Stickstoff wird branchenübergreifend in großem Umfang für Anwendungen wie das Inertisieren, Spülen und den Schutz von Produkten und Prozessen vor Sauerstoffeinwirkung eingesetzt. Je nach Anwendung benötigen Unternehmen Stickstoff in unterschiedlichen Reinheitsgraden, Durchflussmengen und Drücken.

Stickstoff kann in Flaschen, Flaschenbündeln oder als Schüttgut bereitgestellt oder mithilfe eines Stickstoffgenerators direkt vor Ort erzeugt werden. Durch die Erzeugung von Stickstoff vor Ort können Betriebe Stickstoff aus Druckluft gewinnen und ihn direkt an den Verwendungsort liefern.

Doch was ist ein Stickstoffgenerator, und wie funktioniert er? Lassen Sie uns dies in diesem Blog näher erläutern.

Was ist ein Stickstoffgenerator?

Ein Stickstoffgenerator ist ein Gerät, das Stickstoff (N₂) aus Druckluft abtrennt, um Stickstoffgas für industrielle Prozesse zu erzeugen. Er erzeugt Stickstoff nicht aus dem Nichts. Stattdessen nutzt er Luft als Ausgangsmaterial und trennt den Stickstoff mithilfe von Technologien wie der Pressure Swing Adsorption (PSA) oder der Membrantrennung von anderen Gasen ab.

Ein Vor-Ort-Stickstoffgenerator kann somit Stickstoff direkt am Verwendungsort bereitstellen und so die Abhängigkeit von gelieferten Gasflaschen, Flaschenbündeln oder Großmengenlieferungen verringern.

Die erforderliche Stickstoffreinheit hängt von der jeweiligen Anwendung ab. So wird beispielsweise in einigen Prozessen Stickstoff zur Inertisierung oder zur Reifenbefüllung benötigt, während in anderen Bereichen Hochrein-Stickstoff für das Laserschneiden, die Lebensmittelverpackung, die Elektronik oder Anwendungen der Pharmazie erforderlich ist. Ein geeignetes System zur Stickstofferzeugung muss daher entsprechend der erforderlichen Reinheit, Durchflussmenge, dem Druck, dem Einschaltverhältnis, der Luftqualität und den Betriebsbedingungen ausgewählt werden.

Wie funktioniert ein Stickstoffgenerator?

Die Druckluft wird aufbereitet, getrennt und überwacht, bevor der Stickstoff die Anwendungen erreicht.

1. Druckluftzufuhr

Ein Stickstoffgenerator verwendet Druckluft als Speisegas. Ein Kompressor liefert Luft mit dem vom Generator benötigten Druck; anschließend durchläuft die Luft die Vorbehandlungs- und Trennstufen.

Aus diesem Grund ist die Qualität der Zuluft von entscheidender Bedeutung. Je nach Bauart des Kompressors und des Generators muss die Luft vor dem Eintritt in die Trennstufe möglicherweise einer Partikel- und Koaleszenzfiltration, einer Ölentfernung, einer Kondensatabscheidung und einer Trocknung unterzogen werden. Diese Vorbehandlung trägt zum Schutz der Trennmedien bei und gewährleistet eine gleichbleibende Stickstoffproduktion.

2. Filtration und Trocknung

Bevor Stickstoff aus der Luft abgetrennt wird, werden Verunreinigungen wie Feuchtigkeit, Öl, Wasser und Partikel durch Filtration und Trocknung entfernt.

Die Trennstufe kann nur so gut funktionieren, wie es die Qualität der ihr zugeführten Luft zulässt. Eine schlechte Luftqualität kann den Trennungsprozess und die Qualität des erzeugten Stickstoffs beeinträchtigen.

3. Trennungsstufe: PSA oder Membran

Bei vielen Vor-Ort-Stickstoffgeneratoren sind PSA und Membrantrennung die beiden wichtigsten nicht-kryogenen Trennverfahren.

• Pressure Swing Adsorption (PSA): In einem PSA-Stickstoffgenerator strömt Druckluft durch ein Kohlenstoff-Molekularsieb (CMS), das vorrangig Sauerstoff und andere Gase adsorbiert, während Stickstoff als Produktgas hindurchströmen kann.
• Membrantrennung: Ein Membran-Stickstoffgenerator nutzt selektive Permeation. Druckluft strömt durch Hohlfasermembranen, wobei Sauerstoff, Wasserdampf und andere schneller permeierende Bestandteile die Membran leichter passieren als Stickstoff.

4. Überwachung der Reinheit

Der erzeugte Stickstoff wird überwacht, um sicherzustellen, dass er den geforderten Spezifikationen entspricht. Die Methode zur Überwachung der Stickstoffreinheit kann je nach System variieren. Bei einigen Generatoren wird möglicherweise ein Sauerstoffanalysator eingesetzt, um den Restsauerstoffgehalt im Stickstoffstrom zu messen.

NITROGAS NG setzt beispielsweise einen Sauerstoffanalysator auf Zirkoniumoxidbasis ein, um den Restsauerstoffgehalt im Stickstoffstrom kontinuierlich zu messen.

5. Stickstoffversorgung nach Bedarf

Je nach Systemauslegung kann ein Pufferbehälter einen Vorrat an Stickstoff speichern und dabei helfen, kurzfristige Schwankungen im Bedarf auszugleichen, während der Generator weiterhin Stickstoff gemäß den erforderlichen Spezifikationen produziert.

Dadurch entsteht ein kontrollierter Prozess zur Stickstoffgas-Erzeugung vor Ort, bei dem die Produktion an den Bedarf der Anlage angepasst wird.

Arten von Stickstoffgeneratoren

PSA-Stickstoffgeneratoren

Ein PSA-Stickstoffgenerator nutzt abwechselnde Adsorptions- und Regenerationszyklen, um Stickstoff aus Druckluft zu gewinnen. In einem typischen Zweibett-System adsorbiert ein Turm unter Druck Sauerstoff, während der andere Turm druckentlastet und regeneriert wird. Die Betten wechseln sich anschließend ab, um eine kontinuierliche Produktversorgung zu gewährleisten. Die PSA-Technologie wird in der Regel gewählt, wenn eine Anwendung eine höhere Reinheit des Stickstoffs, einen geregelten Durchfluss oder einen Produktstrom mit engeren Spezifikationen erfordert.

Membran-Stickstoffgeneratoren

Ein Membran-Stickstoffgenerator ermöglicht die Stickstofferzeugung durch die Membran selbst und nicht durch Adsorption. Das System leitet Druckluft durch Bündel aus hohlen Polymerfasern. Sauerstoff, Wasserdampf und andere schneller durchdringende Bestandteile passieren die Membran leichter, während Stickstoff im Produktstrom verbleibt. Diese Systeme bieten eine kompakte Lösung für Anwendungen, die einen kontinuierlichen Durchfluss, eine mäßige Reinheit des Stickstoffs und eine einfache Bedienung erfordern.

Anwendungen von Stickstoffgeneratoren

Stickstoffgeneratoren können branchenübergreifend in allen Bereichen eingesetzt werden, in denen regelmäßig Stickstoff in kontrollierter Menge benötigt wird. Sie können eine praktische und kostengünstige Alternative zu geliefertem Stickstoff darstellen, wenn das benötigte Gas vor Ort erzeugt und direkt in den Prozess eingespeist werden kann.

Zu den gängigen Anwendungen zählen:

Laserschneiden

Bei einigen Anwendungen des Laserschneidens wird Stickstoff als Schutzgas eingesetzt, um die Oxidation an der Schnittkante zu verringern und eine sauberere Oberflächenqualität zu erzielen.

Lebensmittelverpackungen

Stickstoff wird bei der Verpackung unter modifizierter Atmosphäre (MAP) sowie bei Spülanwendungen eingesetzt, um Sauerstoff zu verdrängen und so die Produktqualität zu schützen.

Weinherstellung

Stickstoff kann zur Schutzgasbehandlung und Inertisierung eingesetzt werden, um die Sauerstoffbelastung während der Produktion und Lagerung zu verringern.

Getränkeherstellung

Stickstoff kann zur Begasung von Tanks, zur Spülung von Leitungen, zur Verpackung und für andere Anwendungen eingesetzt werden, bei denen der Sauerstoffkontakt kontrolliert werden muss.

Chemische und pharmazeutische Produktion.

Stickstoff wird zum Spülen, zur Schutzgasbefüllung und zur Aufrechterhaltung kontrollierter Atmosphären im Umfeld von sauerstoffempfindlichen Materialien und Prozessen verwendet.

Metallbearbeitung

Stickstoff wird bei ausgewählten Zerspanungs- und Wärmebehandlungsverfahren eingesetzt, bei denen die Oxidationskontrolle und die Oberflächenqualität eine wichtige Rolle spielen.

Sonstige Anwendungen

Auch in der Elektronik, bei Prozessen in der Automobilindustrie und bei der Reifenbefüllung kann Stickstoff zum Einsatz kommen, wenn eine kontrollierte Gasqualität oder eine geringere Sauerstoffbelastung erforderlich ist.

Vorteile des Einsatzes von Stickstoffgeneratoren vor Ort

Warum sollte Stickstoff vor Ort erzeugt werden? Die Antwort hängt von der jeweiligen Anlage ab, doch es gibt einige gemeinsame Vorteile.

• Sicherheit: Durch die Erzeugung vor Ort kann der Bedarf an der Handhabung und Lagerung von Hochdruck-Stickstoffflaschen oder Kryogenbehältern verringert werden.
• Zuverlässigkeit: Stickstoff wird vor Ort erzeugt, wodurch die Abhängigkeit von Lieferterminen und externen Lieferanten verringert wird.
• Kosteneinsparungen: Durch die Erzeugung von Stickstoff vor Ort lassen sich Kosten für die Anmietung von Gasflaschen sowie für die Lieferung und Handhabung von Gas senken. Die tatsächlichen Einsparungen hängen vom Verbrauch und den Betriebsbedingungen ab.
• Flexible Skalierbarkeit: Modulare Systeme zur Stickstoff-Erzeugung bieten eine praktische Möglichkeit, die Kapazität an den jeweiligen Bedarf anzupassen.
• Nachhaltigkeit: Eine Reduzierung der Logistik für die Gaslieferung kann dazu beitragen, die verkehrsbedingten Umweltauswirkungen der Versorgung mit Stickstoff zu verringern.

Für Betriebe, die eine Vor-Ort-Stickstofferzeugung in Betracht ziehen, beginnt die Auswahl des richtigen Systems damit, die erforderlichen Reinheitsgrade, Durchflussmengen, Drücke, das Bedarfsprofil und die Anwendungen zu verstehen.

Warum NITROGAS NG?

Das auf der PSA-Technologie basierende System gewährleistet eine automatische Versorgung nach Bedarf, während eine PLC-Steuerung wichtige Parameter wie Reinheit, Druck und Durchfluss überwacht. Ein Sauerstoffanalysator auf Zirkonoxidbasis misst kontinuierlich den Restsauerstoffgehalt, um die Reinheit des Stickstoffs zu überwachen.

Sein kompaktes, modulares Design lässt sich gemeinsam mit der Anlage erweitern, während die Kompatibilität mit Industrie 4.0, die firmeneigene Software und der umfassende Support bei der Installation dazu beitragen, den täglichen Betrieb unkompliziert zu gestalten.

Für Betriebe, die von der herkömmlichen Stickstoffversorgung abgehen, kann dies zudem erhebliche Auswirkungen auf die Kosten für die Bereitstellung von Stickstoff haben. NITROGAS NG kann die Gesamtkosten für Stickstoff je nach Anwendung und bestehender Versorgungsregelung um bis zu 90 % senken und gleichzeitig die Abhängigkeit von Flaschen, Lieferungen und externen Lieferanten verringern.