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Stickstoff (N) ist ein farbloses, geruchloses, meist inertes Gas. Es hat die Ordnungszahl 7 und gehört zur Gruppe 15 des Periodensystems der Elemente – den „Nichtmetallen“. Im Gegensatz zum echten Edelgas Argon ist es nicht völlig inert, kann aber für fast alle Anwendungen als völlig unreaktiv und inert angesehen werden.
Bei Standardtemperatur und -druck verbinden sich zwei Stickstoffatome zu N2. Obwohl er im Allgemeinen als „Stickstoff“ bezeichnet wird, lautet sein chemisch korrekter Name in dieser Form „Distickstoff“!
Entdeckung
Er wurde erstmals 1772 vom schottischen Arzt Daniel Rutherford entdeckt und isoliert. Erst mit den Fortschritten in der Kältetechnik zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde es in flüssiger Form kommerziell verfügbar. Der deutsche Ingenieur und Unternehmer Carl von Linde hatte ein Verfahren entwickelt, um Luft zu verflüssigen und Sauerstoff, Stickstoff und Argon aus der Atmosphäre zu trennen.
Daniel Rutherford 1749-1819
Carl von Linde 1842-1934
Stickstoff ist mit etwa 78,1 Vol-% das häufigste Gas in der Erdatmosphäre, Sauerstoff mit 20,9% und Argon mit 0,93%.
|
Gas |
Symbol |
Volumen in Luft % |
|
Stickstoff |
N2 |
78.084 |
|
Sauerstoff |
O2 |
20.9476 |
|
Argon |
Ar |
0.934 |
|
Kohlendioxid |
CO2 |
0.0383 |
|
Neon |
Ne |
0.001818 |
|
Methan |
CH4 |
0.0002 |
|
Helium |
He |
0.000524 |
|
Krypton |
Kr |
0.000114 |
|
Wasserstoff |
H2 |
0.00005 |
|
Distickstoffoxid |
N2O |
0.00003 |
|
Kohlenmonoxid |
CO |
0.00001 |
|
Xenon |
Xe |
0.0000087 |
|
Ozon |
O3 |
0.000007 |
|
Stickstoffdioxid |
NO2 |
0.000002 |
|
Iod |
I |
0.000001 |
|
Ammoniak |
NH3 |
Trace |
Preventing the spoilage of food, beverage, and pharmaceuticals by certain species of microbes that need oxygen to survive and propagate. Verhindern des Verderbs von Lebensmitteln, Getränken und Arzneimitteln durch bestimmte Arten von Mikroben, die zum Überleben und zur Vermehrung Sauerstoff benötigen.
Preventing the detrimental oxidization of metals, plastics, and chemicals by “blanketing” with nitrogen to prevent contamination with ambient air and thus oxygen. Vermeiden schädlicher Oxidation von Metallen, Kunststoffen und Chemikalien durch "Überlagern" mit Stickstoff zur Vermeidung der Kontamination mit Luft und damit Sauerstoff.
Verhinderung von Brand und/oder Explosion brennbarer Materialien und Chemikalien durch Ausschluss von Sauerstoff.
Um Verbrennung oder Explosion zu fördern sind 3 kritische Komponenten erforderlich:
a) Ein Brennstoff (etwas, das in Umgebungsluft brennt oder explodiert).
b) Eine Zündquelle wie z. B. ein Funke, eine statische Entladung oder eine offene Flamme.
c) Sauerstoff - Allgemein brennen oder explodieren die meisten brennbaren Dinge bei einem Sauerstoffgehalt über 10 %, so dass Umgebungsluft mit fast 21 % die Verbrennung sehr gut unterstützt.
Diese 3 Komponenten werden "Feuerdreieck" genannt. Aber ein Dreieck fällt zusammen, wenn eine der Seiten entfernt wird. Im Fall des Zusammenbruches kann ein Feuer oder eine Explosion nicht stattfinden. Durch Ersetzen der Umgebungsluft durch Stickstoffgas wird die Sauerstoffseite des Dreiecks entfernt und ein Brand oder eine Explosion verhindert.
Verhindert Sauerstoffpermeation durch Materialien wie Gummi und Kunststoffe.
Skaliert man die Gasdurchlässigkeit gilt Stickstoff als "langsames" und Sauerstoff als "mittelschnelles“ Gas. Das bedeutet, dass Sauerstoff bestimmte Materialien viel schneller durchdringt als Stickstoff.
Ein Beispiel: Reifen von Zivil- und Militärflugzeugen sind mit Stickstoff gefüllt, um zu verhindern, dass sie durch Sauerstoffpermeation teilweise entleert werden, was durch die extremen Temperatur- und Druckschwankungen, denen sie während eines Fluges ausgesetzt sind, beschleunigt wird. Auch Lkw- und Pkw-Reifen werden aus ähnlichen Gründen häufig mit Stickstoff befüllt.
Ein Großteil des von der Industrie verwendeten Stickstoffs wird von Industriegasunternehmen durch „kryogene Destillation“ hergestellt und geliefert. Dieses Verfahren wird in einer „Luftzerlegungsanlage“ (ASU) durchgeführt.
Die ASU verwendet saubere, trockene, ölfreie, Druckluft. Durch eine Reihe von Kompressions-, Expansions- und Wärmeaustauschzyklen wird die Temperatur der Luft gesenkt, bis die drei Hauptbestandteile Stickstoff, Sauerstoff und Argon bei unterschiedlichen Temperaturen flüssig werden. In einer „Destillationskolonne“ werden die verschiedenen Elemente getrennt und als tiefkalte Flüssigkeit oder als Gas in Hochdruckflaschen gelagert.
Typische Luftzerlegungsanlage eines Industriegasunternehmens. Die kryogene Destillationskolonne ist der hohe rechteckige Turm im Vordergrund des Bildes.
Der überwiegende Teil des industriellen Stickstoffs wird durch kryogene Luftzerlegung erzeugt. Dies gilt für alle Stickstoffanwendungen, gasförmige wie auch
flüssige zum Gefrieren und Kühlen.
Etwa 36 % des globalen industriellen Gasbedarfs wird in Gasflaschen geliefert. Dabei kann es sich um einzelne Gasflaschen handeln, die eine Größe von 1-2 m3 bis zu 13 m3 haben können. Es können aber auch Flaschenbündel, mehrere in einem Rahmen installierte Einzelflaschen, eingesetzt werden, die bis zu 170 m3 Gas enthalten. Der Speicherdruck liegt im Allgemeinen zwischen 180 und 300 bar (2610 bis 4350 psig), je nach Konstruktion und Spezifikation der Flaschen.
Flaschen und -bündel verwenden einen Druckregler, um den Stickstoffdruck auf den erforderlichen Nutzungsdruck zu reduzieren. Dieser liegt in der Regel zwischen 5 und 10 bar (72,5 und 145 psig).
Gasförmige Stickstoffanwendungen können auch durch Flüssigstickstoff erfüllt werden, der dann vor Ort in ein Gas umgewandelt wird. Dies geschieht entweder mittels Minitanks oder große Behälter, wo der flüssige Stickstoff mit Verdampfern umgewandelt wird.
