Häufig verwendete Verfahren und Prinzipien der Gastrennung in der Industrie

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Häufig verwendete Methoden und Prinzipien der Gasgetrennung in der Industrie Zu den häufig verwendeten Industriegasen gehören Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Kohlendioxid, flüssiges Ammoniak, flüssiges Chlor, Acetylen sowie Wasserstoff. Es gibt viele Methoden zur Herstellung von Industriegasen. Hier werden einige der gängigsten Methoden kurz vorgestellt. I. Sauerstoff
Die wichtigsten Methoden zur Herstellung von Industriessauerstoff sind die Verflüssigung und Destillation der Luft (kurz: Lufttrennverfahren), die Wasserelektrolyse sowie das Verfahren der Druckabsorption. Der Herstellungsprozess von Sauerstoff durch die Lufttrennmethode besteht im Großen und Ganzen aus folgenden Schritten: Luftaufnahme → Kohlendioxid-Absorptionsanlage → Kompressor → Kühler → Trockner → Kryokompressor → Verflüssigungs- und Trennanlage → Öltrenner → Gasbehälter → Sauerstoffkompressor → Gasbefüllung. Der grundlegende Ansatz besteht darin, die Luft zu verflüssigen und anschließend mithilfe der unterschiedlichen Siedepunkte der einzelnen Bestandteile in einem Destillationsapparat zu trennen, um so Sauerstoff herzustellen. Durch die Forschung, Entwicklung und Einführung großer Sauerstoffherstellungsanlagen wird der Energieverbrauch bei der Sauerstoffherstellung ständig verringert. Zudem ist es nun möglich, gleichzeitig verschiedene Luftaufbereitungsprodukte herzustellen – wie Stickstoff, Argon sowie andere Inertgase. Zur besseren Lagerung und Transportierung wird der flüssige Sauerstoff, der durch den Verdampfungstrenner getrennt wurde, mit Pumpen in Tanks für kryogene Flüssigkeiten gefördert. Von dort aus wird er per Tankwagen zu den verschiedenen Stationen zur Befüllung mit tiefkühlflüssigen Edelgasen transportiert. Flüssiger Stickstoff und flüssiger Argon werden ebenfalls auf diese Weise gelagert und transportiert. II. Stickstoff
Die wichtigsten Herstellungsmethoden für industriellen Stickstoff sind die Lufttrennverfahren, das Verdrängungssorptionverfahren, das Membrangetrennverfahren sowie das Verbrennungsverfahren. 　　Stickstoff, der durch die Lufttrennungsverfahren gewonnen wird, weist eine hohe Reinheit auf und verbraucht wenig Energie. Die Stickstoffherstellung mittels der Pressure-Swing-Adsorptionstechnologie nutzt 5A-Karbonschwammsiebe zur selektiven Adsorption der Bestandteile in der Luft, um Sauerstoff und Stickstoff voneinander zu trennen und so Stickstoff zu gewinnen. Der Stickstoff hat einen hohen Druck sowie einen geringen Energieverbrauch. Die Reinheit des Produkts entspricht den **Standardanforderungen: Industriestickstoff ≥ 98,5 %, reiner Stickstoff ≥ 99,95 %. Drei: Argon
Argon ist das am häufigsten vorkommende Inertgas in der Atmosphäre. Die wichtigste Methode zur Herstellung von Argon ist die Luftzerlegung. Im Sauerstoffherstellungsprozess wird flüssiger Argon gewonnen, indem aus dem Verdampfungstrenner die Fraktion mit einem Siedepunkt von etwa -185,9 °C abgetrennt wird. IV. Kohlendioxid
Die wichtigsten Methoden zur Erzeugung von Kohlendioxid sind: Die Produktion von Kalk, wobei als Nebenprodukt Kohlendioxid entsteht; die Herstellung von Alkohol durch Gärprozesse, bei denen ebenfalls Kohlendioxid entsteht; die Verbrennung von Schweröl und Kokskohle, wodurch Kohlendioxid entsteht; sowie die Synthese von Ammoniak, wobei Kohlendioxid als Nebenprodukt entsteht. Derzeit bestehen die Rohstoffe für die Synthesegasindustrie hauptsächlich aus Erdgas, Raffineriegas, Koksgas und Kohle. Ihre Hauptbestandteile sind Kohlenwasserstoffe mit unterschiedlichen Wasserstoff-Kohlenstoff-Verhältnissen sowie reines Kohlenstoff. Unter hohen Temperaturen reagieren diese Stoffe mit Wasserdampf, wodurch Synthesegas entsteht, das hauptsächlich aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid besteht. Das Kohlenmonoxid wird anschließend in Kohlendioxid umgewandelt. Zu den Methoden zur Reinigung von Kohlendioxid gehören: die Absorptionsmethode, die Druckwechselsorption, die adsorbative Destillation und die Membranuntrennung. V. Ammoniak: Die Herstellung von Ammoniak erfolgt hauptsächlich durch die direkte Synthese. Der Prozess zur Herstellung von Ammoniak besteht darin, dass in einem Wasser-Gas-Generator Luft und Wasserdampf auf glühend heißen Kohlenstoff geblasen werden. Dadurch entsteht zunächst eine Mischung aus Stickstoff und Wasserstoff. Anschließend werden durch Verfahren wie Waschen, Wärmetausch, Kondensation von Kohlendioxid sowie Absorption von Kohlendioxid die Rohgase hergestellt. Das aufbereitete Gemischgas wird über Filter, Kühler, Ammoniaktrenner sowie Heizgeräte in den Synthesereaktor geleitet, wo durch Trennvorrichtungen flüssiges Ammoniak gewonnen wird. VI. Chlorgas – Die wichtigste Herstellungsmethode für Chlorgas in der Industrie ist die Elektrolyse von gesättigtem Salzwasser. Chlorgas mit hoher Reinheit wird bei der Herstellung von aktiven Metallen durch Elektrolyse von geschmolzenen Chloriden gewonnen. Mit Luft oder Sauerstoff kann das bei der organischen Syntheseindustrie anfallende Nebenprodukt Schwefelwasserstoffsäure katalysiert werden, sodass es oxidiert und in Chlor umgewandelt wird. 7. Acetyngas – Die wichtigsten Methoden zur Herstellung von Acetyngas sind die Hydrolyse von Kalziumkarbid, die thermische Zersetzung von Methan oder anderen Kohlenwasserstoffen sowie die Plasmazersetzung. Der Prozess der Karbidhydrolyse weist eine kurze Produktionskette auf und liefert Produkte von hoher Reinheit, erfordert jedoch einen hohen Energieverbrauch. Diese Methode wird bei der Herstellung von gelöstem Acetylen am häufigsten verwendet. Aufgrund der Lösungseigenschaften des Acetyls wird das Acetylgas komprimiert und in den Lösungsmittel eingebracht; anschließend wird es in Stahlflaschen aufbewahrt, die mit porösem Füllmaterial gefüllt sind. Propan wird als hervorragender Lösungsmittel in Stahlflaschen verwendet, wo es zur Auflösung und Freisetzung von Acetylen dient. Seine Funktion besteht darin, das effektive Volumen der Stahlflasche zu erhöhen und die Explosionsgefahr des Acetylengases zu verringern. Die Funktion des porösen Kalziumsilikat-Füllstoffs besteht darin, Propan gleichmäßig aufzunehmen und die Ausbreitung einer Explosion durch die Zersetzung von Acetylen zu verhindern. Die Verbreitung von Flaschen mit gelöstem Acetylen ist sowohl praktisch, da sie die Arbeitserleichtert und die Effizienz steigert, als auch umweltfreundlich, da dadurch der Verbrauch von Calciumkarbid eingeschränkt wird. Es muss jedoch gewährleistet werden, dass das poröse Füllmaterial in den Flaschen nicht beschädigt oder verschmutzt wird. Die Menge des Lösungsmittels muss ausreichen, um das Acetylen aufzulösen – nur so kann Sicherheit und Zuverlässigkeit gewährleistet werden. Der Herstellungsprozess für gelöstes Acetylen besteht darin, dass das rohe Acetylengas zunächst chemisch gereinigt wird, um Verunreinigungen wie Schwefel und Phosphor zu entfernen. Anschließend wird es komprimiert und getrocknet, bevor es in Flaschen mit gelöstem Acetylen gefüllt wird. 8. Wasserstoff – Die wichtigsten Methoden zur Herstellung von Industriewasserstoff sind: die Umwandlung von Mineralien durch Verbrennung zur Gewinnung von Wasserstoff, die Elektrolyse von Wasser sowie die Herstellung von Wasserstoff mittels der Semiwasserstoffgas-Methode. Die Methode der Wasser-Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff ist technisch zuverlässig, einfach in der Bedienung und leicht zu warten. Zudem entsteht keine Umweltverschmutzung, und die Qualität des hergestellten Wasserstoffs ist hoch. Allerdings ist der Energieverbrauch groß, was die Kosten erhöht. Dadurch sind die Produktionsmöglichkeiten eingeschränkt. Diese Methode wird hauptsächlich von Kunden verwendet, die einen hohen Anspruch an die Reinheit des Wasserstoffs haben und dessen Menge nicht besonders groß ist. Doch durch den Einsatz neuer Technologien wurde die Entwicklung der Wasserstoffelektrolyse-Technologie vorangetrieben, wodurch die Kosten für die Herstellung von Wasserstoff durch Wasserstoffelektrolyse stetig sanken und der Energieverbrauch abnahm. Dadurch hat diese Methode das Potenzial, zur wichtigsten Herstellungsweise für „saubere Energie“ zu werden. Derzeit werden folgende Methoden zur Herstellung von Wasserstoff erforscht und entwickelt: die elektrochemische Zersetzung von Wasser zur Gewinnung von Wasserstoff sowie die Photokatalyse zur Herstellung von Wasserstoff. Übernommen von: Chemie 707