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Stickstoff

 

Stickstoff (chemischen Symbol N, als Molekül N2) ist ein Inertgas. Stickstoff besitzt die Ordnungszahl 7 im Periodensystem der Elemente. Das Element Stickstoff befindet sich in der 5. Hauptgruppe des Periodensytems. In der neuen Einteilung wurder er der 15. Gruppe zugeteilt. N2 ist das in der Luft am häufigsten vorkommende Gas. In der Luft ist N2 zu 78,1 Vol% enthalten. Die Gewinnung erfolgt überwiegend aus der Luft mittels Luftzerlegungsanlagen (Verflüssigungsanlagen) gewonnen. Mit entsprechender Nachreinigung kann eine Qualität 7.0 ( dies entspricht 99.99999%) produziert und vetrieben werden.

Sticktoff besteht aus zwei stabilen Isotopen. Weitere 15 instabile Isotope von Stickstoff sind bekannt, von denen 14 radioaktiv sind.

Isotop Atommasse Anteil
Natürliches Stickstoff Isotopengemisch: 14,0067 100 %
N-Isotop 14N 14,00307400443 99,636%
N-Isotop 15N

15,00010889888

0,364%

Typische Begriffe sind auch:

LIN für LIquid Nitrogen (Stickstoff, flüssig od. flüssiger Stickstoff) oder
GAN für GAseous Nitrogen (Stickstoff, gasförmig od. gasförmiger Stickstoff)

Physikalische Eigenschaften

Stickstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas. Bei 1,01325 bar, also am Siedepunkt, kondensiert das Gas bei einer Temperatur von -195,8°C (77,36 K) zu einer farblosen Flüssigkeit. Das Dichteverhältnis zu Luft beträgt 0,967 bei Normzustand. Das Gas ist somit minimal leichter als Luft.

Bekannte Stickstoffverbindungen

Es gibt eine Vielzahl verschiedener Stickstoffverbindungen. Die bekanntesten sind: Ammoniak (NH3), Nitrat (NO3), Nitrit (NO2), Stickoxide (Stickstoffmonoxid bzw. Stickstoffoxid NO, Stickstoffdioxid NO2 sowie Distickstoffmonoxid bzw. Distickstoffoxid N2O, auch bekannt als Lachgas), Salpetersäure (HNO3) und salpetrige Säure (HNO2).

Anwendungen

N2 kommt in der Industrie wegen seiner erstickenden Eigenschaft oft als Schutz-oder Spülgas zum Einsatz. Als Schutzgas in der Lebensmittelindustrie kommt Stickstoff einzeln oder im Gemisch bei der Verpackung von Lebensmitteln vor. Z.B. führt eine Beimischung von 20-30 % Kohlendioxid (CO2) im N2 zur Wachstumshemmung von Mikroben. Gemische aus Sauerstoff (O2), Kohlenstoffdioxid (CO2) und Stickstoff (N2) sind insbesondere bei der Verpackung von rotem Frischfleisch anzutreffen. Der deutlich angehobene Sauerstoffgehalt erhält die rote Farbe des Fleisches.

Weiterhin wird flüssiger Stickstoff (LIN) bei cryogenen- bzw. Tieftemperaturanwendungen eingesetzt. Als Kühlmittel wird dabei der Effekt genutzt, dass LIN die zum Verdampfen notwendige Wärme durch die Abkühlung des zu kühlenden Produktes bezieht. Neben der Verdampfungswärme kann zusätzlich Wärmeenergie abgeführt werden, indem das kalte Gas erwärmt wird. Die Energiebilanz kann wie folgt dargestellt werden:

Die nutzbare Kühlenergie von N2 = EN2= m*(Δhv + cp * ΔT)

mit:

Δhv Verdampfungsenthalpie in Einheit Verdampfungsenthalpie
cp Spezifische Wäremkapazität in Einheit spezifische Wärmekapazität
ΔT Temperaturdifferenz des Gases in [K]
m Masse in [Kg]

Ist die abzuführende Wärmenergie bekannt, kann der theoretische spezifische Stickstoffverbrauch berechnet werden. Zusätzlich muss jedoch noch berücksichtigt werden, dass Verluste durch z.B. Wärmeleitung (Froster, Kühlzelle) oder Abgasführung bzw. Kaltfahren der Kühlzelle entstehen werden.

 

Spezifischer Verbrauch

mit:

Kappa Dimensionsloser spezifischer Verbrauch
Ek

Benötigte Kühlenergie [KJ]

EN2 Kühlenergie von N2 [KJ]

 

Verdampfungsenthalpie von Stickstoff

Mittels Mousklick vergrößern

Es ist jedoch zu beachten, dass der unter Überdruck stehende Stickstoff bei der Entspannung auf Atmosphärendruck die zur Abkühlung notwendige Energie aus seiner eigenen Verdampfung bezieht.

Weitere Anwendungen finden sich in der Chemie, wo N2 z.B. Verbindungsbestandteil von Düngern oder Sprengstoffen ist.
Als Verpackungsschutzgas wird N2 in der Lebensmittelindustrie eingesetzt. Hautärzte nutzen flüssigen Stickstoff zur lokalen Behandlung von Warzen. Je nach Größe gibt es entsprechende Stempel, die in LIN auf ca. -196°C abgekühlt werden und auf die zu behandelnde Hautpartie aufgedrückt werden. Hierbei wird der Effekt zugrunde gelegt, dass gesundes Gewebe schneller verheilt als krankes Gewebe. Die lokale Unterkühlung greift also teilweise auch gesundes Gewebe an, da jedoch die Heilung schneller vollzogen wird, wird das kranke Gewebe (sprich die Warze) abgestoßen.

In der Werkstofftechnik kommt N2 bei der Behandlung von Metallen zum Einsatz. So wird Stickstoff z.B. bei der Härtung von Stahl als Kühlmittel verwendet, um die notwendigen Abkühlzeiten zur Gefügeumwandlung zu erreichen. Es ist zu beachten, dass beim Abschrecken die kritische Abkühlungsgeschwindigkeit überschritten wird.
Bei der Härtung von z.B. Eisenkohlenstoff-Legierungen wird durch die Abschreckung der Martensitanteil im Werkstück erhöht, indem der Austenit entsprechend umgewandelt wird.

Im Bild ist der Martensitgehalt im Verhältnis zum Kohlenstoffgehalt unter Berücksichtigung der Temperatur der Abkühlzelle zu sehen.

Martensitanteil, Temperaturabhängig

 

Weiterhin wird LIN eingesetzt beim Kaltdehnen (Schrumpfen), Bodenfrostung, Betonkühlung, Reaktorkühlung, Strahlentgratung, Mühlenkühlung, Mahlanlagen, Kühlung und Frostung von Lebensmitteln, Schockfrostung, Blow-Moulding, Recycling von Gummi und anderen wertvollen Rohstoffen, VOC Rückgewinnungsanlagen.

In kryo Banken sowie als unterstützendes Kühlmedium im Umfeld der Supraleitung bzw. bei Magnetresonanztomographen ist LIN ebenfalls zu finden.

 

Gas Stickstoff, N2
33,991 bar
126,26 K
314,1 kg/m3
0,1246 bar
63,15 K
77,36 K
Stickstoff Molekül, Animiert
Gas Stickstoff, N2
22,403
28,0134
296,9
1,2504
1,0389
0,7421
1,400

 

 

 

 

 

 

Im Diagramm sind die Verdampfungsenthalpie, die Flüssigkeitsdichte und der Dampfdruck für Stickstoff (N2) dargestellt.

Daten entlang der Dampfdruckkurve für Stickstoff (Dampfdruck Stickstoff, Dichte Stickstoff, Verdampfungsenthalpie Stickstoff)

 

Ein Tool zur Berechnung der Daten entlang der Dampfdruckgleichung finden Sie hier

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