Stickstoff ist ein wichtiges Produkt in der chemischen Prozessindustrie. Aufgrund seiner Eigenschaft als inertes Gas eignet er sich für ein breites Anwendungsfeld in der industriellen Fertigung und Verarbeitung, im Handling und Transport. Stickstoff wird u. a. als Schutz- oder Spülgas eingesetzt, um wertvolle Produkte vor Verunreinigungen zu schützen, und ermöglicht zudem die sichere Lagerung brennbarer Materialien und kann Staubexplosionen vorbeugen.

Anwender stehen heute verschiedene Stickstofftechnologien und -versorgungsformen zur Verfügung, die einer Vielzahl von Anforderungen gerecht werden – darunter Reinheit, Verbrauchsmuster und Platzbedarf. Die strategische Auswahl der optimalen Versorgungsform bedarf deswegen einer genauen Betrachtung der jeweiligen Anforderungen. Hierbei ist – neben der Belieferung via Tankwagen – die Vor-Ort-Erzeugung von Stickstoff eine bewährte und kostengünstige Option. Die zum Einsatz kommenden Generatoren verwenden verschiedenen Verfahren, um Stickstoff aus der Luft zu separieren.

Systeme im Überblick
Kryogene Stickstofferzeugung: Bei kryogenen Luftzerlegungssystemen wird atmosphärische Luft im Hauptluftkompressor verdichtet, gekühlt und anschließend von Feuchte, Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffen befreit. Kryogene Stickstoffanlagen können hochreines Gas mit einer Leistung von weniger als 400 Nm³/h bis über 30.000 Nm³/h erzeugen und erreichen typischerweise Standardreinheiten von 5 ppm Sauerstoff in Stickstoff.
Druckwechselabsorption (PSA-­Stickstoffsysteme, PSA= Pressure Swing Adsorption): PSA-Systeme verdichten einen Luftstrom, der durch eine Kombination von Filtern strömt, um mitgeführtes Öl und Wasser zu entfernen. Das Verfahren ermöglicht eine kontinuierliche Produktion von Stickstoff und eine große Bandbreite an Durchflüssen und Reinheiten. PSAs können wirtschaftlich Stickstoff mit Durchflussraten von weniger als 30 Nm³/h bis mehr als 1.500 Nm³/h bei Reinheiten von 95 – 99,9995 % erzeugen.
Membranstickstoffsysteme: Ein typisches Stickstoff-Membransystem verwendet mehrere Membranmodule, die jeweils Tausende von Hohlmembranfasern enthalten. Wenn Druckluft durch die Fasern strömt, werden Sauerstoff, Feuchte und Kohlendioxid selektiv entfernt, wodurch ein stickstoffreicher Produktstrom entsteht. Membransysteme erzeugen typischerweise Stickstoff mit einer Reinheit von 95 – 99,5 %.

„Eine konstante Nutzungsrate eignet sich hervorragend
für eine Vor-Ort-Erzeugung von Stickstoff.“

Auswahl des Vor-Ort-Erzeugungssystems
Bei der Vielzahl der verfügbaren Optionen kann die Auswahl und Spezifikation der besten Technologie für die Stickstoffversorgung kompliziert erscheinen. Es gilt zunächst festzustellen, ob eine Vor-Ort-Erzeugung oder eher die Belieferung mit Flüssigstickstoff für den Betrieb sinnvoll ist. Dabei ist die erforderliche Stickstoffreinheit zu berücksichtigen, um Sicherheit und Produktqualität zu gewährleisten. Als nächstes muss der tägliche Stickstoffdurchfluss bestimmt werden, um das beste System und dessen Auslegung zu bestimmen.

Erforderliche Reinheit
Die verschiedenen Anwendungen von Stickstoff in der chemischen Industrie erfordern unterschiedliche Reinheitsgrade. Die Bestimmung der optimalen Stickstoffreinheit kann eine Herausforderung sein, lohnt sich jedoch, da sich die Stickstoffkosten senken lassen, wenn eine geringere Reinheit akzeptabel ist. PSA- und Membransysteme können ein breites Spektrum an Reinheitsgraden erzeugen. Die Anlagenkosten fallen jedoch bei niedriger Gasreinheit geringer aus. Eine Reinheit von 94 – 97,5 % kann mit einem PSA- oder Membransystem erreicht werden.

Verbrauchsmuster ermitteln
Stickstoffgeneratoren arbeiten am wirtschaftlichsten bei voller Auslegungskapazität. Daher ist die Wahl der optimalen Größe bei der Auswahl entscheidend, um den wirtschaftlichen Nutzen zu maximieren. Aus diesem Grund ist es wichtig, sowohl die Auslastung oder die Betriebsstunden pro Monat als auch das Stickstoffdurchflussmuster zu verstehen. Der monatliche durchschnittliche Stickstoffbedarf ist als Maß nicht ausreichend, wenn die unmittelbaren Durchflussmengen stark variieren.
Stickstoffdurchflussmuster können typischerweise als konstant, periodisch oder unregelmäßig eingestuft werden. Eine konstante Nutzungsrate eignet sich hervorragend für eine Vor-Ort-Erzeugung von Stickstoff. Die Größe des Stickstoffgenerators kann leicht entsprechend der gemessenen oder geschätzten Nutzungsrate ausgelegt werden. Darüber hinaus wird die Anlage kontinuierlich mit oder nahe der vollen Kapazität betrieben, was eine wirtschaftliche Stickstoffproduktion gewährleistet.
Ein Gasgeneratorsystem für ein periodisches Durchflussmuster zu dimensionieren, ist hingegen nicht ganz so einfach. Die Durchflussrate kann zwischen extremen Spitzen und Tälern schwanken und manchmal bis auf Null sinken. Ein Generator, der für den Spitzenbedarf ausgelegt ist, arbeitet dann nur mit Teilkapazität, was die Generatorauslastung reduziert und die Stickstoffkosten erhöht. Bestehen jedoch nur für kurze Zeiträume Nutzungstäler, kann ein Stickstoffgenerator in Kombination mit einem Stickstoffpuffer eine geeignete Lösung darstellen.
Ein unregelmäßiges Durchflussmuster, bei dem es einen hohen kontinuierlichen Durchfluss mit einigen kurzen Unregelmäßigkeiten gibt, ist das häufigste Szenario. Das Vor-Ort-Erzeugungssystem kann auf verschiedene Durchflüsse ausgelegt sein und zusätzlich kann Flüssigstickstoff zur Deckung der Spitzenlasten verwendet werden. Ein Simulationsprogramm ist in diesen Fällen nützlich, um die ideale Generatorgröße zu ermitteln. Die richtige Auslegung kann für ein solches Verbrauchsmuster Auslastungsraten von 90 % oder besser erreichen und stellt eine optimale wirtschaftliche Lösung dar.

Vor-Ort-Erzeugung vs. gelieferter Stickstoff
Nehmen wir an, ein exemplarischer Anwender befindet sich in einem gut entwickelten Industriegebiet in lokaler Nähe zu einer Industriegasanlage, in der Flüssigstickstoff produziert wird. Wenn der Anwender mit Unterbrechungen mehrmals täglich Stickstoff benötigt, deckt per Tankwagen gelieferter Flüssigstickstoff diesen Bedarf am besten.
Ein anderer Anwender benötigt Stickstoff möglicherweise 24 Stunden am Tag und befindet sich bspw. in 50 km Entfernung von einem Gaslieferanten. Nehmen wir an, die Anlage hat einen durchschnittlichen kontinuierlichen Stickstoffbedarf von 60 t/d mit über den Tag verteilten gelegentlichen Bedarfsspitzen. Dieser Anwender sollte ein Vor-Ort-Erzeugungssystem in Betracht ziehen, um den Grundbedarf zu decken und die Spitzenlasten mit zusätzlich bereitgestelltem Flüssigstickstoff abzudecken.

Fazit
Die Auswahl der geeigneten Methode der Stickstoffversorgung will gut überlegt sein. Die nicht-kryogene Produktion von Stickstoff durch PSA oder Membransysteme kann in vielen Anwendungen erhebliche Vorteile bringen, insbesondere wenn keine Reinheiten von 99,999 % und mehr erforderlich sind. Kryogene Generatoren hingegen sind die bessere Option für Anwendungen, die hohe Reinheiten und ein hohes Stickstoffvolumen erfordern. Um festzustellen, welche Methode der Vor-Ort-Erzeugung für ihre Anwendung geeignet ist, sollten Anwender zunächst die Anforderungen an Durchfluss und Reinheit berücksichtigen, um Kapital- und Betriebskosten zu minimieren.