Anwendungen von gasförmigem Stickstoff – wofür wird er benötigt?
Stickstoff ist mit ca. Vol.-78 % Hauptbestandteil unserer Atemluft. Er kommt in drei Aggregatzuständen, nämlich gasförmig, flüssig und fest, vor. Gasförmiger Stickstoff wird in Gasflaschen gelagert und unter anderem in Laboratorien als Schutzgas für sauerstoffempfindliche Substanzen verwendet. Von der Gasflasche aus kann der Stickstoff dann mit Hilfe von Elastomerschläuchen weitergeleitet werden. Gasförmiger Stickstoff wird in ausreichender Reinheit geliefert, sodass er direkt aus der Gasflasche verwendet werden kann. Eine Nachreinigung des Gases durch ein „Stickstoffbrett“, wie es früher in Laboratorien eingesetzt wurde, ist nicht mehr notwendig.
Anwendungen von flüssigem Stickstoff
Flüssiger Stickstoff, auch als LN (Liquid Nitrogen) bezeichnet, findet seine Anwendung im Labor und in der Kryotechnik (Kältetechnik). Flüssiger Stickstoff wird in Dewar-Behältern geliefert. Das sind Behälter aus Stahl oder Glas mit einer doppelwandigen Vakuumisolation, die zur Vermeidung von Verdampfungsverlusten dient. Da sich flüssiger Stickstoff beim Verdampfen stark ausdehnt, ist außerdem ein Überdruckventil zum Druckausgleich notwendig.
So werden im Labor Dewar-Gefäße mit Kühlfallen zum Auskondensieren von Wasser, Lösungsmitteln oder Gasen in Verbindung mit Vakuumpumpen verwendet. Im biologischen Labor werden Proben mit flüssigem Stickstoff eingefroren. Supraleitende Magnete, wie sie in NMR-Spektrometern Verwendung finden, werden mit flüssigem Stickstoff gekühlt.
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| Siedender Stickstoff in einem Metallbecher (-196 °C) |
Die besonders niedrige Temperatur von flüssigem Stickstoff von -196 °C stellt hohe Anforderungen an die Kunststoff-Schlauchtechnik, da bei dieser Temperatur die Glastemperatur der meisten Polymere unterschritten wird. Ungeeignete Schlauchmaterialien werden bei diesen Temperaturen schnell spröde und porös, wodurch es zu Leckagen und der Gefährdung von Personal kommen kann.
Stickstoffschläuche
Der Transport von flüssigem Stickstoff ist ein schwieriges Problem für die Schlauchtechnik. Flüssiger Stickstoff ist zwar chemisch inert, doch bei den tiefen Temperaturen von unter -196 °C wird die Glastemperatur von fast allen Kunststoffen unterschritten. Die Polymere werden hart und spröde und zerplatzen schon bei kleiner mechanischer Belastung. Eine Alternative zu den Kunststoffschläuchen sind Edelstahlleitungen und Edelstahlschläuche.
Werkstoffe für Stickstoffschläuche
Für die Leitung von Stickstoff sind folgende Werkstoffe geeignet:
Edelstahl
Hochkorrosionsbeständiger Edelstahl, mit Isolationsschicht und Metallgewebeummantelung. Wellschläuche aus diesem Material vertragen die tiefen Temperaturen ohne zu platzen, porös zu werden oder zu versteifen. Die Schläuche sind in der Fluidtechnik von großer Bedeutung und in einem ausgedehnten Temperaturbereich verwendbar: Ihr Einsatzbereich erstreckt sich von -200 °C bis +550 °C. Sie sind beständig gegenüber siedend heißem Öl, Säuren und Laugen sowie tief kalt verflüssigtem Stickstoff. In der Forschung und Industrie finden sie vielfältigen Einsatz, um feste, flüssige oder gasförmige Substanzen unter anspruchsvollen thermischen Bedingungen zu leiten. Ihre Besonderheit liegt in der Beständigkeit gegenüber aggressiven Medien und der großen Temperaturtoleranz. Nachteilhaft ist aber die Korrosionsanfälligkeit und suboptimale Flexibilität von Metallschläuchen.
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Starre Stickstoffleitungen aus Edelstahl
Damit Flüssigstickstoff mit geringen Verdampfungsverlusten aus den Dewar-Gefäßen abgeleitet werden kann, werden vakuumisolierte Transferleitungen aus Edelstahl angeboten. Hierfür werden am Markt Baukastensysteme angeboten. Dabei handelt es sich um Konstruktionen aus antimagnetischem, hochkorrosionsbeständigem Edelstahl. Dazu werden superisolierte Kupplungen für flexible Kombinationsmöglichkeiten mit schnell lösbaren Steckkupplungen sowie fest installierten Schweißkupplungen angeboten. Das zur Vermeidung von Verdampfungsverlusten erforderliche Isoliervakuum hat eine lange Standzeit.
Flexible Stickstoffschläuche aus Edelstahl
Zusätzlich werden auch unter extremsten Bedingungen hochbeständige, flexible Stickstoffschläuche aus Edelstahl angeboten. Sie gehören zu den wesentlichen Elementen der Fluidtechnik in der Chemie, dem Schiffsbau, der Medizintechnik, der Labortechnik, der Prozesstechnik und der Energieversorgung. Unterschiedlichste Industriezweige nutzen die Edelstahlschläuche, um feste, flüssige oder gasförmige Substanzen unter anspruchsvollen Bedingungen zu befördern. Ihre Besonderheit liegt in der Beständigkeit gegenüber aggressiven Medien und der großen Temperaturtoleranz. Die Metallschläuche sind über einen großen Temperaturbereich verwendbar und können von -200 °C bis +550 °C eingesetzt werden.
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| Stickstoff in Gasflaschen: Auch zur Entnahme gasförmigen Stickstoffs werden geeignete Schlauchmaterialien benötigt |
Kunststoffe
Polyvinylchlorid (PVC) ist für das Leiten von gasförmigem Stickstoff geeignet. Es nimmt nur wenig Wasser auf und lässt sich leicht einfärben, ist außerdem beständig gegenüber einigen Säuren und Laugen und bedingt beständig gegenüber Ethanol, Öl und Benzin. Angegriffen wird es von Aceton, Diethylether, Tetrahydrofuran (THF), Benzol und Chloroform. Eine geringe Wärmeleitfähigkeit sowie eine geringe Gaspermeabilität zeichnen das Material aus. Stickstoffschläuche aus PVC sind von großer Witterungsbeständigkeit. Der Einsatzbereich erstreckt sich von -50 °C bis +60 °C, je nach Ausführung.
Polytetrafluorethylen (PTFE, THOMAFLON®) ist sehr reaktionsträge und steht für hohe Gasdichtigkeit. Es ist äußerst resistent gegenüber nahezu allen anorganischen und organischen Stoffen, wie Basen, Säuren, Alkoholen, Ketonen und Benzinen. Unbeständig ist es gegenüber geschmolzenen Alkalimetallen und sehr starken Oxidationsmitteln wie Fluor. Es ist frostbeständig bis -260 °C. Für die Schlauchtechnik ist sein sehr großer Einsatzbereich von -200 °C bis +260 °C von großer Wichtigkeit. Auch die Witterungsbeständigkeit ist gegeben: Sonneneinstrahlung, UV-Licht und Ozon können dem Werkstoff nicht schaden. Mit Edelstahlummantelung können dickwandige PTFE Hochdruckschläuche auch für Drücke bis 300 bar eingesetzt werden.
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Perfluoralkoxy (PFA, DYNEON®-PFA, HYFLON®-PFA, HOSTAFLON®-PFA) ist eine Weiterentwicklung von PTFE, die sich ebenfalls durch eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit auszeichnet. Der Kunststoff ist einsetzbar von -260 °C bis +260 °C und zeigt sehr gute antiadhäsive Eigenschaften. Aufgrund der besonders hohen Tieftemperaturbeständigkeit kann mit PFA-Stickstoffschläuchen auch flüssiger Stickstoff gefördert werden, beispielsweise mit PFA-Chemieschläuchen oder PFA-Wellrohren.
Korrosionsbeständige Kunststoff-Stickstoffschläuche
Wichtig für die Beförderung von LN sind Kunststoffschläuche und Wellschläuche aus den Kunststoffen PTFE und PFA. Diese Schläuche sind chemisch resistent, mechanisch stabil und thermisch belastbar bis -200 °C, manche PFA-Schlauchausführungen sogar bis -260 °C. Durch das Wellprofil bleiben die harten Kunststoff-Wellschläuche dehnbar und flexibel. Sie sind unempfindlich gegenüber Witterungseinflüssen und korrodieren nicht.
Diese Stickstoffschläuche werden unter anderem für das Umfüllen von flüssigem Stickstoff von Dewar-Behältern in NMR-Spektrometer verwendet. Grundsätzlich ist bei Anwendungen, die flüssigen Stickstoff erfordern, immer auf umfangreiche Schutzvorkehrungen zu achten und Schutzhandschuhe sowie eine Schutzbrille oder eine Schutzmaske zu tragen. Sollte es – trotz Verwendung geeigneter Stickstoffschläuche – doch einmal zu Leckagen kommen, kann flüssiger Stickstoff in kürzester Zeit Erfrierungen verursachen.
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Stickstoffschläuche bei Reichelt Chemietechnik
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