Stickstoff findet in zahlreichen Branchen vielfältige Anwendungen. Einer der Hauptgründe für die breite Einsatzmöglichkeit von N₂ – und zugleich einer seiner wichtigsten Vorteile – ist seine Eigenschaft als Inertgas. Aufgrund seiner Dreifachbindung ist Stickstoff sehr stabil und reagiert kaum mit anderen Elementen. Dadurch verhindert er jegliche Form von Oxidation (z. B. in der Elektronik- und Metallverarbeitung). Zudem ist Stickstoff farb- und geruchlos.
Diese Kombination von Eigenschaften macht Stickstoff zu einer wertvollen Ressource und zu einem unverzichtbaren Bestandteil zahlreicher industrieller Prozesse.Nachfolgend einige Branchen, in denen Stickstoff eine Schlüsselrolle spielt:
Pharmazeutische Industrie: Ersetzen einer gefährlichen oder unerwünschten Atmosphäre zur Erhöhung der Sicherheit oder Produktqualität, Aufrechterhaltung von Sterilität und Reinheit pharmazeutischer Produkte, Inertisierung aktiver und hochreiner pharmazeutischer Wirkstoffe während der Herstellung, Sauerstoffentzug zur Vermeidung schneller Oxidation und zur Brandunterdrückung, Sicherstellung einer inerten Atmosphäre in Impfstoffbehältern, Verpackung unter Schutzatmosphäre, Transfer von Reaktionsgemischen zwischen Behältern, …
Lebensmittelverpackung: Einsatz als nicht-chemisches Konservierungsmittel, Schutz von Nährstoffen, Verhinderung des Wachstums aerober Mikroorganismen, Erhalt der Produktintegrität und -qualität während des Transports, Auflockerung, Austausch des Kopfraums, Inertisierung von Prozessschritten zur Vermeidung unerwünschter Verbrennung, Schädlingsbekämpfung, Begasung, (chemische) Inertisierung, …
Getränkeindustrie: Konservierung und Transfer von Wein, CO₂-Ersatz (Brauereien), kontrolliertes Begasen von Flüssigkeiten, Bierausschank, Bierabfüllung und -verkapselung, Spülen von Tanks und Behältern,
Wärmebehandlung von Metallen: Verhinderung von Oxidation.
Produktion: Vielfältige Anwendungen, von Inertisierung und Spülung über Reinigung und Sterilisation bis hin zu Produkttransfer und Verpackung.
Labore: Atmosphärenkontrolle zur Sicherstellung von Prozessen und Ergebnissen.
Elektronik: Vermeidung von Kontamination bei der Herstellung von Transistoren, Schaltungen und Dioden.
Schweißen/Metallbearbeitung: Verhinderung der Bildung von Oxiden und unerwünschten Verbindungen.
Beleuchtung: Kostengünstige Alternative zu Argon bei der Lampenherstellung.
Öl & Gas: Inertisierung von Prozessen in der Ölraffination, Gastrennung, Erdgasentfeuchtung und Wasserstoffreinigung.
On-Board Inert Gas Generation Systems (OBIGGS): Inertisierung von Flugzeugtreibstofftanks während des Flugs.
Ammoniakproduktion: Rückgewinnung von Spülgasen.
Produkttransfer: Sicherer Transfer von flüssigen oder pulverförmigen Stoffen, die bei Kontakt mit Sauerstoff oder Wasserdampf gefährlich sein können.
Verpackung: Sauerstoffspülung zum Schutz und Erhalt des Produkts während des Transports.
Metallurgie: Verhinderung von Oxidation bei der Herstellung von Stahl und Legierungen.
Lackieren/Spritzlackierung: Erhöhung der Übertragungseffizienz, Verkürzung der Einbrennzeit, Vermeidung von Zwischentrocknungszeiten, Verbesserung der Oberflächenqualität, …
LC/MS: Entfernung von Lösungsmitteln zur Maximierung der Analysenempfindlichkeit und zur Vermeidung fehlerhafter Ergebnisse.
Kunststoffspritzguss: Verdrängung von Sauerstoff in der Form, um feuchtigkeitsbedingte Fehler zu vermeiden.
Reifenbefüllung: Minimierung des Risikos von Verbrennung und Korrosion, Erhöhung der Druckstabilität und Verlängerung der Lebensdauer der Reifen, …
Brand-/Explosionsschutz: Verhinderung von Bränden durch Schaffung einer sauerstoffarmen Atmosphäre, Vermeidung von Korrosion in Sprinkleranlagen, …
N₂ spielt in diesen und vielen weiteren Anwendungen nahezu aller Industriezweige eine zentrale Rolle. Allerdings wird nicht in jedem Fall exakt die gleiche Stickstoffqualität benötigt.Beispielsweise ist für viele Anwendungen im Glühprozess hochreiner Stickstoff erforderlich, während für den Brandschutz meist weniger reiner N₂ ausreicht.Daher sollte ein Stickstofferzeugungssystem zur Effizienzsteigerung und Kostensenkung so vielseitig sein wie das Gas selbst. Genau hier setzen die Lösungen von Atlas Copco an: Unabhängig von Ihrer Anwendung bieten wir nahezu immer eine passende Lösung.
Für die Stickstofferzeugung vor Ort stehen zwei unterschiedliche Technologien zur Verfügung: Membrantechnologie und Druckwechseladsorption (PSA).Beide Verfahren haben spezifische Vorteile, die sie für bestimmte Anwendungen besonders geeignet machen. Im Folgenden werden beide Technologien und deren Funktionsweise erläutert.Ziel beider Verfahren ist es, aus herkömmlicher Druckluft, die zu 78 % aus Stickstoff, 21 % aus Sauerstoff und 1 % aus anderen Gasen besteht, alle Bestandteile außer Stickstoff zu entfernen. Die Methoden zur Trennung unterscheiden sich jedoch.
Druckwechseladsorption (PSA): Bei diesem Verfahren werden Stickstoff und Sauerstoff durch Adsorption getrennt, indem Sauerstoffmoleküle an einem Kohlenstoffmolekularsieb gebunden werden. Ein PSA-Stickstoffgenerator besteht aus zwei separaten Druckbehältern. Während einer der Behälter Sauerstoff herausfiltert, regeneriert sich der andere, d. h. der gebundene Sauerstoff wird über ein Auslassventil entfernt.
Vorteile und Nachteile der Druckwechseladsorption
Mit dem PSA-Verfahren kann Stickstoff mit einer Reinheit von bis zu 99,999 % erzeugt werden. Zudem ist der Druckluftbedarf im Vergleich zur Membrantechnologie meist geringer, was die Betriebskosten reduziert. Diese beiden Faktoren sprechen für PSA als überlegene Technologie gegenüber der Membran. Allerdings benötigen die meisten Stickstoffanwendungen keine Reinheit von 99,999 %.
Damit das Verfahren zuverlässig funktioniert, ist für die Druckwechseladsorption eine sehr saubere und trockene Druckluft erforderlich.Membrantechnologie: In einem zylindrischen Metallgehäuse trennt eine Membran aus feinen, hohlen Polymerfasern Stickstoff passiv von der Druckluft. Dieses Verfahren, „Permeation“ genannt, beruht darauf, dass nicht alle Gase, Dämpfe und Verunreinigungen die Membranwand gleich gut durchdringen.
Wasserdampf beispielsweise diffundiert sehr schnell durch die Membran und kann gezielt abgeführt werden. Sauerstoff passiert die Membran ebenfalls relativ schnell, während Stickstoff deutlich langsamer hindurchtritt. Dadurch verbleibt N₂ in den Fasern, wenn Wasserdampf und Sauerstoff bereits entfernt wurden. Stickstoff ist somit das einzige Gas, das am Austritt zur Verfügung steht.
Zwar erreicht die Membrantechnologie nicht die extrem hohe Reinheit eines PSA-Generators, punktet jedoch in anderen Bereichen. Sie kann Wasserdampf in der Zuluft verarbeiten. Zudem lassen sich Membranstickstoffgeneratoren aufgrund ihrer kompakten Bauweise und des leisen Betriebs an vielen Standorten installieren.Durch das wartungsarme Design ohne bewegliche Teile und das einfache Funktionsprinzip sind diese Stickstoffgeneratoren besonders servicefreundlich.
Ein weiterer Vorteil: Membranstickstoffgeneratoren liefern prozessbedingt einen kontinuierlichen N₂-Fluss, während bei PSA-Anlagen für einen stabilen Durchfluss zusätzliche externe Tanks erforderlich sind. Außerdem sind Membransysteme modular erweiterbar und daher ideal für Unternehmen, die ihre Stickstoffproduktion flexibel ausbauen möchten.
MEMBRAN
PSA
Erreichbare Reinheit
Effizient bis zu 99,5 %
Effizient bis zu 99,999 %
Effizienz
Hoch
Höher
Leistung bei hohen Temperaturen
Besser bei hohen Temperaturen
Schlechter bei hohen Temperaturen
Systemkomplexität
Niedrig
Mittel
Wartungsaufwand
Sehr gering
Gering
Druckstabilität
Stabil ohne Zusatztank
Stabil mit Zusatztanks
Durchflussstabilität
Startgeschwindigkeit nach Abschaltung
Schnell
Empfindlichkeit gegenüber Wasserdampf
Gering (kein flüssiges Wasser zulässig)
Empfindlichkeit gegenüber Öl
Erlaubt (< 0,01 mg/m³)
Geräuschpegel
Gewicht
Nachdem die Funktionsweise und die jeweiligen Vor- und Nachteile erläutert wurden, stellt sich die Frage, welches Verfahren besser geeignet ist. Die Antwort: Es kommt auf die Anwendung an.
Letztlich hängt die optimale Technologie von der jeweiligen Stickstoffanwendung ab. In vielen Fällen erfüllen beide Technologien zuverlässig die Anforderungen und sind kostengünstiger als der Bezug von N₂ über externe Anbieter. Es gibt jedoch Anwendungen, in denen eine der beiden Lösungen klar im Vorteil ist.
Wenn höchste Reinheit gefordert ist, ist PSA die richtige Wahl. Muss der Stickstoffgenerator hingegen in einem Labor installiert werden, empfiehlt sich die geräuscharme Membrantechnologie.
Unternehmen, die sich für die Stickstofferzeugung vor Ort entscheiden, sollten daher ihre N₂-Anwendungen, den Stickstoffbedarf und die Betriebsumgebung sorgfältig analysieren, um die optimale Lösung zu wählen.
