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Generazione di azoto con la tecnologia PSA (PSA, Pressure Swing Adsorption)

Gas industriali Compressed Air Wiki Azoto

La capacità di produrre azoto in proprio assicura un controllo totale della fornitura di N2, e può risultare vantaggiosa per molte aziende che necessitano di azoto su base giornaliera. Che cosa significa tutto questo per un'azienda? Quando si produce azoto in proprio, non occorre affidarsi a terzi per la fornitura, eliminando così trattamenti, ricariche e costi di consegna. La tecnologia PSA è un modo per generare azoto.

Come funziona la tecnologia PSA?

Quando si produce azoto in proprio, è molto importante conoscere e comprendere il livello di purezza che si desidera ottenere. Alcune applicazioni, come il gonfiaggio degli pneumatici e la prevenzione degli incendi, richiedono bassi livelli di purezza (fra il 90 e il 99%) mentre altri, come le applicazioni nel settore degli alimenti e delle bevande o lo stampaggio delle materie plastiche, richiedono alti livelli di purezza (dal 97 al 99,999%). In questi casi la tecnologia PSA rappresenta la soluzione ideale e il modo più semplice di procedere.

In sostanza, un generatore di azoto agisce sull'aria compressa separando le molecole di azoto da quelle di ossigeno. La tecnologia PSA ottiene tale risultato imprigionando per adsorbimento l'ossigeno presente nel flusso di aria compressa. L'adsorbimento ha luogo quando le molecole si legano a un adsorbente; in questo caso le molecole di ossigeno si legano a un setaccio molecolare al carbonio (CMS, Carbon Molecular Sieve). Ciò accade in due serbatoi a pressione distinti, ciascuno riempito con un CMS, che commutano fra il processo di separazione e quello di rigenerazione. Per il momento, chiamiamoli torre A e torre B.

Inizialmente l'aria compressa pulita e secca penetra nella torre A; essendo più piccole di quelle di azoto, le molecole di ossigeno penetrano nei pori del setaccio al carbonio, mentre quelle di azoto non riescono a introdursi nei pori e pertanto lo aggirano. In questo modo si ottiene infine azoto della purezza desiderata. Questa fase è detta di adsorbimento o di separazione.

Il processo tuttavia non termina qui. La maggior parte dell'azoto prodotto nella torre A esce dal sistema
(pronto per l'uso diretto o lo stoccaggio), mentre una piccola frazione viene introdotta nella torre B in direzione opposta
(dall'alto verso il basso). Questo flusso è necessario per espellere l'ossigeno catturato nella precedente fase di adsorbimento della torre B. Rilasciando la pressione nella torre B, i setacci molecolari perdono la capacità di trattenere le molecole di ossigeno,
che si staccano dai setacci stessi e vengono allontanate tramite lo scarico grazie al piccolo flusso di azoto proveniente dalla torre A.
Con questa operazione il sistema libera lo spazio necessario affinché nuove molecole di ossigeno si leghino ai setacci durante una successiva fase di adsorbimento. Questo processo di "pulizia" di una torre satura di ossigeno è detto rigenerazione.

Grafico che mostra il processo di generazione dell'azoto. Inizialmente il serbatoio A si trova nella fase di adsorbimento, mentre il serbatoio B è in rigenerazione. Nella seconda fase, la pressione nei due serbatoi viene portata allo stesso livello, quindi il serbatoio A inizia la rigenerazione mentre il serbatoio B genera azoto.

Inizialmente il serbatoio A si trova nella fase di adsorbimento, mentre il serbatoio B è in rigenerazione. Nella seconda fase la pressione nei due serbatoi viene portata allo stesso livello per prepararli alla commutazione. Una volta avvenuta la stessa, il serbatoio A inizia la rigenerazione mentre il serbatoio B genera azoto.

A questo punto la pressione nelle due torri è uguale e avviene il passaggio dalla fase di adsorbimento a quella di rigenerazione e viceversa. Il CMS della torre A si satura mentre quello della torre B, grazie alla depressurizzazione, è in grado di riprendere il processo di adsorbimento. Questo procedimento è detto anche "oscillazione della pressione", in quanto consente di catturare alcuni gas a una pressione superiore e di rilasciarli a una inferiore. Il sistema PSA a due torri consente la produzione continua di azoto con il livello di purezza desiderato.

Purezza dell'azoto e requisiti sull'aria in ingresso

Per produrre in proprio l'azoto necessario per una determinata applicazione, è importante comprendere il livello di purezza che essa richiede. Vi sono tuttavia alcuni requisiti generali relativi all'aria in ingresso nel generatore di azoto, che deve essere pulita e secca, in quanto ciò influisce positivamente sulla qualità dell'azoto ed evita inoltre che l'umidità danneggi il CMS. Occorre anche controllare la pressione e la temperatura di ingresso, mantenendo la prima fra 4 e 13 bar e la seconda fra 10 e 25 gradi C. Per effettuare un trattamento corretto dell'aria, è opportuno che fra il compressore e il generatore sia presente un essiccatore. Se l'aria in ingresso proviene da un compressore lubrificato a olio, occorre inoltre installare un filtro dell'olio a coalescenza e ai carboni per eliminare tutte le eventuali impurità prima che l'aria compressa raggiunga il generatore di azoto. Come protezione dai guasti, nella maggior parte dei generatori sono presenti sensori della pressione, della temperatura e del punto di rugiada in pressione che impediscono all'aria contaminata di penetrare nel sistema PSA danneggiandone i componenti.


Installazione tipica: compressore dell'aria, essiccatore, filtri, serbatoio dell'aria, generatore di azoto e serbatoio dell'azoto. È possibile utilizzare l'azoto proveniente direttamente dal generatore oppure da un serbatoio di accumulo aggiuntivo (non raffigurato).

Un altro aspetto importante della generazione di azoto con la tecnologia PSA è il fattore dell'aria. Si tratta di uno dei parametri più importanti dei sistemi per la produzione di azoto, in quanto definisce l'aria compressa necessaria per ottenere un certo flusso del medesimo. Il fattore dell'aria indica pertanto l'efficienza dei generatori, in quanto un valore inferiore corrisponde a una maggiore efficienza, e ovviamente a minori costi complessivi di esercizio.

Scelta fra generatori PSA e a membrana

 

PSA

MEMBRANA

PUREZZA OTTENIBILE

IN MODO EFFICIENTE FINO AL 99,999%

IN MODO EFFICIENTE FINO AL 99,9%

EFFICIENZA

SUPERIORE

ALTA

PRESTAZIONI IN FUNZIONE DELLA TEMP.

INFERIORI AD ALTA TEMP.

SUPERIORI AD ALTA TEMP.

COMPLESSITÀ DEL SISTEMA

MEDIO

BASSO

INTENSITÀ DI MANUTENZIONE

BASSO

MOLTO BASSO

STABILITÀ DELLA PRESSIONE

INGRESSO/USCITA FLUTTUANTE

STABILE

STABILITÀ DEL FLUSSO

INGRESSO/USCITA FLUTTUANTE

STABILE

VELOCITÀ DI AVVIAMENTO

MINUTI/ORE

SECONDI

SENSIBILITÀ ALL'ACQUA (VAPORE)

PDP MAX. 8 °C

ASSENZA DI ACQUA LIQUIDA

SENSIBILITÀ ALL'OLIO

NON CONSENTITO (< 0,01 mg/m³)

NON CONSENTITO (< 0,01 mg/m³)

LIVELLO DI RUMORE

ALTO (picchi al rilascio)

MOLTO BASSO

PESO

MEDIO

BASSO

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