News 2008

München, 6 März 2008

Hochdruckluft als Hilfsmedium in der Düngemittelherstellung

Niemand würde vermuten, dass die Druckluft in der Düngemittelindustrie auf einem schmalen, aber trotzdem sehr wichtigen Sektor der Harnstofferzeugung, seit vielen Jahren eine bedeutende Funktion übernommen hat. Wir möchten den Lesern nahe bringen, dass BAUER KOMPRESSOREN, der Spezialist auf dem Hochdruck-Sektor mit dem Know-how in der Anwendung der Druckluft, auf diesem Gebiet bestens vertraut ist und weltweit ein kompetenter Partner in der einschlägigen Branche geworden ist. Denn eine über 60-jährige Erfahrung in Entwicklung und Herstellung von Kolbenkompressoren setzt Maßstäbe in Qualität und Leistung. So bieten in diesen Industriestandorten maßgeschneiderte Druckluftanlagen von BAUER die Voraussetzung für optimale Versorgungssicherheit und höchste Wirtschaftlichkeit.

Historie

Produktionsanlage von UREA

Aufgrund der schnell wachsenden Bevölkerung auf unseren Kontinenten ist es nicht mehr möglich, den Anbau aller landwirtschaftlichen Produkte ohne den Einsatz von Düngemitteln vorzunehmen. Neben den bekannten klassischen stickstoffhaltigen Kunstdüngern wie z. B., nur um eine Gruppe zu nennen, die Ammoniumsalze, soll hier ganz besonders unter Einbeziehung der Druckluft bei der Herstellung von Harnstoff, auch unter der Bezeichnung UREA bekannt, eingegangen werden. Der Harnstoff ist ein weißer kristalliner Körper, der 46 % Stickstoff enthält, und in der Agrarindustrie vermehrt eingesetzt wird. Wegen seiner speziellen Vorteile hat der Harnstoff seit vielen Jahren das Ammoniumnitrat als Düngemittel schon weit übertroffen.

Als Vorteile sind hier anzusehen, um nur einige zu nennen:

Harnstoff kann auf dem Ackerboden als Feststoff, in wässriger Lösung oder als Spray an bestimmten Getreidesorten angewendet werden.

Bei richtiger Anwendung des Harnstoffes sind höhere Ernteerträge zu erwarten, als bei anderen stickstoffhaltigen Düngemitteln.

Seine chemische Formel lautet: CO(NH2)2

Die industrielle Herstellung von UREA wird weltweit in großen Produktionsanlagen betrieben. Um die Ausgangsstoffe wie Ammoniak, Kohlendioxid, Stickstoff, Wasserstoff etc. herzustellen, gruppieren sich dort um die eigentliche Düngemittelproduktion große petrochemische Einrichtungen und Luftzerlegungsanlagen. So wird z. B. bei der Erdölspaltung das Naphtha bei ca 930 °C und 5 bar erst in Methan, dann in C02 und H2 gespalten. Unter Zugabe von N2 (hergestellt aus der Luftzerlegung) entsteht NH3. Diese von namhaften großen Consulting Unternehmen der Verfahrenstechnik geplanten und gebauten Produktionsanlagen haben derzeit einen Ausstoß von bis zu 3000 t UREA/Tag. Anlagen mit noch höheren Tagesleistungen sind in Planung. Solche Großanlagen werden teilweise einfach in die Landschaft gebaut, wobei Energieanschlüsse wie Erdgas oder Rohöl und Wasser bereitzustellen sind. Aus diesen Stoffen muss auch elektrische Energie gewonnen werden, die zum Antrieb von Motoren und sonstigen Hilfsaggregaten dient. Zum Abtransport der erzeugten Produkte sind des weiteren große Hafenanlagen für die Transportschiffe zu errichten oder auszubauen oder die entsprechenden Gleise für den Schienenverkehr zu verlegen.

Außerdem sind strenge Auflagen des Naturschutzes einzuhalten, damit die Umwelt z. B. durch Einleiten von saueren Abwässern in die Flüsse oder die Luft durch flüchtige Anteile wie NH3, NOX, CO2 und Schwefel etc., nicht überbelastet werden.

Daher gehören gut ausgestattete Prüflabors zur Messung der Luft und Wasserverschmutzung zum Standard eines Produktionsstandortes.

Herstellung

Als Ausgangsstoffe werden für die Herstellung von UREA flüssiges Ammoniak und gasförmiges Kohlendioxid eingesetzt. Diese Stoffe werden einem Reaktor zugeführt. Die Behälterwand dieses über 27 m hohen Turmes besteht im Wesentlichen aus 2 Metallschichten, nämlich die Außenwand aus Kohlenstoffstahl und die Innenwand aus Edelstahl mit einer Wandstärke von ca. 6 mm. Unter Wärme (ca. 230 °C) und Druck (ca. 180 bar) entsteht synthetisch Ammoniumcarbamat, welches durch Dehydratisierung unter Anwesenheit von Säure und die Zufuhr von Wärme in UREA und Wasser übergeht. Durch nachträglichen Wasserentzug (Eindampfen) und Weiterverarbeitung steht es dann dem Handel als weißes Granulat zur Verfügung.

Warum Druckluft?

i 22.0 von Nagarnjuna Fertilizer

Die Reaktion der beiden Verbindungen im Reaktor verläuft im saueren Bereich.

Das heißt, die Edelstahlschicht würde nach absehbarer Zeit ohne Druckluftzufuhr vom Ammoniak zerstört werden.

Die permanente Anwesenheit der Druckluft im Reaktor sorgt dafür, dass der im Edelstahl bis zu 24 % enthaltene Chrom zu Cr03 oxidiert wird - eine sehr widerstandsfähige harte und braun aussehende Schicht - sodass Oxidation und Reduktion durch das Ammoniak weitgehend im Gleichgewicht bleiben.

Da großtechnische Prozesse rund um die Uhr laufen, muss Hochdruckluft deshalb permanent mit einem genau definierten Restölgehalt dem Reaktor zugeführt werden. An die Trockenheit der Luft wird keine besondere Anforderung gestellt. Es genügt bei den meisten realisierten Anlagen ein Drucktaupunkt von ca. 30/40 °C bei 180 bar, der durch die 4-stufige Verdichtung der bisher eingesetzten BAUER-Anlagen erzielt wird.

Reinheit der Druckluft und Materialanforderung

Die Verfahrenstechnik legt folgende Mindestwerte fest:
Restölgehalt nicht mehr als 7 ppm. Kupferdichtungen und Kupferlegierungen sind möglichst zu vermeiden. Die Einhaltung des geforderten Restölgehaltes kann mit geringem Aufwand bewerkstelligt werden.

So erfolgt bereits im Kompressor schon nach jeder einzelnen Stufe eine automatische Entwässerung und Entölung der Druckluft.

Die weitere Entwässerung und Entölung der Luft, wobei auch dampfförmige Ölanteile in der Luft in Tröpfchenform umgewandelt und mit ausgeschieden werden, geschieht am einfachsten durch Einbau eines Wasser/Luft Wärmetauschers, der zunächst die warme Druckluft und den Öldampf von 40 °C auf ca. 25/28 °C abkühlt. Das kondensierte Öl wird durch einen nachgeschalteten Tiefenfilter (Coaleszensprinzip) mit automatischem Kondensatableiter problemlos aus der Druckluft ausgefiltert.

Die in der Druckluft verbleibenden restlichen Ölanteile (ca. 7 ppm) gelangen mit ihr in den Reaktor, wobei dieser Anteil noch keine nennenswerte Ölablagerung im System verursacht. Bei anderen Großprojekten wird gefordert, dass der Restölgehalt in der Druckluft weniger als 5 ppm betragen soll. Hier muss dann die Druckluft über einen Regenerationstrockner vorgetrocknet und anschließend im Aktivkohleadsorber entölt werden.

Die Anforderung an das Dichtungsmaterial bereitet den BAUER Anlagen keine Probleme, da die vorhandenen Kupferdichtungen nicht mit der Druckluft in Berührung kommen.

Kompressorauswahl und Steuerung

Da Harnstoff-Produktionsanlagen mit unterschiedlichen Jahreskapazitäten geplant und gebaut werden, kommen auch verschiedene Kompressorvarianten mit unterschiedlichen Liefermengen zum Einsatz.
Folgende BAUER-Typen, die sich im Industrieeinsatz bisher bestens bewährt haben, kommen gegenwärtig in Frage:

I 150-7,5/11-VERTICUS
mit einer Lieferleistung von 320 - 420 l/min
= äquivalent in UREA Produktion 875 MTPD

I 22.0-15 mit 650 l/min
= äquivalent 1700 MTPD und

I 28.0-55 mit 2500 l/min
= äquivalent 2500 MTPD

Die beiden letzteren sind horizontal angeordnete Anlagen. Für die Versorgung eines Reaktors kommen meistens 2-3 Anlagen in gleicher Ausstattung zum Einsatz. Sie laufen im täglichen Betrieb rund um die Uhr und werden von der Leitstelle aus Gründen einer gleichmäßigen Auslastung im Wechsel automatisch zu- bzw. abgeschaltet. Der rauhe Industrieeinsatz, wie höhere Umgebungstemperaturen, häufig auftretende Sandstürme etc. verlangen ein hohes Maß qualitativer Ausführung des Produktes.

Durch Überwachung z. B. von Druck und Temperatur jeder einzelnen Stufe wird sichergestellt, dass die vorgegebenen Parameter nicht überschritten werden.

Dies übernimmt die BAUER B-CONTROL - eine frei programmierbare elektronische Kompressorsteuerung - mit Display. Bei Störung wird die Anlage abgeschaltet, die Störung am Display angezeigt und gleichzeitig an die übergeordnete Leitstelle signalisiert.

Sonderausführungen

Urea-Containeranlage

Gelegentlich sind auch bei einzelnen Projekten elektrische Steuerungen in ex-Schutz auszuführen, da die Kompressoren an Standorten stehen, in deren Bereich sich bei Normalbetrieb gelegentlich ein zündfähiges Gas-/Luftgemisch bilden kann.

Bei Außenaufstellungen der Kompressoren z. B. ist es erforderlich, dass diese samt Steuerung und Aufbereitung in 10- oder 20-Fuß-Container einzubauen sind. Hierbei ist dann auf eine effiziente Zu- und Abluftführung und einwandfreie Sandableitung im Zuluftkanal des Containers zu achten, wenn z. B. die Anlagen in sandreichen und sehr warmen Ländern aufgestellt werden. Bei der Lösung dieser Probleme kann der Hochdruckspezialist BAUER KOMPRESSOREN auf eine sehr lange und erfolgreiche Praxis und Erfahrung zurückgreifen.

Fazit

Es hat sich auch hier gezeigt, das das Medium Druckluft auf diesem sehr wichtigen Sektor der UREA Erzeugung einen äußerst wichtigen Part übernommen hat, von dem auch in nächster Zukunft noch die Rede sein wird. Daher ist aus dieser Sicht der ökonomische Nutzen, der durch die Verwendung von Hochdruckluft erzielt wird, sehr hoch anzusetzen, denn die Überholungskosten korrodierter Synthesetürme übersteigen bei weitem die Investitions- und Betriebskosten der installierten Kompressoren.

Autor:
Dipl.-Ing. (FH) Ludwig Kühlwein
Projektingenieur, Industriebereich