Tehnologija adsorpcije promjenjivog tlaka (PSA) postala je jedna od najčešće prihvaćenih metoda za-generiranje plina na licu mjesta, posebno za proizvodnju kisika i dušika. Njegova sposobnost kontinuirane isporuke plina visoke-čistoće koristeći samo okolni zrak i električnu energiju čini PSA sustave nezamjenjivim u industrijama kao što su medicinska njega, metalurgija, elektronika, rudarstvo, akvakultura, kemijska obrada, pakiranje hrane i mnogim drugim.
Kako bi u potpunosti cijenili prednosti PSA sustava-i donosili informirane odluke o odabiru sustava, dizajnu postrojenja i radu-korisnici moraju razumjeti kako PSA tehnologija funkcionira na osnovnoj razini. Ovaj članak pruža atemeljito, inženjersko-objašnjenjeprincipa rada PSA, istražujući teoriju adsorpcije, dizajn ciklusa, ponašanje molekularnog sita, kontrolno sekvenciranje i faktore-stvarnog svijeta koji utječu na izvedbu.
Uvod u PSA tehnologiju
Adsorpcija uz promjenu tlaka fizički je proces odvajanja plina koji se oslanja naselektivna adsorpcija. Kada se zrak komprimira i prolazi kroz adsorpcijski materijal, određene molekule plina se privlače i zadržavaju na površini materijala jače od drugih.
U generatorima kisika adsorbent je tipičnozeolit molekularno sito, koji selektivno adsorbira dušik i omogućuje prolaz kisika. U generatorima dušika,ugljikovo molekularno sito (CMS)preferirano adsorbira kisik.
PSA sustavi rade natemperatura okoline, što ih čini energetski-učinkovitima i prikladnima za kontinuirani industrijski rad bez kriogene opreme ili pohranjenih tekućih plinova.
Znanost iza adsorpcije
Adsorpcija je prianjanje molekula plina na čvrstu površinu. Na njega utječu:
Veličina molekule
Polaritet
Površinski naboj
Struktura pora adsorbensa
Fizička adsorpcija
PSA tehnologija temelji se nafizička adsorpcija, a ne kemijsko vezivanje. Snage koje su uključene su:
Van der Waalsove sile
Elektrostatsko privlačenje
Dipolne interakcije
Budući da su te sile reverzibilne, adsorbent se može više puta regenerirati smanjenjem tlaka.
Uloga zeolitnog molekularnog sita
Zeolit je konstruirani aluminosilikatni kristal s vrlo ujednačenom mikrostrukturom. U sustavima kisika PSA:
Zeolit snažno adsorbiradušik
Adsorbiraargon vrlo blago
Ne adsorbira sekisika znatno
Ova selektivnost čini osnovu koncentracije kisika.
Zeoliti imaju:
Visoka površina
Precizno kontrolirane veličine pora
Jak afinitet prema dušiku
Brza kinetika adsorpcije/desorpcije
Izvrsna mehanička čvrstoća za ponovljene cikluse
Osnovne komponente PSA kisikovog sustava
Tipični PSA sustav uključuje:
Zračni kompresor
Sustav predtretmana zraka(filteri + sušač)
Spremnik za zrak
Dvostruki adsorpcijski tornjevi (A i B)ispunjen zeolitnim molekularnim sitom
Ventili za prebacivanje ciklusa
Spremnik za skladištenje kisika proizvoda
Kontrolni sustav i analizator kisika
Svaka komponenta ima posebnu ulogu u isporuci čistog, suhog,-zraka pod visokim tlakom u adsorpcijske tornjeve i kontinuiranoj distribuciji kisika.
PSA ciklus: korak-po-korak
Princip rada PSA leži u njegovomciklička adsorpcija i desorpcijaprocesima. Većina sustava koristi dva tornja koji rade naizmjenično kako bi osigurali neprekinuti protok kisika.
Korak 1: Kompresija zraka
Zrak iz okoline uvlači se u kompresor, povećavajući tlak na tipično6–10 baraza sustave kisika.
Ovaj korak omogućuje adsorpciju dušika na zeolit.
Korak 2: Predtretman zraka
Komprimirani zrak sadrži:
Prah
vlaga
Uljne pare
Mikro-aerosoli
Ovi kontaminanti se moraju ukloniti prije nego zrak dođe u kontakt sa zeolitom. Predtretman obično uključuje:
Grubi filteri
Koalescentni filtri
Filtri s aktivnim ugljenom
Rashladni ili desikantni sušači
Kontrola vlage je posebno kritična jer voda može nepovratno oštetiti molekularno sito.
Korak 3: Adsorpcija (toranj A radi)
Ulazi čisti, suhi komprimirani zrakToranj A, gdje je:
Zeolit adsorbira dušik
Kisik i argon prolaze do kraja proizvoda
Budući da se argon ne uklanja zeolitom, PSA čistoća kisika je tipična93% ± 2%, s argonom koji čini ostatak.
Kako se dušik nakuplja na površini zeolita, toranj se približava zasićenju.
Korak 4: Promjena tornja
Prije nego toranj A dostigne potpuno zasićenje, sustav prebacuje protok naToranj B, omogućujući kuli A da se regenerira.
Ovim prebacivanjem precizno upravljaju:
Solenoidni ventili
Pneumatski ventili
Vremenske sekvence PLC-a
Korak 5: Desorpcija (regeneracija tornja A)
Regeneracija se događa kada se tlak u tornju A spusti na atmosfersku razinu.
Budući da kapacitet adsorpcije naglo opada s tlakom, dušik se prirodno desorbira i ispušta.
Korak 6: Izjednačavanje
Mnogi PSA sustavi koriste izjednačavanje tlaka između tornjeva za poboljšanje učinkovitosti. Višak tlaka iz tornja za adsorpciju prenosi se na toranj za regeneraciju na:
Smanjite potrošnju energije
Smanjite opterećenje kompresora
Produžite vijek trajanja zeolita
Korak 7: Čišćenje
Mali dio (oko 5–7%) proizvedenog kisika koristi se za pročišćavanje tornja za regeneraciju kako bi se uklonio zaostali dušik.
Ovaj korak vraća visoku čistoću za sljedeći ciklus adsorpcije.
Korak 8: Povećanje tlaka
Prije nego toranj A ponovno -uđe u fazu adsorpcije, polako se ponovno tlači kako bi se stabilizirao protok i čistoća.
Ovo dovršava PSA ciklus.
Zašto PSA tehnologija radi: Teorija koja stoji iza promjene tlaka
Adsorpcija ovisi o tlaku
Pri visokom tlaku:
Dušik jako privlači zeolit
Na adsorbensu se nakupljaju velike količine dušika
Kisik prolazi
Pri niskom tlaku:
Kapacitet adsorpcije opada
Oslobađa se dušik
Ova razlika u snazi adsorpcije između visokog i niskog tlaka omogućuje kontinuirano odvajanje.
Brzo vrijeme ciklusa
PSA sustavi obično mijenjaju cikluse svakih:
5–10 sekundiu manjim sustavima
20–60 sekundiu većim industrijskim jedinicama
Ovo brzo kruženje omogućuje nesmetano stvaranje kisika.
Temperaturna stabilnost
PSA radi na temperaturi okoline. Nije potrebno hlađenje ili destilacija temeljena-na toplini, što ga čini:
Energetski-učinkovit
Slabo-održavanje
Prikladno za udaljene ili teške industrijske lokacije
Čimbenici koji utječu na performanse PSA sustava
Razumijevanje varijabli performansi bitno je za odabir pravog sustava i održavanje stabilnog rada.
Kvaliteta zraka
Najveća determinanta učinkovitosti PSA i vijeka trajanja sita je kvaliteta zraka. Zagađivači poput ulja ili vlage smanjuju učinkovitost adsorpcije.
Temperatura okoline
Visoke temperature smanjuju učinkovitost adsorpcije jer molekule dušika imaju veću kinetičku energiju i slabije se vežu.
Stabilnost tlaka
Promjene tlaka mogu uzrokovati:
Čistoća pada
Smanjeni protok
Povećano naprezanje sita
Preciznost prebacivanja ventila
Razvod ventila mora biti precizan. Čak i mala kašnjenja mogu:
Smanjite učinkovitost ciklusa
Izazvati proboj dušika
Oštećenje molekularnih sita
Zahtjev za čistoćom i protokom
Čistoća kisika (90–95% standard za PSA) varira s:
Vrijeme ciklusa
Stanje sita
Tlak tornja
Omjer pročišćavanja
Prednosti PSA tehnologije
PSA je zamijenio tradicionalne modele opskrbe kisikom u mnogim industrijama zbog svojih operativnih prednosti.
Proizvodnja plina-na zahtjev
PSA sustavi stvaraju kisik na-licu mjesta i na-zahtjev, smanjujući ovisnost o:
Visokotlačni-cilindri
Isporuke kriogene tekućine
Visoka pouzdanost
S minimalnim brojem pomičnih dijelova i bez toplinskih procesa, PSA sustavi nude dug vijek trajanja opreme.
Niski operativni troškovi
Električna energija i okolni zrak primarni su inputi.
Prednosti za okoliš
PSA smanjuje:
Emisije ugljika iz isporuka kamiona
Rizici-cilindara visokog tlaka
Kriogeni energetski otpad
Modularna skalabilnost
Sustavi se mogu proširivati na temelju proizvodnih potreba.
PSA tehnologija u odnosu na druge metode odvajanja plinova
Kriogena destilacija
Proizvodi ultra{0}}visoku čistoću (do 99,999%)
Zahtijeva složene rashladne sustave
Najbolje za-velike biljke
Odvajanje membrane
Prikladno za zahtjeve srednje čistoće
Manje održavanje
Manje selektivan u usporedbi s PSA
VPSA (vakuumski PSA)
Veća energetska učinkovitost
Veći trag opreme
Složenija operacija
PSA ostaje najuravnoteženija metoda za malu-do-srednju proizvodnju kisika.
Uobičajene primjene PSA kisikovih sustava
Medicinska i bolnička opskrba kisikom
PSA postrojenja na lokaciji -osiguravaju nesmetanu dostupnost kisika.
Rudarstvo zlata / cijanizacija
Kisik značajno poboljšava kinetiku ispiranja zlata.
Akvakultura
Povećava otopljeni kisik u vodi, poboljšavajući rast riba.
Rezanje i zavarivanje metala
Osigurava stabilan kisik za proizvodnju i obradu čelika.
Pročišćavanje otpadnih voda
Pospješuje aerobnu bakterijsku razgradnju.
Hrana i piće
Koristi se u pakiranju MAP-a, fermentaciji i stvaranju ozona.
