Composição, Princípio de Funcionamento e Processo de Controle do Sistema Gerador de Nitrogênio PSA

1. Composição do Sistema

O sistema gerador de nitrogênio PSA é composto principalmente por um compressor de ar, sistema de purificação de ar, tanque de armazenamento de ar, válvulas de comutação, torres de adsorção e tanque de buffer de nitrogênio.

O ar bruto é comprimido pelo compressor de ar e, em seguida, passa pelo sistema de purificação para remoção de poeira, óleo e tratamento de secagem. Após a purificação, o ar comprimido entra no tanque de armazenamento de ar e, em seguida, flui para a torre de adsorção esquerda através da válvula de entrada esquerda.

Neste momento, a pressão dentro da torre de adsorção aumenta. As moléculas de nitrogênio no ar comprimido passam pelo peneira molecular de carbono (CMS), enquanto as moléculas de oxigênio são preferencialmente adsorvidas pela peneira molecular. O gás nitrogênio não adsorvido passa pelo leito de adsorção e entra no tanque de buffer de nitrogênio através da válvula de saída. Este processo é chamado de adsorção, e geralmente dura dezenas de segundos.

Após a conclusão do processo de adsorção, as torres de adsorção esquerda e direita são conectadas através da válvula de equalização, permitindo que a pressão entre as duas torres atinja o equilíbrio. Este processo é chamado de equalização de pressão, que geralmente dura cerca de 3 a 5 segundos.

Após a equalização de pressão, o ar comprimido entra na torre de adsorção direita através da válvula de entrada direita e repete o processo de adsorção acima.

Ao mesmo tempo, as moléculas de oxigênio adsorvidas pela peneira molecular de carbono na torre de adsorção esquerda são liberadas na atmosfera através da válvula de exaustão esquerda durante a redução de pressão. Este processo é chamado de dessorção. Através da dessorção, a peneira molecular saturada é regenerada e preparada para o próximo ciclo de adsorção.

Da mesma forma, quando a torre direita está realizando adsorção, a torre esquerda realiza regeneração. Após a torre direita completar a adsorção, o sistema entra em outro processo de equalização de pressão e, em seguida, volta para a adsorção da torre esquerda.

Através deste processo alternado de adsorção e regeneração, o gerador de nitrogênio PSA produz continuamente gás nitrogênio.

Todo o processo é controlado automaticamente por um sistema de controle PLC e válvulas de comutação automática.

2. Princípio de Funcionamento do Gerador de Nitrogênio PSA

O gerador de nitrogênio PSA funciona com base no princípio de Adsorção por Variação de Pressão (PSA).

Ele usa peneira molecular de carbono (CMS) de alta qualidade como adsorvente para separar o nitrogênio do ar comprimido sob uma certa pressão.

Após purificação e secagem, o ar comprimido entra nas torres de adsorção, onde passa por adsorção pressurizada e dessorção por redução de pressão.

Devido às diferentes taxas de difusão das moléculas de oxigênio e nitrogênio nos microporos da peneira molecular de carbono, as moléculas de oxigênio se difundem muito mais rápido do que as moléculas de nitrogênio. Portanto, o oxigênio é preferencialmente adsorvido pela peneira molecular de carbono, enquanto as moléculas de nitrogênio permanecem na fase gasosa e se enriquecem, formando gás nitrogênio de alta pureza.

Após o processo de adsorção, a pressão da torre de adsorção é reduzida à pressão atmosférica. O oxigênio adsorvido e outras impurezas são liberados da peneira molecular, completando o processo de regeneração.

Normalmente, o sistema é equipado com duas torres de adsorção, Torre A e Torre B.

• Uma torre realiza a produção de nitrogênio através de adsorção.
• A outra torre realiza dessorção e regeneração.

Através do controle automático de válvulas pneumáticas, as duas torres de adsorção operam alternadamente, garantindo a produção contínua de gás nitrogênio de alta qualidade.

3. Processo de Controle do Gerador de Nitrogênio PSA

O fluxo do processo do sistema gerador de nitrogênio PSA inclui principalmente um compressor de ar, equipamento de purificação de ar, torres de adsorção, sistema de controle PLC, válvulas automáticas e tanque de armazenamento de nitrogênio.

O compressor de ar fornece fluxo de ar suficiente e mantém uma pressão de entrada estável, geralmente em torno de 0,75 a 0,8 MPa.

Após passar pelo secador de refrigeração e sistema de purificação, umidade, óleo e partículas sólidas são removidos do ar comprimido.

Para garantir a saída contínua e estável de nitrogênio, o sistema utiliza duas torres de adsorção (Torre A e Torre B) trabalhando alternadamente.

O ar comprimido purificado entra na Torre A através de válvulas pneumáticas controladas eletricamente Y1 e Y2 da parte inferior da torre de adsorção.

À medida que o ar passa pelo leito de peneira molecular de carbono, as moléculas de oxigênio no ar são adsorvidas pelos microporos do CMS, enquanto as moléculas de nitrogênio se concentram na fase gasosa.

O gás produto nitrogênio flui para fora do topo da torre de adsorção e entra no tanque de armazenamento de nitrogênio através das válvulas Y6 e Y8.

Este processo é o processo de produção de nitrogênio da Torre A.

Ao mesmo tempo, as moléculas de oxigênio adsorvidas na Torre B são liberadas através da válvula Y5, reduzindo a pressão da Torre B à pressão atmosférica. Este processo é chamado de regeneração por dessorção.

Quando a capacidade de adsorção da peneira molecular de carbono na Torre A atinge a saturação, a Torre A para a adsorção.

Neste momento:

• As válvulas Y1, Y4, Y5 e Y8 são fechadas.
• As válvulas Y2, Y3, Y6 e Y7 são abertas.

As duas torres realizam equalização de pressão.

Após a equalização de pressão, o sistema muda para:

• Adsorção da Torre B
• Regeneração da Torre A

O ar comprimido entra na parte inferior da Torre B através das válvulas Y1 e Y3.

A peneira molecular de carbono dentro da Torre B adsorve moléculas de oxigênio, enquanto o gás nitrogênio flui através das válvulas Y7 e Y8 para o tanque de armazenamento de nitrogênio.

Isso completa o processo de produção de nitrogênio da Torre B.

Ao alternar continuamente entre adsorção e regeneração da Torre A e da Torre B, o sistema fornece continuamente gás nitrogênio.

4. Processo de Controle Automático PLC

A sequência de abertura e fechamento das válvulas Y1 a Y8, os tempos de comutação e os ciclos de operação são totalmente controlados pelo sistema PLC.

Em operação normal, o processo de ciclo automático é o seguinte:

1. Pressione o botão de início.
2. O secador de refrigeração é iniciado.
3. Após um tempo de atraso predefinido, o compressor de ar é iniciado.
4. Após outro tempo de atraso, o sistema entra na adsorção da Torre A.
5. Após o período de adsorção, a equalização de pressão entre a Torre A e a Torre B começa.
6. O sistema muda para a adsorção da Torre B.
7. A Torre B completa a adsorção e a equalização de pressão é realizada.
8. O sistema volta para a adsorção da Torre A.

Este ciclo se repete automaticamente para produzir nitrogênio continuamente.

Quando o botão de parada é pressionado, todo o sistema para de operar.

5. Status de Controle da Válvula

Durante diferentes estágios de trabalho do gerador de nitrogênio PSA, o status de operação das válvulas Y1 a Y8 é controlado de acordo com os seguintes processos:

Adsorção da Torre A

As válvulas correspondentes abrem para permitir que o ar comprimido entre na Torre A e o gás produto nitrogênio flua para o tanque de armazenamento de nitrogênio.

Equalização de Pressão A → B

A pressão entre a Torre A e a Torre B é equilibrada através das válvulas de equalização.

Adsorção da Torre B

A Torre B produz nitrogênio enquanto a Torre A realiza regeneração.

Equalização de Pressão B → A

A pressão entre as duas torres é equilibrada antes de voltar para a adsorção da Torre A.

Nota:

• "+" indica que a válvula está aberta.
• Durante a equalização de pressão, as válvulas relacionadas abrem após um tempo de atraso predefinido.
• Os tempos de atraso podem ser ajustados na faixa de 0 a 999 segundos de acordo com os requisitos operacionais.

6. Requisitos de Controle

O sistema de controle do gerador de nitrogênio PSA oferece dois modos de operação:

Modo de Operação Manual

No modo manual, os operadores podem:

• Verificar o status de operação das válvulas Y1 a Y8.
• Iniciar e parar independentemente o compressor de ar e o secador de refrigeração.
• Exibir o status de abertura das válvulas durante:
  • Adsorção da Torre A
  • Equalização de Pressão A=B
  • Adsorção da Torre B
  • Equalização de Pressão B=A
• Exibir todas as condições de operação através de luzes indicadoras.

Modo de Operação Automática

No modo automático, o sistema opera de acordo com a sequência de processo PSA predefinida.

O diagrama de fluxo de processo simulado exibe o status de operação atual em tempo real.

Todos os tempos de atraso durante a operação automática podem ser ajustados de acordo com os requisitos de produção, e o sistema pode exibir e consultar as configurações de atraso atuais em tempo real.

A tecnologia de gerador de nitrogênio PSA utiliza controle automático PLC, ciclos de regeneração de adsorção de torre dupla e tecnologia de separação por peneira molecular de carbono para alcançar a produção contínua de nitrogênio de alta pureza com desempenho estável e operação confiável.