ja, Druckluft ist die Voraussetzung. In der Chemie steht die Station allerdings fast immer schon, deshalb lautet die Frage meist nicht, ob ein Kompressor da ist, sondern ob seine freie Kapazität reicht. Rechnen Sie Ihren Stickstoffbedarf mal dem Luftfaktor, der zwischen 2,3 bei 97 % und 6,4 bei 99,999 % liegt, und halten Sie das Ergebnis gegen die Reserve Ihrer Station. Wo keine Station vorhanden ist, gibt es für die Baugrößen 500 bis 900 die Komplettanlage als Skid, die Drucklufterzeugung und Aufbereitung mitbringt.
Für die Chemie PSA. Die Grenze liegt bei etwa 99,9 %: Darüber ist PSA das Verfahren der Wahl, und das ist in der Chemie der Normalfall. Die Membrantrennung ist kompakter und schneller betriebsbereit, erreicht typischerweise aber niedrigere Reinheiten. Im Bereich darunter lohnt der Vergleich, weil die Membran dort mit weniger Druckluft auskommen kann.
Kurze Unterbrechungen überbrückt der Stickstoffbehälter, und wie lange er trägt, hängt von seinem Volumen und Ihrem Verbrauch ab. Das sind Minuten und keine Stunden. Darüber hinaus gehört ein Reservekonzept in die Planung, und welches das ist, entscheidet der Prozess: Eine Charge, die nicht unterbrochen werden darf, stellt andere Anforderungen als eine Überlagerung, die eine Pause verträgt. Trägt die Inertisierung an dieser Stelle eine Schutzmaßnahme, ist die Rückfallebene keine Komfortfrage, sondern gehört in Ihre Gefährdungsbeurteilung. Puffer und Reserve werden deshalb zusammen mit der Anlagenplanung festgelegt und nicht nachträglich. Service und Ersatzteile kommen aus einer Hand innerhalb der BERG Group.