Gasanalysatoren zur Überprüfung der Reinheit von Ammoniak-Einsatzstoffen | Spuren von O₂, Feuchtigkeit und H₂

Schutz des Katalysators: 

Online-Gasanalysatoren zur Überprüfung der Reinheit von grünem Ammoniak als Ausgangsmaterial

Beim Übergang von der traditionellen, auf fossilen Brennstoffen basierenden Synthese zur umweltfreundlichen Ammoniakproduktion ist die Gewährleistung der absoluten Reinheit der Ausgangsgase – Wasserstoff (H₂) aus der Wasserelektrolyse und Stickstoff (N₂) aus einer Luftzerlegungsanlage (ASU) – die mit Abstand größte Herausforderung im Bereich der Messtechnik. Haber-Bosch-Katalysatoren auf Eisen- und Rutheniumbasis sind bekanntermaßen sehr empfindlich gegenüber sauerstoffhaltigen Verunreinigungen. Selbst Konzentrationen von Sauerstoff (O₂) oder Feuchtigkeit (H₂O) im Einsatzgas im Bereich von Teilen pro Million (ppm) führen zur Oxidation der aktiven Katalysatorstellen, was eine drastische Verringerung der Umwandlungseffizienz oder eine irreversible Deaktivierung des Katalysators zur Folge hat. Um kostspielige Stillstände zu vermeiden und die Anlagenstabilität zu gewährleisten, müssen Betreiber hochselektive, driftfreie Online-Gasanalysatoren in den Phasen der Rohstoffannahme und -mischung einsetzen. MZD Analytik bietet ein vierstufiges analytisches Schutzsystem an, das speziell darauf ausgelegt ist, die besonderen Herausforderungen feuchter, wasserstoffreicher Prozessströme zu bewältigen.

1. Überprüfung der Qualität von Rohwasserstoff: Die erste Verteidigungslinie

Bevor grüner Wasserstoff in die Mischphase der Synthese gelangt, müssen die Betreiber seine Gesamtqualität überprüfen, um die Leistung des Elektrolyseurs und die Prozesssicherheit zu gewährleisten.

Der Messpunkt: Überwachung von hochreinem Wasserstoff

• Die technische Herausforderung:

• Die herkömmliche Überwachung von hochreinem Wasserstoff (z. B. 99,5 % bis 99,99 %) erfolgt in der Regel mittels Online-Gaschromatographie (GC). GC-Geräte sind jedoch teuer, benötigen eine kontinuierliche Zufuhr von Trägergas, sind wartungsintensiv und weisen lange Reaktionszeiten auf.

• MZD-Lösung: Innovation Wasserstoff-Reinheitsanalysator

• MZD bietet eine revolutionäre und kostengünstige Alternative zur herkömmlichen Gaschromatographie (GC). Der Wasserstoffreinheitsanalysator verfügt über einen extrem engen Messbereich von 99,5–100 Vol.-% H₂. Er ermöglicht eine kontinuierliche Echtzeitüberwachung mit hoher Empfindlichkeit gegenüber geringsten Reinheitsschwankungen. Darüber hinaus kann er dank seiner Mehrkomponenten-Analysefunktion gleichzeitig H₂, O₂, N₂ und H₂O erfassen und fungiert somit als ultimative „Sicherheitsschranke“ für Wasserstoff-Rohstoffe.

2. Entfernung von Spuren von Sauerstoff aus dem Wasserstoffstrom

Wasserstoff, der mit alkalischen oder PEM-Elektrolyseuren erzeugt wird, enthält naturgemäß Spuren von Sauerstoff. Wird dies nicht streng kontrolliert, umgeht dieses O₂ die Deoxo-Reinigungsanlagen und vergiftet den Synthesekatalysator.

Messpunkt: Spuren von O₂ in H₂ (0–10 ppm / 0–1000 ppm)

• Die technischen Herausforderungen:

• Barometrische Drift: Eine Änderung des Umgebungsluftdrucks um 2–3 % verändert den Sauerstoffpartialdruck in Standardsensoren und führt zu massiven Fehlalarmen im Messbereich von 10 ppm.

• Wasserstoffabbau: 100 % reiner Wasserstoff wirkt als starkes Reduktionsmittel, das elektrochemische Standard-Blei-Säure-Sensoren rasch zersetzt und eine Basislinienverschiebung verursacht.

• KOH-Aerosol-Übertragung: Alkalische Elektrolyseure setzen häufig mikroskopisch kleine Kaliumhydroxid (KOH)-Nebel frei, die die Sensormembranen zerstören.

• MZD-Lösung: Galvanischer Spuren-Sauerstoffanalysator mit BaroSense™

• Aktiver Druckausgleich: Dank der BaroSense™-Technologie passt das Analysegerät seine elektronische Verstärkung dynamisch an den aktuellen Luftdruck an und verhindert so vollständig wetterbedingte Signalabweichungen.

• Wasserstoffbeständige Chemie: Nutzt eine spezielle saure Elektrolytchemie, die unempfindlich gegenüber Störungen durch Wasserstoff im Hintergrund ist und die Lebensdauer des Sensors im Vergleich zu Standardmodellen erheblich verlängert.

• Prozessvorbehandlung: Erhältlich mit Präzisions-Koaleszenzfiltern zum Abscheiden von KOH-Aerosolen und Flüssigkeitsmitnahme, bevor das Gas in die Analysenzelle gelangt.

3. Sichere Überwachung von Sauerstoff in großen Mengen im Stickstoffstrom

Stickstoff, der aus einer ASU stammt oder während der Inbetriebnahme bzw. Spülung der Anlage verwendet wird, erfordert eine kontinuierliche O₂-Überwachung, um sicherzustellen, dass die Explosionsgrenzen während des Mischens des Einsatzmaterials niemals überschritten werden.

Der Messpunkt: Kontinuierliche O₂-Überwachung (0–1 Vol.-% / 0–21 Vol.-%)

• Die technische Herausforderung:

• Paramagnetische Sauerstoffanalysatoren sind für die Standard-Stickstoffüberwachung oft überdimensioniert. Sie reagieren sehr empfindlich auf Feuchtigkeitskondensation und erfordern eine aufwendige Probenvorbereitung.

• MZD-Lösung: Optischer Sauerstoffanalysator (Fluoreszenzlöschung)

Für die Überwachung des Stickstoff-Einsatzmaterials und der Sicherheit wird der Einsatz eines optischen Festkörper-Sauerstoffanalysators dringend empfohlen.

• Keine Verbrauchsmaterialien: Dank der Fluoreszenzlöschungstechnologie enthält der optische Sensor keine Verschleißteile, wodurch eine Betriebsdauer von mehr als 5 Jahren gewährleistet ist.

• Unübertroffene Langlebigkeit: Von Natur aus beständig gegen Kondenswasser, Staub und korrosive Feuchtigkeit – was ihn für diesen speziellen Messpunkt zu einer weitaus robusteren und kostengünstigeren Wahl macht als paramagnetische Sensoren.

• Druckkompensation: Verfügt außerdem über eine integrierte Luftdruckkompensation für einen einwandfreien Betrieb im Freien oder bei schwankenden Lüftungsbedingungen.

4. Umfassende Feuchtigkeitskontrolle vor dem Synthesekreislauf

Feuchtigkeit wirkt vorübergehend als Katalysatorvergiftung. Jegliches H₂O, das an den Trockenmitteln vorbegelangt, belastet den Katalysator thermisch, da es sich im Hochtemperaturreaktor in Wasserdampf umwandelt.

Messpunkt: Spurenfeuchte im Mischgas (0–10 ppm)

• Die technische Herausforderung:

• Herkömmliche Taupunktmessgeräte auf Aluminiumoxidbasis (Kapazitätsmessung) leiden unter starken „Memory-Effekten“, wenn sie plötzlichen Feuchtigkeitsspitzen ausgesetzt sind. Bei Verunreinigungen durch Prozessöle oder Aerosole kommt es zu irreversiblen Abweichungen, sodass sie zur kostspieligen Neukalibrierung an den Hersteller zurückgeschickt werden müssen.

• MZD-Lösung: P₂O₅ elektrolytisch Spurenfeuchtigkeitsanalysator

• Absolute Messung: Basierend auf dem Faradayschen Gesetz der Elektrolyse liefert dieses Messgerät einen primären, absoluten Feuchtigkeitsmesswert. Es ist von Natur aus driftfrei und erfordert keine regelmäßige Werkskalibrierung.

• Waschbarer und regenerierbarer Sensor: Im Gegensatz zu empfindlichen Kapazitätssensoren lässt sich die P2O5-Sensorschicht problemlos mit reinem Wasser oder verdünnter Säure reinigen und direkt vom Anlagenpersonal vor Ort neu beschichten, wodurch die Betriebskosten drastisch gesenkt werden.

• Schnelle Rückstellung nach der Spülung: Ausgestattet mit einer Messzelle aus Quarz/Glas mit geringem Totvolumen, die beim Anfahren der Anlage ultraschnelle Rückstellzeiten von Umgebungsfeuchtigkeitswerten bis hinunter auf < 10 ppm ermöglicht.

Zusammenfassung: MZD-Analysematrix für Ausgangsmaterialien

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