Tehnologija adsorpcije z nihanjem tlaka (PSA) je postala ena najbolj razširjenih metod za-proizvodnjo plina na mestu, zlasti za proizvodnjo kisika in dušika. Zaradi svoje zmožnosti neprekinjenega dovajanja plina visoke-čistosti samo z uporabo zunanjega zraka in električne energije so sistemi PSA nepogrešljivi v panogah, kot so medicinska oskrba, metalurgija, elektronika, rudarstvo, ribogojstvo, kemična predelava, embalaža živil in mnogih drugih.
Da bi v celoti cenili prednosti sistemov PSA-in sprejemali informirane odločitve o izbiri sistema, zasnovi naprave in delovanju-morajo uporabniki razumeti, kako tehnologija PSA deluje na osnovni ravni. Ta članek zagotavlja atemeljito, inženirsko-osnovano razlagoprincipov delovanja PSA, raziskovanje adsorpcijske teorije, zasnove cikla, vedenja molekularnih sit, zaporedja nadzora in dejavnikov-resničnega sveta, ki vplivajo na uspešnost.
Uvod v tehnologijo PSA
Adsorpcija z nihanjem tlaka je fizični postopek ločevanja plinov, ki temelji naselektivna adsorpcija. Ko je zrak stisnjen in prehaja skozi adsorbentni material, se nekatere molekule plina pritegnejo in zadržijo na površini materiala močneje kot druge.
Pri generatorjih kisika je adsorbent običajnozeolit molekularno sito, ki selektivno adsorbira dušik in omogoča prehod kisika. V generatorjih dušika,ogljikovo molekularno sito (CMS)prednostno adsorbira kisik.
Sistemi PSA delujejo pritemperatura okolja, zaradi česar so energetsko-učinkoviti in primerni za neprekinjeno industrijsko delovanje brez kriogene opreme ali shranjenih tekočih plinov.
Znanost za adsorpcijo
Adsorpcija je adhezija molekul plina na trdno površino. Nanj vpliva:
Velikost molekule
Polarnost
Površinski naboj
Struktura por adsorbenta
Fizična adsorpcija
Tehnologija PSA temelji nafizična adsorpcija, ne kemična vez. Vpletene sile so:
Van der Waalsove sile
Elektrostatična privlačnost
Dipolne interakcije
Ker so te sile reverzibilne, se lahko adsorbent večkrat regenerira z zmanjšanjem tlaka.
Vloga zeolitnega molekularnega sita
Zeolit je izdelan aluminosilikatni kristal z zelo enakomerno mikrostrukturo. V kisikovih sistemih PSA:
Zeolit močno adsorbiradušik
Adsorbiraargon zelo blago
Ne adsorbirakisika znatno
Ta selektivnost je osnova koncentracije kisika.
Zeoliti imajo:
Visoka površina
Natančno nadzorovane velikosti por
Močna afiniteta za dušik
Hitra kinetika adsorpcije/desorpcije
Odlična mehanska trdnost za večkratno cikliranje
Osnovne komponente kisikovega sistema PSA
Tipičen sistem PSA vključuje:
Zračni kompresor
Sistem za predobdelavo zraka(filtri + sušilnik)
Rezervoar za sprejem zraka
Dvojni adsorpcijski stolpi (A in B)napolnjen z zeolitnim molekularnim sitom
Ventili za preklapljanje ciklov
Posoda za shranjevanje kisika izdelka
Nadzorni sistem in analizator kisika
Vsaka komponenta ima posebno vlogo pri dovajanju čistega, suhega-zraka pod visokim{0}}tlakom v adsorpcijske stolpe in neprekinjeni distribuciji kisika.
Cikel PSA: korak-za-korak
Načelo delovanja PSA je vciklična adsorpcija in desorpcijaprocesov. Večina sistemov uporablja dva stolpa, ki delujeta izmenično, da zagotovita nemoten pretok kisika.
1. korak: Stiskanje zraka
Zrak iz okolice se vsesa v kompresor, pri čemer se tlak običajno poveča na6–10 barovza kisikove sisteme.
Ta korak omogoča adsorpcijo dušika na zeolit.
2. korak: Predobdelava zraka
Stisnjen zrak vsebuje:
Prah
Vlaga
Oljni hlapi
Mikro-aerosoli
Te onesnaževalce je treba odstraniti, preden pride zrak v stik z zeolitom. Predobdelava običajno vključuje:
Grobi filtri
Koalescentni filtri
Filtri z aktivnim ogljem
Hladilni ali sušilni sušilniki
Nadzor vlage je še posebej pomemben, ker lahko voda nepopravljivo poškoduje molekularno sito.
3. korak: Adsorpcija (stolp A deluje)
Vstopi čist, suh stisnjen zrakStolp A, kjer:
Zeolit adsorbira dušik
Kisik in argon prehajata do konca izdelka
Ker zeolit ne odstrani argona, je čistost kisika PSA tipična93% ± 2%, preostanek pa argon.
Ko se dušik kopiči na površini zeolita, se stolp približuje nasičenosti.
4. korak: Preklop stolpa
Preden stolp A doseže popolno nasičenost, sistem preklopi pretok naStolp B, kar omogoča regeneracijo stolpa A.
To preklapljanje natančno nadzoruje:
Elektromagnetni ventili
Pnevmatski ventili
PLC časovna zaporedja
Korak 5: Desorpcija (regeneracija stolpa A)
Do regeneracije pride, ko se tlak v stolpu A sprosti na atmosfersko raven.
Ker se adsorpcijska zmogljivost s pritiskom močno zmanjša, se dušik naravno desorbira in odvaja.
6. korak: Izenačenje
Mnogi sistemi PSA uporabljajo izenačevanje tlaka med stolpi za izboljšanje učinkovitosti. Odvečni tlak iz adsorpcijskega stolpa se prenese v regeneracijski stolp za:
Zmanjšajte porabo energije
Zmanjšajte obremenitev kompresorja
Podaljšajte življenjsko dobo zeolita
7. korak: Čiščenje
Majhen delež (približno 5–7 %) proizvedenega kisika se uporabi za čiščenje regeneracijskega stolpa, da se odstrani preostali dušik.
Ta korak obnovi visoko čistost za naslednji adsorpcijski cikel.
Korak 8: Povečanje tlaka
Preden stolp A-ponovno vstopi v adsorpcijsko fazo, se v njem počasi dviguje tlak, da se stabilizira pretok in čistost.
S tem se zaključi cikel PSA.
Zakaj tehnologija PSA deluje: teorija o nihanju tlaka
Adsorpcija je odvisna od tlaka
Pri visokem tlaku:
Zeolit močno privlači dušik
Na adsorbentu se nabirajo velike količine dušika
Kisik prehaja skozi
Pri nizkem tlaku:
Adsorpcijska sposobnost pade
Dušik se sprosti
Ta razlika v adsorpcijski moči med visokim in nizkim tlakom omogoča neprekinjeno ločevanje.
Hiter čas cikla
Sistemi PSA običajno zamenjajo cikle vsakih:
5–10 sekundv manjših sistemih
20–60 sekundv večjih industrijskih enotah
To hitro kroženje omogoča nemoteno proizvodnjo kisika.
Temperaturna stabilnost
PSA deluje pri sobni temperaturi. Hlajenje ali toplotna-destilacija ni potrebna, zaradi česar:
Energijsko-učinkovit
Malo{0}}vzdrževanje
Primerno za oddaljene ali težke industrijske lokacije
Dejavniki, ki vplivajo na delovanje sistema PSA
Razumevanje spremenljivk delovanja je bistvenega pomena za izbiro pravega sistema in vzdrževanje stabilnega delovanja.
Kakovost zraka
Največja determinanta učinkovitosti PSA in življenjske dobe sita je kakovost zraka. Onesnaževalci, kot sta olje ali vlaga, zmanjšajo učinkovitost adsorpcije.
Temperatura okolja
Visoke temperature zmanjšajo učinkovitost adsorpcije, ker imajo molekule dušika več kinetične energije in se manj učinkovito vežejo.
Stabilnost tlaka
Nihanje tlaka lahko povzroči:
Čistost pade
Zmanjšan pretok
Povečana napetost sita
Natančnost preklopa ventila
Krmiljenje ventilov mora biti natančno. Tudi majhne zamude lahko:
Zmanjšajte učinkovitost cikla
Povzroči preboj dušika
Poškoduje molekularna sita
Zahteva po čistosti in pretoku
Čistost kisika (90–95 % standard za PSA) se razlikuje glede na:
Čas cikla
Stanje sita
Tlak stolpa
Razmerje čiščenja
Prednosti tehnologije PSA
PSA je zaradi svojih operativnih prednosti nadomestil tradicionalne modele oskrbe s kisikom v številnih panogah.
Proizvodnja plina-na zahtevo
Sistemi PSA proizvajajo kisik na-mestu in na-zahtevo, kar zmanjšuje odvisnost od:
Visokotlačne jeklenke-
Dostava kriogenih tekočin
Visoka zanesljivost
Z minimalno količino gibljivih delov in brez toplotnih procesov sistemi PSA nudijo dolgo življenjsko dobo opreme.
Nizki obratovalni stroški
Glavna vnosa sta električna energija in zunanji zrak.
Okoljske koristi
PSA zmanjša:
Emisije ogljika pri dostavah tovornjakov
Tveganja visokotlačne jeklenke-
Kriogeni energetski odpadki
Modularna razširljivost
Sisteme je mogoče razširiti glede na proizvodne potrebe.
Tehnologija PSA v primerjavi z drugimi metodami ločevanja plinov
Kriogena destilacija
Proizvaja izjemno-visoko čistost (do 99,999 %)
Zahteva zapletene hladilne sisteme
Najboljše za-velike rastline
Membransko ločevanje
Primerno za zahteve srednje čistosti
Nižje vzdrževanje
Manj selektiven v primerjavi s PSA
VPSA (vakuumski PSA)
Večja energetska učinkovitost
Večji odtis opreme
Bolj zapletena operacija
PSA ostaja najbolj uravnotežena metoda za majhno-do-srednje proizvodnjo kisika.
Pogoste uporabe kisikovih sistemov PSA
Medicinska in bolnišnična oskrba s kisikom
Ob-elektrarne PSA na mestu zagotavljajo neprekinjeno razpoložljivost kisika.
Pridobivanje zlata/cianidacija
Kisik bistveno izboljša kinetiko izpiranja zlata.
ribogojstvo
Poveča količino raztopljenega kisika v vodi, kar izboljša rast rib.
Rezanje in varjenje kovin
Zagotavlja stabilen kisik za izdelavo in obdelavo jekla.
Čiščenje odpadne vode
Izboljša aerobno razgradnjo bakterij.
Hrana in pijača
Uporablja se pri pakiranju MAP, fermentaciji in ustvarjanju ozona.
