Stickstofferzeugung mit Druckwechseladsorption (Pressure Swing Adsorption, PSA)

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Wer seinen eigenen Stickstoff erzeugt, hat die vollständige Kontrolle über die N2-Versorgung. Davon könnten viele Unternehmen profitieren, die täglich Stickstoff benötigen. Was bedeutet das für Ihr Unternehmen? Wenn Sie den Stickstoff in Ihrem Unternehmen erzeugen, müssen Sie sich nicht auf Dritte für die Versorgung verlassen, und die Kosten für die Verarbeitung, das Nachfüllen und die Lieferung entfallen. Eine Möglichkeit zur Erzeugung von Stickstoff ist die Druckwechseladsorption.

Wie funktioniert die Druckwechseladsorption?

Bei der Erzeugung Ihres eigenen Stickstoffs ist es wichtig, dass Sie die Reinheit kennen, die Sie erreichen möchten. Einige Anwendungen erfordern niedrige Reinheitsgrade (zwischen 90 und 99 %), z. B. das Aufpumpen von Reifen und der Brandschutz, während andere, wie Anwendungen in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie oder bei der Kunststoffformung, hohe Reinheitsgrade erfordern (von 97 bis 99,999 %). In diesen Fällen ist die PSA-Technologie der ideale und einfachste Weg.

Im Wesentlichen funktioniert ein Stickstoffgenerator, indem er die Stickstoffmoleküle von den Sauerstoffmolekülen in der Druckluft trennt. Die Druckwechseladsorption erfolgt durch Ausleitung des Sauerstoffs aus dem Druckluftstrom mithilfe von Adsorption. Adsorption findet statt, wenn die Moleküle sich an ein Adsorptionsmittel binden, in diesem Fall die Sauerstoffmoleküle an ein Kohlenstoffmolekularsieb (Carbon Molecular Sieve, CMS). Dies geschieht in zwei separaten Druckbehältern, die jeweils mit einem CMS gefüllt sind und die sich abwechselnd im Trennungsprozess und im Regenerierungsprozess befinden. Nennen wir diese vorläufig Turm A und Turm B.

Zunächst tritt saubere und trockene Druckluft in Turm A ein, und da die Sauerstoffmoleküle kleiner als die Stickstoffmoleküle sind, dringen sie in die Poren des Kohlenstoffmolekularsiebs ein. Die Stickstoffmoleküle dagegen passen nicht in die Poren, sodass sie am Kohlenstoffmolekularsieb vorbeiströmen. Das Ergebnis ist Stickstoff der gewünschten Reinheit. Diese Phase wird als Adsorptions- oder Trennungsphase bezeichnet.

Das ist jedoch noch nicht alles. Der Großteil des in Turm A erzeugten Stickstoffs verlässt die Anlage und kann direkt verwendet oder eingelagert werden. Ein kleiner Teil des erzeugten Stickstoffs strömt aber in umgekehrter Richtung in Turm B (von oben nach unten). Diese Strömung ist erforderlich, um den Sauerstoff zu verdrängen, der sich in der vorherigen Adsorptionsphase in Turm B angesammelt hat. Durch Entlastung des Drucks in Turm B verlieren die Kohlenstoffmolekularsiebe ihre Fähigkeit, die Sauerstoffmoleküle zurückzuhalten. Diese lösen sich von den Sieben und werden durch die geringe Stickstoffströmung von Turm A ausgeleitet. Damit schafft die Anlage Raum für neue Sauerstoffmoleküle, die sich in der nächsten Adsorptionsphase an den Sieben anlagern können. Wir bezeichnen diesen „Reinigungsprozess“ auch als Regeneration eines sauerstoffgesättigten Turms.

Grafik, die den Stickstofferzeugungsprozess zeigt. Zunächst befindet sich Behälter A in der Adsorptionsphase, während Behälter B regeneriert wird. In der zweiten Phase gleichen beide Behälter den Druck aus. Danach beginnt Behälter A mit der Regenerierung, während Behälter B Stickstoff erzeugt.

Zunächst befindet sich Behälter A in der Adsorptionsphase, während Behälter B regeneriert wird. In der zweiten Phase wird der Druck der beiden Behälter ausgeglichen, um den Wechsel vorzubereiten. Nach dem Wechsel wird Behälter A regeneriert, während Behälter B Stickstoff erzeugt.

Jetzt gleicht sich der Druck in beiden Türmen aus, und die Phasen wechseln zwischen Adsorption und Regeneration. Das CMS in Turm A wird gesättigt, während Turm B drucklos ist, wodurch der Adsorptionsprozess neu starten kann. Dieser Prozess wird auch als „Druckwechsel“ bezeichnet. Dies bedeutet, dass bestimmte Gase bei einem höheren Druck aufgenommen und bei einem niedrigeren Druck freigesetzt werden. Das Doppelturm-PSA-System ermöglicht eine kontinuierliche Stickstoffproduktion mit dem gewünschten Reinheitsgrad.

Stickstoffreinheit und Anforderungen an die Einlassluft

Es ist wichtig zu verstehen, welche Reinheit für eine Anwendung benötigt wird, um gezielt eigenen Stickstoff zu erzeugen. Dennoch gibt es einige allgemeine Anforderungen hinsichtlich der Einlassluft. Die Druckluft muss vor dem Einlass in den Stickstoffgenerator sauber und trocken sein, da sich dies positiv auf die Stickstoffqualität auswirkt und verhindert, dass das CMS durch Feuchtigkeit beschädigt wird. Darüber hinaus sollten die Einlasstemperatur und der Einlassdruck so geregelt werden, dass die Temperatur zwischen 10 und 25 °C beträgt, während der Druck zwischen 4 und 13 bar liegt. Um die Luft richtig aufzubereiten, sollte ein Trockner zwischen Kompressor und Generator geschaltet sein. Wenn die Einlassluft von einem ölgeschmierten Kompressor erzeugt wird, sollten auch ein Ölkoaleszenz- und Kohlefilter installiert werden, um Verunreinigungen der Druckluftzufuhr zu beseitigen, bevor diese den Stickstoffgenerator erreicht. In den meisten Generatoren sind zur Sicherheit Druck-, Temperatur- und Drucktaupunktsensoren installiert. Diese verhindern, dass verunreinigte Luft in das PSA-System eindringt und seine Komponenten beschädigt.


Eine typische Anlage: Kompressor, Trockner, Filter, Luftbehälter, Stickstoffgenerator, Stickstoffbehälter. Der Stickstoff kann direkt aus dem Generator oder einem zusätzlichen Pufferbehälter (nicht abgebildet) abgenommen werden.

Ein weiterer wichtiger Aspekt der PSA-Stickstofferzeugung ist der Luftfaktor. Er ist einer der wichtigsten Parameter in einem Stickstoffgeneratorsystem, da er die Druckluftmenge definiert, die benötigt wird, um eine bestimmte Stickstoffströmung zu erzielen. Der Luftfaktor gibt somit die Effizienz des Generators an, d. h. ein niedrigerer Luftfaktor bedeutet eine höhere Effizienz und niedrigere Gesamtbetriebskosten.

Wahl zwischen PSA- und Membrangenerator

 

PSA

MEMBRAN

ERZIELBARE REINHEIT

EFFIZIENT BIS ZU 99,999 %

EFFIZIENT BIS ZU 99,9 %

EFFIZIENZ

HÖHER

HOCH

TEMPERATURABH. LEISTUNG

NIEDRIGER BEI HOHER TEMP.

HÖHER BEI HOHER TEMP.

KOMPLEXITÄT DES SYSTEMS

MITTEL

NIEDRIG

WARTUNGSINTENSITÄT

NIEDRIG

SEHR NIEDRIG

DRUCKSTABILITÄT

FLUKTUATION EIN-/AUSLASS

STABIL

LUFTSTROMSTABILITÄT

FLUKTUATION EIN-/AUSLASS

STABIL

INBETRIEBNAHMEGESCHWINDIGKEIT

MINUTEN/STUNDEN

SEKUNDEN

EMPFINDLICHKEIT GEGENÜBER WASSER(DAMPF)

DTP MAX. 8 °C

KEIN FLÜSSIGES WASSER

ÖLEMPFINDLICHKEIT

NICHT ZULÄSSIG (< 0,01 mg/m³)

NICHT ZULÄSSIG (< 0,01 mg/m³)

GERÄUSCHPEGEL

HOCH (Beim Abblasen)

SEHR NIEDRIG

GEWICHT

MITTEL

NIEDRIG

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