Effektive Techniken zur Entfernung von Stickstoff aus der Luft

Einleitung: Die Bedeutung von Stickstoff in der Industrie

Das ist die Macht des Stickstoffs, der aufgrund seiner Trägheit eine grundlegende Ressource in verschiedenen Branchen ist. Das verarbeitende Gewerbe ist in hohem Maße auf Stickstoff angewiesen, und dies gilt für verschiedene Bereiche wie Landwirtschaft, Pharmazie und andere. Industrien, die wissen, wie man Stickstoff effizient aus der Luft entfernt, können reines Stickstoffgas erzeugen. Ammoniakproduktion, chemische Prozesse, Lebensmittelverpackung und Pharmazeutika sind einige der Anwendungen, in denen dieser reine Stickstoff benötigt wird.

Die meisten kontrollierten Umgebungen, die in verschiedenen Produktionsumgebungen verwendet werden, könnten ohne reinen Stickstoff aus der atmosphärischen Luft nicht realisiert werden. Bei der Isolierung von Stickstoff geht es nicht nur darum, ihn von anderen Gasen zu trennen, sondern auch um die Trennung von Sauerstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf und anderen. Diese Trennung gewährleistet, dass bei allen industriellen Anwendungen die höchsten Qualitäts- und Sicherheitsstandards eingehalten werden können. In jüngster Zeit haben sich die Möglichkeiten zur Entfernung von Stickstoff aus der Luft aufgrund der gestiegenen industriellen Anforderungen erheblich verbessert. In diesem Artikel werden die wichtigsten Methoden zur Stickstoffentfernung erläutert, damit Sie auf der Grundlage Ihrer spezifischen Anforderungen fundierte Entscheidungen treffen können.

Überblick über die Stickstoffextraktionsmethoden

Seit langem sind die fraktionierte Destillation und andere traditionelle Stickstoffextraktionsverfahren die am häufigsten verwendeten und hochwirksamen Verfahren zur Herstellung von hochreinem Stickstoff. Die Fraktionierung ist kompliziert und besteht aus mehreren Schritten: Zunächst wird atmosphärische Luft abgekühlt, bis sie sich verflüssigt. In einer Destillationskolonne wird diese flüssige Luft dann sanft erhitzt, woraufhin sich die Gase auf der Grundlage ihrer Siedepunkte trennen. Stickstoff, der bei -195,8 °C siedet, verdampft schneller als Sauerstoff, der bei -183 °C siedet. Diese detaillierte Temperaturregelung ermöglicht eine effiziente Isolierung von Stickstoff.

Die fraktionierte Destillation hat trotz ihrer hohen Effektivität deutliche Nachteile. Dieses Verfahren ist stark von der Elektrizität abhängig, da es viel Strom benötigt, um die extrem niedrigen Temperaturen aufrechtzuerhalten, die für die Verflüssigung der Luft erforderlich sind, was zu hohen Betriebskosten führt. Darüber hinaus ist die Einrichtung und Wartung von Anlagen zur fraktionierten Destillation komplex und teuer, so dass sie für kleine Betriebe weniger erschwinglich sind.

Energieeffizienz und Kosteneffizienz sind die wichtigsten Vorteile der jüngsten technologischen Fortschritte. Manchmal benötigen PSA-Systeme einen geringeren Energieverbrauch, weil sie vor Ort installiert werden können, was Logistikkosten spart und flexibel ist Membransysteme haben sich noch weiter vereinfacht, so dass sie sehr wartungsarm sind und sich leicht erweitern lassen Mit diesen Techniken wird zwar nicht der ultrahohe Reinheitsgrad erreicht, der mit der fraktionierten Destillation erzielt werden kann, aber viele industrielle Anwendungen profitieren davon, so dass sie sich für Unternehmen eignen, die ihre Stickstoffproduktion optimieren wollen

Kryogenische Destillation

Prozess Erläuterung

Bei diesem fortschrittlichen Verfahren der fraktionierten Destillation handelt es sich um die kryogene Destillation, die oft als der Goldstandard für die Gastrennung bezeichnet wird. Bei diesem Verfahren wird atmosphärische Luft bis auf -196 °C abgekühlt und schließlich verflüssigt. Die flüssige Luft wird dann vorsichtig erhitzt, so dass sie allmählich ihren Siedepunkt erreicht, was zu einer dramatischen Veränderung führt, da sich Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und andere inerte Gase wie Argon weiter abscheiden. Die gesamte Methode beruht jedoch auf dem Unterschied der Siedepunkte von Stickstoff (-195,8 °C) und Sauerstoff (-183 °C). Ein hoher Reinheitsgrad kann erreicht werden, indem zunächst flüssiger Stickstoff extrahiert und dann weiter gereinigt wird, um Verunreinigungen zu entfernen.

Es sei darauf hingewiesen, dass durch kryogene Destillation hochreiner Stickstoff mit einer Reinheit von 99,999% erzeugt werden kann, was vor allem in Branchen nützlich ist, in denen die Gasreinheit sakrosankt ist. Darüber hinaus kann diese Strategie auch angewandt werden, um die effektive Herstellung anderer Gase wie Sauerstoff und Argon zu verbessern, die als wertvolle Produkte dieser Technik dienen könnten. Es wurden zahlreiche Studien durchgeführt, um die Effizienz dieses Verfahrens zu verbessern. Allerdings verbraucht diese Methode mehr Energie als alle anderen Alternativen und erfordert komplizierte Maschinen und eine umfangreiche Wartung, die die Betriebskosten erheblich in die Höhe treiben. Auch hier kann das für die Errichtung einer kryogenen Destillationsanlage erforderliche Anfangskapital sehr hoch sein, so dass dieses Verfahren für kleine Unternehmen in bestimmten Fällen nicht praktikabel ist. Außerdem korrodieren und verschleißen sie leicht, was die Lebensdauer und Effektivität solcher Geräte verringert.

Industrielle Anwendungen

Die kryogene Destillation wird vor allem in Branchen eingesetzt, die hochreinen Stickstoff benötigen. Sie ist die bevorzugte Methode zur Herstellung von Stickstoff für die Halbleiterindustrie, für medizinische Gase und für Spezialchemikalien. Hochreiner Stickstoff ist in diesen Bereichen unerlässlich, um Verunreinigungen zu vermeiden und die Produktqualität und -sicherheit zu gewährleisten. Im Wesentlichen eignet sich diese Technik am besten für Großbetriebe, die die hohen Investitions- und Betriebskosten rechtfertigen können.

Druckwechseladsorption (PSA)

Arbeitsprinzip

Die Druckwechseladsorption (PSA) ist eine Methode zur Entfernung von Stickstoff aus der Luft, bei der Zeolith-Molekularsiebe oder Aktivkohle eingesetzt werden. Zeolith-Molekularsiebe sind Aluminosilikatkristalle, die gleichmäßige Poren aufweisen. Diese Materialien besitzen eine selektive Adsorptionsfähigkeit und eignen sich daher hervorragend für die Isolierung von Stickstoff. Atmosphärische Luft wird zunächst komprimiert, bevor sie ein Adsorptionsmittelbett passiert, das meist aus Zeolith besteht. Stickstoffmoleküle werden aufgrund ihres kleineren kinetischen Durchmessers selektiv vom Molekularsieb adsorbiert, während Sauerstoff und andere größere Moleküle durchgelassen werden. Wenn das Adsorptionsmittel mit Stickstoff gesättigt ist, wird der adsorbierte Stickstoff durch Druckreduzierungsschritte als hochreines Produktgas freigesetzt. PSA-Systeme arbeiten zyklisch mit mehreren Adsorberbetten, die abwechselnd betrieben werden, um eine kontinuierliche Stickstoffproduktion zu gewährleisten. Für eine gleichbleibende Stickstoffproduktion und einen effizienten Systembetrieb sind ein effektives Zyklusmanagement und eine genaue Kontrolle der Druckschwankungen erforderlich.

Geeignete Anwendungen

Der Hauptvorteil von PSA-Systemen ist ihr relativ geringer Energieverbrauch im Vergleich zur kryogenen Destillation. Außerdem können sie vor Ort installiert werden, wodurch die mit dem Transport von reinem Stickstoff verbundenen Logistikkosten gesenkt werden. Die Kompaktheit der PSA-Einheiten macht sie ideal für kleine Flächen. Darüber hinaus bieten PSA-Anlagen mäßig bis hochreinen Stickstoff, der für Industrien, die ein solches Gas benötigen, kostensensibel ist; dazu gehören Anwendungen in der Lebensmittelverpackung, wo er zur Verdrängung von Sauerstoff verwendet wird, um die Haltbarkeit zu verlängern, und in der Metallverarbeitung, wo er als Schutzgas dient.

Branchen, die an ultrareinem Stickstoff interessiert sind, würden PSA-Systeme nicht in Betracht ziehen, da Stickstoff nur eine Reinheit von 95% bis 99,9% aufweisen kann. Diese Reinheitsgrade sind jedoch für einige Märkte wie Metallverarbeitung und Lebensmittelverpackung ausreichend.

Jalon: Ein zuverlässiger Anbieter von Molekularsieben für die PSA-Stickstoffabtrennung

Jalon ist ein führender Hersteller von erstklassigen Molekularsieben, Zeolithen und aktiviertem Aluminiumoxid, die für die Stickstoffabscheidung in der PSA unerlässlich sind. Insbesondere stellt Jalon sauerstoffangereicherte Molekularsiebe der Serie JLOX-500 her, die hervorragende Stickstoffadsorptionseigenschaften und eine hohe Selektivität zwischen Stickstoff und Sauerstoff aufweisen. Damit sind sie zu wichtigen Komponenten für eine effiziente und konsistente Stickstoffabscheidung in PSA-Sauerstofferzeugungsanlagen geworden.

Stickstofferzeugung durch Membranen

Wie es funktioniert

Eine weitere neuere Methode zur Stickstoffentfernung aus der Luft ist die Stickstofferzeugung durch Membranen. Bei diesem Verfahren wird komprimierte Luft durch eine Polymermembran mit mikroskopisch kleinen Öffnungen geleitet. Sauerstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf und andere Gase werden nicht durchgelassen, während Stickstoff durchdringt, so dass ein kontinuierlicher Stickstoffstrom entsteht. Die Effizienz des Verfahrens lässt sich durch Parallelschaltung mehrerer Membranen leicht steigern. Die Reinheit des Stickstoffs kann durch Änderung des Drucks und des Luftdurchsatzes durch das Membransystem beeinflusst werden.

Vorteile und Benachteiligungen

Der wichtigste Vorteil von Membran-Stickstoffgeneratoren ist ihre Einfachheit und Anpassungsfähigkeit. Sie verbrauchen weniger Energie, haben weniger bewegliche Teile und erfordern im Vergleich zu anderen Methoden weniger Aufmerksamkeit. Außerdem können sie sehr leicht an unterschiedliche Anforderungen an die Reinheit des Stickstoffgases angepasst werden, was sie zu äußerst anpassungsfähigen Geräten macht. Die Stickstofferzeugung mit Membranen eignet sich am besten, wenn ein mäßiger Reinheitsgrad des Stickstoffs erforderlich ist, wie z. B. bei Feuerlöschsystemen in Großküchen oder Reifentankstellen in Autohäusern oder sogar in einigen Lebensmittelverpackungsindustrien, wo niedrige Wartungskosten entscheidend sind.

Membransysteme erreichen jedoch in der Regel Reinheitsgrade zwischen 90% und 99%, was für bestimmte Anwendungen mit hohem Reinheitsgrad möglicherweise nicht ausreicht. Außerdem verschlechtert sich die Leistung mit der Zeit, so dass die Module dieser Systeme regelmäßig ausgetauscht werden müssen.

Vergleich der Extraktionsmethoden

Reinheitsgrade

Der Reinheitsgrad des erzeugten Stickstoffs ist ein entscheidender Faktor für die Wahl einer Extraktionsmethode. Die kryogene Destillation weist den höchsten erreichbaren Reinheitsgrad auf, der oft 99,999% übersteigt, so dass sie für hochpräzise Anwendungen wie in der Halbleiterherstellung und in medizinischen Bereichen vorzuziehen ist. Im Gegensatz dazu erreichen PSA-Systeme niedrigere, aber signifikante Reinheitsgrade von 95-99,9%, die in vielen Branchen nützlich sind. Membransysteme hingegen liefern Stickstoffreinheiten zwischen 90% und 99% und sind am besten für solche Anwendungen geeignet, bei denen die höchstmögliche Reinheit nicht zwingend erforderlich ist.

Kosteneffizienz

Die Methoden unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Kosteneffizienz. Membransysteme sind aufgrund ihrer Einfachheit und ihres geringen Energieverbrauchs im Allgemeinen am kostengünstigsten zu betreiben. PSA-Systeme bieten ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Kosten und Reinheit und sind daher für viele industrielle Anwendungen geeignet. Die kryogene Destillation ist jedoch immer mit den höchsten Kosten verbunden, da sie viel Energie und komplizierte, sehr kostspielige Geräte erfordert.

Anforderungen an die Wartung

Auch bei den Wartungsanforderungen gibt es große Unterschiede. Membransysteme haben weniger/mehr bewegliche Teile als andere und sind daher in der Regel einfacher/komplizierter zu warten, was zu einer geringeren/erhöhten betrieblichen Komplexität führt, verglichen mit anderen Methoden wie der Adsorption an festen Materialien, die in PSA-Systemen verwendet werden (Austausch von Adsorptionsmitteln). Die Wartung der kryogenen Destillation erfordert einen höheren Aufwand, da sie komplex ist und spezielle Geräte erfordert, die extrem niedrigen Temperaturen standhalten können.

Vorteile der Verwendung von Stickstoffgeneratoren

Der Einsatz von Stickstoffgeneratoren kann zu erheblichen Einsparungen führen. Durch die Stickstofferzeugung vor Ort entfällt die Notwendigkeit, Stickstoffflaschen oder Flüssigstickstoff zu kaufen, zu transportieren und zu lagern, was teuer und logistisch schwierig sein kann. Dies ist vor allem für Branchen mit hohem Stickstoffbedarf von Bedeutung, wo die Kosteneinsparungen im Laufe der Zeit erheblich sein können.

Vor Ort installierte Stickstoffgeneratoren garantieren eine kontinuierliche Versorgung mit Stickstoff, so dass es zu keiner Unterbrechung des Produktionsprozesses aufgrund eines Ausfalls in der Lieferkette kommt. Außerdem sind sie platzsparend, da sie oft deutlich weniger Platz benötigen als große Lagertanks oder Flaschengestelle, so dass die Unternehmen ihre Bodenfläche effektiv für andere wichtige Aktivitäten nutzen können.

Der Einsatz von Stickstoffgeneratoren trägt dazu bei, die mit der Herstellung und dem Transport von Stickstoff verbundenen Umweltauswirkungen zu verringern. Außerdem können Unternehmen, die ihren eigenen Stickstoff erzeugen, Kohlendioxidemissionen vermeiden, die durch den Transport von Flüssigstickstoff oder Hochdruckgaszylindern über weite Strecken entstehen. Außerdem sind moderne Stickstoffgeneratoren so konzipiert, dass sie energieeffizient arbeiten und somit die Gesamtauswirkungen auf die Umwelt noch weiter verringern.

Die Wahl des richtigen Stickstoffgenerators für Ihr Unternehmen

Bei der Auswahl eines Stickstoffgenerators müssen Sie einige Dinge berücksichtigen, wie z. B. die spezifischen Reinheitsanforderungen, Budgetbeschränkungen und das Produktionsvolumen. Die am häufigsten verwendeten PSA-Systeme sind für eine Vielzahl industrieller Anwendungen geeignet, da sie ein gutes Gleichgewicht zwischen Kosten und Reinheitsgrad der Stickstofffixierung bieten. Wenn jedoch ultrahochreiner Stickstoff benötigt wird, kann die kryogene Destillation vorzuziehen sein, auch wenn sie teurer ist. Andererseits wären membranbasierte Systeme ideal, wenn die Reinheit nicht eingeschränkt ist und die Wartungskosten niedrig gehalten werden müssen. Umfassende Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass es zwar einfache Methoden zur Stickstofferzeugung gibt, dass sich aber ein revolutionäres neues Verfahren wie die kryogene Destillation trotz höherer Kosten für den Bedarf an hochreinem Stickstoff anbietet.

Schlussfolgerung

Die Gewinnung von Stickstoff aus der Atmosphäre ist für viele industrielle Prozesse von entscheidender Bedeutung und hängt von spezifischen Anforderungen wie Kosteneffizienz, Reinheitsgrad und Wartung ab. Dieses Wissen ermöglicht es den Unternehmen, einen Stickstoffgenerator nach ihren speziellen Bedürfnissen auszuwählen und so eine zuverlässige, preisgünstige und umweltfreundliche Versorgung ihrer Anlagen mit Stickstoff sicherzustellen. Auf diese Weise sind die Unternehmen in der Lage, ihre Produktionsprozesse zu optimieren, die Produktqualität zu verbessern und die Betriebskosten zu senken.