Druckluftsysteme werden in verschiedenen industriellen Anwendungen in unterschiedlichen Bereichen und für unterschiedliche Zwecke eingesetzt. Diese Systeme können je nach Bedarf Drucklufttrockner und Druckluftfilter sowie Gasgeneratoren umfassen. So werden beispielsweise für die Produktion und für Anwendungen im medizinischen Bereich Wasserabscheider, Druckluftleitungsfilter, Trockner und Sauerstoffgeneratoren eingesetzt. Eine der am häufigsten industriell genutzten Gasarten ist Stickstoff. Stickstoffgas hat ein breites Angebot-Nachfrage-Verhältnis und einen großen Anwendungsbereich, da es farblos, geruchlos und vor allem inert (nicht reaktiv) ist. Die Reinheit des Stickstoffgases hat einen erheblichen Einfluss auf die Qualität des Endprodukts in der Anwendung, und die Bedeutung der Reinheit von Stickstoffgas in der Industrie ist das Hauptthema dieses Artikels.
Was sind Stickstoffgas-Reinheitsgrade und wie werden sie gemessen?
Atmosphärische Luft besteht aus verschiedenen Bestandteilen, 78 % Stickstoff (N2) und 21 % Sauerstoff (O2) sowie 1 % anderen Gasen. Da Stickstoff und Sauerstoff in hohen Konzentrationen vorhanden sind, wird die Reinheit des Stickstoffs in einem Stickstoff (N₂)-Gasstrom in der Regel in ppm (parts per million) als Prozentsatz des Stickstoffs im Verhältnis zum Sauerstoff angegeben. Ein Stickstoffgas mit einem Reinheitsgrad von 95 % wird beispielsweise als “enthält 5 % Sauerstoff (O₂)” angegeben. 2Das bedeutet, dass in einer Probe von 95 % reinem Stickstoff 50.000 O₂-Moleküle in 1 Million Molekülen enthalten sein können. Eine andere Möglichkeit, den Reinheitsgrad von 95 % Stickstoff auszudrücken, ist die Angabe, dass der Stickstoffgasstrom einen O₂-Gehalt von etwa 50.000 ppm aufweist und der gesamte verbleibende Anteil aus den N-Komponenten besteht.
Wenn die Stickstoffreinheit auf 99,9 % und mehr ansteigt, wird die Reinheit des Stickstoffs üblicherweise in Form der im Gasstrom verbleibenden Menge an O₂ angegeben. Beispielsweise wird der O₂-Gehalt eines Gasstroms mit einem Reinheitsgrad von 99,9 % mit 1.000 ppm angegeben. Analog dazu wird der O₂-Gehalt eines Gasstroms mit 99,999 % Reinheit mit 10 ppm angegeben. Da die Reinheit des Stickstoffs zunimmt, ist die Angabe der Reinheit in Form des verbleibenden O₂-Gehalts ein klareres Maß. Bei der Verwendung von Industriegasen ist es außerdem üblich, die N₂-Konzentration als die Summe der “9” auf beiden Seiten des Dezimalpunkts des Reinheitsgrads anzugeben. Beispielsweise würde eine 99,9 %ige N₂-Reinheit als Reinheit 3.0 bezeichnet, oder ein Gasstrom mit 99,999 % N₂-Reinheit und 10 ppm O₂ würde als Gasreinheit 5.0 bezeichnet.
Wie wird Stickstoffgas hergestellt?
Da Stickstoff in der Atmosphäre reichlich vorhanden ist (78 %), ist es für die Nutzer von Stickstoffgas aus Kostengründen und aus praktischen Gründen vorteilhaft, in eine sicherere, bedarfsgerechte und sofortige Stickstoffproduktion in ihren eigenen Anlagen zu investieren, anstatt sich auf eine kryogene N₂-Lieferung zu verlassen. Für die Abtrennung und Anreicherung von Stickstoff aus der Atmosphäre werden in der Regel Druckwechseladsorptions- (PSA) oder Membranproduktionsverfahren eingesetzt.
Bei der PSA-Stickstofferzeugung wird in der Regel ein mit Kohlenstoffmolekularsieb (CMS) gefüllter Behälter verwendet und Druckluft durch dieses Behälterbett geleitet. O₂-Moleküle binden sich an die Oberfläche des Adsorptionsmaterials, vor allem an seine Poren, und werden bis zum Desorptionsprozess zurückgehalten. Dabei sind die Poren- und Materialdurchmesser des Adsorptionsmittels von Bedeutung. Das Ergebnis dieses Prozesses ist ein mit Stickstoff angereicherter Gasstrom mit N₂-Reinheiten zwischen 95 % und 99,999 %. Wenn das Adsorptionsmittel mit O₂ gesättigt ist, erfolgt die Desorption durch Druckentlastung und die O₂-Moleküle werden an die Atmosphäre abgegeben. Um einen kontinuierlichen Stickstoffgasstrom zu gewährleisten, werden in PSA-Anlagen meist zwei Adsorptionstürme eingesetzt. Während ein Turm N₂-Gas produziert, desorbiert der andere Turm O₂ zur Vorbereitung auf den nächsten Prozess.
Bei der Membrantechnologie wird Druckluft durch eine Membran geleitet, die mit Löchern mit mikroskopisch kleinen Poren versehen ist. Durch diese Poren können kleinere O₂-Moleküle und Wasserdampf durch die Hohlfaserstruktur in die Atmosphäre gelangen, während sich größere N₂-Moleküle durch die Membran bewegen und einen kontinuierlichen N₂-Strom mit Reinheiten von 95 % bis 99,9 % erzeugen. Mit der Membrantechnologie kann eine Produktion mit Reinheiten von bis zu 99,9 % erreicht werden.
In welchen Bereichen wird Stickstoffgas in industriellen Anwendungen eingesetzt?
Die Bedeutung des Sauerstoffgehalts im Stickstoffgas ergibt sich aus der Tatsache, dass viele industrielle Produktionsprozesse, Endprodukte sowie Druckluft- und Filteranlagen durch das Vorhandensein selbst sehr geringer Sauerstoffkonzentrationen nachteilig beeinflusst werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Sauerstoff anderen Elementen Elektronen entzieht und Oxidationsreaktionen auslöst. Sauerstoff ist für viele der unerwünschten Oxidationsreaktionen verantwortlich, die in der Natur und in der Industrie auftreten, wie z. B. die Korrosion von Metalloberflächen und der Abbau von organischen Stoffen (Lebensmittel- und Getränkeindustrie). Um den Oxidationsprozess in industriellen Anwendungen zu kontrollieren, wird daher der Sauerstoffgehalt entweder entfernt oder auf ein solches Sauerstoff-Stickstoff-Verhältnis reduziert, dass der Sauerstoff nicht ausreicht, um schädliche Oxidationsmengen zu erzeugen. Anhand einiger Beispiele soll die Bedeutung von Stickstoffgas in verschiedenen industriellen Anwendungen erläutert werden:
Verwendung von Stickstoffgas in der Lebensmittel- und Getränkeherstellung: Stickstoffgas ist ein farbloses, geruchloses und geschmacksneutrales Gas, das natürlich in der Atmosphäre vorkommt. Es schützt Produkte vor Oxidation und verlängert die Haltbarkeit, indem es in der Lebensmittel- und Getränkeherstellung den Sauerstoff ersetzt. Der Einsatz von Stickstoffgas ist wichtig bei der Herstellung von Lebensmitteln wie Feinkost, Nüssen, Chips und Flüssigkeiten wie Fruchtsäften, wertvollen Ölen und alkoholischen Getränken. Stickstoffgas, das von den Stickstoffgeneratoren der MNG PRO-Serie von Mikropor in die Produktionslinien geleitet wird, schafft eine modifizierte Atmosphäre und bewahrt die Frische der Produkte für eine lange Zeit. Besonders für Lebensmittel wie Milch und Milchprodukte, getrocknete Nüsse, Kaffee, Wein, Bier, deren Geruch und Aroma für den Verbraucher wichtig sind, ist der Einsatz von Stickstoffgas sehr wichtig. Der Stickstoffgenerator der MNG PRO-Serie von Mikropor bietet eine kostengünstige und sichere Gasquelle, die den ganzen Tag über für die Lebensmittel- und Getränkeproduktion genutzt werden kann.
Langfristige Lagerung von Lebensmitteln: Offene oder verformte verpackte Lebensmittel verderben, da in Gegenwart von Sauerstoff ein mikrobielles Wachstum stattfindet. Um die Oxidation der gelagerten Lebensmittel zu verhindern, wird der Kühlraum mit Stickstoffgas gefüllt, um die Sauerstoffkonzentration zu verringern. Stickstoffreinheitsgrade zwischen 95 % und 99 % ermöglichen eine um einen bestimmten Prozentsatz längere Haltbarkeit der Lebensmittel bei der Lagerung.
Elektroniklöten: In der Elektronikindustrie werden viele Prozessoren und kritische Produkte wie Leiterplatten hergestellt. Für das Zusammenfügen elektrischer Komponenten auf Leiterplatten ist nahezu perfektes Löten erforderlich. Die Bauteile werden mit heißem, flüssigem Metall (Lot) benetzt und nach dem Zusammenfügen verfestigt, um eine dauerhafte Verbindung herzustellen. Bei diesem Prozess bildet Sauerstoff mit dem Lot Metalloxide, die so genannte Krätze”, die den Lötprozess erheblich beeinträchtigt. Das Löten in einer Umgebung mit einer Sauerstoffkonzentration von höchstens 1000 ppm, d. h. mit 99,9 % reinem Stickstoffgas, verringert die Krätzebildung, erhöht die Integrität der Verbindung und verbessert die Produktionsqualität, indem es die Notwendigkeit von Ausschuss oder Nacharbeit minimiert. Je nach Größe des Lötvorgangs kann die erforderliche Menge an N₂ mit einer Reinheit von 3-9 % mit der PSA-Technologie vor Ort und einfach bereitgestellt werden.
Laserschneiden mit hoher Geschwindigkeit: Während des Laserschneidens kann O₂ in der Atmosphäre die Kanten des geschnittenen Materials oxidieren, was zu einer Abstumpfung oder Aufrauhung der Materialkanten führen kann. Nach dem Schneiden können Oberflächenfehler im Schnittbereich verhindern, dass die Farbe richtig aufgetragen werden kann. Um beispielsweise beim Schneiden von rostfreiem Stahl mit einer Dicke von 12 mm oder mehr ein glänzendes (nicht stumpfes) Ergebnis zu erzielen, ist es besser, das Schneiden mit hochreinem Stickstoff durchzuführen; der Reinheitsgrad liegt zwischen 99,99 % und 99,999 % (4-9s und 5-9s). Das bedeutet, dass der Sauerstoffgehalt nicht mehr als 100 ppm bis 10 ppm betragen sollte und der Sauerstoffgehalt begrenzt werden sollte. Je schneller die Schnittgeschwindigkeit, desto höher die erforderliche Stickstoffreinheit. Die N₂-Versorgung für diese Anwendungen kann in der Regel mit dem PSA-Verfahren wirtschaftlich realisiert werden, das sowohl den Reinheitsgrad als auch den erforderlichen Durchfluss kontinuierlich bereitstellen kann.
Stickstoff ist ein bevorzugtes Gas für industrielle und wissenschaftliche Anwendungen, da es in den folgenden Situationen unerlässlich ist:
- Verhinderung der Oxidation von Materialien
- Verhinderung von mikrobiellem oder bakteriellem Wachstum
- Verringerung des Niveaus von brennbarem Gas
- Begrenzung des Sauerstoffgehalts und Verhinderung von Reaktionen
Bei all diesen Verfahren wird Stickstoffgas verwendet, um die Sauerstoffkonzentration zu senken und die schädlichen Auswirkungen der Oxidation zu beseitigen oder zu verringern. Die gewünschte Stickstoffreinheit kann je nach Anwendung variieren. Als allgemeine Anwendung in Produktionsbereichen, in denen Industriegas verwendet wird, kann die Stickstoffreinheit als prozentualer Stickstoffgehalt sowie entsprechend der Sauerstoffverunreinigung ausgedrückt werden.
Mikropor PRO Serie Stickstoff-Generatoren
Die Stickstoffgeneratoren der PRO-Serie von Mikropor bieten mit ihrer kompakten Bauweise und ihrem vollautomatischen Betrieb eine hohe Effizienz für Industrieanlagen. Durch den Wegfall von Verteilern kann das System effizienter und sicherer betrieben werden. Dank des Touchscreen-SPS-Displays kann das gesamte System einfach gesteuert werden, und durch die Schnellstartfunktion ist eine sichere Produktion gewährleistet. Dank des neuen Schalldämpfers, der speziell von Mikropor entwickelt wurde, ist es möglich, während des Druckbeaufschlagungs- und Entleerungsvorgangs mit einem niedrigen Geräuschpegel zu arbeiten. Langlebige Kolbenventile sorgen für eine lange Lebensdauer und minimalen Wartungsbedarf.
Mikropor-Stickstoffgeneratoren der MNG PRO-Serie bieten eine kostengünstige, leistungsstarke und energieeffiziente Lösung mit einer Stickstoffreinheit von 95 % bis 99,999 %, je nach Kundenwunsch. Es handelt sich um eines der führenden Produkte in der Branche mit optimierter Luftverteilung und niedrigem Luft/Stickstoff-Verhältnis bei der Stickstoffgasproduktion.
Wenden Sie sich an unsere fachkundigen Verkaufsteams, um den Mikropor-Stickstoffgenerator der MNG PRO-Serie mit der für Ihre Anlage am besten geeigneten Reinheitsrate und Kapazität auszuwählen, oder informieren Sie sich hier über unsere Produkte.
Mikropor F&E Abteilung
