Drucklufttechnik Stickstoffgewinnung aus Druckluft nutzt Kompressoren als Vorstufe

Autor / Redakteur: Andreas Lenz / Josef-Martin Kraus

Trotz geforderter hoher Reinheitsgrade haben sich zur Stickstoffgewinnung aus Druckluft auch öleingespritzte und -geschmierte Kompressoren etabliert, als wirtschaftliche Vorstufe in kleineren bis mittelgroßen Anlagen. Voraussetzung dafür ist eine nachgeschaltete, absolut ölfreie Druckluftaufbereitung, deren technischer Aufwand sich mit wassereingespritzten Kompressoren reduzieren lässt.

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Voraussetzung für die Stickstoffgewinnung aus Druckluft im Membran- und PSA-Verfahren sind wirtschaftlich arbeitende Kompressoren als Vorstufe. Bild: Almig
Voraussetzung für die Stickstoffgewinnung aus Druckluft im Membran- und PSA-Verfahren sind wirtschaftlich arbeitende Kompressoren als Vorstufe. Bild: Almig
( Archiv: Vogel Business Media )

Viele Unternehmen brauchen nicht nur Druckluft, sondern auch Stickstoff. Im Gegensatz zu Druckluft wird Stickstoff aber in vielen Fällen nicht selbst produziert. Bei kleinerem Bedarf wird er in Gasflaschen bezogen, bei größeren Mengen oft per Spezial-Lkw in tiefkalt verflüssigter Form angeliefert und in Vorratstanks gelagert.

Stickstoff-Lieferungen verursachen großen Aufwand

Dieses System ist hinsichtlich der Logistik sehr aufwändig und energieintensiv. So muss für die Produktion der tiefkalt verflüssigten Gase nahezu doppelt so viel Energie eingesetzt werden wie für gasförmige Produkte. Diese Verflüssigungsenergie wird bei Verwendung von Flüssiggas sozusagen „verdampft“.

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Deutlich preiswerter ist es, den Stickstoff – auch bei geringerem Bedarf – in einer eigenen Erzeugungsanlage selbst herzustellen. Bei derartigen Anlagen kommt dazu das Membran- oder PSA-Verfahren zur Anwendung.

Membranverfahren und PSA-Verfahren bieten Potenzial zur Stickstoffgewinnung

Beide Verfahren haben ein wachsendes Anwendungspotenzial, bei Standorten mit höherem Stickstoffbedarf oder mit unzureichender Versorgung. Letzteres ist insbesondere bei Lohnarbeiten im Ausland der Fall.

Um dieses Potenzial zu erschließen, setzt der Anlagenhersteller Pneumatic Partners in Norderstedt bei Hamburg auf maßgeschneiderte Verfahren. Trotz der geforderten hohen Reinheitsgrade kommen dazu nicht nur ölfreie, sondern aufgrund der Wirtschaftlichkeit auch öleingespritzte und -geschmierte Kompressoren des Herstellers Almig zur Anwendung (Bild 1 – siehe Bildergalerie).

Wichtig für die Stickstofferzeugung ist absolut ölfreie Druckluft

Unabdingbare Voraussetzung für die Erzeugung von Stickstoff ist zunächst die Verfügbarkeit von Druckluft in absolut ölfreier Qualität. Daraus folgt: Wird die Druckluft mit öleingespritzten Schrauben- oder ölgeschmierten Kolbenkompressoren erzeugt, ist zwingend eine nachträgliche absolut ölfreie Aufbereitung erforderlich.

Im Vergleich dazu ist der Aufwand für die Druckluftaufbereitung bei Verwendung von ölfrei verdichtenden Schrauben- oder Turbokompressoren oder von Schraubenkompressoren mit Wassereinspritzkühlung deutlich geringer. Im maritimen Bereich bevorzugt Pneumatic Partners jedoch öleingespritzte Schraubenkompressoren, weil sie durch das eingespritzte Öl und dessen waschende Wirkung widerstandsfähiger gegen salzhaltige Ansaugluft sind. Dadurch wird besonders bei Kompressorstillstand die Korrosionsgefahr der luftberührten Komponenten reduziert.

Öleingespritzte Kompressoren verursachen weniger Kosten

Weitere Vorteile öleingespritzter Schraubenkompressoren liegen in den niedrigeren Investitionskosten und im geringeren Wartungsaufwand. Außerdem haben die Verdichterstufen öleingespritzter Anlagen eine deutlich längere Lebensdauer.

Für die anschließend zwingend erforderliche ölfreie Druckluftaufbereitung wird zusätzlich zu üblichen Aktivkohlefiltern oder -adsorbern hauptsächlich auf Konverter gesetzt. Sie arbeiten nach demselben Prinzip wie Pkw-Katalysatoren: Der mit ölgeschmierten Kolben- oder öleingespritzten Schraubenkompressoren erzeugten Druckluft wird der übliche Restölanteil von 2 bis 4 mg/m3 (bei Schraubenkompressoren) durch eine katalytische Oxidation wirtschaftlich und sicher entzogen.

Das Ergebnis ist eine absolut ölfreie Druckluft nach den Anforderungen von ISO 8573-1, Klasse 1 [1]. Als Kondensat fällt reines Wasser an, das sich zum Beispiel bei Stickstoffanlagen zur Frischhaltung von Obst für die Befeuchtung nutzen lässt. Für die Applikation der Kompressor-Konverter-Stickstofferzeuger nach dem Membranverfahren hat Pneumatic Partners ein Patent.

Kompressoren mit Wassereinspritzung bündeln die Vorteile anderer Bauarten

Als Alternative zu öleingespritzten und trockenlaufenden Schraubenkompressoren bieten sich Schraubenkompressoren mit Wassereinspritzkühlung für Anlagen zur Stickstofferzeugung an. So sieht Pneumatic Partners für die Kompressoren der Baureihe Lento (15 bis 85 kW) von Almig eine große Zukunft als Vorstufe der Stickstoffgewinnung.

Kennzeichnend für diese Kompressoren ist die Kombination der Vorzüge öleingespritzter Aggregate mit denen der ölfreien Luftverdichtung. Dadurch werden in den Anlagen alle Risiken vermieden, die aufgrund von Störungen oder mangelhafter Wartung der Aufbereitungskomponenten entstehen und erhebliche Folgeschäden verursachen können. Bei maritimen Anwendungen muss jedoch der Einsatz wassereingespritzter Kompressoren wegen der salzhaltigen Ansaugluft noch geprüft werden.

Zur Erzeugung von bis zu 10 000 m3/h Stickstoff aus Druckluft sind das Membran- und PSA-Verfahren prädestiniert (Bild 2):

  • Das Membranverfahren basiert auf der unterschiedlichen Diffusionsgeschwindigkeit der Luftbestandteile in den Hohlfäden einer Polymermembran. Die mit ölgeschmierten Verdichtern erzeugte Druckluft wird dazu absolut ölfrei aufbereitet. Anschließend tritt sie je nach Anwendungsfall mit 4 bis 28 bar in die Membran ein. Infolge des semipermeablen Membranaufbaus entweichen nur bestimmte Gase. Weil Luftfeuchte, Sauerstoff und andere Luftbestandteile schneller durch die Membranen diffundieren als Stickstoff, wird dieser am Austritt der Membran angereichert. Der Reinheitsgrad des zu erzeugenden Stickstoffs wird über eine variierbare Durchsatzregelung festgelegt. Er beträgt bis zu 99,5% – auf Wunsch auch bis zu 99,8%. Die Membranenstandzeit kann bei optimierter Druckluftqualität bis zu 15 Jahre betragen.
  • Das PSA-Verfahren (Pressure Swing Absorption, deutsch: Druckwechselverfahren) erzeugt Stickstoff mit einem Reinheitsgrad bis 99,9995%. Es nutzt dazu die Eigenschaft bestimmter Materialien aus, Sauerstoffmoleküle bei hohem Druck zu absorbieren und bei niedrigem Druck wieder abzugeben. Der Prozess läuft nicht kontinuierlich ab, weil das Absorptionsmaterial nach einigen Minuten Betrieb regeneriert werden muss. PSA-Anlagen arbeiten nach einem Prinzip, das mit einem Adsorptionstrockner vergleichbar ist. So verfügt die Anlage über zwei mit Adsorptionsmittel befüllte Behälter, die wechselweise genutzt und regeneriert werden. Das adsorbierende Material hat eine Standzeit von etwa 30000 Betriebsstunden.

Ölfreie Druckluft tritt vor der Stickstoff-Separierung mit 7 bar Druck in die PSA-Anlage ein

Die ölfreie Druckluft tritt in die PSA-Anlagen mit einem Druck von 7 bar ein. In der Anlage wird der Stickstoffanteil (rund 78%) aus der Druckluft separiert. Dabei lagert sich der in der Druckluft enthaltene Sauerstoffanteil (20,9%) an ein Aktivkohlegranulat an.

Vor Eintritt in den Stickstoffgenerator wird die Druckluft dreistufig zu Reinstluft aufbereitet: Ein vorgeschalteter Submikrofilter eliminiert Feuchtigkeits- und Ölaerosole (Restaerosolgehalt 0,01 mg/m3). Ein anschließender Aktivkohle-Adsorber bindet gasförmige Kohlenwasserstoffe und Geruchsstoffe. Ein Staubfilter hält dabei möglichen Aktivkohle-Abrieb zurück.

Obwohl die zur Regeneration erforderliche Stickstoffmenge anschließend ungenutzt in die Atmosphäre verpufft, ist die Gesamtleistung von PSA-Anlagen immer noch besser als von Membrananlagen. Die Regenerationsluft vermischt sich ohne Gefahrenpotenzial sofort mit der Umgebungsluft, so dass die Stickstoffanlage an jedem beliebigen Platz aufgestellt werden kann.

Ein kalibrierbarer Sauerstoffindikator am Austritt aus der Anlage misst den Restsauerstoff, zeigt ihn an und gibt bei Abweichungen vom Sollwert Alarm. Der Stickstoff steht in der geforderten Reinheit mit etwa 5 bis 5,5 bar Druck zur Verfügung.

Reinheit und Baumaße unterschiedlich bei Membran- und PSA-Verfahren

Membrananlagen bauen sehr klein. Deshalb sind sie besonders für Mobilanwendungen geeignet. Außerdem arbeiten sie ohne bewegliche Teile wie Ventile. Demgegenüber werden PSA-Anlagen aufgrund der erforderlichen Adsorptionsbehälter verhältnismäßig groß gebaut.

Die Systementscheidung ist in erster Linie abhängig vom geforderten Reinheitsgrad und von den erforderlichen Baumaßen (Tabelle – siehe Bildergalerie). So kommen Membrananlagen von Pneumatic Partners bei Reinheitswerten bis 99,5% zur Anwendung, in Ausnahmefällen bis 99,8%. Bei Werten oberhalb 99% favorisiert der Anlagenhersteller aus energetischen Gründen das PSA-Verfahren.

Für beide Verfahren gibt es eine wachsende Anzahl an Anwendungen (Bild 3 und 4):

  • Auf Tankschiffen (Chemikalientanker, Gastanker) verhindert Stickstoff in den Frachträumen Brände und Explosionen. Auf Kühlschiffen verlangsamt Stickstoff (Restsauerstoffgehalt 3 bis 5%) den Fruchtmetabolismus (Reifungsprozess).
  • An Land hält Stickstoff in Lagerräumen reifes Obst oder Gemüse über einen längeren Zeitraum frisch.
  • Stickstoff verringert die Gefahr der Selbstentzündung, zum Beispiel in Papierlagern, durch Verringerung des Sauerstoffgehalts auf etwa 12%. In Räumen mit großen Computer-Server-Anlagen kann die Brandgefahr ebenfalls durch die Erhöhung der Stickstoffkonzentration reduziert werden.
  • Beim Laserschneiden wird Stickstoff als Schneidgas genutzt und zur Vermeidung von Oxidation in sehr hohem Reinheitsgrad benötigt.
  • In der Elektronikindustrie werden Bauteile unter Stickstoff gelötet, um Korrosion zu verhindern.

Leistungsgeregelte Kompressoren werden für Membrananlagen gefragter

Bisher rüstet Almig alle Stickstofferzeugungsanlagen von Pneumatic Partners mit Kompressoren aus, die mit fest eingestellter Drehzahl arbeiten und mit regelbarer Einlassklappe auf der Saugseite ausgestattet sind. Für eine noch bessere bedarfsabhängige Anpassung besonders der Membrananlagen wird laut Anlagenhersteller jedoch der Einsatz frequenz- und damit bedarfsabhängig leistungsgeregelter Kompressoren in Zukunft zunehmen.

Demgegenüber erfordern PSA-Anlagen für einen optimalen Betrieb konstante Durchsatzmengen, so dass für sie auch weiterhin Kompressoren mit fester Drehzahl zum Einsatz kommen werden. Außerdem hat sich Almig zum Systemanbieter für Stickstofferzeugungsanlagen entwickelt, der nicht nur den Kompressor liefert. Inzwischen montiert man weitere Komponenten wie Konverter, Membrane und Steuerungsteile während der Kompressorfertigung zu einem kompletten System.

Literatur

[1] ISO 8573-1: Druckluft. Februar 2001.

Andreas Lenz ist Gebietsverkaufsleiter bei der Almig Kompressoren in 73257 Köngen.

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