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Temporärer Stickstoff: Lösungen und Technologien

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Wussten Sie, dass die Luft um uns herum überwiegend aus Stickstoff besteht? Wir alle benötigen Sauerstoff, um zu überleben. Die Luft, die wir atmen, besteht jedoch zu 78 % aus Stickstoff und nur zu 21 % aus Sauerstoff sowie aus winzigen Mengen anderer Gase. Der menschliche Körper nutzt diesen Stickstoff nicht, er ist jedoch sehr hilfreich bei verschiedenen industriellen Anwendungen.

Was ist Stickstoff?

Beginnen wir mit den Grundlagen. Stickstoff ist ein inertes Gas, das geruchlos und farblos ist und in dem man nicht überleben kann. Er ist jedoch wichtig für das Pflanzenwachstum und ein wichtiger Bestandteil von Düngemitteln. Die Anwendung reicht weit über Ihren Garten hinaus. Stickstoff tritt in der Regel in flüssiger oder gasförmiger Form auf (obwohl es auch möglich ist, festen Stickstoff zu erzeugen). Flüssigstickstoff wird als Kältemittel verwendet, mit dem Lebensmittel sowie Proben in der medizinischen Forschung und in der Fortpflanzungstechnologie schnell eingefroren werden können. Im Sinne dieser Erklärung beziehen wir uns hier auf gasförmigen Stickstoff.

Stickstoff wird bei vielen Anwendungen eingesetzt, vor allem aufgrund der Tatsache, dass er nicht mit anderen Gasen reagiert, im Gegensatz zu Sauerstoff, der sehr reaktiv ist. Aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung benötigen Stickstoffatome mehr Energie, um aufgebrochen zu werden und mit anderen Substanzen zu reagieren. Sauerstoffmoleküle hingegen lassen sich leichter auseinanderbrechen, wodurch das Gas viel reaktiver ist. Stickstoffgas tut das Gegenteil und ermöglicht bei Bedarf nicht-reaktive Umgebungen.

Die niedrige Reaktivität von Stickstoff ist sein größter Vorteil. Daher wird das Gas genutzt, um langsame und schnelle Oxidationen zu verhindern. Die Elektronikindustrie ist ein perfektes Beispiel für diese Verwendung, da bei der Produktion von Leiterplatten und anderen kleinen Bauteilen eine langsame Oxidation in Form von Korrosion auftreten kann.

Die langsame Oxidation kommt auch in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie vor. Dort wird Stickstoff verwendet, um Luft zu verdrängen oder zu ersetzen und das Endprodukt besser zu konservieren. Explosionen und Brände sind ein passendes Beispiel für schnelle Oxidationen, da sie mit Sauerstoff gespeist werden müssen. Die Verdrängung des Sauerstoffs aus einem Behälter mithilfe von Stickstoff verringert die Wahrscheinlichkeit, dass derartige Unglücke auftreten.

Temporäre Stickstofflösungen

Wenn Sie eine temporäre Versorgung mit Stickstoff benötigen, ist es von Vorteil, Geräte zu mieten und mit Druckluft den eigenen Stickstoff vor Ort zu erzeugen. Dies ermöglicht eine vollständige Regelung von Menge, Druck und Reinheit für die jeweilige Anwendung.

In unserer Flotte gibt es zwei Arten von Stickstoffgeneratoren:
  • Stickstoff-Membran-Generatoren
  • Druckwechseladsorptions-Stickstoffgeneratoren
Atlas Copco Rental bietet nicht nur Komplettlösungen für den Betrieb an Land an, sondern auch Stickstoffgeneratoren für Offshore-Anwendungen. Diese verfügen über die gleiche Qualität und Zuverlässigkeit, aber über zusätzliche Sicherheitsfunktionen für den Einsatz auf See. Begrenzte Stellfläche? Kein Problem. Wir haben sogar Membran-Stickstoffgeneratoren und -kompressoren im Angebot, die mit DVN 2.7-1-zugelassenem Hubrahmen in einem 20-Fuß-Container verbaut sind.

Wie funktioniert die Membrantechnologie?

Membran-Stickstoffgeneratoren basieren auf einem einfachen Funktionsprinzip. Der Hauptteil eines Membrangenerators ist das Membranmodul (mit ca. 10 cm Durchmesser), das mit kleinen, hohlen Polymerfasern gefüllt ist. Zunächst dringt trockene, saubere Druckluft ein, und aufgrund der Struktur der Fasern dringen Teile der Luft in die Außenseite der Faser ein. Dieser Prozess wird als Permeation bezeichnet. Während dieses Prozesses treten Wasser, Sauerstoff und ein Teil des Argons durch die Membranseiten der Fasern aus. Am Ende bleibt nur Stickstoff erhalten. Dies ist möglich, da die Permeation bei verschiedenen Molekülen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit verläuft.

H2O dringt sehr schnell ein, Sauerstoff braucht etwas länger. Die Permeation von Argon und Stickstoff verläuft ziemlich langsam, d. h. sie sind noch lange in den Fasern vorhanden, nachdem das H2O und der Sauerstoff bereits verschwunden sind. (Ein Teil des Argons dringt ebenfalls durch, aber es wäre ineffizient, ihn vollständig aus dem Luftstrom zu entfernen.)

Aufgrund der Permeation durch die Faserwand würde ein Überdruck im Membrangehäuse auftreten. Die Fasern würden verstopfen, und die Permeationseffizienz würde erheblich sinken. Um dies zu verhindern, befindet sich eine Öffnung im Gehäuse, der sogenannte Permeat-Ablass, durch den diese „Abgase“ (einschließlich H2O, Sauerstoff und Argon) austreten.

Wie funktioniert die Druckwechseladsorption?

Bei der Erzeugung Ihres eigenen Stickstoffs ist es wichtig, den gewünschten Reinheitsgrad zu kennen und zu bestimmen. Einige Anwendungen erfordern niedrigere Reinheitsgrade (zwischen 90 und 99 %), beispielsweise für Reifenbefüllungen und den Brandschutz, während andere, wie Anwendungen in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie oder bei Kunststoffformteilen, hohe Grade erfordern (97 bis 99,999 %). In solchen Fällen ist die PSA-Technologie der beste und einfachste Weg. Im Wesentlichen funktioniert ein Stickstoffgenerator so, dass er die Stickstoffmoleküle von den Sauerstoffmolekülen in der Druckluft trennt. Die Druckwechseladsorption erfolgt durch Ausleitung des Sauerstoffs aus dem Druckluftstrom mithilfe von Adsorption.

Adsorption findet statt, wenn die Moleküle sich an ein Adsorptionsmittel binden, in diesem Fall die Sauerstoffmoleküle an ein Kohlenstoffmolekularsieb (Carbon Molecular Sieve, CMS). Dies geschieht in zwei separaten Druckbehältern, die jeweils mit einem CMS gefüllt sind und die sich abwechselnd im Trennungsprozess und im Regenerierungsprozess befinden. Nennen wir diese vorläufig Turm A und Turm B. Zunächst tritt saubere und trockene Druckluft in Turm A ein, und da die Sauerstoffmoleküle kleiner als die Stickstoffmoleküle sind, dringen sie in die Poren des Kohlenstoffmolekularsiebs ein. Die Stickstoffmoleküle dagegen passen nicht in die Poren, sodass sie am Kohlenstoffmolekularsieb vorbeiströmen. Das Ergebnis ist Stickstoff der gewünschten Reinheit.

Diese Phase wird als Adsorptions- oder Trennungsphase bezeichnet. Das ist jedoch noch nicht alles. Der Großteil des in Turm A erzeugten Stickstoffs verlässt die Anlage und kann direkt verwendet oder eingelagert werden. Ein kleiner Teil des erzeugten Stickstoffs strömt aber in umgekehrter Richtung in Turm B (von oben nach unten). Diese Strömung ist erforderlich, um den Sauerstoff zu verdrängen, der sich in der vorherigen Adsorptionsphase in Turm B angesammelt hat. Durch Entlastung des Drucks in Turm B verlieren die Kohlenstoffmolekularsiebe ihre Fähigkeit, die Sauerstoffmoleküle zurückzuhalten. Diese lösen sich von den Sieben und werden durch die geringe Stickstoffströmung von Turm A ausgeleitet.

Damit schafft die Anlage Raum für neue Sauerstoffmoleküle, die sich in der nächsten Adsorptionsphase an den Sieben anlagern können. Wir bezeichnen diesen „Reinigungsprozess“ auch als Regeneration eines sauerstoffgesättigten Turms.

Möchten Sie mehr über unsere Stickstofflösungen für Land- oder Offshore-Anwendungen erfahren?