Test der Sauerstoffproduktionstechnologie für Druckwechseladsorption im kleinen Maßstab

 Technologie zur Herstellung von Sauerstoff durch Druckwechseladsorption im kleinen Maßstab
 

Die Sauerstoffproduktionstechnologie PSA (Small Pressure Swing Adsorption) nutzt Luft als Rohmaterial, um Sauerstoff durch physikalische Adsorption zu erzeugen, wobei Elektrizität die einzige Energiequelle ist. Innerhalb weniger Minuten nach dem Einschalten kann das Gerät kontinuierlich medizinischen Sauerstoff mit einem Sauerstoffgehalt von mehr als 90 % produzieren und damit den medizinischen Versorgungsstandards entsprechen. Diese Technologie bietet Vorteile wie einfache Bedienung, Zuverlässigkeit, langfristige Sauerstoffversorgung und Kosteneffizienz.

Kleine PSA-Sauerstoffkonzentratoren werden häufig in Krankenhäusern, Privathäusern, Hotels, Sauerstoffbars und anderen öffentlichen Orten eingesetzt und unterliegen strengen Anforderungen an Größe, Gewicht, Lärm und Energieverbrauch. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, müssen die Konzentratoren kompakt, leicht, tragbar, leise und energieeffizient sein. Um die Leistung des kleinen PSA-Sauerstoffgenerators weiter zu verbessern, untersucht diese Studie Faktoren, die die Sauerstoffproduktion beeinflussen, einschließlich der Auswahl des Molekularsiebs, der Schaltzeit, der Optimierung der Druckausgleichsschritte und der Kapazität des Sauerstoffspeichertanks. Ziel ist es, durch diese Optimierungen die Effizienz der Sauerstoffproduktion zu verbessern, den Energieverbrauch zu senken und die Lebensdauer der Geräte zu verlängern.

 

 

 

Prozessablauf

Die Sauerstoffproduktion durch Druckwechseladsorption (PSA) beruht auf den unterschiedlichen Adsorptionskapazitäten von Zeolith-Molekularsieben für Sauerstoff und Stickstoff unter unterschiedlichen Drücken. Bei hohem Druck wird Stickstoff adsorbiert, wodurch Sauerstoff angereichert wird, während bei niedrigem Druck Stickstoff desorbiert wird, wodurch sauerstoffreiches Gas entsteht. Zur kontinuierlichen Sauerstoffproduktion werden mehrere Adsorptionsbetten nacheinander geschaltet. Zu den gängigen PSA-Verfahren gehören die Hochdruckadsorption mit atmosphärischer Desorption (PSA), die Druckadsorption mit Vakuumdesorption (VPSA) und die atmosphärische Adsorption mit Vakuumdesorption (VSA).

Das PSA-Verfahren wird aufgrund seiner Einfachheit und geringen Investition häufig in der Sauerstoffproduktion im kleinen Maßstab eingesetzt, sein hoher Energieverbrauch hat jedoch das Interesse am energieeffizienteren VPSA-Verfahren geweckt. In den letzten Jahren hat die VPSA-Technologie in kleinen Anwendungen an Bedeutung gewonnen, wobei die Produkte bereits im Ausland eingeführt wurden.

Um die Gasrückgewinnung und die Sauerstoffreinheit zu verbessern und den Energieverbrauch zu senken, wurde der Druckausgleichsschritt (PE) eingeführt. Dieser Schritt verbindet zwei Adsorptionstürme, sodass Gas vom Hochdruckturm in den Niederdruckturm strömen und deren Drücke ausgleichen kann. Diese Rückgewinnung mechanischer Energie und die Optimierung der Gaskonzentrationsverteilung verbessern die Energieeffizienz und Rückgewinnungsraten.

Studien zeigen, dass der PSA-Prozess mit PE die Schaltdrücke, den Kompressorleistungsverlust und den Bettleistungsverlust deutlich reduziert und gleichzeitig die Energieeffizienz und Gasrückgewinnung verbessert. Während PE in großen Systemen weit verbreitet ist, ist der Einsatz in kleinen Geräten aufgrund technischer und kostenbedingter Einschränkungen seltener. Bei der PSA-Sauerstoffproduktion im kleinen Maßstab kann PE am Einlass, Auslass oder an beiden Enden des Adsorptionsturms implementiert werden, wodurch Leistung, Effizienz und Energieeinsparungen verbessert werden.

 

 

Testprozess

1-filter; 2-Kompressor; 3-kühler; 4-Manometer; 5-Fünfwege-Magnetventil mit zwei Positionen; 6-Schalldämpfer; 7-Adsorptionsturm; 8-Druckausgleichsmagnetventil; 9-Drosselventil; 10-Dreiwegeventil; 11-Rückschlagventil; 12-Gasspeichertank; 13-Druckbegrenzungsventil;
14-Durchflussmesser; 15-Bedienfeld

Das Versuchsgerät verwendet ein Bedienfeld zur Steuerung des Fünfwege-Magnetventils mit zwei Positionen und des Druckausgleichs-Magnetventils und ermöglicht so drei Prozesskonfigurationen: kein Druckausgleich, Druckausgleich am Lufteinlass und Druckausgleich an beiden Enden der Adsorption Turm. Das System passt die Druckausgleichszeit und die Lufteinlassverbindungszeit an, um zwischen diesen Prozessen umzuschalten.

Die Luft wird gereinigt, komprimiert und gekühlt, bevor sie zur Trennung in den Adsorptionsturm mit Zeolith-Molekularsieb gelangt. Der abgetrennte Sauerstoff fließt in einen Gasspeichertank, während der verbleibende Stickstoff abgelassen wird. Der Sauerstofffluss wird durch einen Durchflussmesser gesteuert und die Schaltzeit wird über das Bedienfeld eingestellt. Der Sauerstoffgehalt wird mit der Kupfer-Ammoniak-Lösungsmethode und dem intelligenten Sauerstoffmessgerät YHL gemessen.

Dieses Experiment konzentriert sich auf den Einfluss von Faktoren wie Molekularsiebtyp, Schaltzeit, Druckausgleichsschritten, Adsorptionsturmverhältnis und Lagertankvolumen auf die Sauerstoffproduktion. Einige Parameter sind dimensionslos, um ihre Auswirkungen auf die Leistung klarer analysieren zu können.

Abschluss
 

Verschiedene Arten von Molekularsieben haben erhebliche Auswirkungen auf die Effizienz der Sauerstoffproduktion, wobei LiX-Molekularsieb die beste Leistung erbringt. Durch den Einsatz von LiX kann die Größe des Adsorptionsturms erheblich reduziert, das Sauerstoff-Luft-Verhältnis gesenkt und die Gesamtleistung der Maschine verbessert werden.

Die Schaltzeit ist ein Schlüsselparameter bei der Sauerstoffproduktion durch Druckwechseladsorption (PSA). Die optimale Schaltzeit für ein bestimmtes System muss durch Experimente ermittelt werden.

Durch die Einführung eines Druckausgleichsschritts (PE) können der Sauerstoffgehalt und die Rückgewinnungsrate effektiv erhöht werden, was zu Energieeinsparungen führt. Durch die Hinzufügung einer einzelnen PE-Stufe werden sowohl die Sauerstoffkonzentration als auch die Rückgewinnungsrate deutlich verbessert. Daher wird für PSA-Sauerstoffproduktionssysteme im kleinen Maßstab üblicherweise ein einfacher einstufiger PE-Prozess verwendet.

Die Vergrößerung des Höhen-zu-Durchmesser-Verhältnisses des Adsorptionsturms trägt dazu bei, die Sauerstoffproduktionsleistung in kleinen PSA-Systemen zu verbessern. Zu hohe Verhältnisse können jedoch die Nutzung von Molekularsieben verringern und erhebliche Wandeffekte verursachen, die sich negativ auf die Effizienz der Sauerstoffproduktion auswirken.

Die Erhöhung der Kapazität des Gasspeichertanks trägt dazu bei, den Sauerstoffgehalt zu verbessern und Schwankungen in der Sauerstoffversorgung zu reduzieren.