Die sich wandelnde Rolle von Membrankompressoren

Von: Patrick McCalley (Neuman & Esser USA Inc.) & Luiz Soriano

Der Membrankompressor ist eine spezielle Art von Hubkolbenkompressor, der anstelle eines Kolbens und Zylinders eine Membran- und Kopfbaugruppe verwendet. Bei dieser Bauart verdichtet eine hydraulisch betätigte Membran das Prozessgas, wodurch der direkte Kontakt zwischen Gas und beweglichen mechanischen Bauteilen vermieden wird.

Diese Bauweise ermöglicht eine hermetisch abgedichtete, ölfreie Kompression und macht Membrankompressoren daher ideal für Anwendungen, bei denen Gasreinheit, Dichtheit und Hochdruckleistung entscheidend sind. Typische Einsatzgebiete sind die Produktion von Spezialgasen, die chemische und petrochemische Verarbeitung, die Halbleiterfertigung und die Bereitstellung von Hochdruckwasserstoff.

Technologischer Hintergrund

Der Ursprung des industriellen Membrankompressors liegt in Henri Corblins Patent von 1920, das das Prinzip der Trennung des Gases vom mechanischen Antrieb mittels einer flexiblen Metallmembran anstelle einer Zylinder-Kolben-Anordnung begründete. Diese innovative Technologie fand zunehmend Anwendung in der Industriegas-, Chemie- und Petrochemiebranche.

In den folgenden Jahrzehnten entwickelten Hersteller in Europa und Nordamerika eigene Versionen der Technologie und führten Verbesserungen bei den Konstruktionsmaterialien, der Bearbeitungsgenauigkeit, den hydraulischen Steuerungssystemen und dem Kühlkonzept ein. Jüngste Fortschritte bei Antriebssystemen, Steuerungsstrategien und Mehrkopfkonfigurationen haben die Flexibilität und das Anwendungsspektrum von Membrankompressoren weiter ausgebaut. Diese Entwicklungen ermöglichten größere Maschinenkonfigurationen, wobei moderne Baugrößen Leistungen von 300 PS und mehr erreichen und den Betriebsbereich erweitern konnten, um einen zuverlässigen Dauerbetrieb in kritischen Anwendungen zu gewährleisten.

Funktionsweise von Membrankompressoren

Ein Membrankompressor arbeitet als Hubkolbenmaschine, bei der die Gaskompression indirekt durch Hydraulikdruck erfolgt. Ein Kolben verdichtet das Öl im Hydraulikzylinder durch eine Lochplatte und erzeugt so eine Druckdifferenz, die die Membran in Richtung des Gasraums drückt. Mit der Vorwärtsbewegung der Membran steigt der Gasdruck, bis sich das Auslassventil öffnet. Der Hydraulikdruck erreicht kurz vor Ende des Auslasshubs seinen Höchstwert. Beim Ansaughub sinkt der Hydraulikdruck wieder ab, die Membran kehrt in Richtung des Hydraulikzylinders zurück, wodurch der Innendruck im Zylinderkopf sinkt und sich das Saugventil öffnet, um frisches Gas anzusaugen. Diese indirekte hydraulische Betätigung komprimiert das Gas, ohne dass es mit beweglichen mechanischen Bauteilen in Berührung kommt.

Abb. 1

Abbildung 1 zeigt einen Querschnitt einer Membrankopfbaugruppe, der ihre Hauptkomponenten veranschaulicht.

Eines der Hauptmerkmale der Membrankompressortechnologie ist ihr vollständig abgedichteter Kompressionsweg. Metallische Membranen trennen das Gas vom Hydrauliköl, und die gasseitige Abdichtung erfolgt ausschließlich durch statische Elemente anstelle von Gleitkomponenten. Da sich die Membran elastisch biegt, anstatt auf Verschleißflächen zu gleiten, bleibt das Gas von Schmierstoffen und Partikeln isoliert. Diese Konstruktion macht Membrankompressoren ideal für Anwendungen, bei denen Gasreinheit und vollständige Abdichtung unerlässlich sind.

Typischerweise verwenden Membrankompressoren eine Dreifachmembrananordnung mit einem kleinen, überwachten Spalt zwischen den Membranen. Dieser Spalt zeigt an, wenn eine Membran auf der Gas- oder Ölseite reißt. Ein Druckanstieg in diesem Spalt ermöglicht die schnelle Erkennung eines Membranrisses und somit das Abschalten des Kompressors, bevor es zu einem Austritt von Gas oder einer Verunreinigung des Gasstroms kommt.

Hydraulische Stabilität ist für einen zuverlässigen Betrieb unerlässlich. Eine Ausgleichspumpe hält das korrekte Ölvolumen in der Hydraulikkammer aufrecht, indem sie die geringe Ölmenge, die am Hydraulikkolben vorbeiströmt, zurück ins Kurbelgehäuse fördert. Gleichzeitig reguliert ein Überdruckventil den Hydraulikdruck und leitet überschüssiges Öl in geringer Menge zurück ins Kurbelgehäuse. Das Überdruckventil steuert den Hydraulikdruck so, dass er am Ende des Ausstoßhubes den Gasausstoßdruck übersteigt. Dadurch wird die vollständige Gasverdrängung aus dem Membrankopf vor der Umkehrung sichergestellt. Zusammen gewährleisten diese Elemente eine gleichmäßige Membranauslenkung und beugen Überbeanspruchung unter wechselnden Betriebsbedingungen vor. Die kontinuierliche Überwachung der Hydraulikbedingungen ermöglicht die frühzeitige Erkennung von Betriebsstörungen.

Membrankompressoren können bei höheren Austrittstemperaturen als viele Kolbenkompressoren betrieben werden, da keine PTFE-basierten Dichtungsringe oder -packungen mit dem Gas in Berührung kommen. Der Membrankopf und das Hydrauliköl verteilen die Wärme effektiv, wodurch der Temperaturanstieg der Metallteile begrenzt und die Bildung von Hotspots reduziert wird. Diese thermischen Vorteile ermöglichen höhere praktische Verdichtungsverhältnisse pro Stufe, üblicherweise bis zu 7:1 und in einigen Fällen sogar bis zu 10:1, abhängig vom Gas, der Kopfkonstruktion und der Kühlleistung. Die resultierenden Druckverhältnisse erlauben eine geringere Stufenanzahl im Vergleich zu einem gleichwertigen Kolbenkompressor, was die Systemauslegung vereinfacht und den Gesamtanlagenaufwand reduziert.

Innerhalb des breiteren Spektrums der Verdrängungskompressoren nehmen Membrankompressoren aufgrund ihrer systembedingten Durchflussbegrenzungen, die durch die Membranoberfläche, den Hub und die Auslenkungsgrenzen bedingt sind, eine Sonderstellung ein. Kolbenkompressoren sind nach wie vor die Arbeitspferde für Anwendungen mit mittleren bis hohen Durchflussmengen, während Schraubenkompressoren typischerweise bei mittleren Drücken und hohen Durchflussmengen eingesetzt werden. Membrankompressoren zeichnen sich durch ihre Leistungsfähigkeit bei Anwendungen mit niedrigen Durchflussmengen und hohen Drücken aus, bei denen Gasreinheit und Dichtheitsanforderungen von entscheidender Bedeutung sind.

Wo sie heute verwendet werden

Membrankompressoren werden in Branchen eingesetzt, in denen Reinheit und Dichtheit der Gase unerlässlich sind. In der Halbleitergasproduktion komprimieren sie hochreinen Wasserstoff, Stickstoff, Helium, fluorierte Verbindungen und andere reaktive Gemische, ohne Öl, Feuchtigkeit oder Partikel einzubringen. Hochwertige Oberflächen und ein stabiles thermisches Verhalten tragen dazu bei, die Integrität des Gemisches zu erhalten und das Risiko von Zersetzung oder unerwünschten Reaktionen zu minimieren.

Abb. 2

Abbildung 2. Typische Membrankompressoranlage mit auf einem Rahmen montiertem System und zugehöriger Prozessausrüstung.

Hersteller von Spezial-, Kalibrier- und Lasergasen setzen Membrankompressoren ein, um die Zusammensetzung zu erhalten und den Verlust wertvoller Komponenten zu verhindern. Sie finden auch Anwendung in Forschungs-, Luft- und Raumfahrt- sowie Analysesystemen, die saubere Hochdruckgasströme erfordern, sowie in Anwendungen mit kritischen Sicherheitsvorkehrungen, die toxische, korrosive oder radioaktive Gase beinhalten.

In der petrochemischen Industrie fördern Membrankompressoren hochreinen Wasserstoff und Kohlenmonoxid für Hydrierungsanlagen, Pilotprozesse und kleine Rezirkulationskreisläufe, wodurch zusätzliche Dichtungssysteme überflüssig werden. Bei geeigneter Materialauswahl eignen sie sich auch hervorragend für den Einsatz mit Sauergas.

Die Befüllung von Hochdruck-Wasserstoffflaschen und die Verladung von Rohranhängern zählen weiterhin zu den häufigsten Anwendungen von Membrankompressoren in der industriellen Gasinfrastruktur und im Bereich der Wasserstoffmobilität. Sie werden auch zur Rückgewinnung von Wasserstoff-Verdampfungsströmen sowie von hochwertigen Gasen wie Helium eingesetzt, wo die Minimierung von Verlusten von entscheidender Bedeutung ist.

Warum ihre Bedeutung zunimmt

Mehrere Trends treiben die zunehmende Verbreitung von Membrankompressoren voran. Industrielle Gas- und Chemieprozesse erfordern immer strengere Spezifikationen, insbesondere bei empfindlichen Katalysatoren oder hochwertigen Zwischenprodukten. Da Halbleiterstrukturen immer kleiner werden und in den einstelligen Nanometerbereich vordringen, können selbst kleinste Verunreinigungen die Waferproduktion beeinträchtigen, was den Bedarf an sauberen, vollständig geschlossenen Kompressionssystemen unterstreicht.

Die Emissionskontrolle hat ebenfalls an Bedeutung gewonnen. Membrankompressoren eliminieren die durch die Packung verursachten Abgasströme und reduzieren so nicht nur flüchtige Emissionen, sondern auch den Bedarf an Hilfs- und Aufbereitungsanlagen wie Stickstoffspülung, Fackeln und Wäschern zur Emissionsbehandlung. Bei Gasen wie Kohlenmonoxid, Wasserstoff oder anderen streng regulierten Emissionen haben selbst geringe Freisetzungen betriebliche, wirtschaftliche oder ökologische Auswirkungen, weshalb ein geschlossener Kompressionspfad in diesen Anlagen von Vorteil ist.

Moderne Überwachungstechnologien haben die Attraktivität von Membrankompressoren in anspruchsvollen oder abgelegenen Anwendungen weiter gesteigert. Die Hochgeschwindigkeits-Hydraulikdrucküberwachung ermöglicht Echtzeit-Einblicke in die Membranbelastung und -bewegung und gibt dem Bediener einen klaren Überblick über das Maschinenverhalten in jedem Zyklus. Geringfügige Veränderungen dieser hydraulischen Signale können aufkommende Probleme frühzeitig erkennen, lange bevor ein Bauteil ausfällt, und somit einen rechtzeitigen Wartungseinsatz ermöglichen. Diese Funktion ist besonders wertvoll in unbemannten oder nur schwach besetzten Anlagen, wie beispielsweise vielen Wasserstoffanwendungen, wo die Früherkennung einen sicheren und zuverlässigen Betrieb direkt unterstützt.

Membrankompressoren werden weiterhin in der nuklearen Forschung, in der Radiochemie und in Isotopenlaboren sowie in Unterstützungssystemen für die Entwicklung fortschrittlicher Reaktoren eingesetzt, wo hochreine Gase wie Deuterium unter vollständiger Abdichtung gehandhabt werden müssen. Die erneuten Aktivitäten im Bereich der Programme für Reaktoren der nächsten Generation und kleine modulare Reaktoren haben das Interesse an Membrankompressoren verstärkt.

Membrankompressoren bieten eine zuverlässige und wartungsfreundliche Lösung. Die Lebensdauer der Membran variiert zwar je nach Betriebsbedingungen, der Austausch ist jedoch oft schneller und weniger komplex als der Wechsel von Kolbenringen und Dichtungen. Im Normalbetrieb tragen das vorhersehbare Membranverhalten und die stabile Hydraulik zu langen Wartungsintervallen bei, vorausgesetzt, Filtration und Kühlung sind ordnungsgemäß gewährleistet.

Mit dem Aufkommen neuer industrieller Prozesse beginnen viele mit hochreinen Gasströmen, die von der Laborevaluierung über Pilotanlagen bis hin zur Produktion weiterentwickelt werden. Membrankompressoren kommen in diesen Phasen häufig zum Einsatz und gewährleisten die notwendige Dichtheit und Zuverlässigkeit, da die Prozesse skaliert werden und die Reinheitsanforderungen weiterhin hoch bleiben.

Abschluss

Membrankompressoren haben sich von frühen Laborgeräten zu etablierten Industriemaschinen entwickelt, die überall dort eingesetzt werden, wo Gasqualität und -sicherheit entscheidend sind. Ihre mechanische Einfachheit, die indirekte Kompressionsmethode und der vollständig abgedichtete Gasweg machen sie ideal für Anwendungen mit hohen Reinheits- und Hochdruckanforderungen in verschiedensten Branchen. Da immer mehr Prozesse strengere Reinheitsanforderungen stellen und auf hochreine Gasströme angewiesen sind, wird der Einsatz von Membrankompressoren voraussichtlich weiter zunehmen.