Description: Gewinnung von gasförmigen Stickstoff durch Luftzerlegung nach dem Lindeverfahren. In dieser Prozeßeinheit wird die Stickstoffherstellung durch Luftzerlegung nach dem Niederdruckverfahren (Lindeverfahren) bilanziert. Bei diesem Verfahren werden aus der atmosphärischen Luft gleichzeitig deren drei wesentlichen Komponenten gewonnen: Stickstoff (N2, 75,5 Massen-%), Sauerstoff (O2, 23,1 Massen-%) und Argon (1,3 Massen-%). Nach der Abtrennung von Staubpartikeln wird die Luft auf ungefähr 6 bis 7 bar verdichtet und gleichzeitig abgekühlt. Dadurch werden Wasser, Kohlendioxid und hochsiedende Kohlenwasserstoffe abgetrennt. Danach wird die abgekühlte Luft in eine Doppelrektifikationssäule geführt, wo eine Zerlegung in Stickstoff und mittelreinen Sauerstoff erfolgt. In der zweiten Säule geschieht dann die Feintrennung in Stickstoff und Sauerstoff. Die Flüchtigkeit des Argons liegt etwa zwischen derjenigen von Stickstoff und Sauerstoff. Es reichert sich deshalb in der Zwischenzone an, wo es entnommen und in einer speziellen Rektifikationskolonne gereinigt wird. Der Trennung der Komponenten schließen sich Verflüssigungs- und Verdichtungsschritte an. Derzeit werden ungefähr 90 % der gesamten Produktion über das hier bilanzierte Niederdruckverfahren hergestellt (Sauerstoff 1996). Andere Verfahren wie PSA (pressure swing adsorption) oder das Membranverfahren werden hier nicht betrachtet. Die Jahresproduktion an Stickstoff (alle Verfahren) betrug 1989 in den USA ca. 27 Mio. t, in der BRD ca. 2,5 Mio. t und in Japan ca. 6,9 Mio. t. Im Durchschnitt werden 1,5 % des Stickstoffs in Stahlflaschen, 50,5 % in flüssiger Form und 48 % über Gasleitungen bereitgestellt (#2). Nach den Angaben in (Produktion 1992) wurden in Deutschland 1991 3,9 Mio. t und 1992 3,2 Mio. t Stickstoff hergestellt. Die Kennziffern in GEMIS stehen für die Produktion in Westeuropa in den 90er Jahren. Allokation: Bei dem Prozeß der Luftzerlegung fallen Stickstoff und Sauerstoff als Produkte an. Für die Herstellung von einer Tonne an Produkten (765 kg Stickstoff und 235 kg Sauerstoff) wird ein Input von 1014 kg atmosphärischer Luft benötigt. Der Prozeß liefert außerdem 13 kg Argon (dieses wird wegen seines geringen Massenanteils bei GEMIS nicht als Produkt gewertet) und ungefähr 0,5 kg CO2. Die den Prozeß der Luftzerlegung beschreibenden Gesamtdaten werden entsprechend dem Massenanteil der beiden Produkte N2 und O2 zu 3,264:1 aufgeteilt. Genese der Kennziffern Massenbilanz: Die Massenbilanz bei der Stickstoffherstellung wurde unter der Annahme eines Wirkungsgrades von 100 % bei der Luftzerlegung berechnet. Entsprechend der Zusammensetzung der Luft (in Massenanteilen) wird für die Herstellung von 1 t N2 eine Menge von 1324 kg Luft benötigt. Dabei fällt als weiteres Produkt 306 kg Sauerstoff (außerdem 17 kg Argon) an (siehe #1). Als nicht verwerteter Bestandteil der atmosphärischen Luft verbleiben 0,61 kg Kohlendioxid. Für GEMIS ergibt sich nach der Allokationsregel ein Wirkungsgrad von 98,66 % (Bedarf an Luft: 1014kg/t N2). Argon und Kohlendioxid werden nicht bilanziert. Energiebedarf: Nach #2 wird für die Luftzerlegung (Anlagenkapazität 10000 m3/h) eine Energiemenge von 0,15 kWh/m3 gasförmigen N2 benötigt. Bei einer kleineren Anlagenkapazität (1500 m3/h) ergibt sich ein Wert von 0,30 kWh/m3. Für die Verflüssigung des gewonnenen Stickstoffs wird zusätzliche Energie benötigt. Es wird ein Wert von 0,5 bis 0,6 kWh/m3 N2 angegeben. Rechnet man diese Werte über die Molmasse von N2 (28,014 g/mol) und das Molvolumen (22,4 l/mol) um, ergeben sich Werte von 0,4 GJ/t (Luftzerlegung, Anlagenkapazität 10000 m3/h) und 1,6 GJ/t N2 (Verflüssigung, Mittelwert aus den beiden Werten: 0,55 kWh/m3 N2). Diese Werte zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Daten aus #3, 2 MJ/kg N2, und #1, 1,75 MJ/kg N2 (Werte für Luftzerlegung und Verflüssigung). Bei (DOE 1985) wird nur die Luftzerlegung ohne Verflüssigung bilanziert. Es ergibt sich ein Bedarf an 687,2 btu elektrischer Energie für die Zerlegung von 4,322 lb atmosphärischer Luft. Umgerechnet auf die Herstellung von einer Tonne Stickstoff ergibt sich nach der Allokation in Kapitel 0.1.3 ein Wert von 0,37 GJ/t N2. Die Quellen #2 und #1 geben keine Energiegesamtwerte für die Zerlegung des gesamten Luftinputs, sondern bereits anteilige auf Stickstoff [bzw. #1 bilanziert für 1 kg O2] bezogene Werte an. Da die Angaben aus #2 am besten nachvollziehbar sind, werden diese für GEMIS verwendet. Prozeßbedingte Luftemissionen: Prozeßbedingte Luftemissionen bei der Luftzerlegung sind nicht bekannt. Da das beim Prozeß anfallende CO2 aus der eingesetzten Luft stammt, wird es nicht als Emission gewertet. Wasser: Der Wasserbedarf bei der Sauerstoffherstellung beschränkt sich auf die Verwendung von Kühlwasser. Quantitative Angaben hierüber liegen nicht vor. Auslastung: 5000h/a Brenn-/Einsatzstoff: Ressourcen gesicherte Leistung: 100% Jahr: 2000 Lebensdauer: 20a Leistung: 1000000t/h Nutzungsgrad: 98,7% Produkt: Grundstoffe-Chemie
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Comment: Kurzinfo: Datensatz aus GEMIS. Negative Werte durch Gutschriftenrechnung. GEMIS steht für “Globales Emissions-Modell Integrierter Systeme“; es ist ein Softwaretool des Öko-Instituts. GEMIS wurde 1987 erstmals angewendet und wird seitdem weiterentwickelt. Die GEMIS-Datensätze beruhen - je nach Anwendung - auf unterschiedlichen Methoden; auch der zeitliche und der örtliche Bezug der Datensätze sind verschieden. Methode bei Prozessen mit mehreren Outputs: Zur Modellierung der Datensätze zu Multi-Output Prozessen wird in GEMIS die Methode der Systemerweiterung verwendet. Hierbei werden Datensätze, in denen jeweils alle Inputs, alle Outputs und alle Umweltaspekte eines Multi-Output Prozesses ausgewiesen sind, als “Brutto“ bezeichnet. Durch Subtraktion von ‚Bonus’-Prozessen, die jeweils einen der Outputs auf herkömmliche Weise bereitstellen, entsteht ein Nettoprozess, in denen das substituierte Nebenprodukt als Gutschrift erscheint. Die Gutschrift ist dabei kein realer Output des Prozesses, sondern ein rechnerischer ‚Merker’. Beispiel: Multi-Output Prozess Biogas-BZ-MC-HKW-D-2020/brutto: Output ist 1 TJ Elektrizität und 0,6 TJ Wärme, der “Netto“-Datensatz soll sich aber nur auf die Elektrizität beziehen. Durch Subtraktion des Bonusprozesses Wärme-Bonus-Gas-Hzg-D-2020 mit dem Output Wärme(0,6 TJ) entsteht der “Netto“-Datensatz Biogas-BZ-MC-HKW-D-2020/Gas, für den als Output 1 TJ Elektrizität und 0,6 TJ ‚Gutschrift Wärme-Bonus-für-KWK (Bio)-2020 bei Wärme-Bonus-Gas-Hzg-D-2020’ angegeben werden; die Gutschrift stellt keinen Stoff- oder Energiefluss des Prozesses dar, sie ist allein rechnerisch begründet. Transport: Angaben zu den angesetzten Transportdistanzen werden nicht gegeben. Abschneidekriterien: Wasser wird in der Regel nur auf der Inputseite angegeben (etwa als Kühlwasser), auch wenn es den Prozess wieder verlässt als Abwasser. Weitere Angaben zu angewendeten Abschneidekriterien werden nicht gegeben. Besondere Nomenklatur: Zahlreiche Abkürzungen für Brennstoffe aus Biomasse und entsprechende Technologien. Besonderheiten auf Datensatzebene: Die Datensätze sind mit Vorketten-Datensätzen verknüpft, in denen die jeweils benötigten Vorprodukte, Energien und Transportleistungen erzeugt werden. Die Daten zu den Umweltaspekten werden erstens “direkt“ (d.h., nur aus dem jeweiligen Prozess, falls dieser direkt zu Umweltaspekten beiträgt) als auch “mit Vorkette“ (d.h., einschließlich aller vorausgehenden Prozesse) ausgewiesen. Negative Werte für Stoffflüsse kommen in GEMIS regelmäßig vor; sie entstehen durch die Anwendung von Systemerweiterung um Multi-Output Prozesse in Single Output Prozesse umzurechnen. Teilweise werden Aufwendungen für Produktionsmittel (Anlagen, Fahrzeuge etc.) aufgeführt (als Stoffflüsse im Input); diese sind jedoch nicht auf die funktionelle Einheit bezogen, sondern werden als absolute Werte angegeben; sie werden nur als Input und nicht als Output (Entsorgung der Betriebsmittel) angegeben. Die durch die Herstellung dieser Produktionsmittel verursachten Umweltaspekte sind dagegen über Leistung, jährliche Auslastung und Lebensdauer auf die funktionelle Einheit bezogen Weiterführende Hinweise und Literatur: #1: Fritsche, U.R., Schmidt, K.: Globales Emissions-Modell Integrierter Systeme (GEMIS), Version 4.2, Handbuch, Darmstadt, August 2004. #2: Fritsche, U.R., Schmidt, K.: Globales Emissions-Modell Integrierter Systeme (GEMIS), Version 4.1, Handbuch, Darmstadt, Darmstadt, Januar 2003. #3: Fritsche, U., et al.: Stoffstromanalyse zur nachhaltigen energetischen Nutzung von Biomasse, Verbundprojekt gefördert vom BMU im Rahmen des ZIP, Projektträger: FZ Jülich, Mai 2004, Anhangband zum Endbericht. #4: Fritsche, U., et al.: Umweltanalyse von Energie-, Transport- und Stoffsystemen: Gesamt-Emissions-Modell integrierter Systeme (GEMIS) Version 2.1 - erweiterter und aktualisierter Endbericht, U. Fritsche u.a., i.A. des Hessischen Ministeriums für Umwelt, Energie und Bundesangelegenheiten (HMUEB), veröffentlicht durch HMUEB, Wiesbaden 1995
Origin: /Bund/UBA/ProBas
Tags: Argon ? Luftstickstoff ? Elektrizität ? Kohlenwasserstoff ? Kühlwasser ? Sauerstoff ? Stickstoff ? Staub ? Japan ? USA ? Kohlendioxid ? Membranverfahren ? Luftemission ? Westeuropa ? Energie ? Energiebedarf ? Volatilität ? Wirkungsgrad ? Gasleitung ? Druckwechseladsorption ? Atmosphäre ? Kennzahl ? Wasserbedarf ? Mittelwert ? Herstellung von Industriegasen ? Herstellung von chemischen Erzeugnissen ? Herstellung von chemischen Grundstoffen ?
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