Stickstoff-Generatoren reines Stickstoffgas vor Ort zu erzeugen, indem es von der natürlichen Luft getrennt wird. Wir alle wissen, dass Luft zu etwa 78 %% Stickstoff nach Volumen besteht. Daher verdichtet die Stickstoffanlage diese Luft und verwendet dann spezielle Materialien, um Sauerstoff und andere Verunreinigungen zu entfernen. Das Ergebnis ist ein kontinuierlicher Strom von hochreinem Stickstoff für den industriellen Einsatz.
Lesen Sie weiter, um die wichtigsten Prinzipien, Komponenten und einfachen Einrichtungstipps für Stickstofferzeugungsanlagen vor Ort kennenzulernen.
Prinzipien der Stickstofferzeugung
Luftzerlegung
Eine Methode zur Stickstoffgewinnung ist die kryogene Luftzerlegung. Bei diesem Verfahren wird Luft bis zur Verflüssigung gekühlt. Anschließend wird sie destilliert, um Stickstoff und Sauerstoff zu trennen. Diese Methode erzielt eine sehr hohe Reinheit, erfordert jedoch große und komplexe Anlagen. Kryoanlagen werden aufgrund ihrer hohen Kosten und ihres hohen Energieverbrauchs grundsätzlich für die Produktion großer Mengen eingesetzt.
Druckwechseladsorption (PSA)
Stickstoffgeneratoren vor Ort verwenden meist die PSA-Technologie. Diese Technologie funktioniert, indem Sauerstoff und andere Gase unter Druck auf einem Adsorbens zurückgehalten werden, während Stickstoff als Produkt übrig bleibt. Druckluft wird in einen Behälter geleitet, der mit einem Kohlenstoff-Molekularsieb (CMS) gefüllt ist. Sauerstoffmoleküle bleiben am CMS haften. Die größeren Stickstoffmoleküle passieren es jedoch als gereinigter Stickstoff. Im Wesentlichen gibt es zwei parallel arbeitende Türme: ein Turm adsorbiert Sauerstoff, der andere regeneriert (gibt die adsorbierten Gase frei). Die beiden Türme wechseln ihre Rollen von Zeit zu Zeit. Dieser abwechselnde Prozess stellt tatsächlich eine kontinuierliche Versorgung mit Stickstoffgas sicher.
Stickstoffreinheitsgrade
Industriequalität Stickstoff Industrielle Anwendungen verwenden meistens fast 95% bis 99,9% reinen Stickstoff. Dieser “technische Stickstoff” kann höhere Anteile an Rest-Sauerstoff oder Argon enthalten. Dies ist jedoch für viele Prozesse akzeptabel. Er wird für Zwecke wie Inertisierung (Blanketing), Spülung, Lebensmittelverpackung und Metallverarbeitung verwendet, wo extreme Reinheit nicht entscheidend ist. Daher ist “industrietaugliche Stickstoffgeneratoren”sind einfacher und haben geringere Betriebskosten.
Stickstoff in Ultra-Hochreiner Qualität Manche Anwendungen benötigen extrem reinen Stickstoff, normalerweise mit einer Reinheit von 99,999% oder höher. Dieser “ultrareine” Stickstoff weist nur Verunreinigungen im ppm-Bereich (parts-per-million) auf. Diese Reinheit ist in der Halbleiterfertigung, der Pharmaindustrie, der Luft- und Raumfahrt sowie in anderen Präzisionsindustrien sehr gefragt. Um diese ultrahohe Reinheit zu erreichen, sind im Grunde strengere Trennverfahren sowie zusätzliche Reinigungsstufen erforderlich.
Systemkomponenten
- LuftkompressorZuerst benötigen Sie einen separaten Luftkompressor, der die für die Stickstofferzeugung erforderliche Druckluft mit hohem Druck liefert. Luftkompressoren, die für diesen Zweck verwendet werden, sind meist ölfrei oder verfügen über Filter. Außerdem muss Ihr Kompressor ausreichend Durchfluss bei dem benötigten Druck (üblicherweise etwa 4-13 bar) liefern, um den Bedarf des Generators zu decken.
- LufttrocknerDie zweite Sache sind Luftentfeuchter. Bevor die Luft in die PSA-Türme gelangt, durchläuft sie einen Luftentfeuchter. Dieser Entfeuchter entfernt Feuchtigkeit aus der Druckluft. Grundsätzlich wird nach dem Kompressor und vor dem Generator ein Adsorptions- oder Kälteentfeuchter installiert, um einen niedrigen Taupunkt zu erreichen.
- MolekularsiebbettDer Kern der Einheit ist ein Molekularsiebbett. Dieses besteht aus zwei oder mehr mit Kohlenstoff-Molekularsieb (CMS) gefüllten Adsorberbehältern. Diese Betten führen die eigentliche Trennung durch. Jeder Behälter ist mit einem CMS gepackt, das spezifisch Sauerstoff (manchmal auch Kohlendioxid) adsorbiert.
Wenn Druckluft in ein Bett eindringt, werden Sauerstoffmoleküle vom CMS adsorbiert und Stickstoff strömt durch. Dies hinterlässt das Auslassgas, das hochreiner Stickstoff ist. Nach einiger Zeit wird dieses gesättigte Bett außer Betrieb genommen und entspannt, während das andere Bett die Arbeit übernimmt. Dieses Zweibettprinzip ermöglicht es einem Bett, zu adsorbieren, während das andere zur kontinuierlichen Betriebsweise regeneriert.
- Regelventile und Rohrleitungen:Ein System aus Ventilen und Rohrleitungen leitet die Luft durch die Anlage. Diese Ventile schalten die Zuluft zwischen den beiden Adsorbertürmen um. Außerdem steuern sie den Zeitpunkt von Druckaufbau und Entlüftung.
Außerdem verbinden Rohrleitungen den Kompressor, den Lufttrockner, die Behälter und den Stickstoffausgang. Eine ordnungsgemäße Auslegung der Rohrleitungen sorgt daher für saubere Ansaugluft und einen stabilen Stickstoffausstoß.
Abgasleitungen werden ebenfalls verrohrt, um den ausgestoßenen Sauerstoff und andere Verunreinigungen sicher in die Atmosphäre abzuleiten.
Arbeitsprinzipien
Druckbeaufschlagung und Druckentlastung
Das System arbeitet, indem es jeden Adsorber durch Hochdruck- und Niederdruckphasen führt. In der Adsorptionsphase wird ein Behälter mit trockener Luft unter Druck gesetzt. In der Regenerationsphase wird der andere Behälter entspannt, um die adsorbierten Gase zu entfernen.
Während ein Turm Sauerstoff unter hohem Druck einfängt, wird der andere Druck entlastet, um den gesammelten Sauerstoff freizugeben. Dann tauschen sie die Rollen. Dieser Druck-“Swing” ermöglicht eine kontinuierliche Stickstoffproduktion.
Adsorptions- und Desorptionszyklen:
Während der Adsorptionsphase strömt Druckluft in ein Adsorbergefäß. Dann binden (adsorbieren) Sauerstoffmoleküle an das Kohlenstoffsieb, und Stickstoff passiert als Produkt. Diese Adsorptionsphase dauert an, bis das CMS in diesem Gefäß mit Sauerstoff gesättigt ist.
Nun isoliert das System dieses Gefäß und öffnet dessen Abzug, um den Druck zu senken. Der Druckabfall bewirkt eine Desorption: Der Sauerstoff (und die Feuchtigkeit) lösen sich vom Sieb und werden ausgestoßen. Dadurch wird die Kapazität des Adsorptionsmittels wiederhergestellt. Durch den Wechsel dieser Adsorptions-/Desorptionszyklen zwischen den beiden Gefäßen hält der Generator eine gleichmäßige Stickstoffausgabe aufrecht.
Sauerstoffentfernungsverfahren
Das Kohlenstoffmolekularsieb ist entscheidend für die Sauerstoffentfernung. CMS hat winzige Poren, die kleinere Moleküle wie Sauerstoff und Wasserdampf selektiv adsorbieren, während größere Stickstoffmoleküle vorbeiziehen. In der Praxis, wenn Luft in das Gefäß eintritt, “klebt” Sauerstoff an der Oberfläche des Siebs. Während der Regeneration wird der freigesetzte Sauerstoff durch einen kleinen Stickstoffstrom oder einfach durch Entlüftung herausgedrückt. Der ausgestoßene Sauerstoff wird als Abgas aus dem System abgeleitet. Über viele Zyklen entfernt diese selektive Adsorption den Großteil des Sauerstoffs aus der Luft, sodass das verbleibende Gas größtenteils Stickstoff ist.
Installation und Einrichtung
Standortvorbereitung
Das erste ist die Vorbereitung des Standorts. Denn eine ordnungsgemäße Installation beginnt damit. Stellen Sie außerdem sicher, dass das Fundament stabil und eben ist, um die Ausrüstung zu tragen und Vibrationen zu reduzieren. Außerdem muss der gewählte Standort gut belüftet sein, um Wärme und eventuell ausgestoßene Gase abzuleiten.
Elektrische und Versorgungsanschlüsse
Der Generator muss in die Anlagen integriert werden. Dazu gehört die Verdrahtung zum Elektroschaltfeld mit ordnungsgemäßer Erdung und Schutzschaltern. Wenn das Gerät einen eingebauten Kompressor hat, hat dieser eigene Stromanforderungen; wenn nicht, schließen Sie den Ausgang des Werkstattdruckluftkompressors an den Generatoranschluss an.
Installieren Sie also die Verrohrung für die Stickstoffausgabe zum Verwendungsort und für die Abluftleitung. Gemäß Installationshandbüchern sollten alle Ansaug-, Stickstoffauslass- und Entlüftungsleitungen richtig dimensioniert und sicher montiert sein.
Sicherheitsaspekte:
Sicherheit ist bei Gasgeneratoren sehr wichtig. Der Raum muss belüftet werden, damit austretendes Stickstoffgas (ein Inertgas) sich nicht ansammelt und den Sauerstoff verdrängt.
Installieren Sie das Gerät so, dass die Abluft- und Entlüftungsleitungen nach außen oder in einen sicheren Bereich abgeleitet werden.
Also müssen Druckentlastungsventile in Behältern angebracht sein, um Überdruck zu verhindern, und diese müssen, zusammen mit anderen Sicherheitsvorrichtungen, regelmäßig geprüft werden.
Die Bediener sollten in der sicheren Handhabung geschult werden. Reiner Stickstoff ist zum Beispiel geruchlos. Daher beinhalten Installationen in geschlossenen Räumen meist Sauerstoffüberwachungsalarme.
Durch die Einhaltung von Best Practices kann der Stickstoffgenerator risikofrei für Personal oder Ausrüstung verwendet werden.
FAQs
Wie ist die Lebensdauer eines Stickstoffgenerators?
Gut gewartete Stickstofferzeugungsanlagen haben meist eine Lebensdauer von 15–30 Jahren. Kernkomponenten wie Kompressoren oder Molekularsiebbetten benötigen regelmäßige Wartung oder Austausch. Bei richtiger Wartung und Instandhaltung können einige Systeme über 30 Jahre laufen.
Sind Stickstoffgeneratoren teuer?
Ihre Preise variieren stark je nach Art und Größe. Kleine Membrananlagen können ab $1.000 beginnen; Labor- oder Hochreinigungs-PSA-Systeme beginnen meist bei mehreren Tausend.
Was sind die häufigsten Probleme bei Stickstoffgeneratoren?
Stickstoffgeneratoren können Probleme wie geringe Reinheit, Druckabfälle, undichte Stellen, verstopfte Vorfilter oder Ventilausfälle aufweisen.
Wie effizient sind Stickstoffgeneratoren?
Effizienz hängt von Technologie, Design, Einschaltdauer und Reinheitsanforderungen ab. PSA liefert bessere Luft-Stickstoff-Verhältnisse für hohe Reinheit. Membransysteme verbrauchen weniger Energie für niedrigere Reinheiten.
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