6.4.5 Stickstoffgenerierung: Aktivkohle vs. Membran
Inhaltsübersicht
Aufgrund des hohen Stickstoffanteils in der Umgebungsluft lässt sich der benötigte Stickstoff für den Betrieb der Sauerstoffreduzierungsanlage mit einem Generator direkt vor Ort gewinnen. Innerhalb des OxyReduct®-Systems der WAGNER Group GmbH gibt es zwei Methoden, um die Umgebungsluft in Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle physikalisch zu trennen: mittels Membrantechnik oder durch den Einsatz von Aktivkohle.
6.4.5.1 Stickstoffgenerierung mittels Membrantechnik
Das Verfahren der Membrantechnik basiert auf der physikalischen Eigenschaft, dass verschiedene Gase unterschiedlich schnell durch Materialien diffundieren. In diesem Fall werden die unterschiedlichen Diffusionsgeschwindigkeiten der Hauptbestandteile der Luft: Stickstoff (N2), Sauerstoff (O2) sowie Wasserdampf (H2O) technisch zur Erzeugung eines Stickstoffstromes genutzt. Die Umgebungsluft wird bei diesem Verfahren unter Druck durch ein Bündel Polymerfasern, auch Hohlfasermembranen genannt, in einem Aluminiumrohr gepresst. Auf den Außenflächen dieser Hohlfasermembranen ist ein Separationsmaterial aufgebracht, durch das Wasserdampf und Sauerstoff sehr gut diffundieren. Der Stickstoff hingegen besitzt für dieses Material nur eine geringere Diffusionsgeschwindigkeit. Wird diese Hohlfaser innen von Luft durchströmt, diffundieren Wasserdampf und Sauerstoff schnell durch die Hohlfaserwandungen nach außen, während der Stickstoff weitgehend im Faserinneren gehalten wird. Während des Durchganges durch die Hohlfaser findet daher eine starke Aufkonzentration des Stickstoffes statt.
Die Effektivität dieses Trennungsvorganges ist im Wesentlichen abhängig von:
der Strömungsgeschwindigkeit in der Faser
der Druckdifferenz über die Hohlfaserwandung hinweg.
Mit sinkender Strömungsgeschwindigkeit und/oder höherer Druckdifferenz zwischen Innen- und Außenseite der Hohlfasermembran steigt die Reinheit des resultierenden Stickstoffstromes an. Die Sollkonzentration des Sauerstoffes im Stickstoffstrom der Schutzbereiche beträgt 5 Vol.-%. Durch diese Art der Trennung von Sauerstoff- und Stickstoffmolekülen herrscht bei der Membrantechnik ein kontinuierlicher Volumenstrom.
Bei der technischen Umsetzung werden Bündel dieser Hohlfasern in Membranmodulen zusammengefasst, die eine definierte Stickstoffkapazität bei einer vorgegebenen Reinheit besitzen. In einem Stickstoffgenerator können mehrere dieser Module eingebaut werden, sodass unterschiedliche Stickstoffkapazitäten (m3/h) erreichbar sind. Zur Kontrolle der Reinheit des Stickstoffstromes in den Schutzbereich befindet sich im Generator ein Sauerstoffanalysator, der kontinuierlich den Restsauerstoffgehalt misst und an eine Steuerzentrale weiterleitet.
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6.4.5.2 Stickstoffgenerierung mittels Aktivkohle
Das Verfahren der Stickstoffgenerierung mittels Aktivkohle nutzt die unterschiedlichen Bindungsgeschwindigkeiten des Luftsauerstoffes und -stickstoffes an speziell behandelter Aktivkohle.
Die Struktur der Aktivkohle wird bei diesem Verfahren so verändert, dass eine extrem große Oberfläche mit einer großen Anzahl von Mikro- und Submikroporen (Ø < 1 nm) entsteht. Die so entstandenen Pellets werden als Kohlenstoff-Molekular-Sieb (CMS) bezeichnet. Sauerstoffmoleküle der Luft diffundieren bei dieser Porengröße wesentlich schneller in die Poren hinein als Stickstoffmoleküle. Auf diese Weise erhöht sich in der Umgebung der Pellets der Stickstoffanteil der Luft.
Die Bindungsgeschwindigkeit ist druckabhängig. Bei maximalem Druck ist die Sättigung der Pellets nach ca. 60 Sekunden erreicht: Die Desorption (Sauerstoffentleerung) muss eingeleitet werden. Dies geschieht durch Druckabsenkung auf den Umgebungsdruck (PSA-Technik) bzw. auf einen Druck von ca. 100 mbar (abs.) bei der VPSA-Technik mittels Vakuumpumpe. Der gebundene Sauerstoff wird somit aus den Poren wieder freigesetzt.
Für die technische Umsetzung dieses Vorgangs wird die Aktivkohle in Druckbehälter gefüllt, die während des Adsorptionsvorgangs (Sauerstoffbindung) von der Umgebungsluft unter einem Überdruck von 7 bar (PSA) bzw. 1,2 bar (VPSA) durchströmt werden. Durch den oben beschriebenen Vorgang wird dem Luftstrom der Sauerstoff entzogen, der entstehende Stickstoffstrom wird dem Schutzbereich zugeführt. Anschließend folgt der Desorptionsvorgang. Um einen stetigen Stickstoffstrom zu erhalten, werden zwei Behälter im Wechselbetrieb an eine Druckluftquelle angeschlossen, sodass in einem Behälter Stickstoff erzeugt wird, während im 6.4.5 Stickstoffgenerierung: Aktivkohle vs. Membran – Seite 6 – 01.06.2016<<zweiten Behälter die Materialreinigung erfolgt. Etwa alle 60 Sekunden wird zwischen den beiden Behältern hin- und hergewechselt.
VPSA- und PSA-Anlagen finden Anwendung in Schutzbereichen mit großen Raumvolumina wie zum Beispiel automatisierten Hochregallagern. Sie produzieren große Mengen Stickstoff und stehen für Spitzenleistungen im Dauerbetrieb, wobei die VPSA-Anlage die energieoptimierte Weiterentwicklung darstellt.