Kohlendioxidkompressor

Kohlendioxid (CO₂) findet breite Anwendung in Industriegasen, doch seine besonderen Eigenschaften erfordern spezielle Beachtung. Es ist farb- und geruchlos. Aufgrund seiner relativ hohen kritischen Temperatur (31,03 °C) und seiner Neigung, mit Wasser zu Kohlensäure zu reagieren, müssen Korrosion und Verflüssigung bei der Auswahl eines Kompressors unbedingt berücksichtigt werden. Seine Dichte ist höher als die von Luft (relative Dichte ca. 1,53), wodurch es sich nach einem Leck in tiefer gelegenen Bereichen ansammelt und Erstickungsgefahr birgt. Dies erfordert eine hohe Dichtigkeit der Geräte. CO₂ wird in Bereichen wie der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, der Schweißerschutzgaserzeugung, der Erdölförderung, der chemischen Synthese und im aufstrebenden CCUS-Sektor (Carbon Capture, Storage and Use) eingesetzt, wobei die üblichen Zylinderfülldrücke 5–6 MPa betragen. Daher muss der Kompressionsprozess zwei wesentliche technische Herausforderungen gleichzeitig bewältigen: Korrosion durch Feuchtigkeit und Verflüssigung infolge unzureichender Kühlung.

Membrankompressor

Kolbenkompressor

Vorteile des Kohlendioxid-Membrankompressors:

01

Absolut ölfrei und 100% Reinheitserhalt:

Das Kernstück eines Membrankompressors ist die Verwendung einer Metallmembran, die das komprimierte Gas vollständig vom Hydraulikölsystem trennt. Der Zylinder benötigt keine Schmierung. Dadurch kommt das Kohlendioxidgas während des gesamten Kompressionsprozesses nicht mit Fett oder Ölnebel in Kontakt, wodurch Ölverunreinigungen praktisch ausgeschlossen werden. Ob für Lebensmittel, Elektronik oder die chemische Synthese – diese Eigenschaft gewährleistet eine extrem hohe Reinheit des Produktgases und erfüllt somit strengste Anwendungsnormen.
02

Überlegene statische Abdichtung und Eigensicherheit:

Das Kohlendioxidgas ist vollständig im Membranraum eingeschlossen, der von Membran und Zylinderkopf gebildet wird. Diese statische Dichtung gewährleistet theoretisch absolute Dichtheit. Dadurch wird nicht nur der Verlust wertvoller oder gefährlicher Gase wirksam verhindert, sondern auch die Erstickungsgefahr durch CO₂-Ansammlung in tiefer gelegenen Bereichen aufgrund von Leckagen vollständig eliminiert. Gleichzeitig verhindert diese Konstruktion, dass potenziell korrosives, feuchtes CO₂ die Getriebekomponenten angreift und erhöht so die Betriebssicherheit der Anlage unter rauen Bedingungen.

Wichtige Konstruktionsmerkmale für Kohlendioxid-Membrankompressoren:

01

Strenge Materialauswahl für den Korrosionsschutz:

Da Kohlendioxid in Verbindung mit Feuchtigkeit Kohlensäure bildet, die für herkömmlichen Kohlenstoffstahl korrosiv ist, müssen alle medienberührten Bauteile, die mit CO₂ in Kontakt kommen – einschließlich Zylinderkopf, Membran, Gasventile und Rohrleitungen – aus korrosionsbeständigen Werkstoffen gefertigt sein. Typischerweise werden austenitische Edelstähle (wie z. B. 304 oder 316L) verwendet. Nach der Fertigung werden strenge Entfettungs-, Reinigungs- und Passivierungsverfahren durchgeführt, um dauerhaften Korrosionsschutz und Gasreinheit zu gewährleisten.
02

Präzise Temperatur- und Druckregelung sowie Verflüssigungsschutz:

Die kritische Temperatur von Kohlendioxid liegt bei 31,03 °C. Ist die Kühlung während der Kompression unzureichend und sinkt die Gastemperatur bei ausreichend hohem Druck unter diesen kritischen Wert, ist ein Phasenübergang zu flüssigem CO₂ sehr wahrscheinlich. Flüssiges CO₂ im Kompressor kann einen fatalen „Flüssigkeitsschlag“ verursachen und Membran und Zylinderkopf beschädigen. Die Konstruktion erfordert daher die sorgfältige Berechnung und Steuerung des Kompressionsverhältnisses in jeder Stufe sowie den Einsatz hocheffizienter Zwischenkühler (wasser- oder luftgekühlt), um die Austrittstemperatur in jeder Stufe effektiv zu senken. Dadurch werden die Betriebspunkte des gesamten Kompressionsweges strikt auf den gasförmigen Bereich des CO₂ beschränkt und die Verflüssigungsgefahr vermieden.
03

Verbessertes Sicherheitsüberwachungs- und Schutzsystem:

Aufgrund des hohen Ausdehnungskoeffizienten von CO₂ bei Hochdrucklagerung (der Druck in einer vollen Flasche kann pro 1 °C Temperaturanstieg um 314–834 kPa ansteigen) muss das System über mehrere Schutzmechanismen verfügen. Zu den wichtigsten Konstruktionselementen gehören: die Installation präziser und zuverlässiger Sicherheitsventile in jeder Stufe zur Vermeidung von Überdruck; die Ausstattung mit einer Membranbruch-Erkennungs- und Alarmvorrichtung, die bei Membranbruch den Kompressor sofort abschaltet, um eine Vermischung von Gas und Öl zu verhindern; sowie die Installation von Gaskonzentrationsmessgeräten in Bereichen, in denen sich CO₂ ansammeln kann, die mit dem Belüftungssystem verbunden sind. Die Steuerung (SPS) sollte Echtzeitüberwachungs- und Verriegelungsabschaltfunktionen für Parameter wie Druck, Temperatur und Membranzustand integrieren.

Zertifikat

MODELLAUSWAHL

Lehrer

Modell G70Z/G95Z/G110Z/G130Z	Kolbenhub 70 mm bis 130 mm	Maximale Kolbenkraft 10 kN bis 30 kN
Maximaler Entladedruck 70 MPa	Durchflussbereich 1~500 Nm³/H	Motorleistung 2,2 kW bis 30 kW
Kurbelwellendrehzahl 420 U/min	Kühlmethode Wassergekühlt/Luftgekühlt

Modell G70V/G95V/G130V	Kolbenhub 70 mm bis 130 mm	Maximale Kolbenkraft 10 kN bis 30 kN
Maximaler Entladedruck 50 MPa	Durchflussbereich 1~200 Nm³/h	Motorleistung 2,2 kW bis 30 kW
Kurbelwellendrehzahl 420 U/min	Kühlmethode Wassergekühlt / Luftgekühlt

Modell G110L/G130L	Kolbenhub 110 mm bis 130 mm	Maximale Kolbenkraft 20 kN bis 40 kN
Maximaler Entladedruck 100 MPa	Durchflussbereich 10~1000 Nm³/h	Motorleistung 7,5 kW bis 90 kW
Kurbelwellendrehzahl 420 U/min	Kühlmethode Wassergekühlt / Luftgekühlt

Modell G110D/G130D/G150D/ G180D/G182D/G210D	Kolbenhub 110 mm bis 210 mm	Maximale Kolbenkraft 20 kN bis 160 kN
Maximaler Entladedruck 100 MPa	Durchflussbereich 30~2000 Nm³/h	Motorleistung 22 kW bis 200 kW
Kurbelwellendrehzahl 420 U/min	Kühlmethode Wassergekühlt / Luftgekühlt

Membrankompressor

MIT

Kolbenhub 70 mm

Durchfluss (Nm³/h)

Eingangsdruck (barg)

Ausgangsdruck (barg)

NEIN.	Modell	Kühlwasser	Fließen	Einlassdruck	Auslassdruck	Abmessungen L×B×H	Gewicht	Motorleistung
NEIN.	Modell	(L/h)	(Nm³/h)	(MPa)	(MPa)	(≈mm)	(≈kg)	(kW)
1	GZ-52/40-56	500	52	4	5.6	1200×700×1100	450	3
2	GZ-15/10-12	500	15	1	1.2	1200×700×1100	500	3
3	GZ-20/7-30	500	20	0,7	3	1200×760×1100	750	4
4	GV-60/8-60	1000	60	0,8	6	2600×1800×1700	3000	11
5	GV-500/150-200	1500	500	15	20	2600×1800×1700	3000	18,5
6	GV-160/(6-10)-75	2000	160	0,6-1	7,5	2600×1800×1700	3000	22
7	GL-20/10-150	1500	20	1	15	2200×1200×1300	3000	15
8	GL-25/5-150	1500	25	0,5	15	2200×1200×1300	3000	15
9	GL-45/5-150	2000	45	0,5	15	2600×1300×1300	3000	18,5
10	GD-40/150	4000	40	Atmosphärisch	15	3500×2000×1700	4000	37
11	GD-300/50-200	4000	300	5	20	3600×2300×1800	4000	45
12	GD-900/10-140	16000	900	1	14	4500×4000×2200	16000	200

Die Angaben zu Größe und Gewicht der Geräte dienen nur als Referenz; maßgeblich ist die endgültige Ausführung.

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Fallstudie

Russland
VEREINIGTE STAATEN
Spanien
Kasachstan

Vorteile des Kohlendioxid-Hubkolbenkompressors:

01

Breites Einsatzspektrum und hohe Wirtschaftlichkeit:

Hubkolbenkompressoren eignen sich für einen breiten Fördermengenbereich von einigen zehn bis zu mehreren zehntausend Nm³/h und Förderdruckanforderungen bis über 20 MPa. Sie erfüllen damit die technischen Anforderungen für die großtechnische CO₂-Rückgewinnung, -Verdichtung und den -Transport. Ihr hoher volumetrischer Wirkungsgrad, ihre hervorragenden spezifischen Leistungskennzahlen und die lange Lebensdauer der Hauptverschleißteile (bis zu 6.000 Stunden) führen zu niedrigen Betriebs- und Wartungskosten über den gesamten Lebenszyklus und bieten somit eine signifikante Rendite.
02

Ausgereifte und zuverlässige Technologie mit flexibler Regelungsfähigkeit:

Als bewährte und ausgereifte Technologie zeichnen sich Kolbenkompressoren durch eine robuste Bauweise und hohe Regelbarkeit aus und ermöglichen einen kontinuierlichen und stabilen Industriebetrieb. Bei Änderungen des Gasdrucks oder des nachgelagerten Bedarfs können sie ihre Kapazität flexibel über verschiedene Methoden wie Saugregelung, Bypass-Rezirkulation und Frequenzumrichter anpassen. Dadurch reagieren sie schnell auf Prozessflussänderungen und gewährleisten den stabilen Betrieb des gesamten Gasversorgungssystems.

Wichtige Konstruktionsmerkmale für Kohlendioxid-Hubkolbenkompressoren:

01

Umfassende Strategie zum Korrosionsschutz und zur Materialverbesserung:

Ähnlich wie bei Membrankompressoren hat der Korrosionsschutz höchste Priorität. Alle Komponenten, die mit feuchtem CO₂ in Berührung kommen, einschließlich Zylinder, Kolben, Gasventile, Rohrleitungen und Pufferbehälter, müssen aus Edelstahl gefertigt oder mit korrosionsbeständigen Materialien ausgekleidet sein. Für die Kolbenstangendichtung sollten korrosionsbeständige Dichtungsringmaterialien gewählt werden. Um Prozessgasleckagen zu verhindern, externe Verunreinigungen abzuschirmen und den durch das saure Milieu verursachten Verschleiß der Dichtung zu verlangsamen, kann ein Stickstoffspül- oder Pufferdichtungssystem ausgelegt werden.
02

Thermodynamische und strukturelle Auslegung mit Schwerpunkt auf Verflüssigungsvermeidung:

Eine detaillierte thermodynamische Berechnung auf Basis der physikalischen Eigenschaften von CO₂ ist erforderlich. Die Anzahl der Kompressionsstufen muss sinnvoll gewählt und das Kompressionsverhältnis pro Stufe streng kontrolliert werden, um zu hohe Austrittstemperaturen oder das Erreichen der Verflüssigungszone zu vermeiden. Eine verstärkte Zwischen- und Endkühlung ist entscheidend. Es sind Kühler mit hoher Wärmeaustauschkapazität auszuwählen und eine ausreichende Kühlmittelzufuhr (Wasser oder Luft) sicherzustellen. Ein hocheffizienter Gas-Flüssigkeits-Abscheider und ein Ablassventil sollten in der Einlassleitung installiert werden, um eventuell im Ansauggas enthaltene Flüssigkeitströpfchen zuverlässig zu entfernen.
03

Sicherheitstechnische Auslegung für Hochdruck und Erstickungsrisiko:

Aufgrund des hohen Drucks von CO₂ muss das System gemäß den Druckbehältervorschriften ausgelegt und mit mindestens zwei Sicherheitsventilen ausgestattet sein. Wegen der Erstickungsgefahr durch CO₂-Leckagen muss der Kompressorraum mit einer Zwangslüftung versehen sein, um einen ausreichenden Luftaustausch zu gewährleisten. Obwohl CO₂ selbst nicht brennbar ist, müssen alle elektrischen Geräte und Instrumente, die in explosionsgefährdeten Bereichen mit anderen brennbaren Stoffen installiert sind, die entsprechenden Anforderungen an die Explosionsschutzzertifizierung erfüllen. Die systembedingten Gaspulsationen des Kolbenkompressors müssen durch sorgfältig ausgelegte Ein- und Auslasspufferbehälter sowie eine entsprechende Rohrleitungsführung unterdrückt werden, um nachgeschaltete Geräte und Instrumente zu schützen.

Zertifikat

MODELLAUSWAHL

Z-Typ

V / W Typ

M-Typ

Typ D

Kolbenhub 80 mm, 95 mm	Kolbenkraft 10 kN bis 25 kN
Leistung 7,5 kW – 55 kW	Anzahl der Zylinderbänke 1/2
Kurbelwellendrehzahl 740 U/min, 980 U/min	Anzahl der Kompressionsstufen 1/2/3/4
Fahrmodus Elektromotor, Dieselmotor, Erdgasmotor

Kolbenhub 92 mm, 95 mm, 105 mm, 120 mm	Kolbenkraft 25 kN, 45 kN, 65 kN
Anzahl der Kompressionsstufen 1/2/3/4	Anzahl der Zylinderbänke 2/3/4
Kurbelwellendrehzahl 740 U/min, 980 U/min	Leistung 15 kW – 220 kW
Fahrmodus Elektromotor, Dieselmotor, Erdgasmotor

Kolbenhub 92 mm bis 315 mm	Kolbenkraft 45 kN bis 660 kN
Anzahl der Kompressionsstufen 1/2/3/4	Anzahl der Zylinderbänke 4
Kurbelwellendrehzahl 300 U/min bis 980 U/min	Leistung 160 kW – 3000 kW
Fahrmodus Elektromotor, Dieselmotor, Erdgasmotor

Kolbenhub 92 mm bis 315 mm	Kolbenkraft 25 kN bis 200 kN
Anzahl der Kompressionsstufen 1/2/3/4	Anzahl der Zylinderbänke 2
Kurbelwellendrehzahl 300 U/min bis 980 U/min	Leistung 30 kW – 1000 kW
Fahrmodus Elektromotor, Dieselmotor, Erdgasmotor

MIT

Vertikaler Typ

Ölfrei / F: Luftgekühlt

Tatsächlicher Volumenstrom (m³/min)

Eingangsdruck (barg)

Ausgangsdruck (barg)

S/N	Modell	Fließen	Einlassdruck	Auslassdruck	Motorleistung
S/N	Modell	(Nm³/h)	(Mpa)	(MPa)	(kW)
1	ZW-3/2-3	480	0,2	0,3	11
2	ZW-5.5/2-6	900	0,2	0,6	45
3	ZW-2/20	110	Geldautomat	2	22
4	VW-3/20	165	0	2	37
5	VW-4/20	220	0	2	45
6	VW-5/20	285	0	2	55
7	D-12,8/0,12-5	1000	0,012	0,5	90
8	DW-8.8/4 -18	2500	0,4	1.8	160
9	DW-32/0,05-3	1800	0,05	0,3	132
10	MW-5/20-50	6000	2	5	550
11	MW-30/2-8	4900	0,2	0,8	280
12	MW-11/4-20	3000	0,4	2	250