Grundprinzip der Kohlenstoffmolekularsiebe (CMS): Kinetische Trennung.

I. Das Prinzip, nach dem Kohlenstoffmolekularsiebe Die Trennung von Luft (N₂ und O₂) basiert nicht auf der statischen Gleichgewichtsadsorption aufgrund der Molekülgröße oder Polarität, sondern vielmehr auf dem Unterschied in den Diffusionsraten.

Sauerstoff (O₂): Besitzt einen kleineren kinetischen Durchmesser (ca. 0,346 nm). Seine Diffusionsrate innerhalb der Mikroporen des Kohlenstoffmolekularsiebs ist sehr hoch, wodurch er schnell in die Porenkanäle adsorbiert werden kann.

Stickstoff (N₂): Besitzt einen etwas größeren kinetischen Durchmesser (ca. 0,364 nm). Seine Diffusionsgeschwindigkeit in den Mikroporen ist deutlich geringer als die von Sauerstoff.

Obwohl Stickstoff letztendlich adsorbiert werden kann, wird die Porengröße des Kohlenstoffmolekularsiebs präzise so gesteuert, dass sich die Diffusionsgeschwindigkeiten der beiden Gase in die Poren um eine Größenordnung unterscheiden (typischerweise diffundiert O₂ Hunderte Male schneller als N₂).

II. Prozessbeschreibung (Druckwechseladsorption, PSA)

Druckwechseladsorptionssysteme zur Stickstofferzeugung bestehen typischerweise aus zwei mit Kohlenstoffmolekularsieb gefüllten Adsorptionstürmen.

Adsorptionsstufe: Druckluft durchströmt einen Adsorptionsturm von unten nach oben. Verunreinigungen wie Sauerstoff, Wasserdampf und Kohlendioxid werden schnell vom Kohlenstoffmolekularsieb adsorbiert, während der langsam diffundierende Stickstoff größtenteils den Turm passiert und als hochreines Produktgas ausgegeben wird.

Regenerationsphase: Kurz bevor dieser Adsorptionsturm gesättigt ist, schaltet das System automatisch auf den anderen Turm um. Der gesättigte Turm wird dann durch schnelle Druckentlastung (Desorption) regeneriert, wodurch der adsorbierte Sauerstoff und andere Verunreinigungen in die Atmosphäre freigesetzt werden.

Die beiden Türme wechseln zwischen Adsorption und Regeneration und ermöglichen so eine kontinuierliche Stickstoffproduktion.

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