Wiele procesów syntezy chemicznej musi być prowadzonych w atmosferze gazów obojętnych. Powody takiego stanu rzeczy są różne: począwszy od konieczności usunięcia lub ograniczenia ilości tlenu w procesie, w celu zwiększenia wydajności reakcji albo poprawienia jakości jej produktów, poprzez eliminację atmosfery wybuchowej z wnętrza aparatów, aż do konieczności odseparowania stosowanych w procesie związków od atmosfery naszej planety.

Najczęściej spotykanym gazem obojętnym w przemyśle jest azot, który w naturalny sposób występuje w powietrzu, skąd w łatwy sposób (lecz niekoniecznie tani) jest pozyskiwany m.in. na potrzeby przemysłu. Jego emisja do atmosfery (o ile nie jest zanieczyszczony) jest bezpieczna, czego nie możemy powiedzieć o innych gazach stosowanych do inertyzacji, jak np. tlenek węgla, który jest współodpowiedzialny za globalne ocieplenie.

Czy jednak azot, pomimo wspomnianych zalet, jest równie bezpieczny i obojętny dla naszego portfela, jak dla środowiska?

Stosowane w przemyśle układy inertyzacji pracują w oparciu o pomiar ciśnienia, pomiar stężenia lub ciągły przepływ czynnika inertnego. Ze względu na łatwość wykonania w praktyce największą popularnością cieszy się ostatnia z wymienionych metod.

Polega ona na podawaniu gazu obojętnego pod ciśnieniem wyższym (z reguły o 50–100%) od ciśnienia procesu w sposób ciągły. Nadmiar azotu oraz ewentualnych gazów powstałych w wyniku reakcji jest upuszczany z instalacji poprzez rurociąg wydechowy.

Rozwiązanie, w którym do instalacji podajemy większą ilość gazu obojętnego, aniżeli wymaga tego zasadniczy proces, pozwala nam w prosty sposób zabezpieczyć się przed niedoborem azotu w instalacji w chwili spadku objętości produktów lub ciśnienia procesu.

Jak się można spodziewać, opisana metoda wykorzystująca w gruncie rzeczy stały dopływ (i wypływ do atmosfery), który pozwala utrzymać ciśnienie w instalacji na względnie stałym poziomie, jest równie prosta w zastosowaniu i obsłudze, co kosztochłonna (wysokie zużycie azotu).

Zgodnie z logiką, jak i prawami ekonomii warto więc poszukać rozwiązania, które pozwoli ograniczyć ilość zużywanego czynnika inertnego – swoistego korka, który zatamuje nie tylko strumień azotu uciekającego do atmosfery, ale również strumień naszych pieniędzy, które lądują w przysłowiowym błocie.

Rozwiązaniem ograniczającym ciągłe straty azotu jest układ utrzymujący ciśnienie w instalacji na wymaganym przez proces poziomie, a w sytuacjach awaryjnych chroniący instalację przed jego nadmiernym spadkiem lub wzrostem. Omawiane poniżej rozwiązanie w przypadku gdy w procesie występują atmosfery wybuchowe, będzie również zabezpieczało instalację przed przedostaniem się płomienia z otoczenia do jej wnętrza w razie zastosowania dodatkowo przerywacza płomienia.

Inertyzację instalacji produkcyjnej możemy zrealizować na kilka sposobów – w zależności od stopnia jej złożoności i wymogów technicznych.

Najprostszym rozwiązaniem jest zamontowanie na końcu rurociągu upustowego końcowego dwukierunkowego zaworu oddechowego (tzn. działającego na nadciśnienie i podciśnienie), który umożliwi wydmuch gazów i oparów z instalacji do atmosfery.

Z kolei azot zostaje podany do reaktora lub zbiornika osobnym rurociągiem. Zawór oddechowy utrzymuje zadane nadciśnienie w instalacji (przykładowo dla azotu o ciśnieniu 10 mbarów zawór powinien mieć nastawę o min. 50% wyższą), chroniąc ją przed niekontrolowanym wypływem gazów i oparów. Jednocześnie w przypadku awaryjnym umożliwia zrzut nadmiaru gazu do atmosfery i zassanie powietrza z otoczenia, gdy zabraknie azotu lub wydajność źródła gazu obojętnego będzie niewystarczająca.

Jeśli mamy do czynienia z atmosferą wybuchową, to dodatkowym elementem chroniącym instalację będzie tu rurowy przerywacz płomienia deflagracji (dla odcinków rurociągów nieprzekraczających 50 średnic rurociągu od źródła zapłonu [IIA] oraz 30 średnic dla gazów sklasyfikowanych w grupach IIB oraz IIC) lub detonacji, gdy z pewnych względów konieczne jest umieszczenie przerywacza płomienia w znacznej odległości od źródła zapłonu (wylotu do atmosfery wyprowadzonego ponad dach obiektu).

Zalety tej metody to przede wszystkim prosta konstrukcja: jeden zawór na końcu wydmuchu plus jedna nitka rurociągu z przerywaczem płomienia typu in-line, utrzymanie hermetyzacji instalacji i brak strat azotu, a także ochrona instalacji przed niedopuszczalnym poziomem nad- i podciśnienia w sytuacji awaryjnej oraz przedostaniem się płomienia w przypadku zapłonu.

Wady opisanego powyżej rozwiązania to trudny dostęp w celach serwisowych do przerywacza płomienia, często umieszczonego wysoko pod dachem hali, skomplikowana procedura serwisowa dla przerywacza (konieczność demontażu jednostki filtra płomienia z rurociągu, choćby w celu kontroli wizualnej stopnia zanieczyszczenia) plus wymagany dostęp serwisowy do zaworu oddechowego (prace niebezpieczne na wysokości) oraz, co najważniejsze – w przypadku zablokowania przerywacza płomienia przez zanieczyszczenia – brak możliwości odprowadzenia nadmiaru gazów do atmosfery (przy nadciśnieniu) i wyrównania nadmiernego podciśnienia poprzez zassanie powietrza, gdy instalacja gazu inertnego zawiedzie.

Rozwiązaniem alternatywnym (wariant 2) do wyżej opisanego jest zastosowanie odmiennej konfiguracji: jako pierwszy element na instalacji stosujemy zawory osobne dla nad- i podciśnienia lub zawór oddechowy tzw. in -line (dwu lub trójkróćcowe realizujące wdech oraz wydech w jednym korpusie). Taka konfiguracja pozwala na umieszczenie zaworu w dogodnej lokalizacji pod kątem serwisu, zaś zabezpieczenie przed przedostaniem się płomienia zapewniają dwa końcowe przerywacze płomienia. Gaz obojętny podłączamy do instalacji osobnym przyłączem.

Tak skonfigurowany układ oddechowy zapewnia:

• hermetyzację instalacji – brak strat azotu;
• wydech do atmosfery, gdy parametry procesu przekroczą nastawę nadciśnienia;
• hermetyzację procesu – w pierwszej kolejności podciśnienie jest wyrównywane przez dopływający azot;
• awaryjne zassanie powietrza z atmosfery, gdy źródło azotu ma niewystarczającą wydajność lub nie działa;
• ochronę przed przedostaniem się płomienia przy wdechu i wydechu;
• bardzo prostą kontrolę stanu technicznego i ewentualny serwis końcowych przerywaczy płomienia.

Minusem jest konieczność zapewnienia dostępu w celach serwisowych do końcowych przerywaczy płomienia zainstalowanych na wydmuchach. Od tego ograniczenia nie ma ucieczki – niestety każdy rodzaj przerywacza płomienia wymaga okresowych kontroli i przeglądów, zaś typ przerywacza narzuca zakres prac i stopień ich komplikacji. Porównując wady i zalety obu rozwiązań pod kątem poprawnego doboru i problematyki tworzonej przez medium oraz lokalizację (dostępu do celów serwisu), dobór właściwego rozwiązania należy poddać dokładnej analizie.

Zestawiając oba warianty pod kątem wad i zalet (pomijając kwestie eksploatacyjne związane z inertyzacją), łatwo dostrzec, iż najbardziej problematycznym elementem układu będzie rurowy przerywacz płomienia z wariantu pierwszego ze względu na czynności serwisowe, jakich wymaga urządzenie tego typu. Pozostałe parametry dla obu wariantów zasadniczo nie odbiegają od siebie, jeśli chodzi o potencjalne straty azotu, i tak naprawdę od charakteru instalacji, jej uwarunkowań technicznych, będzie zależało, który z wariantów będzie bardziej optymalny.

Kolejnym kryterium, które różnicuje instalacje wymagające inertyzacji, jest objętość, jaką należy wypełnić gazem obojętnym. Pod rozwagę należy wziąć odpowiednie metody wytwarzania tegoż gazu:

• Instalacje małe o objętości wolnej przestrzeni w granicach 1 m³, gdzie wymiana azotu nie przekracza kilku razy na dobę – w takich sytuacjach jako źródło azotu najlepiej sprawdzą się baterie zbudowane z 50-litrowych butli z gazem pod ciśnieniem np. 200 atmosfer. Ze względu na stosunkowo niewielkie rozmiary instalacji procesowej możemy spodziewać się tylko nieznacznych ubytków gazu obojętnego, dlatego też użytkowanie opisanego wyżej układu nie jest uzasadnione ekonomicznie. W takich okolicznościach do podania gazu pod określonym ciśnieniem można zastosować prosty reduktor.
• Średnie i duże instalacje o objętości wolnej przestrzeni od kilku do kilkudziesięciu metrów sześciennych – w takich przypadkach prosta instalacja wykorzystująca baterie butli z azotem nie sprawdzi się.

Przeanalizujmy na przykład instalację z wolną przestrzenią, którą należy wypełnić azotem, wynoszącą 60 m³. Każdego dnia z instalacji ubywa 18 m³ produktu, który należy zastąpić azotem. W tym przypadku zużywalibyśmy około 10 butli na tydzień, co będzie generować szereg problemów związanych z obsługą takiego rozwiązania – wymianą pustych butli na pełne w czasie prowadzenia produkcji, koniecznością wydzielenia miejsca przechowywania butli będących pod wysokim ciśnieniem oraz kosztem wymiany samych butli (około 200,00 PLN netto za butlę).

Ze względu na powyższe dla instalacji o objętości znacząco większej niż 1 m3 lepiej od butli z gazem sprawdzi się stała instalacja zgazowania skroplonego azotu. Gaz jest dostarczany autocysterną w postaci ciekłej, następnie zostaje odparowywany i po sprężeniu lub zredukowaniu do odpowiedniego ciśnienia stosuje się go jako czynnik obojętny wspomagający proces chemiczny. Dla tego przypadku wykorzystanie urządzeń ograniczających niekontrolowany wypływ gazu do atmosfery ma uzasadnienie ekonomiczne, zaś przy małych instalacjach o niewielkiej objętości rzadko napełnianych i opróżnianych stosowanie „korka” nie znajdzie uzasadnienia.

Biorąc pod uwagę konstrukcję układu hermetyzacji, a zwłaszcza lokalizację przerywacza płomienia, z doświadczeń eksploatacyjnych wynika, iż dla mediów trudnych (polimeryzujących, oblepiających, z dużą zawartością kondensatu), czyli takich, które najczęściej wymagają zastosowania poduszki gazu obojętnego, dużo lepsze efekty osiągniemy, stosując wariant zapewniający, że wszystkie problemy tworzone przez medium są „utrzymywane” jak najdalej od wewnętrznych elementów przerywaczy płomienia.

Opisane przykłady konfiguracji układu hermetyzacji oraz metody wytworzenia gazu obojętnego stanowią jedynie zarys możliwości dostępnych obecnie na rynku, zaś wybór właściwej drogi zależy od charakteru procesu (częstotliwości wymian, objętości instalacji oraz charakterystyki medium i samego obiektu produkcyjnego), a dobór właściwego rozwiązania wymaga dużego doświadczenia i wiedzy pozwalających na uwzględnienie wszystkich elementów oraz ich wzajemnego oddziaływania na siebie. Nie jest to prosta sprawa i  nawet doświadczony projektant może mieć problem ze znalezieniem właściwego „korka” do naszej instalacji.

Źródło: Grupa Wolff