Die Membran selber besteht aus einem Kunststoff (Polymer), der für verschiedene Gase unterschiedlich durchlässig ist. Grundsätzlich gilt, dass beinahe alle Gase die Membran passieren können, aber mit unterschiedlicher Permeationsrate. Für die bei CA-Anwendungen in Frage kommenden Gase gilt: Wasser permeiert am schnellsten, gefolgt von CO2, O2 und zuletzt N2. Das Verhältnis der Permeationsraten zweier Gase wird Selektivität genannt. Die treibende Kraft für den Gasaustausch ist dabei die Partial-Druck-Differenz der Gase auf beiden Seiten der Membran.
Dieser Effekt wird für die Stickstofferzeugung ausgenutzt, sodass aus komprimierter Luft Sauerstoff abgeschieden werden kann.
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| Abbildung 52: Prinzipieller Aufbau einer Gastrennmembran |
Außerdem gilt, dass mit steigender Temperatur der Membran die Gasdurchlässigkeit zunimmt, sodass Membranen heute üblicherweise bei möglichst hoher Temperatur betrieben werden, um aus einer kleinen Membran die höchste Ausbeute zu erzielen. Gleichzeitig sinkt bei steigender Temperatur allerdings die Selektivität zwischen Sauerstoff und Stickstoff, d. h., der Wirkungsgrad bezogen auf die eingesetzte Pressluftmenge wird schlechter. Bei Membranen mit ohnehin großer Selektivität spielt dieser Effekt keine große Rolle. Ist die Selektivität aber ohnehin bereits klein, kann ein Betrieb bei hohen Temperaturen nicht mehr sinnvoll sein.
) Zum Vergrößern Grafik anklicken. Abbildung 53: Kennlinien einer Stickstofferzeugungsmembran |
In Abb. 53 ist prinzipiell das Kennliniendiagramm einer Gastrennmembran gezeigt. Dargestellt ist die Reinheit des erzeugten Stickstoffes und die Ausbeute (Menge erzeugter Stickstoff zu Menge eingesetzter Pressluft) für eine Referenzmembran bei einem konstanten Druck. Ausgehend von dieser Linie wurden Bedingungen geändert: Verdoppelung der Gasaustauschfläche (Dieser Fall entspricht der Anwendung von zwei parallel geschalteten Membranen.), Erhöhung des Luftdruckes auf das 1,5fache sowie eine Verdoppelung der Permeabilität von Sauerstoff (anderes Membranmaterial). |
Üblicherweise werden Membrananlagen daher heute bis zu Restsauerstoffgehalten von 1 % eingesetzt. Größere Reinheiten sind wirtschaftlicher mit PSA-Anlagen zu erzeugen. Für die Anwendung von CA in Kühlcontainern werden heute fast ausschließlich Membrananlagen eingesetzt, da diese vom System her sehr einfach sind und relativ klein und leicht zu bauen. Diese bestehen im Wesentlichen aus folgenden Komponenten (siehe Abb. 54):
- Luftkompressor mit Ansaugluftfilter
- Filter und Wasserabscheider in der Pressluftzufuhr
- Heizung zur Erwärmung der Pressluft
- Gastrennmembran
- Drosselstelle zum Druckabbau
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| Abbildung 54: Grundprinzip eines Membran-Stickstofferzeugers |