Nitsche-Planungs-Atlas: Planung und Berechnung verfahrenstechnischer Anlagen

Von Manfred Nitsche

Dieses Fachbuch erläutert die Vorgehensweise beim Planen und Bauen einer verfahrenstechnischen Anlage. Eine verfahrenstechnische Planung besteht aus der Berechnung und Auslegung von Apparaten, Maschinen und Hilfsanlagen sowie der Organisation des Planungsablaufs. Aus diesem Grund werden in diesem Werk auch die verfahrenstechnischen Berechnungen sowie der organisatorische Ablauf in der Praxis behandelt - unter Berücksichtigung der jeweiligen Vorschriften in dem Land und ergänzt durch zahlreiche Beispiele. 
Ein Wärmetauscher, eine Kolonne oder ein Reaktor muss berechnet werden. Für die ausgelegten Apparate und Maschinen werden die Anfragen spezifiziert. Auch Rohrleitungen, Pumpen und Regelventile müssen ausgelegt werden. Hier ist Kreativität gefragt, Probleme müssen gelöst werden. Die Betriebsmittelversorgung muss sichergestellt sein. Auch die wirtschaftlichen Anforderungen müssen mit den physikalischen Gesetzen und den Vorschriften in den verschiedenenLändern in Einklang gebracht werden. 

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Springer Vieweg
• Erscheinungsdatum: 30. Apr. 2020
• ISBN: 9783662589557

Manfred Nitsche

Dr. Manfred Nitsche has more than 40 years’ experience as a chemical engineer. During his career he has designed and built several chemical plants and has been giving engineering training courses for young engineers since 1980. He has written a number of books on piping design, heat exchanger design, heating and cooling systems in plants, column design and waste air cleaning (all in German). Dr. Nitsche's extensive experience includes designing and building distillation units, tank farms, stirred tank reactor facilities, air purification units and absorption and stripping units for various applications.

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© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020

M. NitscheNitsche-Planungs-Atlashttps://doi.org/10.1007/978-3-662-58955-7_1

1. Planung von verfahrenstechnischen Anlagen

Manfred Nitsche¹ 

(1)

Hamburg, Deutschland

Die Planung von Industrie- und Chemieanlagen ist ein sehr komplexer Vorgang, weil sehr viele unterschiedliche Anforderungen ineinander greifen wie Zahnräder.

In Abb. 1.1 wird der Projektablauf für eine verfahrenstechnische Anlage dargestellt. Abb. 1.2 zeigt das Foto einer Chemieanlage.

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Abb. 1.1

Projektablauf für eine verfahrenstechnische Anlage

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Abb. 1.2

Waschkolonnen für Benzin

Üblicherweise unterteilt man die verschiedenen Planungsaufgaben in das Basic Engineering mit der eigentlichen verfahrenstechnischen Auslegung und das Detail Engineering mit Beschaffung, Bau und Montage

Im Folgenden sind die einzelnen Phasen mit den Aufgaben aufgelistet.

1.1 Basic Engineering

1.

Beschreibung der Aufgabenstellung und Erstellung eines Konzepts mit den erforderlichen Anforderungen:

Verfahren, Produkte, Kapazität, Standort

Zu empfehlen ist ein Fließbild für die Aufgabenstellung

2.

Erforderliche Informationen zusammenstellen

Allgemeine Daten über den Standort: Wetter, Bodenbelastbarkeit, Erdbeben

Physikalische und sicherheitstechnische Stoffdaten

Gesetze und Vorschriften: Druckbehälter und explosionsgefährdete Anlagen

3.

Verfahrenstechnische Berechnungen mit Auslegung und Dimensionierung:

Kolonnen mit Einbauten für das vorgegebene Trennproblem

Verdampfer, Kondensatoren, Wärmetauscher, Kühler

Pumpen, Ventilatoren, Verdichter

Beheizung, Kühlung, Isolierung, Vakuum

Rohrleitungen mit Armaturen, Pumpen, Regelventilen und Pumpenvorlagen

Erfassung und Reinigung lösemittelhaltiger Abluft

4.

Erstellung der Verfahrensfließbilder mit den wesentlichen Aggregaten:

Kolonnen, Behälter, Pumpen, Wärmetauscher, Verdampfer, Kondensatoren,

Rührbehälter, Rohrleitungen, MSR-Ausrüstung

einschließlich Betriebsbeschreibung der Anlagen mit Regelungs-/Steuerungskonzept und Hinweisen zur Sicherheitstechnik

5.

Energiefließbilder mit der Betriebsmittelversorgung für Dampf, Thermalöl, Kühlwasser, Kaltwasser, Druckluft, Inertgas, Beheizungs- bzw. Temperiersysteme mit Mengen,

Drücken und Temperaturen

Verbrauchsliste für Betriebsmittel erstellen

6.

Aufstellungsentwürfe mit den wesentlichen Apparaten und Behältern oder Tanks mit den großen Rohrleitungen

7.

Kostenschätzung auf Basis von Erfahrungswerten und Budgetanfragen für das Basisequipment und Betriebskostenabschätzung auf Basis der Investitionskosten

8.

Terminplan für Planung, Lieferung und Montagen

9.

Genehmigungsantrag

Genehmigungsfließbilder mit Stoffströmen, Apparaten, Behältern, Maschinen und Rohrleitungen sowie Betriebsbeschreibung

Angaben über Emissionen, Sicherheit, Wassergefährdung

Aufstellungsentwürfe und Lageplan mit Baubeschreibung

1.2 Detail Engineering

1.

Anfragespezifikationen erstellen für Apparate, Maschinen, Behälter, Armaturen, Regel- und Sicherheitsventile, MSR-Ausrüstung entsprechend den verfahrenstechnischen Anforderungen und den vorgeschriebenen Codes: DGRL, WHG und Anforderungen an den Explosionsschutz

2.

Festigkeitsberechnungen für Apparate, Kolonnen, Behälter, Rührbehälter:

Wandstärken von Mantel und Boden, Flansche, Rohrböden, gegenseitige

Beeinflussung von Stutzen an Rührbehältern, zulässige Stutzenbelastung durch Thermospannungen von den Rohrleitungen

3.

Listen für das erforderliche Equipment mit Daten

Apparate, Behälter, Rührer, Pumpen, MSR-Ausrüstung, Regelventile, Rohrleitungen, Armaturen, E-Verbraucher, Kabel

4.

Anfragen – Angebotsvergleich – Bestellung

5.

Erstellung von detaillierten RI-Fließbildern mit Rohrleitungen und Instrumentierung

6.

Aufstellungspläne mit Grundriss und Seitenansichten

7.

Belastungspläne für Fundamente und Stahlbau

8.

Statische Berechnungen der Fundamente und des Stahlbaus

9.

Verrohrungspläne für Apparate, Behälter und Maschinen mit dem erforderlichen Anschluss-Piping und Rohrleitungsfließbildern

10.

Spannungsberechnungen der Rohrleitungen mit Festpunkt- bzw. Stutzenbelastung

11.

Auslegung der erforderlichen Isolierung für Apparate, Behälter und Rohrleitungen und einer möglichen Begleitheizung

12.

Erstellung der Spezifikationen für Montagearbeiten

13.

Anfragen für Montagearbeiten – Angebotsvergleich – Bestellung

14.

Auftragsverfolgung mit Terminen und Kontrolle der Zeichnungen und Berechnungen für die bestellten Lieferungen. Fertigungskontrolle bei den Lieferanten und Abnahme bei der Anlieferung

15.

Kontrolle und Organisation der Montagearbeiten:

Fundamente und Kanalisation

Stahlbau errichten und Kabel verlegen

Anlieferung und Aufstellung der Apparate und Maschinen mit Kran

Verrohrung mit Einbau der MSR-Geräte

Isolierung von Apparaten und Rohrleitungen

E- und MSR-Montage

Prüfungen und Inbetriebnahme

1.3 Projektmanagement

Mit Projektmanagement kann man keine verfahrenstechnische Anlage bauen, aber den organisatorischen Ablauf optimieren.

Was ist Projektmanagement?

Die Gesamtheit von Führungsaufgaben, -organisationen, -techniken und -mitteln für die Abwicklung eines Projekts (DIN 69901)

1.

Frage:

Was soll gebaut werden?

Ein Tanklager, eine Rührbehälteranlage, eine Destillationsanlage oder ein neues Werk?

2.

Frage:

Wieviel Mitarbeiter mit welcher Qualifikation werden benötigt oder welches Ingenieurbüro ist für diese Aufgabenstellung geeignet?

3.

Frage:

In welchem Zeitraum kann oder soll das Projekt umgesetzt werden?

Es wird ein Terminplan mit den einzelnen Aktivitäten und dem kritischen Pfad entworfen.

4.

Frage:

Wieviel kostet das Projekt?

Vorgehensweise:

1.

Definition des Ziels

2.

Strukturierung des Projekts in Phasen = zeitliche Abschnitte und Arbeitspakete mit Aufgabenlisten

3.

Aufgliederung der Arbeitspakete oder Phasen in Aktivitäten = Tasks

4.

Zuweisung der Ressourcen zu jeder Aktivität (Spezialisten)

5.

Bestimmung des Zeitbedarfs zu jeder Aktivität

6.

Zeitliche Anordnung der Tasks

7.

Projektverfolgung mit Soll-Ist-Vergleich für Termine und Kosten

Im Folgenden sind Beispiele für die Strukturierung des Projekts „Vorplanung einer Chemieanlage und für die Aufgliederung von Arbeitspaketen in „Tasks aufgelistet.

Strukturierung des Projekts „Vorplanung von Chemieanlagen"

Aufgliederung verschiedener Arbeitspakete beim Bau einer Anlage in Tasks

Tasks bzw. Aktivitäten für das Arbeitspaket: Wärmetauscherbeschaffung

Daten ermitteln: Mengen, Temperaturen, Werkstoff, physikalische Daten

Auslegung der Wärmetauscher ohne Festigkeitsberechnung

Erstellen von Spezifikationen mit Anfrageskizze und Stutzendimensionierung (DN und PN) und zulässige Stutzenbelastungen durch die Rohrleitung und Toleranzen

Code: DGRL und WHG. Auslegung: AD 2000. Abnahme: TÜV.

Anfragen erstellen und verschicken mit Angebots- und Lieferdatum

Angebotsauswertung mit Beurteilung

Bestellen mit Zwischenterminen: Zeichnungen, TÜV-Kontrolle

Auftragsverfolgung: Berechnungs- und Zeichnungsprüfungen

Termin- und Qualitätskontrollen beim Lieferanten

Abnahmekontrolle beim Lieferanten

Lieferung mit Dokumentation: CE-Konformität, Gefahrenanalyse, technische Unterlagen

Montage und Verrohrung auf der Baustelle

Druckprüfung in der Anlage

Isolierung: Wärmeverlustberechnung, Spezifikation, Bestellung

Inbetriebnahme

Erstellung einer Wärmetauscherliste mit Daten

Tasks bzw. Aktivitäten für das Arbeitspaket Pumpenbeschaffung

Zusammenstellung der Daten: Fördermengen und -höhen, Temperaturen, Dichten, Viskositäten, spezifische Wärmekapazitäten, Dampfdrücke, Werkstoff

Druckverlustberechnungen in den Druck- und Saugleitungen

Ermittlung der vorhandenen Anlagen-NPSH-Werte

Spezifikation erstellen: Code: DGRL, WHG, TA Luft, RL 2014/34/EU, technische Unterlagen

Anfragen verschicken mit Angebots- und Lieferdatum

Angebotsauswertung und Bestellung

Auftragsverfolgung: Termine und Unterlagen, z. B. Fundamentpläne

Abnahmeprüfung: Kennlinien prüfen

Anlieferung mit Dokumentation und CE-Kennzeichnung

Montage der Pumpen auf die Fundamente

Inbetriebnahme der Pumpen

Erstellen einer Pumpenliste mit Daten

Tasks bzw. Aktivitäten für das Arbeitspaket Verrohrung

Druckverlustberechnungen für die Dimensionierung von Nennweite und Nenndruck

Festlegung der Rohrklasse

Auflistung der Rohrleitungen mit Daten: Medium, Isolierung, Druck, Temperatur, Werkstoff

Erstellen von Isometrien mit Stücklisten

Erstellen von Armaturen-, Halterungs-, Dichtungs- und Schraubenlisten

Festigkeits-/Elastizitätsberechnung der Rohrleitung zur Kontrolle der Rohrleitungsspannungen und der Stutzenbelastungen an Apparaten/Pumpen durch Wärmedehnung, Druck und Gewicht

Spannungsanalyse nach ANSI B 31.3 oder DIN EN 13480 für kritische Rohrleitungen mit hohen Temperaturen, großen Wärmedehnungen und hohen Thermospannungen:

Eingabe der Isometrie und Berechnungsart

Ausgabe: Verformungsplots, Rohrleitungsspannungen, Spannungsschwingbreite,

Kräfte an den Festlagern und Verschiebungen an den Gleitlagern

Basisdaten der Rohrleitungen zusammenstellen: Abmessungen und Gewichte, Festigkeitswerte, Fest- und Gleitlager mit Kräften und Verschiebungen

Erstellen der Spezifikationen mit Isometrien und Stücklisten sowie Richtlinien für die Montage von Rohrleitungen mit Dokumentation, CE-Kennzeichnung und Analyse der Gefahren und Risiken

Code: DGRL, AD 2000 HP 100 R, WHG, TA Luft für Dichtungen und Armaturen

Anfragen erstellen und verschicken mit Angebots- und Montageterminen und den Richtlinien für Verrohrungsarbeiten

Angebotsauswertung und Bestellung mit Baustellen- und Montageordnung

Montage und Kontrollen: Ausführung, Maßhaltung, Schweißnahtprüfung

Schluss- und Druckprüfung und CE-Kennzeichnung

Beheizung und Isolierung gemäß Spezifikation

Inbetriebnahme

Kommentar

In einem erfahrenen Planungsteam mit Ingenieuren benötigt man keinen bürokratischen Ablaufplan, der in der Praxis ohnehin oft Makulatur ist. Jeder weiß, was zu tun ist.

In einer Planungsgruppe ohne Wissen über den Ablauf beim Bau einer Anlage und ohne Kenntnis über die Berechnung und Auslegung der technischen Ausrüstung hilft ein Projektmanagement gar nichts, wenn die Mitarbeiter nicht in der Lage sind, die anstehenden Probleme zu bearbeiten.

Das Projektmanagement hilft auch nicht, wenn die Mitglieder des Teams nicht organisieren können. „Organisieren kann man oder man kann es nicht".

1.4 Aufgabenstellung

Vor Beginn der Planung sollte exakt geklärt werden, was gebaut werden soll.

Was sind die Anforderungen?

Im Folgenden sind beispielhaft die Spezifikationen für eine Fraktionierkolonne, eine Rührbehälteranlage und ein Tanklager zusammengestellt.

Der Anlagenumfang sollte möglichst exakt spezifiziert werden.

Am besten lässt sich der Umfang der neuen Anlage in einem Fließbild erfassen.

1.4.1 Spezifikation für eine Fraktionierkolonne

Das Fließbild ist in Abb. 1.3 dargestellt.

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Abb. 1.3

Fraktionieranlage mit Einsatz- und Produktbehältern

Spezifikation für die Fraktionieranlage

Aufgabenstellung für die Kolonne mit Mengenbilanz: Einsatz, Destillat, Sumpfablauf und Seitenabzügen.

Zu ermitteln: erforderliche Bodenzahl und erforderliches Rücklaufverhältnis

Benötigte Ausrüstung

Pfahlgründung mit flüssigkeitsdichter Betonwanne und Stahlgerüst

Kolonne mit Seitenabzügen und Einbauten: Querstromböden, Füllkörper, Packungen

Verdampfer: Thermosiphon-, Kettle- oder Fallstromverdampfer

Kondensator, wasser- oder luftgekühlt

Wärmetauscher: Einsatzvorwärmer, Destillat- und Sumpfkühler

Pumpen: Einsatz-, Destillat-,Sumpf- und Seitenabzugspumpen

MSR-Ausrüstung: Einsatzmenge, Rücklauf, Druck, Beheizung, Niveau

Lagertanks und Produktionsbehälter

Erforderliche Betriebsmittel: Dampf oder Thermalöl, Kühl- oder Kaltwasser, Strom,

Druckluft, Inertgas

Abb. 1.4 zeigt eine Fraktionierkolonne mit Zubehör.

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Abb. 1.4

Fraktionieranlage mit Zubehör

1.4.2 Spezifikation für eine Rührbehälteranlage

Bei Rührbehälteranlagen (Abb. 1.5) kann die Aufgabenstellung sehr unterschiedlich sein:

Mischen und Homogenisieren von Flüssigkeiten, Dispersion von Gas in Flüssigkeiten

Auflösen von Feststoffen, Suspension von Feststoffen in Flüssigkeiten

Aufheizen und Kühlen von Produkten, Auskristallisieren von Produkten an der Behälterwand, Feststoffaustrag und Trocknung (Abb. 1.6).

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Abb. 1.5

Rührbehälteranlage mit Kondensator und Dekanter

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Abb. 1.6

Feststoffabtrennung in einer Nutsche und Feststofftrocknung in einem Schaufeltrockner

Oft müssen die verschiedenen Aufgaben in einem Reaktor durchgeführt werden.

Zu ermitteln: Aufheiz- und Abkühlzeiten, Misch- und Reaktionszeiten

Zur Ausrüstung gehören:

Pumpen (Kreiselpumpen, Membranpumpen, Tauchpumpen), Rückflusskondensatoren,

Wärmetauscher und Kondensatoren, Dekanter zur Phasentrennung,

Filterpressen oder Zentrifugen oder Nutschen zur Feststoffabtrennung

Erforderliche Zulaufstutzen: Chemikalien, Säure, Lauge, Dampf, Stickstoff

MSR-Ausrüstung: Temperatur, Druck, Niveau, Durchfluss, Phasengrenze

Betriebsmittel: Dampf, Kühlwasser, Strom, Stickstoff, Druckluft

Abb. 1.7 zeigt das Foto einer Rührbehälteranlage

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Abb. 1.7

Foto Rührbehälteranlage

1.4.3 Spezifikation für ein Tanklager

Im Fließbild (Abb. 1.8) ist ein Tanklager mit Gaspendelleitungen und Abluftreinigung dargestellt.

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Abb. 1.8

Lagertanks mit Gaspendelung und Gasometer

Anforderungen: Lagerkapazitäten (m³) und Umschlagleistungen (m³/h)

Benötigte Ausrüstung:

Flüssigkeitsdichte Tankgrube mit Tankfundamenten und Beschämung

Lagertanks mit Zubehör: Beschämung, Berieselung, Produktleitung, Begehung, Rührer,

Beheizung, Über- und Unterdruckventile, Detonationssicherungen,

Doppelboden mit Vakuumkontrolle von Leckagen,

Kompensatoren bei unterschiedlichen Setzungen von Tanks und Rohrleitungen

Pumpen und Rohrleitungen entsprechend der geforderten Umschlagleistung, z. B. 200 m³/h,

Schaumpumpe und Berieselungswasserpumpe für das Feuerlöschsystem mit Rohrleitungen

Abfüllstationen mit Ladearmen für TKW- und KWG-Befüllung

Entladestationen für Schiffe und Kesselwagen

Emissionsvermeidung durch Pendelung, Gasometer, Abluftreinigung

MSR-Ausrüstung: Niveau, Peiltisch, Temperatur, Überdruck beim Inertisieren

Erforderliche Betriebsmittel: Dampf, Schaumwasser, Berieselungswasser, Inertgas

Abb. 1.9 und 1.10 zeigen Fotos von Tanklägern

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Abb. 1.9

Foto Tanklager für brennbare Flüssigkeiten

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Abb. 1.10

Foto Tank- und Behälterlager

1.5 Erforderliche Informationen für die Planung

Wenn man an einem neuen Standort eine Anlage errichten will, benötigt man folgende Daten.

1.5.1 Allgemeine Standortinformationen

Geländeplan mit Höhenangaben und Koordinaten

Bodenbelastbarkeit im Hinblick auf Pfahlgründungen und mögliche Setzungen

Klimadaten: Temperaturen, Wind, Schnee, Erdbeben, mögliche Hochwasser

Versorgung mit Strom, Wasser, Brennstoffen, Dampf

Transportmöglichkeiten: Straße, Schiene, Wasser

Personalsituation und übliche Standards

Zuverlässige Lieferanten und Montagefirmen

1.5.2 Physikalische Daten

Für die verfahrenstechnischen Berechnungen benötigt man die Stoffdaten der verschiedenen Komponenten.

Tab. 1.1 zeigt die Stoffdaten von Isobutanol.

Tab. 1.1

Physikalische Daten von Isobutanol

1.5.3 Sicherheitstechnische und umweltrelevante Daten

Bei brennbaren Stoffen müssen explosible Brennstoff-Luft-Konzentrationen vermieden werden.

Was sind die Kriterien für die Explosionsfähigkeit bzw. Brennbarkeit?

Ein Brennstoff-Luft-Gemisch ist explosibel, wenn die Konzentration innerhalb des

Zündbereichs zwischen der unteren Zündgrenze Zu = UEG und der oberen Zündgrenze Zo = OEG liegt. Mit zunehmender Temperatur spreizt sich der Brennbarkeitsbereich.

Die untere Explosionsgrenze UEG ist die Mindestbrennstoffkonzentration (Vol.-%) für die Brennbarkeit eines Brennstoff-Luft-Gemisches bei Umgebungstemperatur.

Die sicherheitstechnischen Daten können aus der Datenbank „CHEMSAFE" [1] oder

Handbüchern [2–5] entnommen werden.

Für die meisten Kohlenwasserstoffe liegt die UEG-Konzentration bei ca. 50 % der

stöchiometrischen Brennstoffkonzentration für die Verbrennung.

Unterhalb der UEG-Konzentration ist das Gemisch bei Raumtemperatur nicht zündfähig.

Bei der Verbrennung eines Brennstoff-Luft-Gemisches an der unteren Explosionsgrenze wird von einigen Ausnahmen wie H2, C2H2 und H2S abgesehen eine Wärmemenge von 42 kJ/g-Mol freigesetzt. Diese Energie reicht für das Aufheizen der entstehenden Rauchgase auf eine Temperatur von ca. 1300 °C.

Der untere Explosionspunkt UEP einer brennbaren Flüssigkeit ist die auf einen Druck von 1,013 bar bezogene Temperatur (°C), bei der die Brennstoffkonzentration in der Luft den UEG-Wert erreicht. Den UEP-Wert kann man mit Hilfe der Antoine-Konstanten A, B und C für den Dampfdruck berechnen [4, 6]. Einige Antoine-Werte sind in Kap. 14 aufgelistet.

$$ UEP=\frac{B}{A-\lg \left(\frac{UEG\ast {P}_{ges}}{100}\right)}-C\, \left({}^{\circ},C\right) $$

Beispiel 1.5.3.1: Berechnung des Explosionspunkt UEP für Hexan

UEG = 1 Vol.-%

A = 7,0027 B = 1171,53 C = 224,366 Pges = 1013 mbar

$$ {\displaystyle \begin{array}{l} UEP=\frac{B}{A-\lg \left(\frac{UEG\ast {P}_{ges}}{100}\right)}-C\\ {} UEP=\frac{1171,53}{7,0027-\lg \left(\frac{1\ast 1013}{100}\right)}-224,366=-29{}^{\circ}C\end{array}} $$

Der Flammpunkt ist die gemessene Flüssigkeitstemperatur, bei der genügend Dämpfe für eine Zündung an einer offenen Flamme freigesetzt werden.

Meistens liegt der Flammpunkt einige Grad höher als der berechnete UEP-Wert.

Die obere Explosionsgrenze OEG ist die maximale Brennstoffkonzentration, bei der das Gemisch noch brennbar ist.

Nur im Konzentrationsbereich zwischen UEG und OEG besteht Explosionsgefahr.

Die folgenden Beispiele für die untere und obere Explosionsgrenze zeigen, dass sich der Zündbereich bei höherer Temperatur erweitert

Bei steigender Temperatur erweitert sich der Zündbereich!

In Abb. 1.11 wird die Verbreiterung der Explosionsgrenzen für Methan gezeigt.

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Abb. 1.11

Zündgrenzenerweiterung von Methan bei höherer Temperatur (3.6)

Eine Möglichkeit zur Vermeidung der Explosionsgefahr ist die Absenkung des Sauerstoffgehalts durch Inertisierung mit Stickstoff oder CO2 [6, 7].

Im Folgenden ist die erforderliche Mindestsauerstoffkonzentration SGK für die Brennbarkeit einiger Kohlenwasserstoffe beim Inertisieren mit Stickstoff oder CO2 aufgelistet.

Sauerstoffgrenzkonzentrationen SGK aus BGR 104:

Mit steigender Temperatur sinkt der SGK-Wert um ca. 10 % pro 100 °C Temperaturerhöhung.

Unterhalb des SGK-Werts ist das Gemisch nicht zündfähig. Deshalb wird in der Praxis der Sauerstoffgehalt durch Einspeisung von Inertgas reduziert.

Zusammenfassung

Die Zündung eines Brennstoff-Luft-Gemisches ist ausgeschlossen, wenn

durch Verdünnung mit Luft die UEG-Konzentration unterschritten wird,

durch Aufsättigung mit Brennstoff die OEG-Konzentration überschritten wird,

durch Inertisierung der SGK-Wert unterschritten wird.

1.5.4 Vorschriften für überwachungsbedürftige Anlagen

Was sind überwachungsbedürftige Anlagen?

Druckbeaufschlagte Anlagen: Druckbehälter, Dampfkessel, Rohrleitungen

Lagerung und Abfüllung von brennbaren Flüssigkeiten

Explosionsgefährdete Anlagen

Zu beachten sind die folgenden Gesetze:

In der Praxis arbeitet man mit den Verordnungen:

Betriebssicherheitsverordnung

Gefahrstoffverordnung

6. GPSGV: Einfache Druckbehälter

9. GPSGV: Maschinen

11. GPSGV: Explosionsschutz

14. GPSGV: Druckgeräte (DGRL = Druckgeräterichtlinie)

Hilfestellung erhält man durch die Technischen Regeln

für Betriebssicherheit (TRBS) und

für Gefahrstoffe (TRGS)

und Unfallverhütungsvorschriften (DGUV)

z. B. EX-RL (DGUV 113-001 Zündgefahren durch statische Aufladung)sowie Richtlinien und Normen

VDI-/VDE-Richtlinien und -Normen; DIN, EN, ISO

Aus der Gefährdungsbeurteilung nach Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV), TRBS, TRGS und DIN EN 12100 ergeben sich

die Beschaffenheitsanforderungen nach DGRL und RL 2014/34 bzw. ATEX 95 und

die Betriebsanforderungen nach BetrSichV und RL 1999/92/EG bzw. ATEX 137

Umfang der Gefahrenanalyse:

Beschreibung des bestimmungsgemäßen Betriebs mit Risikobewertung

Definition des Prüf- und Instandhaltungskonzepts

Abnahme von Anlageteilen und Montagen durch Betreiber:

Apparat oder Maschine mit Betriebsanleitung und Konformitätserklärung prüfen

Betriebsanweisungen erstellen und Prüfungen festlegen

Hilfestellung für die Gefahrenanalyse:

TRBS 1111: Gefährdungsbeurteilung

TRBS 2152: Explosionsgefährdung

TRBS 2154: Explosionsschutzdokument

Im Folgenden sind die Anforderungen an die technische Ausrüstung aufgelistet.

In den Anfragen für Apparate, Behälter, Maschinen, Rohrleitungen, MSR-Technik etc.

müssen die in den Vorschriften enthaltenen Spezifikationen berücksichtigt werden.

1.5.4.1 Druckbehälter und Dampfkessel mit einem Innendruck > 0,5 bar

Beschaffenheitsanforderungen: 14. GPSGV (DGRL) und WHG

Nach dem Gefährdungspotenzial unterscheidet man die Kategorien I–IV für Druckbehälter.

Das Gefährdungspotential ist abhängig vom Produkt P × V und von der Fluidgruppe.

Die Kategorie für Druckbehälter und Rohrleitungen wird mit Hilfe der Diagramme 1–5 in der Druckgeräterichtlinie bestimmt.

Aus Abb. 1.12 geht hervor, welches Diagramm anzuwenden ist.

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Abb. 1.12

Einstufungssystematik für Druckbehälter und Rohrleitungen

Abb. 1.13 zeigt das Diagramm 3 für Flüssigkeiten.

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Abb. 1.13

Diagramm 3 aus EG-Richtlinie 2014/68EU

Auf der Abszisse ist das Volumen, auf der Ordinate der Druck aufgetragen.

In den Modulen (siehe Abb. 1.14) werden für die verschiedenen Kategorien die Konformitätsverfahren beschrieben, die zur Sicherstellung der in der Druckgeräterichtlinie vorgeschriebenen Anforderungen dienen.

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Abb. 1.14

Zuordnung der Module zu den Kategorien nach Anhang II DGRL

Beispiel Modul G: EG-Einzelprüfung

Es wird in einer Einzelprüfung sichergestellt, dass das Druckgerät die Anforderungen der DGRL erfüllt.

Der Hersteller erstellt die Zeichnungen und Berechnungen, die von der BS, z. B. TÜV, geprüft werden (Vorprüfung): Werkstoff – Arbeitsverfahren – Qualifikation

Schlussprüfung durch BS = Notifizierte Stelle

BS-Pflicht: BS-Nr. und Konformitätserklärung über die vorgenommenen Prüfungen

Herstellerpflicht: CE-Kennzeichnung und Konformitätserklärung mit Analyse der Gefahren und Risiken und Betriebsanleitung mit Benutzeranweisung

Betreiberpflicht: Gefährdungsbeurteilung, Installation und Einbindung in die Anlage, Prüfung vor Inbetriebnahme

Empfohlener Code:

AD 2000 BS = TÜV Prüffrist 5 Jahre Modul G

In Abb. 1.15 ist der Beschaffungsablauf für Druckgeräte nach DGRL dargestellt.

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Abb. 1.15

Beschaffungsablauf für Druckgeräte nach DGRL (BG Chemie)

1.5.4.2 Rohrleitungen mit einem Innendruck > 0,5 bar

Beschaffenheitsanforderungen: 14. GPSGV (DGRL) und WHG

Nach dem Gefährdungspotenzial unterscheidet man die Kategorien I–III für Rohrleitungen.

Das Gefährdungspotenzial ist abhängig vom Produkt PB × DN und von der Fluidgruppe.

Die Einstufung in die Kategorien erfolgt nach den Diagrammen 6–9 in der DGRL.

PB = Betriebsdruck der Rohrleitung DN = Nennweite der Rohrleitung

Hinweis: Es gilt nicht die gewählte Druckstufe, z. B. PN 16, sondern der tatsächliche Betriebsdruck.

Abb. 1.16 zeigt das Diagramm 8 für Flüssigkeiten.

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Abb. 1.16

Diagramm 8 zur Bestimmung der Kategorien für Flüssigkeiten nach DGRL

In Abb. 1.17 sind die zu erstellenden Dokumente und Bescheinigungen für verschiedene Module nach DGRL aufgelistet.

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Abb. 1.17

Erforderliche Dokumentation von Rohrleitungen nach DGRL

Herstellerpflicht: CE-Kennzeichnung und Konformitätserklärung und Dokumentation gemäß Kategorie/Modul und Betriebsanleitung mit Benutzeranweisung

Betreiberpflicht: Gefährdungsanalyse und Einbindung in die Gesamtanlage

Empfehlung: Spannungsanalyse mit Kontrolle der Stutzenbelastungen

Empfohlener Code

AD 2000 HP 110 R oder DIN EN 13480 BS = TÜV

Spannungsanalyse mit Stutzenbelastungen

Hinweis: Bei Behältern und Rohrleitungen für wassergefährdende Stoffe sind zusätzlich das Wasserhaushaltsgesetz WHG, die Verordnung AwSV zum Umgang mit wassergefährdenden Stoffen und die Technischen Regeln für wassergefährdende Stoffe TrwS zu beachten, z. B. § 19 WHG mit der Fachbetriebspflicht.

1.5.4.3 Lagerung und Abfüllung brennbarer Flüssigkeiten

In Abb. 1.8 ist das Fließbild eines Tanklagers dargestellt.

Für Lagertanks gilt DIN 4119 oder EN 14015 für einen maximalen Unterdruck von 10 mbar und einen maximalen Überdruck von 20 mbar.

Zum Teil werden auch Druckbehälter nach DGRL zum Lagern brennbarer Flüssigkeiten eingesetzt. Mit Druckbehältern kann die Atmungsemission vermieden werden.

Die besonderen Gefahren beim Lagern und Abfüllen liegen zum einen in der Explosionsgefahr von explosiblen Brennstoff-Luft-Gemischen, zum anderen in der Verunreinigung des Grundwassers bei Leckagen.

Das Gefahrenpotenzial für Explosionen ergibt sich aus der Lagermenge und dem Gefährlichkeitsmerkmal in Abb. 1.18 nach der Gefahrstoff-VO, das Gefährdungspotenzial für den Gewässerschutz aus der Wassergefährdungsklasse WGK der gelagerten Flüssigkeit.

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Abb. 1.18

Gefährlichkeitsmerkmale nach der Gefahrstoff-VO

Beschaffenheitsanforderung

BetriebssicherheitsVO und GefahrstoffVO und ATEX 95 und WHG (§ 19)

Detaillierte Vorschriften: TRGS 510 und VdTÜV MB 967 (11.2010)

In explosionsgefährdeten Bereichen erforderlich

Explosionsschutzdokument nach ATEX 137 für Installation, Wartung und Prüfungen

Gewässerschutz: Doppelboden mit Vakuumkontrolle und flüssigkeitsdichte Wanne oder Doppelmantel mit Vakuumkontrolle

1.5.4.4 Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen

Wenn in Produktionsanlagen, Tanklägern oder an Abfüllstationen explosionsfähige Gemische entstehen können, muss jede Möglichkeit zur Zündung des brennbaren Gemisches vermieden werden.

Die Zündung kann durch elektrische und nichtelektrische Geräte erfolgen, z. B. durch

Zündfunken bei elektrischen Geräten

Hitzebildung durch mechanische Reibung

Funkenbildung durch elektrostatische Aufladung

Beschaffenheitsanforderungen für Geräte, Maschinen und Schutzsysteme:

11. ProdSV bzw. RL 2014/34/EU

Nachweis:

EG-Baumusterprüfbescheinigung von benannter Stelle, z. B. TÜV, und CE-Kennzeichnung, aber nicht für alle Kategorien.

Die Beschaffenheitsanforderungen nach RL 2014/34/ EU (ATEX 95) gelten für:

Elektrische Geräte:

Motoren (Ex d und Ex e)

Kabel,

Verteiler

Schalter und

MSR-Ausrüstung (Ex i)

Nichtelektrische Geräte:

Pumpen, Verdichter, Vakuumpumpen, Getriebe, Kupplungen, Ventilatoren

Mühlen, Förderbänder, Elevatoren und Zellenradschleusen, z. B. Pumpen mit Temperaturanstieg in der Magnetkupplung oder der GLD

Gebläse für Zone 0 mit Detonationssicherungen

Absperrklappen für Zone 0 mit leitfähigem PTFE

oder Armaturen mit pneumatischem Antrieb, Ex-geschützten Magnetventil

und Ex-i-Näherungsinitiator für Zone 1

Schutzsysteme:

Flammendurchschlags-, Deflagrations- und Detonationssicherungen

Entsprechend der Gefährdung werden die Anforderungen in verschiedene Kategorien eingeteilt:

Kategorie 1G für Gase und Dämpfe in Ex-Zone 0 (> 10 % explosibel)

Kategorie 2G für Gase und Dämpfe in Ex-Zone 1 (< 1 % explosibel)

Kategorie 3G für Gase und Dämpfe in Ex-Zone 2

Erforderlich sind die Baumusterprüfbescheinigungen für Kategorie 1 und 2.

Erforderliche Explosionsschutzangaben bei einer Anfragespezifikation: