Die Geschichte des PSA-Sauerstoffgenerators

Die Druckwechseladsorption (PSA) ist kein neues Verfahren und wie bei den meisten guten Erfindungen erscheint das Prinzip im Nachhinein offensichtlich. Wie bei allen Adsorptionstrennverfahren ist die wesentliche Voraussetzung ein Adsorbent, das bevorzugt eine Komponente (oder eine Familie verwandter Komponenten) aus einer gemischten Zufuhr adsorbiert. Diese Selektivität kann von einem Unterschied im Adsorptionsgleichgewicht oder von einem Unterschied in den Absorptionsraten abhängen (kinetische Selektivität). In bestimmten Fällen kann der Unterschied in den Raten so groß sein, dass die langsamer diffundierende Spezies tatsächlich vollständig vom Adsorbent ausgeschlossen wird (größenselektives Sieben), und in dieser Situation kann offensichtlich eine sehr effiziente Trennung erreicht werden.

Alle Adsorptionstrennverfahren umfassen zwei Hauptschritte:

(1) Adsorption, bei der die bevorzugt adsorbierten Partikel aus dem Futter herausgepickt werden;
(2) Regeneration oder Desorption, bei der diese Spezies aus dem Adsorbent entfernt werden, wodurch das Adsorbent für den nächsten Zyklus „regeneriert“ wird. Nützliche Produkte aus den Adsorptions- oder Regenerationsschritten oder aus beiden Schritten. Das während des Adsorptionsschritts abfließende Produkt ist ein gereinigtes Raffinatprodukt, aus dem die bevorzugt adsorbierten Spezies entfernt wurden. Das während des Regenerationsschritts gewonnene Desorbat enthält die stärker adsorbierten Spezies in konzentrierter Form (relativ zum Einsatzmaterial) und wird manchmal als „Extrakt“-Produkt bezeichnet.

Das wesentliche Merkmal eines PSA-Prozesses besteht darin, dass während des Regenerationsschritts die bevorzugt adsorbierten Spezies durch Reduzierung des Gesamtdrucks entfernt werden, anstatt durch Erhöhung der Temperatur oder Spülen mit einem Verdrängungsmaterial.

Das Konzept eines PSA-Prozesses. (a) Gleichgewichtsbeladung durch Verfahren. (h) ID-Skizze, die die Zusammensetzung des Adsorptionsphasenbestrahlungsprofils für die stärker sorbierten Spezies in einem beispielhaften Zweibett-PSA-Prozess zeigt.

Mittel (obwohl ein Niederdruck-Spülschritt üblicherweise in den Zyklus einbezogen wird). Der Prozess läuft unter annähernd isothermen Bedingungen ab, so dass die Nutzkapazität die Differenz in der Beladung zwischen zwei Punkten ist, die den Zufuhr- und Regenerationsdrücken auf derselben Isotherme entsprechen [Abbildung 1.1 (a)]. Abbildung 1.1 (b) zeigt schematisch die Bewegung der Konzentrationsprofile während der Hochdruck-Zufuhr- und Niederdruck-Regenerationsschritte. Der Zufuhrschritt wird normalerweise beendet, bevor die stärker adsorbierte Komponente durch das Bett bricht, während der Regenerationsschritt im Allgemeinen beendet wird, bevor das Bett vollständig desorbiert ist. Im zyklischen stationären Zustand oszilliert das Profil daher um eine mittlere Position im Bett

 

PSA-Sauerstoffgasgenerator

Medizinischer Sauerstoffgenerator von PSA

PSA-Anlage für medizinischen Sauerstoff

Ein wesentlicher Vorteil der PSA im Vergleich zu anderen Adsorptionsverfahren, wie z. B. der Temperaturwechselbehandlung, besteht darin, dass der Druck viel schneller geändert werden kann als die Temperatur. Dadurch kann ein PSA-Verfahren in einem viel schnelleren Zyklus durchgeführt werden, wodurch der Durchsatz pro Einheit des Adsorptionsbettvolumens erhöht wird. Die größte Einschränkung besteht darin, dass PSA-Verfahren auf Komponenten beschränkt sind, die nicht zu stark adsorbiert werden. Wenn die bevorzugt adsorbierte Spezies zu stark adsorbiert wird, ist während des Regenerationsschritts ein unwirtschaftlich hohes Vakuum erforderlich, um die Desorption zu bewirken. Daher ist für sehr stark adsorbierte Komponenten die Temperaturwechselbehandlung im Allgemeinen die bevorzugte Option, da eine moderate Temperaturänderung im Allgemeinen eine relativ große Änderung der Gas-Feststoff-Adsorptionskonstante bewirkt.

PSA-Prozesse sind nicht komplexer als die meisten konventionelleren Trennverfahren, unterscheiden sich jedoch in einem wesentlichen Merkmal: Der PTO-Prozess läuft unter Übergangsbedingungen ab, während die meisten Prozesse wie Absorption, Extraktion und Destillation unter stationären Bedingungen ablaufen.

Als Ergebnis sind sowohl der konzeptionelle Rahmen als auch die Entwurfsverfahren sehr unterschiedlich. Dieser Unterschied lässt sich am besten mathematisch erklären. Ein stationärer Prozess kann mathematisch durch eine gewöhnliche Differentialgleichung (oder einen Satz gewöhnlicher Differentialgleichungen) beschrieben werden, und um die Beziehung zwischen den Betriebsvariablen und der Prozessleistung zu erhalten, ist nur die Integration dieses Gleichungssatzes erforderlich. Im Gegensatz dazu wird ein transienter Prozess durch einen Satz partieller Differentialgleichungen beschrieben, und dies erfordert ein komplexeres Lösungsverfahren. Daher ist die Beziehung zwischen der Prozessleistung und den Betriebsvariablen im Allgemeinen weniger offensichtlich. Verfahren oder der Entwurf und die Berechnung von PSA-Einheiten sind größtenteils in der frei zugänglichen Literatur verfügbar. Sie wurden jedoch noch nicht allgemein als Teil des normalen Lehrplans für Chemieingenieurwesen akzeptiert, und daher bleibt ein gewisser Hauch von Mysterium bestehen.

Trotz ihrer frühen Einführung erlangten PSA-Verfahren erst in den 1980er Jahren breite kommerzielle Akzeptanz. Dies wird in Abbildung 1.2 veranschaulicht, die eine Grafik der jährlichen Anzahl von Veröffentlichungen und US-Patenten im Zusammenhang mit PSA-Verfahren im Jahresvergleich zeigt. Die Gründe für die ungewöhnlich lange Verzögerung zwischen der Erfindung und der Kommerzialisierung solcher Verfahren sind nicht ganz klar, aber es scheint wahrscheinlich, dass der Widerstand der etablierten Interessen in der kryogenen Gasindustrie und die mangelnde Vertrautheit der praktizierenden Ingenieure mit den zugrunde liegenden Prinzipien wichtige Faktoren waren. In den 1970er Jahren wurde das Interesse an alternativen Trennverfahren durch die eskalierenden Energiekosten in Verbindung mit dem steigenden Rohölpreis angeregt. Obwohl die Energiekosten in den 1980er Jahren sanken, hielt der Impuls an, alternative Verfahren zu untersuchen und die Technologie an die Produktspezifikationen anzupassen.