Ein Kohlenstoffmolekularsieb, meist kurz CMS genannt, ist das Bauteil, das im PSA-Stickstoffgenerator die eigentliche Trennung von Stickstoff und Druckluft leistet. Wer die Stickstoffversorgung vor Ort prüft, kann Reinheit, Betriebskosten und Standzeit deutlich besser einschätzen, wenn er die Funktionsweise des Siebs kennt. Dieser Beitrag erklärt, was ein Kohlenstoffmolekularsieb ist, wie daraus Stickstoff entsteht und wie es sich gegenüber den anderen Trennverfahren am Markt einordnet.

Was ist ein Kohlenstoffmolekularsieb (CMS)?

Ein Kohlenstoffmolekularsieb ist ein hochporöses, gezielt hergestelltes Kohlenstoff-Adsorbens, dessen Porenstruktur im molekularen Maßstab eingestellt ist. Seine Aufgabe ist die Trennung von Gasen nach Molekülgröße. Luft besteht zu rund 78 Prozent aus Stickstoff und zu 21 Prozent aus Sauerstoff, dazu kommen geringe Anteile Argon, Kohlendioxid und Wasserdampf. Sauerstoffmoleküle messen etwa 3,46 Ångström, Stickstoffmoleküle etwa 3,64 Ångström. Genau diesen kleinen Unterschied nutzt das Sieb: Die Poren sind so eng eingestellt, dass die kleineren Sauerstoffmoleküle eindringen und festgehalten werden, während die größeren Stickstoffmoleküle passieren. Diese eine Eigenschaft macht die Stickstofferzeugung vor Ort überhaupt möglich.

Ein Kohlenstoffmolekularsieb ist nicht zu verwechseln mit den Zeolith-Molekularsieben, die für die Sauerstofferzeugung oder zur Trocknung eingesetzt werden. Beide Familien tragen den Namen „Molekularsieb“, ein CMS ist aber gezielt dafür gebaut, Sauerstoff zurückzuhalten und Stickstoff als Produktgas zu liefern.

Kohlenstoffmolekularsieb: Schüttung schwarzer zylindrischer CMS-Pellets

Wie CMS im PSA-Stickstoffgenerator arbeitet

PSA steht für Pressure Swing Adsorption, also Druckwechseladsorption, und der Name beschreibt den Zyklus. Ein PSA-Stickstoffgenerator arbeitet mit zwei Behältern, die mit Kohlenstoffmolekularsieb gefüllt sind. Saubere, trockene Druckluft strömt unter Druck in den ersten Behälter. Dort adsorbieren Sauerstoff, Kohlendioxid und Restfeuchte am CMS, während der Stickstoff hindurchtritt und sich im Puffertank sammelt.

Nähert sich das Sieb in diesem Behälter der Sättigung, schaltet der Generator auf den zweiten Behälter um und erzeugt ohne Unterbrechung weiter Stickstoff. Der erste Behälter wird anschließend regeneriert, indem der Druck abgebaut wird: Der gebundene Sauerstoff desorbiert und wird an die Umgebung abgegeben, das Sieb ist für den nächsten Zyklus bereit. Ein typischer Generator wechselt etwa im 60-Sekunden-Takt zwischen beiden Behältern, sodass Stickstoff kontinuierlich zur Verfügung steht. Weil das Sieb über den Druck und nicht über Wärme regeneriert wird, verbraucht es sich im Normalbetrieb nicht.

CMS, Membran oder Kryotechnik: Wann CMS die richtige Wahl ist

Für die Stickstofferzeugung sind drei Verfahren etabliert. Welches passt, hängt von der geforderten Reinheit und der Menge ab.

  • Membrantrennung presst Druckluft durch Hohlfasern, durch die Sauerstoff und Wasser schneller permeieren als Stickstoff. Das Verfahren ist kompakt und einfach, bleibt aber in der Regel auf niedrigere Reinheiten bis rund 99,5 Prozent begrenzt.
  • Kryogene Trennung kühlt Luft ab, bis sich ihre Bestandteile verflüssigen und destillativ getrennt werden können. Sie liefert sehr hohe Reinheiten bei sehr großen Mengen, ist aber kapitalintensiv und erst im industriellen Maßstab wirtschaftlich.
  • PSA mit CMS liegt dazwischen. Das Verfahren erreicht Reinheiten bis 99,999 Prozent bei den Volumenströmen, die in den meisten Produktionsbetrieben vor Ort gebraucht werden, und benötigt dafür nur Druckluft und Strom.

Für die vielen industriellen Anwender, die zuverlässig hochreinen Stickstoff auf Abruf brauchen, ohne sich an einen Gasliefervertrag zu binden, ist ein PSA-Generator mit CMS in der Regel die praktikable Lösung.

Molekularsieb-Typen 3A/4A/5A im Vergleich zu CMS

Bei der Recherche zu Molekularsieben stößt man häufig auf die Typen 3A, 4A und 5A. Es lohnt sich, sie neben das CMS zu stellen. Diese Zahlen bezeichnen Zeolith-Molekularsiebe und geben die nominale Porenöffnung in Ångström an:

  • 3A adsorbiert selektiv Wasser und kommt dort zum Einsatz, wo nur Feuchtigkeit entfernt werden soll, etwa bei der Trocknung von Alkoholen.
  • 4A übernimmt die allgemeine Trocknung von Gasen und Flüssigkeiten und bindet daneben kleine Moleküle wie Kohlendioxid.
  • 5A adsorbiert größere Moleküle, darunter einige Kohlenwasserstoffe, zusätzlich zu Wasser.

Bei diesen Typen geht es um Trocknung und allgemeine Adsorption. Die Stickstofferzeugung ist eine andere Aufgabe, und dafür ist das Kohlenstoffmolekularsieb ausgelegt: Es ist auf den Größenunterschied zwischen Sauerstoff und Stickstoff hin konstruiert, nicht auf Wasser. Im Stickstoffgenerator ist das CMS das arbeitende Adsorbens, Trocknungstypen können ihm vorgeschaltet sein, um es zu schützen.

Reinheit, Standzeit und Regeneration des CMS

Die Qualität des Kohlenstoffmolekularsiebs bestimmt, was ein Generator überhaupt leisten kann. Ein gut gefertigtes CMS mit enger, gleichmäßiger Porenstruktur trägt Stickstoffreinheiten bis 99,999 Prozent und hält diese Leistung über Hunderttausende Druckwechselzyklen.

Wie lange es arbeitet, hängt vor allem davon ab, was bei ihm ankommt. Ölschlupf, flüssiges Wasser und Staub aus schlecht gefilterter Druckluft belegen oder verstopfen die Poren und verkürzen die Standzeit. Deshalb ist die Druckluftaufbereitung genauso wichtig wie das Sieb selbst. Mit sauberer, trockener Eintrittsluft bleibt ein CMS-Bett viele Jahre leistungsfähig und hält den Wartungsaufwand gegenüber einer kryogenen Anlage gering.

Kosten und Effizienz: Was CMS für die Betriebskosten bedeutet

Die Betriebskosten eines Generators mit CMS bestehen im Wesentlichen aus den Kosten der verbrauchten Druckluft, und die hängen an der geforderten Reinheit. Je höher die Reinheit, desto mehr Sauerstoff muss das Sieb abweisen, desto mehr Luft wird je Einheit Stickstoff gebraucht und desto mehr Strom fließt. Die Reinheit auf das festzulegen, was der Prozess tatsächlich braucht, statt auf das technisch Machbare, ist der größte Hebel bei den Betriebskosten.

Gegenüber angeliefertem Stickstoff in Flaschen oder als Flüssiggas entfallen bei der Erzeugung vor Ort die laufenden Gaskosten, Lieferkosten und Mieten, und das Risiko, zwischen zwei Lieferungen ohne Stickstoff dazustehen, verschwindet. Wie die Rechnung konkret ausfällt, hängt von Reinheit, Verbrauchsprofil und aktuellem Gaspreis ab. Der sinnvolle nächste Schritt ist deshalb eine Auslegung anhand der Anwendung und keine Faustformel.

Anwendungen

Stickstoffgeneratoren mit CMS kommen überall dort zum Einsatz, wo vor Ort eine saubere, trockene und inerte Atmosphäre gebraucht wird:

  • Elektronik und Halbleiter, zum Inertisieren und Löten, etwa in Reflow- und Wellenlötprozessen.
  • Lebensmittelverpackung, für Schutzgasverpackung (MAP), die die Haltbarkeit verlängert.
  • Pharmazie, zum Überlagern von Produkten und um Prozesse trocken und inert zu halten.
  • Chemische Verfahrenstechnik, zum Überlagern und Spülen, um Sauerstoff zu verdrängen.
  • Metallbearbeitung und Laserschneiden, wo Stickstoff saubere, oxidfreie Schnittkanten erzeugt.

Entscheidend sind in allen Fällen dieselben zwei Größen: die Reinheit, die die Anwendung verlangt, und der Volumenstrom, den sie verbraucht. Beide führen zurück auf das Kohlenstoffmolekularsieb im Kern des Generators.

Als Hersteller kompletter PSA-Anlagen stimmt Berg GaseTech Sieb, Behälterauslegung und Steuerung auf Ihre Zielreinheit und Ihren Volumenstrom ab. Das komplette NITROBERG®-Programm finden Sie auf unserer Seite PSA-Stickstoffgeneratoren, oder Sie lassen sich von unseren Ingenieuren eine Auslegung für Ihren Standort rechnen.

Häufige Fragen

Was ist CMS in einer Stickstoffanlage?

In einer Stickstoffanlage oder einem Stickstoffgenerator steht CMS für Kohlenstoffmolekularsieb (englisch carbon molecular sieve). Es ist das poröse Kohlenstoff-Adsorbens in den Behältern des Generators, das die eigentliche Gastrennung leistet. Unter Druck hält das Sieb die kleineren Sauerstoffmoleküle aus der Druckluft zurück, während die größeren Stickstoffmoleküle hindurchtreten und zum Produktgas werden. Anschließend wird das Sieb regeneriert, indem der Druck abgesenkt und der Sauerstoff wieder freigegeben wird. Alles andere in der Anlage, vom Kompressor bis zum Puffertank, dient dazu, das Kohlenstoffmolekularsieb zu versorgen und zu schützen. Deshalb bestimmt seine Qualität maßgeblich, welche Reinheit und Zuverlässigkeit der Stickstoff am Ende hat.

Was ist ein Stickstoffgenerator?

Ein Stickstoffgenerator ist eine Anlage, die Stickstoff vor Ort aus gewöhnlicher Druckluft erzeugt, sodass keine Abhängigkeit von angelieferten Flaschen oder Flüssigstickstoff mehr besteht. Die im industriellen Umfeld häufigste Bauart ist der PSA-Stickstoffgenerator, der den Stickstoff mit einem Kohlenstoffmolekularsieb aus der Luft trennt. Er zieht saubere Druckluft an, entfernt den Sauerstoff durch Adsorption und liefert kontinuierlich Stickstoff in der eingestellten Reinheit. Weil er nur Druckluft und Strom benötigt, stellt ein Generator Stickstoff auf Abruf zu kalkulierbaren Kosten bereit und macht die Logistik der Gaslieferungen überflüssig.

Wie viel Druckluft braucht ein Stickstoffgenerator?

Ein PSA-Stickstoffgenerator benötigt saubere, trockene und ölfreie Druckluft und verbraucht je erzeugter Einheit Stickstoff ein Mehrfaches davon an Luft. Das genaue Verhältnis hängt an der geforderten Reinheit: Je höher die Stickstoffreinheit, desto mehr Sauerstoff muss das Sieb abweisen, sodass der Luftbedarf zum oberen Ende des Reinheitsbereichs hin stark ansteigt. Kompressor und Druckluftaufbereitung müssen deshalb zusammen mit dem Generator ausgelegt werden. Verlässlich ist eine Auslegung anhand der Anwendung, die Luftversorgung, Reinheit und Volumenstrom aufeinander abstimmt. Diese Rechnung stellen unsere Ingenieure für Ihren Prozess auf.