Mit Fasern separieren


Luft- und Raumfahrt, Energie- und Chemiebranche oder Lebensmittelindustrie
– alle diese Industriezweige benötigen mehr oder weniger reinen Stickstoff. Mit der neu entwickelten Hohlfasermembran SEPURAN® N2 bietet Evonik eine Lösung, mit der sich das begehrte Gas bedarfsgerecht, effizient und energiesparend gewinnen lässt.


Unbrennbar, reaktionsträge, geruch- und geschmacklos – diese Eigenschaften machen Stickstoff zu einem begehrten Gas für viele Industriezweige. Gewonnen wird Stickstoff aus Luft, die zu 78 Prozent aus dem inerten Gas besteht. Daneben enthält Luft knapp 21 Prozent Sauerstoff – ein sehr reaktives Gas, das Brande begünstigt. Die Trennung von Sauerstoff und Stickstoff ist die Aufgabe von Gasseparationsverfahren.


Besonders gut gelingt das mit der kryogenen Luftzerlegung, dem sogenannten Linde-Verfahren. Damit lasst sich Stickstoff gewinnen, der eine Reinheit von mehr als 99,99 Prozent aufweist. Allerdings hat diese Qualität auch ihren Preis: Die Tieftemperatur-Luftzerlegung benötigt viel Energie und ist nur bei großen Produktionsmengen wirtschaftlich rentabel. Für viele Anwendungen ist jedoch technischer Stickstoff mit einer Reinheit von 95 bis 98 Prozent ausreichend.





Eine der Hauptanwendungen für das Inertgas, in denen solche Reinheiten ausreichen, ist der aktive Brandschutz: In Serverraumen zum Beispiel sorgt eine N2-Zufuhr dafür, dass der Sauerstoffanteil in der Raumluft unter 16 Prozent sinkt – Flammen erloschen dann sofort beziehungsweise bilden sich erst gar nicht. In der chemischen Industrie wird Stickstoff häufig zum Explosionsschutz in Produktionsanlagen oder Tanklagern eingesetzt. Für solche Zwecke lasst sich Stickstoff deutlich kostengünstiger mit der Membrantechnologie gewinnen.





Evonik als einer der Technologieführer bei Hochleistungspolymeren hat in den vergangenen Jahren maßgeschneiderte Membransysteme zur Gasseparation für unterschiedlichste Anwendungen entwickelt. SEPURAN® Green zum Beispiel kommt in der Biogasaufbereitung zum Einsatz, weil es sehr effizient Kohlendioxid und Methangas voneinander trennt. Das Verfahren wurde mit dem IKU Innovationspreis 2014 des deutschen Bundesumweltministeriums für herausragende Innovationen im Klima- und Umweltschutz ausgezeichnet.

Von Polymerlösung bis zum fertigen Modul

Basierend auf dem Erfolg bei der Biogasaufbereitung haben die Ingenieure bei Evonik mit SEPURAN® N2 nun eine Hohlfasermembran speziell für die effiziente Stickstoffgewinnung entwickelt: Sie besitzt eine hohe Kapazität, verbraucht dabei nur wenig Luft und arbeitet äußerst energiesparend.


SEPURAN® N2 besteht aus dem thermisch und chemisch sehr stabilen Hochleistungskunststoff Polyimid, den Evonik ebenfalls selbst produziert, und arbeitet nach dem Lösungs-Diffusions-Prinzip, wobei Gase selektiv permeieren. In die Hohlfasermembranen, die an lange, sehr dünne Röhrennudeln erinnern, wird komprimierte Luft geleitet. Dadurch bildet sich eine Partialdruckdifferenz zwischen Außen- und Innenseite der Hohlfaser. Die unterschiedlichen Gasteilchen streben einen Druckausgleich an, den die Membran jedoch erschwert.

Die Sauerstoffmoleküle können aufgrund ihrer geringen Größe die Membran sehr leicht passieren. So wird Stickstoff im Innenraum, der Retentatseite, auf die gewünschte Reinheit angereichert, während sich auf der Außenseite der Hohlfaser, der Permeatseite, ein O2-reicher Luftstrom bildet. Dieser Strom kann in manchen Fällen ein willkommenes Koppelprodukt sein, das zum Beispiel zur Durchsatzerhöhung von Verbrennungsbeziehungsweise Oxidationsprozessen eingesetzt wird.



Über die Eingangsmenge der komprimierten Luft lässt sich die N2-Reinheit regulieren: je geringer die Eingangsmenge, desto höher die Qualität des Stickstoffs. In diesem Fall benötigt das Verfahren aber insgesamt ein größeres Luftvolumen, weil neben dem Sauerstoff auch mehr Stickstoff durch die Kunststoffmembran fließt. In der Regel wird mit einem Druck von bis zu zehn bar gearbeitet. Je nach geforderter Reinheit liegt das Mengenverhältnis von eingeleiteter Luft zu produziertem Stickstoff zwischen 2:1 und 3:1.




Evonik produziert die Polyimid-Hohlfasern an seinem österreichischen Standort Lenzing, der umfangreiche Erfahrung und Kompetenzen bei der Fertigung von Fasern besitzt. In einer Spinnanlage fließt die Polymerlösung um einen zentral ausgerichteten Flüssigkeitsstrahl, den späteren Hohlraum der Faser, in ein Fällbad. Der Flüssigkeitsstrahl sorgt auch für die Reinheit des Stickstoffs lässt sich einfach steuern notwendigen molekularen Hohlräume der Membran. Die gasaktive Schicht an der Oberfläche der Faser, an der die tatsächliche Gasseparation stattfindet, ist weniger als 100 Nanometer dick. Der poröse Restanteil der Fasern dient in erster Linie als Stützkörper.




Am Ende des Spinnprozesses liegen fertige Hohlfasermembranen vor, die einen Durchmesser von weniger als einem halben Millimeter aufweisen und schließlich in Edelstahlmodule eingepasst werden können: Mehrere 10.000 Stück dieser dünnen Röhrchen befinden sich – gebündelt und eingebettet in ein eigens dafür entwickeltes Harz – in dem etwa 1,30 Meter langen SEPURAN® N2-Membranmodul. Je nach Anwendung und Anlagengröße lassen sich beliebig viele dieser Module miteinander verschalten.

Hohe Kapazität, hohe Effizienz

Das Membranverfahren stellt besonders für die Hersteller von Stickstoffgeneratoren, häufig mittelständische Anlagenbauunternehmen, eine kostengünstige Alternative für eine maßgeschneiderte, bedarfsgerechte Stickstoffgewinnung dar. Die Experten von Evonik konnten dazu zwei positive Eigenschaften kombinieren: Zum einen werden bei der SEPURAN® N2-Technologie weniger Membranmodule benötigt, um die gewünschte Stickstoffmenge zu erzeugen, als bei alternativen Membransystemen. Zum anderen kommt das Verfahren mit weniger Luft aus; der vorgeschaltete Kompressor kann dementsprechend kleiner ausfallen. Das reduziert nicht nur den gesamten Energieverbrauch der Stickstoffproduktion, sondern auch die Investitionskosten, an denen der Kompressor einen großen Anteil besitzt.

Auch die Betriebskosten und der Wartungsaufwand sind bei der Gasseparation mit SEPURAN® N2 gering. rer Vorteil: Das SEPURAN® N2-Membranmodul lässt sich sehr einfach an bestehende Druckluftsysteme ankoppeln, so dass mit geringem Investitionsaufwand eine On-site-Produktion des Inertgases möglich ist. Zudem bietet das Verfahren durch den modularen Aufbau eine hohe Flexibilität, und die Anlage kann in kurzen Intervallen hoch- und heruntergefahren werden. Daher lassen sich Membransysteme auch ideal mit bestehenden kryogenen Luftzerlegern oder Druckwechseladsorptionsanlagen kombinieren, um Bedarfsspitzen abzudecken oder die Lastgrenzen zu erweitern.


Die reduzierten Investitions- und Betriebskosten der SEPURAN® N2-Technologie ermöglichen es, Stickstoff deutlich günstiger herzustellen, und dies nicht nur im Vergleich zu anderen Membransystemen. Gerade wenn Stickstoffreinheiten geringer als 98 Prozent ausreichend sind, ist die SEPURAN® N2-Technologie eine besonders attraktive Alternative zu Druckwechseladsorptionsanlagen oder per Tankwagen geliefertem Stickstoff beziehungsweise Flaschenbündelbatterien.





Evonik deckt die gesamte Wertschöpfungskette der Membranmodule ab. Sie erstreckt sich von der Herstellung der Monomere und Polymere über die Produktion der Hohlfasern bis zur Fertigung der kompletten Module. Es lassen sich also an allen wichtigen Schlüsselstellen Anpassungen vornehmen – am molekularen Design der chemischen Bausteine, an der Modifikation der Einzelfasern und an deren Einbettung in die Edelstahlelemente. So konnte eine bislang nicht gekannte Modul-Performance erreicht werden.