Test technologii produkcji tlenu metodą adsorpcji zmiennociśnieniowej na małą skalę

 Technologia produkcji tlenu metodą adsorpcji zmiennociśnieniowej na małą skalę
 

Technologia produkcji tlenu metodą adsorpcji zmiennociśnieniowej (PSA) wykorzystuje powietrze jako surowiec do produkcji tlenu w drodze adsorpcji fizycznej, a jedynym źródłem energii jest energia elektryczna. W ciągu kilku minut od włączenia urządzenie może w sposób ciągły wytwarzać tlen medyczny o zawartości tlenu większej niż 90%, spełniając standardy opieki medycznej. Technologia ta oferuje takie korzyści, jak prosta obsługa, niezawodność, długoterminowe dostarczanie tlenu i opłacalność.

Małe koncentratory tlenu PSA są szeroko stosowane w szpitalach, domach, hotelach, barach tlenowych i innych miejscach publicznych, gdzie obowiązują rygorystyczne wymagania dotyczące rozmiaru, wagi, hałasu i zużycia energii. Aby sprostać tym wymaganiom, koncentratory muszą być kompaktowe, lekkie, przenośne, ciche i energooszczędne. Aby jeszcze bardziej zwiększyć wydajność małego generatora tlenu PSA, w badaniu zbadano czynniki wpływające na produkcję tlenu, w tym wybór sit molekularnych, czas przełączania, optymalizację etapów wyrównywania ciśnienia i pojemność zbiornika magazynującego tlen. Celem tych optymalizacji jest poprawa wydajności produkcji tlenu, zmniejszenie zużycia energii i wydłużenie żywotności sprzętu.

 

 

 

Przebieg procesu

Produkcja tlenu metodą adsorpcji zmiennociśnieniowej (PSA) opiera się na różnych zdolnościach adsorpcji zeolitowych sit molekularnych tlenu i azotu pod różnymi ciśnieniami. Pod wysokim ciśnieniem azot jest adsorbowany, wzbogacając tlen, natomiast przy niskim ciśnieniu azot ulega desorpcji, w wyniku czego powstaje gaz bogaty w tlen. Wiele złóż adsorpcyjnych jest przełączanych sekwencyjnie w celu ciągłej produkcji tlenu. Typowe procesy PSA obejmują adsorpcję pod wysokim ciśnieniem z desorpcją atmosferyczną (PSA), adsorpcję pod ciśnieniem z desorpcją próżniową (VPSA) i adsorpcję atmosferyczną z desorpcją próżniową (VSA).

Proces PSA jest szeroko stosowany w produkcji tlenu na małą skalę ze względu na jego prostotę i niskie koszty inwestycyjne, ale jego wysokie zużycie energii wzbudziło zainteresowanie bardziej energooszczędnym procesem VPSA. W ostatnich latach technologia VPSA zyskała popularność w zastosowaniach na małą skalę, a produkty zostały już wprowadzone na rynek za granicą.

Aby poprawić odzysk gazu, czystość tlenu i zmniejszyć zużycie energii, wprowadzono etap wyrównywania ciśnienia (PE). Ten stopień łączy dwie wieże adsorpcyjne, umożliwiając przepływ gazu z wieży wysokociśnieniowej do wieży niskociśnieniowej, równoważąc ich ciśnienia. Odzyskiwanie energii mechanicznej i optymalizacja rozkładu stężenia gazu zwiększa efektywność energetyczną i współczynnik odzysku.

Badania pokazują, że proces PSA z użyciem PE znacznie zmniejsza ciśnienia przełączania, straty mocy sprężarki i straty mocy złoża, poprawiając jednocześnie efektywność energetyczną i odzysk gazu. Chociaż PE jest szeroko stosowany w systemach wielkoskalowych, jego zastosowanie w urządzeniach o małej skali jest mniej powszechne ze względu na ograniczenia techniczne i kosztowe. W produkcji tlenu PSA na małą skalę, PE można zastosować na wlocie, wylocie lub na obu końcach wieży adsorpcyjnej, poprawiając wydajność, efektywność i oszczędność energii.

 

 

Proces testowy

1-filtr; 2-kompresor; 3-chłodniej; 4-manometr; 5-dwupołożeniowy pięciodrogowy zawór elektromagnetyczny; 6-tłumik; 7-wieża adsorpcyjna; 8-zawór elektromagnetyczny wyrównujący ciśnienie; 9-zawór przepustnicy; 10-zawór trójdrogowy; 11-zawór zwrotny; 12-zbiornik gazu; 13-zawór ograniczający ciśnienie;
14-przepływomierz; 15-panel sterowania

Urządzenie eksperymentalne wykorzystuje panel sterujący do sterowania dwupołożeniowym pięciodrogowym zaworem elektromagnetycznym oraz elektrozaworem wyrównującym ciśnienie, umożliwiając trzy konfiguracje procesu: brak wyrównywania ciśnień, wyrównywanie ciśnień na wlocie powietrza i wyrównywanie ciśnień na obu końcach adsorpcji wieża. System dostosowuje czas wyrównywania ciśnienia i czas podłączenia wlotu powietrza, aby przełączać się pomiędzy tymi procesami.

Powietrze jest oczyszczane, sprężane i schładzane przed wejściem do wieży adsorpcyjnej wyposażonej w zeolitowe sito molekularne w celu separacji. Oddzielony tlen przepływa do zbiornika magazynującego gaz, natomiast pozostały azot jest usuwany. Przepływ tlenu kontrolowany jest za pomocą przepływomierza, a czas przełączania reguluje się za pomocą panelu sterowania. Pomiar zawartości tlenu odbywa się metodą roztworu amoniaku miedzi i inteligentnego miernika tlenu YHL.

Eksperyment ten koncentruje się na wpływie czynników takich jak typ sita molekularnego, czas przełączania, etapy wyrównywania ciśnienia, współczynnik wieży adsorpcyjnej i objętość zbiornika magazynującego na produkcję tlenu. Niektóre parametry są bezwymiarowe, co pozwala na lepszą analizę ich wpływu na wydajność.

Wniosek
 

Różne rodzaje sit molekularnych mają znaczący wpływ na efektywność produkcji tlenu, przy czym najlepiej sprawdza się sito molekularne LiX. Zastosowanie LiX może znacznie zmniejszyć rozmiar wieży adsorpcyjnej, obniżyć stosunek tlenu do powietrza i poprawić ogólną wydajność maszyny.

Czas przełączania jest kluczowym parametrem w produkcji tlenu metodą adsorpcji zmiennociśnieniowej (PSA). Optymalny czas przełączania dla konkretnego systemu należy określić eksperymentalnie.

Wprowadzenie etapu wyrównywania ciśnienia (PE) może skutecznie zwiększyć zawartość tlenu i stopień odzysku, prowadząc do oszczędności energii. Dodanie pojedynczego etapu PE znacząco poprawia zarówno stężenie tlenu, jak i szybkość odzysku. Dlatego w przypadku systemów produkcji tlenu PSA na małą skalę powszechnie stosuje się prosty, jednoetapowy proces PE.

Zwiększenie stosunku wysokości do średnicy wieży adsorpcyjnej pomaga poprawić wydajność produkcji tlenu w małych systemach PSA. Jednakże zbyt wysokie stosunki mogą zmniejszyć wykorzystanie sit molekularnych i spowodować znaczne efekty ściankowe, które negatywnie wpływają na wydajność produkcji tlenu.

Zwiększenie pojemności zbiornika gazu pomaga poprawić zawartość tlenu i zmniejszyć wahania w dostawie tlenu.