ACHEMA-Trendbericht Industriegase Teil 2 Neue Entwicklungen bei Luftzerlegungs-Technologien

Der Weltmarkt an Industriegasen erreichte 2008 ein Volumen von 52 Milliarden Dollar. Ob Weiterentwicklungen der Kryotechnik oder Membrantechnik, auf der ACHEMA werden zahlreiche Weiterentwicklungen vorgestellt. Wir stellen Ihnen bereits vorab die neuesten Verfahrensentwicklungen vor.

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Wenn auch die kryogene Destillation derzeit das Verfahren der Wahl zur Produktion von Sauerstoff und Stickstoff im Tonnage-Maßstab bleibt, ist dieser Ansatz naturgemäß mit hohem Kapital- und Energiebedarf verbunden. Bei der kryogenen Luftzerlegung muss die zugeführte Luft gefiltert, verdichtet und auf -185 °C abgekühlt werden. Der verflüssigte Strom muss anschließend in großen Destillationstürmen destilliert werden, um die Luft je nach den unterschiedlichen Siedepunkten in ihre Einzelkomponenten (78 Vol.-Prozent Stickstoff, 21 Vol.-Prozent Sauerstoff, 1 Vol.-Prozent Argon und andere Spurengase) zu zerlegen.

Derzeit wird intensiv daran gearbeitet, das Verfahren rationeller zu gestalten und den Energieverbrauch sowie die Kapital- und Betriebskosten zu senken. Zum Beispiel setzen einige Industriegaseproduzenten bereits Packungskolonnen anstelle der traditionellen Bodenkolonnen ein. Zudem werden Wärmetauscher, Hochleistungskompressoren und Steuerungssysteme mit Echtzeitoptimierung weiterentwickelt. Die Anwendung von höheren Betriebsdruckwerten zur Reduzierung des Gesamt-Säulendurchmessers wird derzeit ebenfalls untersucht.

Inzwischen verfolgen einige der führenden Industriegaseproduzenten eine Reihe vielversprechender Alternativen zur konventionellen kryogenen Destillation für die Luftzerlegung, die sich grundlegend vom bisherigen Verfahren unterscheiden. Bei den neuen Technologien erfolgt die Luftzerlegung bei erhöhten Temperaturen – in der Größenordnung von 800-900 °C – unter Verwendung von neuartigen Keramikmembranen oder Molekularsieben.

Am weitesten entwickelt im Sinne einer kommerziellen Nutzung ist das „Ionen-Transportmembransystem (ITM)“, das von Air Products and Chemicals (Allentown, Pa.) in den letzten Jahren entwickelt wurde. ITM beruht auf patentierten Hochtemperatur-Keramikmembranen, die den Sauerstoff aus der Luft abtrennen.

Das ITM-System basiert nach Unternehmensangaben auf einer Reihe kompakter Module – jeweils etwa in der Größe eines Brotlaibs. Jedes Modul enthält einen Stapel Hochtemperatur-Keramikwafer mit selektiver Durchlässigkeit. Bei dem bestehenden Prototyp enthält jedes Modul weit über hundert dieser Wafer. Der frühe Prototyp des Systems hat erhebliche Kapital- und Energieeinsparungen im Vergleich zu konventioneller kryogener Destillation zur Luftzerlegung gezeigt.

Während eine typische kryogene Destillationssäule etwa 60 m hoch ist und ein ASU-System für die heutigen großen IGCC-Kraftwerke sowie GTL- und CTL-Anlagen zur Produktion von Chemikalien und Brennstoffen mehrere dieser Säulen benötigt (jeweils in einer isolierten Coldbox), hat ein ITM-Sauerstoff-System vergleichbarer Größe laut dem Entwicklerunternehmen Air Products einschließlich aller Behälter und Rohre nur die Abmessungen einer einzigen Destillationssäule. Deshalb werden für das ITM-System zur Sauerstoffherstellung im Tonnage-Maßstab Einsparungen bei den Investitionskosten von 35 Prozent erwartet; der Energiebedarf soll gegenüber der kryogenen Luftzerlegung um 35-60 Prozent niedriger liegen.

Air Products betreibt seit 2005 eine Pilotanlage für fünf Tonnen/Tag und arbeitet mit dem US-Energieministerium zusammen, um bis 2009 eine Testanlage mit 150 Tonnen/Tag in Betrieb gehen zu lassen. Ziel des Unternehmens ist es, ITM-Sauerstoffsysteme auf den Markt zu bringen, die Sauerstoff mit einer Reinheit von über 99 Prozent in Mengen von 1000 bis 2000 Tonnen pro Tag oder mehr produzieren können.

Das Ceramic Autothermal Recovery (CAR)-Verfahren

Das Gas- und Engineeringunternehmen Linde entwickelte ebenfalls ein Hochtemperatur-Luftzerlegungsverfahren, das eine kostengünstigere Produktion von Sauerstoff in Tonnenmengen im Vergleich zur kryogenen Destillation ermöglichen soll. Im Gegensatz zum ITM-Verfahren von Air Products beruht das CAR-Verfahren von Linde nicht auf keramischen Membranen; stattdessen erfolgt die Adsorption und Speicherung von Sauerstoff bei hohen Temperaturen unter Verwendung eines Festbettbehälters, dessen zahlreiche Formbetten mit stranggepressten Pellets aus keramischem Perowskit gefüllt sind, das zwischen Lagen von Aluminiumperlen eingeschlossen ist.

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