Wie wird Sauerstoff industriell hergestellt? Ein umfassender Leitfaden für den Prozess

Die Frage der industriellen Aufbereitung von Sauerstoff ist von großer Bedeutung, da Sauerstoff in vielen Industriezweigen verwendet wird, u. a. im Gesundheitswesen, in der Fertigung, beim Schweißen und bei der Stromerzeugung. Der Prozess der industriellen Sauerstofferzeugung basiert auf der Extraktion und Reinigung von Sauerstoff aus der Luft, um dann bestimmte Anforderungen zu erfüllen. Dabei geht es nicht nur um die Abtrennung des Sauerstoffs, sondern auch um die Gewährleistung seiner Qualität, Reinheit und Effizienz.

In diesem Leitfaden werden wir die wichtigsten Techniken der industriellen Sauerstofferzeugung, die bei der Produktion auftretenden Schwierigkeiten und die zukunftsweisenden Technologien vorstellen. Am Ende dieses Artikels werden Sie in der Lage sein, alle Phasen der Sauerstofferzeugung zu verstehen.

Was ist industrielle Sauerstoffproduktion?

Unter industrieller Sauerstofferzeugung versteht man den Prozess der Gewinnung und Reinigung von Sauerstoff aus der Luft für den Bedarf der verschiedenen Industriezweige. Obwohl Sauerstoff in der atmosphärischen Luft der Erde in Form von etwa 21% vorhanden ist, kann er in den meisten industriellen Prozessen nicht als solcher verwendet werden. Dies erfordert in der Regel eine Methode zur Abtrennung des Sauerstoffs aus den anderen Elementen der Luft, deren Hauptbestandteil Stickstoff, Argon und andere Restgase sind, um die Reinheit und die richtige Menge an Sauerstoff zu erhalten.

Das Ziel der industriellen Sauerstoffproduktion besteht daher darin, Sauerstoff in den erforderlichen Mengen und mit einem geeigneten Reinheitsgrad für die Verwendung in verwandten Sektoren wie Medizin, Metallurgie, Chemie und Energie bereitzustellen. So muss medizinischer Sauerstoff, der in Krankenhäusern verwendet wird, einen höheren Reinheitsgrad als 99,5% aufweisen, während industrieller Sauerstoff für Schweiß- oder Verbrennungsprozesse keinen so hohen Reinheitsgrad erfordert.

Zu diesem Zweck werden in Sauerstoffproduktionsanlagen mehrere komplexe Systeme und Geräte eingesetzt. Zu den häufigsten Anlagen gehören:

Luftzerlegungsanlage (ASU): Dies ist das Herzstück vieler großer Sauerstoffproduktionsanlagen. ASUs nutzen Technologien wie die kryogene Destillation, um Luft zu kühlen und dann einzelne Gase zu isolieren. In der ASU kommen auch Coldboxen zum Einsatz, um das für die Verflüssigung der Luft erforderliche extrem niedrige Temperaturprofil aufrechtzuerhalten.

Kompressoren: Sie werden eingesetzt, um atmosphärische Luft zu verdichten, bevor sie in die einzelnen Bestandteile eines bestimmten Gases zerlegt werden. Diese Maschinen sind auch nützlich, um die Luft auf den für nachgeschaltete Funktionen wie Adsorption oder kryogene Destillation erforderlichen Druck zu bringen.

Adsorptionstürme (für PSA-Systeme): In Druckwechseladsorptionssystemen (PSA) müssen die Adsorptionstürme mit Materialien wie Zeolithen gefüllt werden, durch die die Stickstoffmoleküle selektiv adsorbiert werden, während der Sauerstoff frei bleibt.

Membransysteme: Für Anwendungen, bei denen kleinere Mengen oder eine geringere Reinheit des Sauerstoffs erforderlich sind, werden Membrantrennsysteme eingesetzt. Bei diesen Systemen werden Membranen verwendet, die selektiv für Sauerstoff sind und daher Sauerstoff vor anderen Gasen durchlassen.

Kryogenische Lagertanks: Vor allem flüssiger Sauerstoff wird nach seiner Erzeugung in kryogenen Tanks gelagert. In diesen Tanks herrschen sehr niedrige Temperaturen, die den Sauerstoff in seinem flüssigen Zustand halten, bis er für die Verwendung benötigt wird oder durch den Umwandlungsprozess in Gas gepumpt wird.

Die oben genannten Anlagen arbeiten zusammen, um zu gewährleisten, dass die Sauerstoffproduktion so effizient wie in der Industrie möglich ist. Die Entscheidung über diese Frage und die Wahl der Ausrüstung sowie des Verfahrens hängt von der Anwendung, für die sie bestimmt ist, vom Umfang der Produktion sowie vom erforderlichen Reinheitsgrad ab.

Daher ist die industrielle Produktion von Sauerstoff ein komplexes Projekt, das für die heutige Wirtschaft unverzichtbar ist. So kann die Industrie mit Hilfe modernster Technologien und Ausrüstungen die benötigte Sauerstoffmenge und -reinheit gewinnen und die erforderliche Produktionseffizienz erreichen.

Die wichtigsten Methoden der industriellen Sauerstoffproduktion

Die Sauerstoffproduktion in industriellem Maßstab stützt sich auf drei Hauptmethoden: kryogene Sauerstoffproduktion, Druckwechseladsorption (PSA) und Membrantrennung. Alle drei Verfahren haben ihre Besonderheiten und werden je nach Umfang, Reinheit und Kosten des benötigten Materials in der entsprechenden Weise eingesetzt.

Kryogene Sauerstoffproduktion: Nutzung des Verfahrens der Luftverflüssigung und Destillation zur Abtrennung von Sauerstoff

Die kryogene Sauerstofferzeugung ist aufgrund ihrer hohen Reinheit die gängigste Methode der Sauerstofferzeugung für die großtechnische Sauerstoffproduktion. Bei diesem Verfahren kommt die kryogene Destillation zum Einsatz, bei der die Luft bis unter ihren Verflüssigungspunkt abgekühlt wird. Bei diesen Temperaturen wird die Luft flüssig, und die verschiedenen Bestandteile der Luft können anhand ihrer Siedepunkte getrennt werden. So siedet beispielsweise Sauerstoff bei -183 Grad Celsius, während Stickstoff bei -196 Grad Celsius siedet.

Vor der Verflüssigung muss die Luft jedoch gereinigt werden, um Wasserdampf und andere Verunreinigungen wie CO₂ zu entfernen. Dieser Schritt ist wichtig, da bei kryogenen Bedingungen selbst eine kleine Menge Wasser oder CO₂ zu Eis oder festem CO₂ kondensiert, das die Anlage verstopft und den Trennungsprozess behindert. In diesem Stadium sind Molekularsiebe wie 4A und 13X sehr wichtig. Sie sind in der Lage, Wasser und CO₂ mit hoher Selektivität zu adsorbieren, und die Konzentrationen dieser Komponenten werden auf unter 1 ppm gesenkt. Molekularsiebe sind auch einzigartig in ihrer Fähigkeit, gleichzeitig Feuchtigkeit und CO₂ zu entfernen, und in ihrer Leistung während mehrerer Regenerationszyklen. Andere Trockenmittel wie Kieselgel und aktiviertes Aluminiumoxid können vor den Molekularsieben eingesetzt werden, um große Mengen an Feuchtigkeit zu bewältigen, aber sie können nicht mit der feinen und tiefen Trocknung mithalten, die die Molekularsiebe bieten, insbesondere bei kryogenen Anwendungen.

Nachdem die Luft getrocknet und gereinigt wurde, wird sie auf ihre Verflüssigungstemperatur abgekühlt und dann in eine Coldbox gepumpt. Hier trennen Destillationskolonnen den Sauerstoff von Stickstoff, Argon und anderen Nebenbestandteilen. Das Endprodukt ist hochreiner Flüssigsauerstoff, der als solcher verwendet oder verdampft werden kann, um in der medizinischen Sauerstoffversorgung, beim Schweißen und in der Stahlindustrie eingesetzt zu werden. Dieses Verfahren eignet sich besser für Anwendungen, bei denen Sauerstoff mit einer Reinheit von mehr als 99% benötigt wird, und für die Sauerstofferzeugung in großem Maßstab, was es zu einer grundlegenden Technologie für Branchen mit hohem Sauerstoffbedarf macht.

Die kryogene Sauerstofferzeugung ist jedoch nicht unproblematisch. Es ist schwierig, kryogene Temperaturen zu erreichen und aufrechtzuerhalten, und die dafür erforderlichen Kühlsysteme sind sehr energieaufwändig und teuer. Für Industrien, die einen großen und konstanten Sauerstoffbedarf haben, wie z. B. die Stahlindustrie, das Gasschweißen oder das Gesundheitswesen, ist diese Methode jedoch aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und ihrer Fähigkeit, große Mengen Sauerstoff zu produzieren, immer noch sehr nützlich.

Druckwechseladsorption (PSA)

Die Druckwechseladsorption (PSA) ist eine der effizientesten und wirtschaftlichsten Methoden zur Erzeugung von Sauerstoff. Dabei werden Materialien wie Zeolithe verwendet, um Stickstoff selektiv zu adsorbieren und gleichzeitig Sauerstoff durchzulassen. PSA-Systeme arbeiten bei vergleichsweise niedrigem Druck und eignen sich für die Sauerstoffproduktion vor Ort, insbesondere in Bereichen wie dem Gesundheitswesen, wo die Verfügbarkeit von Sauerstoff von entscheidender Bedeutung ist.

In PSA-Systemen strömt die Druckluft zunächst durch ein Adsorptionsmittel, das Stickstoff und andere Verunreinigungen wie CO₂ und Feuchtigkeit auffängt. Werden diese Verunreinigungen nicht behandelt, können sie die Effizienz und die Lebensdauer des Systems erheblich beeinträchtigen. Molekularsiebe wie 5A und 13X werden in diesem Prozess eingesetzt, da sie die wichtigsten Adsorbentien sind, die sowohl für die Stickstoffabscheidung als auch für die Tiefentrocknung verwendet werden. Molekularsiebe tragen dazu bei, die Leistung des Systems und die konstante Sauerstoffproduktion aufrechtzuerhalten, indem sie den Gehalt an Feuchtigkeit und CO₂ auf weniger als 1 ppm senken. Einige der Vorbehandlungsschritte umfassen Trocknungsmittel wie aktivierte Tonerde und Kieselgel, die die Feuchtigkeit abbauen und die Molekularsiebe schützen. Molekularsiebe sind jedoch absolut notwendig, um die für PSA-Operationen erforderliche Genauigkeit und Penetration zu erreichen.

Wenn der Druck im System abgelassen wird, wird der Stickstoff desorbiert und das Adsorptionsmittel ist für den nächsten Betriebszyklus bereit. PSA kann nicht den gleichen Reinheitsgrad wie die kryogene Destillation erreichen, aber sie kann Sauerstoff mit einer Reinheit von 90-95% erzeugen, was für Anwendungen wie Gasschweißen oder medizinische Zwecke ausreichend ist.

PSA ist außerdem skalierbar, was einer der größten Vorteile ist. Sie können für die Produktion in kleinem oder mittlerem Maßstab konzipiert werden und sind somit für Industrien erschwinglich, die nicht die großen Mengen benötigen, die in kryogenen Anlagen produziert werden. Allerdings muss das Adsorptionsmittel häufig regeneriert werden, um die hohe Effizienz und Wirksamkeit langfristig zu erhalten.

Vakuum-Druckwechseladsorption (VPSA)

VPSA ist eine Modifikation von PSA, die die Effizienz verbessert, da ein Vakuum verwendet wird, um Stickstoff während des Desorptionsprozesses zu entfernen. Dies senkt den Energieverbrauch und erhöht die Gesamtleistung des Systems, was VPSA zu einer kosteneffizienten Wahl für die Produktion von Sauerstoff mittlerer Reinheit bei höheren Durchflussraten macht. Es wird häufig in der Stahlproduktion, der Wasseraufbereitung und in Verbrennungssystemen eingesetzt.

Um einen stabilen Betrieb der VPSA-Systeme zu erreichen, muss die Luft frei von Feuchtigkeit und CO₂ sein, da diese Komponenten die Adsorptionsmittel schädigen oder die Leistung des Systems verringern können. 5A-, 13X- und fortschrittliche LiX-Molekularsiebe sind in diesem Prozess wichtig, insbesondere LiX-Molekularsiebe, die eine höhere Stickstoffadsorptionskapazität, eine bessere Wasser- und CO₂-Entfernungsleistung und eine bessere Stabilität unter hohem Druck und mehrfachen Regenerationsbedingungen aufweisen.

Die Vorbehandlung besteht in der Regel aus aktivierter Tonerde und Kieselgel, um die grobe Feuchtigkeit zu entfernen und die Arbeit der Molekularsiebe zu minimieren. Dennoch sind Molekularsiebe unerlässlich, um extrem niedrige Taupunkte zu erreichen und die Leistung von VPSA-Systemen langfristig zu erhalten. Während VPSA im Vergleich zu PSA geringere Energiekosten pro erzeugtem Sauerstoffvolumen aufweist, sind die Kapitalkosten aufgrund der Vakuumsysteme höher. In dieser Hinsicht ist VPSA am besten für Industrien geeignet, die sowohl eine hohe Effizienz als auch eine große Kapazität benötigen.

Membrantrennung: Extraktion von Sauerstoff durch die Permeabilität spezifischer Membranen

Die Membrantrennung ist eine relativ neue Technologie in der Sauerstoffproduktion. Dabei werden selektive Polymermembranen verwendet, die den Durchgang von Sauerstoffmolekülen und nicht von Stickstoffmolekülen ermöglichen, um einen konzentrierten Sauerstoffstrom zu erzeugen. Diese Methode ist klein, verbraucht wenig Energie und eignet sich für Anwendungen, die keine hohe Sauerstoffreinheit erfordern.

Membransysteme sind aufgrund ihrer Einfachheit und ihres geringen Wartungsaufwands besonders vorteilhaft für abgelegene oder mobile Anlagen. Aufgrund ihrer Flexibilität wird diese Methode beispielsweise in der Gasschweißindustrie oder in der chemischen Produktion eingesetzt. Da jedoch nicht derselbe Grad an Sauerstoffreinheit wie bei PSA- oder kryogenen Verfahren erreicht werden kann, ist der Einsatz dieser Technik auf moderate Anforderungen an die Sauerstoffreinheit beschränkt.

Bevor die Luft in die Membranen gelangt, muss sie entfeuchtet werden, um die besten Ergebnisse zu erzielen. Wasser und CO₂ können die Effizienz der Membranen verringern und die Lebensdauer des Systems verkürzen. Aktiviertes Aluminiumoxid wird in diesen Systemen als primäres Trocknungsmittel eingesetzt, um die Feuchtigkeit so weit zu entfernen, dass sie für die meisten Prozesse ausreicht. Für anspruchsvollere Anwendungen, bei denen eine tiefere Trocknung oder die Entfernung von CO₂ erforderlich ist, werden Molekularsiebe aufgrund ihrer höheren Adsorptionskapazität eingesetzt. Molekularsiebe des Typs 4A oder 13X können Feuchtigkeit und CO₂ bis zu einem sehr hohen Grad entfernen. Dadurch sind die Membranen gut geschützt und das System kann unter hohen Arbeitsbedingungen stabil arbeiten. Kieselgel wird seltener eingesetzt, aber manchmal wird es in der ersten Stufe verwendet, um den größten Teil der Feuchtigkeit zu entfernen und die Arbeit von aktiviertem Aluminiumoxid und Molekularsieben zu verringern.

Mit der Membrantrennung kann zwar nicht der gleiche Reinheitsgrad wie mit PSA- oder kryogenen Verfahren erreicht werden, aber aufgrund des geringen Energieverbrauchs, der Kompaktheit und der Einfachheit der Methode eignet sie sich für Anwendungen, bei denen ein moderater Sauerstoffreinheitsgrad ausreicht.

Schlussfolgerung

Bei der industriellen Sauerstoffproduktion kommen verschiedene, auf den jeweiligen Bedarf zugeschnittene Verfahren zum Einsatz: Kryodestillation für hochreinen Sauerstoff, Druckwechseladsorption (PSA) und Vakuumdruckwechseladsorption (VPSA) für mittelreine Lösungen und Membrantrennung für kompakte Lösungen mittlerer Reinheit. Bei all diesen Verfahren ist eine Lufttrocknung unerlässlich, weshalb Molekularsiebe von großer Bedeutung sind. Dies liegt daran, dass sie eine höhere Kapazität zur Adsorption von Feuchtigkeit und CO₂ haben und somit die Zuverlässigkeit und Effizienz des Systems verbessern. Aufgrund ihrer Genauigkeit, Robustheit und Vielseitigkeit sind Molekularsiebe nach wie vor ein unverzichtbarer Bestandteil der modernen Sauerstoffproduktion und helfen verschiedenen Branchen, zuverlässige Ergebnisse zu erzielen.

Wie Jalon Molekularsiebe eine effiziente und zuverlässige Sauerstoffproduktion unterstützen

Jalon ist seit mehr als 20 Jahren in der Molekularsiebherstellung tätig, hat 112 Patente angemeldet und exportiert seine Produkte in 86 Länder. Wir sind nach ISO 9001 und ISO 14001 zertifiziert und garantieren unseren Kunden die Qualität, Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit unserer Produkte.

Neben den herkömmlichen Molekularsieben hat Jalon verbesserte Produkte für die Verbesserung der industriellen Sauerstofferzeugung entwickelt. Die neue Generation unserer Molekularsiebe, JLOX-500 und JLOX-103, erhöhen die Stickstoffadsorption und die Selektivität von Stickstoff gegenüber Sauerstoff. Dies garantiert eine höhere Sauerstoffausbeute, was ideal für industrielle PSA- und VPSA-Sauerstoffproduktionssysteme ist.

Unterstützt durch ein modernes Forschungs- und Entwicklungslabor mit einer Investition von 14,5 Millionen RMB, garantiert Jalon eine ständige Verbesserung der Produktleistung. Ob für die medizinische Anwendung oder für die industrielle Gastrennung, Jalon Molekularsiebe bieten zuverlässige und effektive Lösungen für die Anforderungen der modernen Sauerstoffproduktion.

Mögliche Probleme und Lösungen in der industriellen Sauerstoffproduktion

Es gibt mehrere Probleme, die mit der industriellen Sauerstoffproduktion verbunden sind. Diese Herausforderungen können in vier Hauptbereiche eingeteilt werden: Energieverbrauch, Reinheit, Betrieb sowie Lagerung und Transport.

Energieverbrauch

Die üblicherweise eingesetzte kryogene Destillation benötigt viel Energie, um die Luft zur Verflüssigung auf unter -183 °C abzukühlen. Als Reaktion darauf suchen die Hersteller nach Möglichkeiten, energieeffiziente Kühltechniken einzusetzen und erneuerbare Energien in die Produktionsprozesse einzubeziehen.

Reinheitspflege

Kohlendioxid, Wasser oder Argon können den Sauerstoff verunreinigen, was für Anwendungen, die ein hohes Maß an Sauerstoffreinheit erfordern, wie z. B. in Gesundheitseinrichtungen, nicht gut ist. Hocheffiziente Trocknungssysteme wie Molekularsiebe und kontinuierliche Überwachung und Filtration garantieren, dass der gelieferte Sauerstoff die richtige Qualität hat.

Operative Kontinuität

Bei PSA-Systemen muss das Adsorptionsmittel in regelmäßigen Abständen regeneriert werden, was zu Produktionsausfällen führt. Doppelte Systeme und fortschrittliche Adsorptionsmittel, darunter Molekularsiebe mit hoher Kapazität, reduzieren die Ausfallzeiten der Anlagen und erhöhen die Produktivität.

Lagerung und Transport

Die Lagerung und der Transport von Sauerstoff erfordern außerdem spezielle Behälter wie Hochdruckflaschen oder Kryotanks, die häufig überprüft werden müssen. Fortschritte bei leichten und robusten Speichermedien und der Sauerstofferzeugung vor Ort beseitigen die Probleme des Lieferkettenmanagements.

Trotz dieser Herausforderungen kann die industrielle Sauerstoffproduktion mit Hilfe moderner Technologien und effektiver Verfahren die Bedürfnisse der verschiedenen Branchen erfüllen.

Neue Technologien und Innovationen in der industriellen Sauerstoffproduktion

Die Zukunft der industriellen Sauerstoffproduktion liegt in der Innovation, wobei versucht wird, die Prozesse effizienter, nachhaltiger und kostengünstiger zu gestalten. Neue Entwicklungen bei der kryogenen Destillation zielen auf den Energieverbrauch ab, der einer der größten Kostenfaktoren ist. Es werden neue Kühltechnologien entwickelt, um den Energiebedarf für das Erreichen von Tiefsttemperaturen unter -183°C zu senken und so die Effizienz der großtechnischen Sauerstoffproduktion zu verbessern.

In der PSA-Technologie werden neue und bessere Adsorptionsmaterialien wie Molekularsiebe entwickelt, um die Stickstoffadsorption und die Sauerstoffselektivität zu verbessern. Diese Materialien erhöhen den Sauerstoffausstoß, verlängern die Lebensdauer der Systeme und senken die Wartungskosten. Es wird auch versucht, eine Kombination aus PSA und kryogenen Techniken einzusetzen, um eine hohe Reinheit und relativ niedrige Betriebskosten zu erzielen.

Neue KI-basierte Überwachungslösungen verändern bereits die Sauerstoffproduktionsindustrie, indem sie Datenanalyse in Echtzeit und vorausschauende Wartung ermöglichen. Solche Systeme verringern den Abfall, garantieren das erforderliche Leistungsniveau und tragen zu den Umweltzielen bei.

Schließlich erweitert die Entwicklung der Membrantrenntechnologie die Möglichkeiten der Sauerstofferzeugung. Diese Systeme sind klein und energieeffizient, so dass sie sich für Industrien eignen, die kleine Systeme zu vernünftigen Preisen benötigen.

Durch die Verbesserung der derzeitigen Technologien und die Entwicklung neuer Methoden zur Herstellung von Industriesauerstoff wird die Welt auf effizientere und nachhaltigere Weise mit dem Gas versorgt.