Das Druckschwing-Adsorptionsverfahren (PSA) ist eine Gastrenntechnologie.

1 Einführung in die PSA-Stickstofferzeugung (Pressure Swing Adsorption)
1.1 Druckwechseladsorption
Die Druckwechseladsorption (PSA) ist eine Gastrennungstechnologie. Im Jahr 1960 erhielt C. W. Skarstrom aus den Vereinigten Staaten das erste Patent für die PSA-Sauerstofferzeugung mittels Molekularsieb, gefolgt von umfangreichen experimentellen Forschungen in Ländern wie dem Vereinigten Königreich, Deutschland und Japan. Im Jahr 1970 erreichte UCC (United Carbides Corporation) in den Vereinigten Staaten als erster die industrielle Produktion und hat seit langem eine führende Position in der Entwicklung und Anwendung der PSA-Technologie inne. Im Wettbewerb mit traditionellen Trennverfahren wurde das PSA-Verfahren kontinuierlich verbessert und verfeinert, was zu seiner rasanten Entwicklung führte.
1.2 Funktionsprinzip
Ein PSA-Stickstofferzeugungssystem verwendet Luft als Rohmaterial und setzt einen hocheffizienten, hochselektiven Feststoffadsorbens (Kohlenstoff-Molekularsieb) ein, um Stickstoff und Sauerstoff selektiv zu adsorbieren und so aus der Luft zu trennen. Die Trennung von Stickstoff und Sauerstoff durch Kohlenstoff-Molekularsiebe basiert hauptsächlich auf den unterschiedlichen Diffusionsraten dieser beiden Gasmoleküle innerhalb des Siebs. Gasmoleküle mit kleineren Durchmessern (Sauerstoff) diffundieren schneller und dringen tiefer in die feste Phase des Molekularsiebs ein. Infolgedessen reichert sich Stickstoff in der Gasphase an. Nach etwa 2 Minuten erreicht die Adsorption von Sauerstoff durch das Molekularsieb das Gleichgewicht. Unter Ausnutzung der Eigenschaft, dass die Adsorptionskapazität von Kohlenstoff-Molekularsieben mit dem Druck variiert, wird der Druck reduziert, um die Sauerstoffmoleküle vom Molekularsieb zu desorbieren; dieser Prozess wird als Regeneration bezeichnet. Die Druckwechseladsorption (PSA) verwendet typischerweise zwei parallel geschaltete Türme, die abwechselnd Druckadsorption und Druckreduktionsregeneration durchlaufen, um eine kontinuierliche Stickstoffversorgung zu gewährleisten.
1.3 Prozessübersicht
Ein vollständiges Stickstofferzeugungssystem umfasst: Luftkompressor(en) — Druckluftaufbereitungseinheit — Luftspeicherbehälter — PSA-Stickstoffgenerator — Stickstoffpufferbehälter — Stickstoffspeicherbehälter (Niederdruck) — Stickstoffdruckbeaufschlagungssystem — Stickstoffspeicherbehälter
(Hochdruck).
2 Ausrüstungsbeschreibung
2.1 Auswahl von Stickstoffgeneratoren
Die Auswahl eines Stickstoffgenerators erfordert zahlreiche Überlegungen. Zunächst muss eine gründliche vorläufige Marktforschung durchgeführt werden, um spezifische Modellspezifikationen (Stickstoffausstoß, Stickstoffreinheit, Ausgangsdruck, Taupunkt usw.) zu ermitteln. Eine umfassende vergleichende Analyse der Leistung und Merkmale des Stickstoffgenerators sollte durchgeführt werden, und die Auswahl sollte auf der lokalen Betriebsumgebung basieren.

3. Produktion und Betrieb von Stickstoffgeneratoren
Das elektrische Steuerungssystem verwaltet die Abfolge der Operationen gemäß einem bestimmten Programm und wechselt zwischen Druckadsorption und Druckentlastungsregeneration. Der Gaserzeugungsprozess läuft automatisch ab, wobei Stickstoffdurchflussrate, Druck und Reinheit einstellbar und kontinuierlich angezeigt werden.
3.1 Personalinspektionen und wichtige Schwerpunktbereiche
Bei Inspektionen sollten die Betreiber von Stickstoffgeneratoren auf folgende Aspekte achten: (1) Verifizieren Sie zunächst, dass die Stickstoffreinheit und der Taupunkt die Anforderungen erfüllen; bestätigen Sie dann, dass Adsorption und Regeneration normal ablaufen; (2) Prüfen Sie, ob die vom Gerät benötigte Stromversorgung, Gasversorgung, Wasserversorgung und Temperaturbedingungen normal sind; (3) Überwachen Sie den Druck des Luftspeicherbehälters und halten Sie ihn zwischen 0,7 und 0,75 MPa, wobei sichergestellt werden muss, dass er nicht unter den Nennwert fällt; (4) Inspizieren Sie das automatische Ablassventil bei jeder Überprüfung, um Verstopfungen oder Beschädigungen zu vermeiden, die seine Entwässerungsfunktion beeinträchtigen könnten; (5) Überprüfen Sie regelmäßig, ob die Lamellen des Wärmetauschers des Kältetrockners sauber sind, um zu verhindern, dass eine schlechte Wärmeableitung die Leistung und Lebensdauer des Trockners beeinträchtigt; (6) Die regelmäßige Wartung des Feinfilters umfasst hauptsächlich den Austausch der Filterpatrone je nach Nutzungszustand des Filters; beachten Sie den vom Filterhersteller empfohlenen Wartungsplan und die Verfahren für die Filterpflege; (7) Kalibrieren Sie den Sauerstoffanalysator einmal im Monat; wenn der Sauerstoffgehalt den Nennwert überschreitet, prüfen Sie, ob die Sauerstoffsonden das Ende ihrer Lebensdauer erreicht haben, und ersetzen Sie sie umgehend; der empfohlene Austauschzyklus beträgt ein Jahr; (8) Überprüfen Sie regelmäßig die Empfindlichkeit von Magnet- und Pneumatikventilen, den Druckbereich von Druckreglern, die Genauigkeit von Gasanalysatoren, die Dichtheit von Adsorptionstürmen, den Abgaszustand von Schalldämpfern und die Sauberkeit der Durchflussmesser-Innenrohre und beheben Sie alle Probleme umgehend, um einen normalen Gerätebetrieb zu gewährleisten.
4 Wartung und Instandhaltung von Stickstoffgeneratoren
4.1 Luftkompressor (Schraubentyp)
Der Luftkompressor (oder Kompressorsatz) liefert die Druckluft, die für das PSA-Stickstofferzeugungssystem (Pressure Swing Adsorption) benötigt wird. Seine Durchflussrate, sein Druck und andere Spezifikationen werden durch den Luftverbrauch des PSA-Stickstofferzeugungssystems bestimmt. Die Effizienz (Verbrauch) des PSA-Systems wird hauptsächlich durch die Leistung der Molekularsiebe, den Prozessfluss und die Struktur der Adsorber bestimmt. Der Luftkompressor muss folgende Spezifikationen erfüllen: (1) Luftlieferrate ≥ 16,5 m³/min; (2) Abdrückdruck zwischen 0,8 und 0,98 MPa; (3) Ölgehalt ≤ 3 ppm; (4) Temperatur ≤ 45°C.
Im tatsächlichen Betrieb umfassen routinemäßige Inspektionen des Luftkompressors: Betriebstemperatur (≤ 105°C), Betriebsdruck (0,8–1,0 MPa) und Wasserdruck (0,3–0,6 MPa). Monatliche Inspektionen umfassen die Überprüfung des Ölstands und die Suche nach Lecks an Rohrverbindungen. Vierteljährliche Wartungsarbeiten umfassen die Reinigung des Ansaugluftfiltersiebs und des Luftfilterelements sowie die Inspektion von Armaturen. Jährliche Wartungsarbeiten werden gemäß dem *Wartungshandbuch* für Ingersoll Rand (INGERSOLL RAND) Produkte von professionellen Ingenieuren von Ingersoll Rand durchgeführt. Während des täglichen Betriebs folgen Sie den Wartungsempfehlungen und der Prioritätenreihenfolge, die im Handbuch aufgeführt sind: (1) Führen Sie die Wartung basierend auf der Anzeige des Controllers durch; (2) Führen Sie die Wartung einmal im Jahr durch. Bei allgemeinen Fehlfunktionen sollte die für das Gerät zuständige Person das Problem mithilfe der im Fehlerbehebungsleitfaden des Handbuchs beschriebenen Reparaturmethoden beheben. Wenn das Problem nicht behoben werden kann, wenden Sie sich bitte an einen professionellen Ingersoll Rand-Ingenieur, um Unterstützung zu erhalten.
Der Hauptfaktor, der die Leistung des Luftkompressors im täglichen Betrieb beeinflusst, ist die Temperatur, und die Hauptfaktoren, die die Temperatur beeinflussen (bei konstantem Druck und konstanter Durchflussrate), sind: Jahreszeit, Wassertemperatur und Wasserqualität. Die Kühlwasserrohre des Geräts sind für Stadtwasser mit Einlass- und Auslassdurchmessern von 40 mm ausgelegt. Der Wasserverbrauch beträgt etwa 9 Tonnen pro Stunde und wird direkt abgeleitet. Wenn dieses Wasser nicht recycelt wird, kommt es zu erheblichen Verlusten; die Implementierung eines Systems zum Recycling des Kühlwassers zur Wiederverwendung erfordert jedoch eine erhebliche finanzielle Investition (die lokale Wasserhärte liegt zwischen 380 und 410 Milligramm pro Liter). Der Sommer ist die anspruchsvollste Jahreszeit für Luftkompressoren in Bezug auf die Geräteleistung und dient auch als Test dafür, ob die ursprüngliche Auswahl des Kühlertyps angemessen war. Bei PSA-Stickstofferzeugungssystemen (Pressure Swing Adsorption) machen Luftkompressoren den größten Teil der Kosten für Wartung und Instandhaltung der Geräte aus. Bei der Auswahl dieser Art von Stickstofferzeugungsmethode ist es unerlässlich, eine gründliche vorläufige Marktforschung und Planung durchzuführen, um zukünftige Wartungskosten zu berücksichtigen.
4.2 Kältetrockner
Kältetrockner (Modell/Spezifikationen: IDS-150AC; 20 Nm³/min) erfordern tägliche Inspektionen, einschließlich: Überprüfung, ob die Kondensatentleerung des Kältetrockners und die Abwasserentleerung des dreistufigen Filters frei sind; Überprüfung, ob der Kältemitteldruck (0,3–0,6 MPa) und der Druck der Druckluft (<1,0 MPa) innerhalb der normalen Bereiche liegen; Wartung und Instandhaltung umfassen das periodische Spülen des Wärmetauschers (insbesondere im Frühling und Sommer, wenn häufiges Spülen erforderlich ist, um eine beeinträchtigte Wärmeableitung zu verhindern), die Reinigung der Ablassöffnungen und den periodischen (im Allgemeinen alle 12 Monate) Austausch der drei Filter (Modell: Stufe 3 Filter XF3-44, Stufe 7 Filter XF7-44, Klasse 9 Filter XF9–44); Faktoren wie die Auswahl, Installationsmethode, Installationsort und Jahreszeit des Kältetrockners haben alle einen gewissen Einfluss auf seine Öl- und Feuchtigkeitsentfernungsfähigkeiten.
4.3 Aktivkohleadsorber
Die Aktivität der Aktivkohle und des Aluminiums im Adsorber steht in direktem Zusammenhang mit der Qualität der Kompressorluft und der Wirksamkeit der Öl- und Feuchtigkeitsentfernung durch den Kältetrockner. Im Allgemeinen sollte die Aktivkohle und das Aluminium basierend auf der Gerätenutzung alle 3 bis 5 Jahre ausgetauscht werden.
4.4 Sauerstoff-Stickstoff-Trenneinheit — Molekularsiebadsorptionsturm
Das Kohlenstoff-Molekularsieb ist die Kernkomponente eines PSA-Stickstoffgenerators (Pressure-Swing Adsorption). Seine Leistungskennzahlen umfassen: Härte, Stickstofferzeugungsrate (Nm³/T-h), Rückgewinnungsrate (N₂/Luft) % und Packungsdichte. Während des Betriebs müssen Vorkehrungen getroffen werden, um zu verhindern, dass Überhitzung die Adsorptionseffizienz beeinträchtigt, und um eine Pulverisierung des Molekularsiebs durch intensive Gasströmungsschläge zu vermeiden.
4.5 Gasdetektoren
(1) Stickstoffreinheitsanalysator (Standardstickstoff): Modell P860 4N, Changai; (2) Sauerstoffreinheitsanalysator (Hochreinheit): Modell GNL-9100, Changai; Gemäß der Bedienungsanleitung ist das Gerät jährlich zur Inspektion und Kalibrierung der Sensor-Sonden an den Hersteller zurückzugeben. Wenn während des Routinebetriebs Auffälligkeiten festgestellt werden, überprüfen Sie die Messwerte und untersuchen Sie die Ursache.
4.6 Gastanks
Als Speicherausrüstung für das Produkt führen Sie einmal im Monat eine Selbstinspektion und einmal im Jahr eine Selbsteinschätzung durch; beauftragen Sie das Technische Überwachungsamt mit zerstörungsfreien Prüfungen alle drei Jahre. Nach sechs Jahren, wenn die vorgesehene Lebensdauer erreicht ist, entscheiden Sie anhand der Inspektionsergebnisse, ob das Gerät weiterhin genutzt oder außer Betrieb genommen werden soll.
5 Fazit
Wartung und Instandhaltung sind unerlässlich, um den normalen Betrieb von PSA-Stickstoffgeneratoren zu gewährleisten. Als Hilfsbetriebsmittel schafft der stabile Betrieb von PSA-Stickstoffgeneratoren die notwendigen Bedingungen und Sicherheiten für die industriellen Abläufe der Organisation. Die rechtzeitige Wartung und Instandhaltung aller Komponenten der Ausrüstung kann Fehlfunktionen verhindern, die Lebensdauer der Ausrüstung verlängern, den Energieverbrauch senken und die Effizienz verbessern.

Übersetzt mit DeepL.com (kostenlose Version)