gesponsertEmissionsreduzierung in Industrieanlagen Die Rolle von Berstscheiben im Umweltschutz

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Was haben Berstscheiben mit Nachhaltigkeit zu tun? Spätestens nach Lektüre dieses Beitrags ist klar: sehr viel! Berstscheiben spielen eine entscheidende Rolle bei der Emissionsreduzierung und dem Umweltschutz in Industrieanlagen. Sie ermöglichen eine effektive Kontrolle von Gasemissionen und tragen somit dazu bei, Umweltschäden zu minimieren.

In der heutigen Zeit, in der Umweltschutz nicht nur ein Schlagwort, sondern eine dringliche Notwendigkeit ist und die Gesellschaft zunehmend auf nachhaltige Praktiken drängt, gewinnt die effektive Kontrolle von Emissionen in Industrieanlagen eine immer größere Bedeutung. Industrieanlagen sind maßgeblich an der Freisetzung schädlicher Gase beteiligt, die nicht nur wirtschaftliche Verluste verursachen, sondern auch gravierende negative Einflüsse auf Menschen und Umwelt haben. Die Gründe für Leckagen, also eine unerwünschte Undichtigkeit und damit einhergehende Freisetzung des Mediums in Industrieanlagen sind vielfältig: Verschleiß und Alterung von Komponenten, hohe mechanische Belastungen, Korrosion durch aggressive Substanzen, Betriebs- oder Montagefehler, Materialermüdung, Druck- und Temperaturschwankungen, falsche Materialwahl, Umweltbedingungen sowie mangelhafte Wartung und Überwachung.

Neben den negativen Einflüssen auf die Umwelt, haben Leckagen auch wirtschaftliche Beeinträchtigungen zur Folge. Undichte Anlagen verursachen häufig – neben dem erhöhten Verbrauch von Rohstoffen – auch einen erhöhten Energiebedarf, da aus Leckagen resultierende abfallende Druckniveaus durch zusätzliche Kompressionsarbeit kompensiert werden müssen Eine sorgfältige Planung, regelmäßige Wartung und Überwachung sowie der Einsatz hochwertiger Materialien, Komponenten und Armaturen sind entscheidend, um das Risiko von allgemeinen Leckagen in Industrieanlagen zu minimieren.

Leckage ist nicht gleich Leckage

Leckagen in Industrieanlagen können in innere und äußere Leckagen unterteilt werden. Äußere Leckagen treten an Verbindungsstellen oder Dichtungen auf und sind oftmals visuell oder auditiv wahrnehmbar. Sie können durch defekte Dichtungen, fehlerhafte Installation oder beschädigte Komponenten verursacht werden. Obwohl sie leichter zu erkennen sind, können äußere Leckagen dennoch hohe Auswirkungen auf die Gasemission einer Prozessanlage haben.

Innere Leckagen finden sich typischerweise innerhalb der Anlagenkomponenten, beispielsweise durch ein geschlossenes Ventil hindurch. Diese können durch die kontinuierliche Beanspruchung während des Betriebs verursacht werden und im Laufe der Zeit zu kleinen Rissen oder Undichtigkeiten führen. Korrosion ist ein weiterer bedeutender Faktor, insbesondere in Anlagen, die aggressiven Medien ausgesetzt sind. Darüber hinaus können Material- oder Herstellungsfehler zu Undichtigkeiten in den Anlagenkomponenten führen. Unsachgemäße Installation oder mangelnde Wartung können ebenfalls zu inneren Leckagen beitragen, indem sie die Lebensdauer der Anlagenkomponenten verkürzen oder die Performance beeinträchtigen.

Ein besonderes Augenmerk muss in diesem Kontext auf solche Armaturen gelegt werden, deren Funktion die Abschottung zu anderen (Teil-)Prozessanlagen oder der Umwelt darstellt. Dazu gehören Ventile, Hähne, Schieber oder Sicherheitsarmaturen, die Anlagen vor unzulässigen Überdruck schützen. Während die erstgenannten durch definierte manuelle oder automatische Systemoperationen gesteuert werden, ist die Funktion von Sicherheitsarmaturen, auch ohne menschlichen oder mechanischen Eingriff, dauerhaft gewährleistet. Im Falle eines unzulässigen Überdruck-Ereignisses sprechen die Sicherheitsarmaturen eigenständig an und entlasten das Prozessmedium kontrolliert in einen sicheren Bereich, um die Anlage, sowie die das Bedienpersonal zu schützen. Es kommt somit zu einer gezielten und definierten Freisetzung des Prozessmediums.

Aufgrund von drastischen Unfällen in Folge einer unkontrollierten Druckentlastung in der Vergangenheit, existieren schon seit einigen Jahrzehnten Industriestandards und Sicherheitsvorschriften, wie beispielsweise die Richtlinien der American Society of Mechanical Engineers (ASME) oder der European Pressure Equipment Directive (PED). Die Standards und Vorschriften definieren Grundanforderungen an die Herstellung und Installation von Druckentlastungsarmaturen. Im Normalbetrieb, d. h. abseits vom unzulässigen Überdruckszenarien, müssen diese Druckentlastungsarmaturen eine gewisse Dichtigkeit besitzen, um emissionsfrei zu arbeiten.

Berstscheibe versus Sicherheitsventil

Die am häufigsten verwendeten Druckentlastungsarmaturen sind Berstscheiben und Sicherheitsventile.

Berstscheiben sind kompakte dünne Metallscheiben oder Folien, die so entwickelt sind, dass sie bei einem definierten Druck öffnen und einen kontrollierten Druckabbau ermöglichen. Sie bieten eine schnelle Reaktion auf Druckspitzen und sind besonders effektiv in Situationen, in denen eine sofortige Entlastung erforderlich ist. Zu den Vorteilen von Berstscheiben gehören neben ihrer schnellen Reaktionszeit hohe Zuverlässigkeit, Wartungsfreiheit, großer Öffnungsquerschnitt, hohe Korrosionsbeständigkeit sowie absolute Dichtigkeit.

Sicherheitsventile hingegen sind im Vergleich zu Berstscheiben große mechanische Ventile, die bei Erreichen eines vordefinierten Druckgrenzwerts automatisch öffnen, um eine Druckentlastung zu ermöglichen. Daher haben Sie den Vorteil, dass sie nach erfolgter Druckentlastung wieder verschließen. Ein Nachteil von Sicherheitsventilen ist jedoch, dass sie im Vergleich zu Berstscheiben eine längere Reaktionszeit haben und daher nicht so schnell auf Druckspitzen reagieren können.

Insgesamt sind sowohl Berstscheiben als auch Sicherheitsventile wichtige Sicherheitsvorrichtungen in Industrieanlagen und bieten jeweils spezifische Vor- und Nachteile. Im Kontext der Emissionsreduzierung von Prozessanlagen sollte ein besonderes Augenmerk auf die innere Dichtigkeit der beiden Armaturen gelegt werden, da Druckentlastungseinrichtungen, ihrem Einsatzzweck entsprechend, eine Schnittstelle zu anderen Anlagenteilen, wie etwa Auffang- oder Nachbehandlungssystemen, oder der Umwelt darstellen.

Allgemein bekannt ist, dass Berstscheiben gegenüber Sicherheitsventilen eine wesentlich erhöhte innere Dichtigkeit aufweisen. Durchgeführte experimentelle Untersuchungen zeigen, dass die Unterschiede durchaus beachtlich sind. So wurden verschiedene Helium-Leckage-Tests mit einem Sicherheitsventil durchgeführt. Dazu wurde das Sicherheitsventil, welches einen Ansprechdruck von 3,2 bar hat, mit verschiedenen Vordrücken beaufschlagt und die resultierende Leckage detektiert. Im Anschluss daran, wurde dem Ventil eine Berstscheibe vorgeschaltet, um das Sicherheitsventil vom Prozess zu isolieren und die Messung erneut durchgeführt. So zeigen die beiden Diagramme links exemplarisch den ermittelten Verlauf der inneren Dichtigkeit eines Sicherheitsventils mit und ohne vorgeschaltete Berstscheibe.

Die Leckagerate beschreibt das Volumen eines spezifischen Mediums, das pro Zeiteinheit unter einem bestimmten Druck durch eine Leckage entweicht. Typischerweise wird sie in Einheiten wie mbar∙l/s angegeben. Eine Leckagerate von 1 mbar∙l/s ist gegeben, wenn in einem abgeschlossenen, evakuierten Behälter mit dem Volumen 1 Liter der Druck in 1 Sekunde um 1 Millibar ansteigt oder bei Überdruck im Behälter um 1 Millibar pro Sekunde abfällt. Für die Messung der Leckagerate werden in der Regel Prüfgase verwendet, die bestimmte Anforderungen erfüllen. Sie sollten mit der Umgebung verträglich sein, physikalisch und chemisch neutral und in der Luft nur in geringen Mengen vorhanden sein. Zudem sollten sie sowohl im Vakuum als auch in der Atmosphäre empfindlich nachweisbar sein.

Helium ist eines der am häufigsten verwendetes Gas für Dichtheitsprüfungen, da es diese Anforderungen in hohem Maße erfüllt. Es ist ungiftig, nicht korrosiv und kommt nur in sehr geringen Mengen in der Luft vor. Bei einem Helium-Leckage-Test wird die zu prüfende Einheit mit einem Helium-Leckdetektor und einer Vakuumpumpe verbunden und abgedichtet. Durch die Vakuumpumpe entsteht ein Unterdruck, der einen Differenzdruck von 1 bar erzeugt. Die Testeinheit wird dann mit Helium und definierten Vordrücken beaufschlagt. Kommt es zur inneren Leckage, gelangt Helium in die vakuumierte Testkammer. Der Detektor misst die Menge des durchströmenden Heliums und wandelt diese Messung in einen Wert für die Leckrate um.

Berstscheibe vor Sicherheitsventil – die Kombination macht’s

Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die innere Leckage eines älteren, schlecht gewarteten Sicherheitsventils mit steigendem Vordruck stetig über mehrere Größenordnungen exponentiell zunimmt. Dabei ist der Differenzdruck über dem Ventil noch weit von seinem Ansprechdruck (3,2 bar) entfernt. Wird dem Sicherheitsventil eine Berstscheibe vorgeschaltet, so lässt sich die Dichtigkeit über den gesamten vermessenen Druckbereich deutlich steigern. Bereits bei geringen Differenzdrücken ist die Dichtigkeit der Kombination um ein Vielfaches höher und verbleibt über den gesamten Messbereich auf einem konstant niedrigen Wert. Die logarithmische Auftragung macht den Unterschied deutlich. Ohne vorgeschaltete Berstscheibe werden schnell Leckageraten in der Größenordnung von 2·10^-2 mbar∙l/s erreicht. Durch Verwendung einer Berstscheibe lassen sich demnach unabhängig vom Vordruck höchste Dichtigkeiten im Bereich von 3·10^-8 mbar∙l/s erzielen.

Neben dem Dichtigkeitsaspekt sind die Vorteile der Kombination von Berstscheibe und Sicherheitsventil vielfältig und vor allem betriebswirtschaftlich sehr attraktiv. Mit dieser Kombination steht eine praktikable Option zur Erhöhung der Dichtigkeit sowohl für Neuanlagen als auch für die Nachrüstung bestehender Anlagen zur Verfügung, mit der die Anforderungen an dauerhafte Dichtigkeit erfüllt werden und zudem eine höchstmögliche Anlagenverfügbarkeit durch längere Wartungsintervalle erreicht wird. Die Berstscheibe verhindert innere Leckagen und dass das Sicherheitsventil in Kontakt mit dem Prozessmedium kommt. Dies trägt wesentlich zur Langlebigkeit der Sicherheitsarmatur sowie zur dauerhaften Verfügbarkeit der Anlage bei. Die Wartungskosten reduzieren sich so auf ein Minimum bei gleichzeitig höherer Betriebszeit und geringeren Stillstandzeiten. Auch dem „Zero-Emission“ Ziel kommt man mit dieser einfach umsetzbaren Lösung näher.

Langfristwirkung auf die Umwelt

Es ist wichtig anzumerken, dass die Implementierung von Berstscheiben nicht nur kurzfristige Vorteile in Bezug auf die Emissionsreduzierung bietet, sondern auch langfristige Auswirkungen auf die Umwelt hat. Durch die Minimierung von Gasleckagen und die effektive Kontrolle von Emissionen tragen Unternehmen dazu bei, die Umweltbelastung zu verringern und eine nachhaltigere Zukunft zu schaffen. Diese Investition in den Umweltschutz zahlt sich nicht nur für die Umwelt aus, sondern kann auch langfristig zu Kosteneinsparungen und einem positiven Image führen.

Insgesamt spielen Berstscheiben so eine entscheidende Rolle bei der Emissionsreduzierung und dem Umweltschutz in Industrieanlagen. Sie ermöglichen eine effektive Kontrolle von Gasemissionen und tragen somit dazu bei, Umweltschäden zu minimieren. Bei der Planung und Implementierung von Sicherheitssystemen sollten Betreiber daher die überlegene innere Dichtigkeit von Berstscheiben und die daraus resultierenden Umweltaspekte berücksichtigen. Letztendlich ist die Gewährleistung einer dichten Anlage nicht nur ein wirtschaftlicher Vorteil, sondern auch ein zentraler Aspekt des verantwortungsvollen und nachhaltigen Betreibens von Industrieanlagen.

Ungeachtet aller weiteren Vor- und Nachteile der einzelnen Druckentlastungsarmaturen lässt sich feststellen, dass Berstscheiben im Kontext des Umweltschutzes, wo immer möglich, entweder als alleinige Druckentlastungseinrichtung oder ein Sicherheitsventil ergänzend, Verwendung finden sollten.

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