VPSA vs. PSA: Unterschiedliche Gastrennungstechnologie bei der Sauerstofferzeugung

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So sehr die Luft in der Atmosphäre um uns herum natürlich vorkommt, so sehr ist der Prozess der Abtrennung der einzelnen Gase die vorhanden sind, ist nicht so einfach, wenn es sich um die normale Luft handelt. Gleichzeitig sind diese einzelnen Gase für eine Reihe von Anwendungen, die unser tägliches Leben beeinflussen, sehr wichtig. Aus diesem Grund Spitzentechnologien wie VPSA und PSA wurden entwickelt, um wichtige Gase wie Sauerstoff aus Verbindungen in ihrer reinsten Form zu extrahieren.

Wir werden uns ansehen, was VPSA und PSA sind, wie sie jeweils funktionieren, welche Vor- und Nachteile sie haben und für wie viele Anwendungen sie in der modernen Welt eingesetzt werden. Wenn Sie schon immer wissen wollten, wie diese beiden Systeme funktionieren, dann sind Sie hier genau richtig.

VPSA

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VPSA ist ein Akronym für Vakuum-DruckwechseladsorptionEs handelt sich um eine Technologie, die in Generatoren zur Sauerstofferzeugung auf industrieller Ebene eingesetzt wird. Die VPSA-Technologie nutzt eine Lithium-basierte Molekularsieb und eine Reihe spezieller Trockenmittel, um Verunreinigungen wie Kohlendioxid, Stickstoff und Wasser zu absorbieren, die in jedem Luftgemisch vorhanden sind, damit sich der Sauerstoff in dem, was zurückbleibt, anreichern kann. Es handelt sich um eine sehr effiziente Methode zur Gewinnung von reinem Sauerstoff, wobei der Reinheitsgrad bis zu 95% erreicht wird. Dies ist der Reinheitsgrad, der für medizinischen Sauerstoff und andere wichtige Anwendungen erforderlich ist.

Prinzip der Arbeitsweise

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Der grundlegende Aufbau der VPSA-Sauerstoffproduktion ist nicht allzu kompliziert. Sie besteht aus mehreren Strukturen und Geräten, die zusammenarbeiten, um sicherzustellen, dass der am Ende produzierte Sauerstoff von höchster Qualität ist. Zu den verschiedenen Strukturen, die an diesem Prozess beteiligt sind, gehören die folgenden.

Gebläse

Es gibt ein Luftgebläse, das mit einer Vakuumpumpe verbunden ist, die die Anlage mit Reine Luft, durch das gesamte System zu leiten. Der Druck, mit dem die Luft in das System eingespeist wird, muss so kalibriert werden, dass er den Anforderungen des gesamten Systems entspricht, damit dies erfolgreich ist. Die Hauptfunktion der Vakuumpumpe besteht darin, sicherzustellen, dass das gesamte System analysiert wird, und gleichzeitig hält sie die gesamte Anlage in einem Vakuumzustand, der die richtigen Bedingungen für VPSA-Maschinen schafft, um andere Gase zu absorbieren und gleichzeitig reinen Sauerstoff zu produzieren.

Eine Kühlbox

Bei VPSA-Verfahren sind hohe Temperaturen und Drücke im Spiel. Dies kann sich auf die Qualität des Endprodukts auswirken, und es muss ein Mechanismus vorhanden sein, mit dem die Temperatur und der Druck reguliert werden können. Dies geschieht in Form eines Kühlers. Die vom Gebläse angesaugte Luft wird durch den Kühler geleitet, wo Temperatur und Druck erheblich gesenkt werden, um die Adsorption unerwünschter Gase und anderer Verbindungen zu verbessern.

Adsorptionssystem

Dies ist der Hauptteil des gesamten Systems. Er besteht in der Regel aus zwei Türmen und einer Rohrleitung voller Ventile, die ausreichend mit Zeolith-Molekularsieben und aktivierte Tonerde die als die wichtigsten Adsorptionsmittel fungieren. Hier werden die Dinge mit der Ankunft von Druckluft in Gang gesetzt, die mit niedrigen Temperaturen und hohem Druck in den ersten Turm gelangt. Diese Luft strömt über die Adsorptionsmittel in der Rohrleitung, wo Wasserdampf, Stickstoff, Kohlendioxid und alle anderen Stoffe adsorbiert werden.

Was zurückbleibt, ist hauptsächlich Sauerstoff, der in einem Adsorptionsbett am oberen Ende des Adsorptionsturms gesammelt und als Gas ausgegeben wird. Während all dies im ersten Turm geschieht, gibt es einen zweiten Turm, in dem die Regeneration der Molekularsiebe stattfindet. Jedes Mal, wenn die Siebe kurz davor sind, ihre Adsorptionssättigung und -grenze zu erreichen, wird ein Luftstrom mit niedriger Temperatur und hohem Druck in den zweiten Turm eingeleitet, damit eine weitere Adsorption stattfindet und Sauerstoff produziert wird.

Auf diese Weise können diese beiden Türme reinen Sauerstoff produzieren; sie verbinden sich nahtlos miteinander, indem sie unerwünschte Gase aus dem einen Turm entfernen und im nächsten Turm reinen und sauberen Sauerstoff sammeln.

Sauerstoff-Puffertank

Dies ist der Tank, der als Speicher für den endgültigen Sauerstoff dient, der während des gesamten Prozesses gewonnen wurde. Er muss gut gesichert sein, um eine Vermischung mit normaler Luft zu verhindern, durch die Stickstoff und Kohlendioxid wieder in den Tank gelangen könnten. Die Größe des Tanks hängt von der Größe des Betriebs ab. Sie sind viel größer, wenn die gesamte CPSA-Anlage viel größer ist und umgekehrt. 

Kontrollsystem

Dabei handelt es sich um eine Steuerzentrale, die ein Programm ausführt, das speziell für die Steuerung aller Aspekte dieser gesamten Anlage erstellt wurde. Dabei handelt es sich in der Regel um ein vorgefertigtes Ventilsteuerungsprogramm, das in der SPS-Steuerung installiert ist und hauptsächlich das Schließen und Öffnen jedes einzelnen pneumatischen Ventils in der gesamten Rohrleitung regelt. Dies ist notwendig, damit sowohl die Adsorption als auch die Regeneration der Siebe effizient und ohne Unterbrechungen ablaufen können. Dies wäre bei einem manuellen System nicht möglich, da dies die Gefahr menschlicher Fehler erhöht, was sich auf die Produktionszeiten auswirken und die Gefahr einer Kontamination erhöhen könnte.

Vorteile von VPSA

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Es gibt viele Vorteile, die mit dem Einsatz von VPSA gegenüber anderen Verfahren oder Technologien verbunden sind. Diese Vorteile sind einer der Gründe, warum VPSA von vielen Herstellern bevorzugt wird, die sich mit Luftreinigung. Zu den wichtigsten Vorteilen dieses Systems gehören die folgenden.

• Es verwendet ein ölfreies Gebläse, was die Gefahr einer Ölverschleppung verringert. Dies ist ein sehr häufiger und ärgerlicher Fehler, der ölgeschmierte Gebläse betrifft, die schließlich den verarbeiteten Sauerstoff verunreinigen.
• Sie arbeitet mit niedrigeren Drücken, was das Potenzial für Wasserrückhalt und Kondensation deutlich minimiert. Dadurch wird sichergestellt, dass das zu reinigende Produkt nur sehr wenig Feuchtigkeit enthält.
• Es werden weniger Ventile und Verteiler benötigt, was den Transfer von Gasen und Flüssigkeiten von einem Tank zum anderen erheblich beschleunigt und sowohl Zeit als auch Energie spart - etwas, das die meisten anderen Optionen nicht bieten können.
• Das System ist im Vergleich zu anderen Systemen nicht so anfällig für Feuchtigkeit. Dies macht es zu einer idealen Option, wenn Sie die höchste Reinheit eines Gases oder einer Flüssigkeit verarbeiten möchten.
• Sie produziert eine der reinsten Formen von Sauerstoff, ohne viel davon zu verschwenden. Die aktivierte Molekularsiebe Die in den VPSA-Systemen verwendeten Filter sind hocheffizient, und die Tatsache, dass das System auch für ihre Regeneration sorgt, sobald sie ihre Sättigungsgrenze erreicht haben, stellt sicher, dass die Reinigung der Luft ohne Unterbrechung fortgesetzt wird.
• Der niedrige Betriebsdruck trägt auch dazu bei, die Staubbildung auf dem Sieb zu minimieren. Dies ist eine Situation, in der das Sieb den Stickstoff aus der Luft loswird. Dieser niedrige Druck senkt die Betriebskosten erheblich, und das ist etwas, wovon jeder, der in großem Maßstab arbeitet, stark profitieren wird.
• VPSA-Systeme halten aufgrund der niedrigen Energiekosten und der Kombination einer Reihe von Teilen, die effizient zusammenarbeiten, viel länger. Dadurch wird die Belastung der einzelnen Komponenten reduziert und das gesamte System kann flexibel betrieben werden, was die Lebensdauer im Vergleich zu anderen verfügbaren Systemen etwas erhöht.
• Der Hersteller benötigt für die schnelle Inbetriebnahme nur 5 Minuten, um die gewünschte Qualität der Sauerstoffreinheit zu erreichen. Sie können je nach Sauerstoffbedarf zu einem bestimmten Zeitpunkt ein- und ausgeschaltet werden.

Anwendungen von VPSA-Systemen

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So zuverlässig bei der Produktion hochwertiger Sauerstoff und anderen Komponenten wurden VPSA-Systeme von einer Reihe von großen Industrieunternehmen übernommen und werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, darunter

• In der chemischen Industrie für Oxidationsreaktionen und den Betrieb von Verbrennungsanlagen, die in der Regel besser funktionieren, wenn sie mit reinem Sauerstoff gespeist werden, der heißer brennt als alles andere.
• In der metallurgischen Industrie, die auf hohe Temperaturen angewiesen ist, um Öfen zu betreiben, die heiß genug sind, um Metalle mit sehr hohem Schmelzpunkt einzuschmelzen.
• Zur Delignifizierung und Oxybleiche von Papier in Zellstoff- und Papierfabriken, die an der Herstellung aller Papierprodukte beteiligt sind, die unter anderem zur Herstellung von Büchern verwendet werden.
• In der Wasser- und Abfallwirtschaft müssen giftige Gase wie Schwefelwasserstoff entfernt werden, die für die Umwelt giftig sein können, wenn sie sich in großen Mengen in offenen Räumen ansammeln.
• Für den Betrieb von Sauerstoffbrennern und die Erzeugung von Ozongasen, die in verschiedenen Produktionssektoren rund um den Globus eingesetzt werden.
• In der Bergbauindustrie für Verfahren wie die Reinigung von Gold oder die Gewinnung von Uran zur Anreicherung und für andere Zwecke. 
• In Glas- und Stahlwerken ist der Einsatz von Wärme sehr wichtig, wenn es darum geht, die Rohstoffe in formbare Formen zu verwandeln, die sich in anderen Fertigungsstufen leicht verarbeiten lassen.

PSA

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PSA ist ein Akronym für Pressure Swing Absorption und ist ein neues Gaserzeugungstechnik das als Alternative zum beliebten VPSA entwickelt wurde. Es nutzt auch Adsorptionsmittel, die als Sieb fungieren, um Gasmoleküle auf der Grundlage ihrer Größe herauszufiltern. 

Das Verfahren nutzt natürliche Luft als Rohstoff und verlässt sich auf eine hohe Effizienz und Selektivität bei der Adsorption der benötigten Gase, um sie vom Sauerstoff zu trennen. Die Zeolith-Molekularsiebe, die in diesem Verfahren verwendet werden, unterscheiden sich nicht wesentlich von denen in VPSA. In diesem Fall adsorbieren die Molekularsiebe die Gasmoleküle jedoch entsprechend der Größe der vorhandenen Poren. 

Im Grunde werden alle Moleküle, die klein genug sind, um durch die Poren zu passen, angezogen, während die größten abgestoßen werden. Das bedeutet, dass die Abtrennung von Gasen durch diesen Prozess sehr effizient ist, und es ist eine der Möglichkeiten, wie man am Ende energiereichen Sauerstoff erhält.

Genau wie bei VPSA stößt die Adsorptionskapazität des Saatguts an ihre Grenzen, und es wird eine Regeneration eingeleitet, um den Prozess so lange aufrechtzuerhalten, bis die richtige Menge an reinem Sauerstoff gewonnen wurde. Dies geschieht durch die Verringerung des Drucks, der wiederum die Stickstoffadsorptionsrate erhöht, so dass reiner Sauerstoff zurückbleibt, der leicht gesammelt werden kann.

Prinzip der Arbeitsweise

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Es gibt eine Reihe von Teilen und Komponenten, die in der PSA-Anlage verwendet werden und die zusammen dafür sorgen, dass die Erzeugung von Sauerstoff ohne Pannen oder Verunreinigungen abläuft. Im Folgenden sind die wichtigsten Teile aufgeführt, aus denen das PSA-System besteht.

Ein Luftkompressor

Dieser versorgt das gesamte System mit Rohluft, und die Leistung wird durch die benötigte Menge des zu verarbeitenden Sauerstoffs gesteuert. Sie müssen einen Luftkompressor auswählen, der die Kapazität für das gesamte System hat. Eine größere Anlage erfordert einen größeren Luftkompressor und umgekehrt. Es muss ein Gleichgewicht herrschen.

Kältetrockner

Sobald der Kompressor die Luft unter Druck gesetzt hat, drückt er die gesamte Luft in den Kältetrocknerwo die hohen Temperaturen und Drücke auf ein erträgliches Maß reduziert werden. In dieser Kammer wird die Luft gekühlt, getrocknet und von sämtlichen Verunreinigungen befreit, die sich darin befinden können. All dies führt zu einer deutlichen Senkung der Temperatur und gleichzeitig zu einer Erhöhung des Drucks, so dass die nächste Stufe eingeleitet werden kann.

Entfettungsgerät

Dabei handelt es sich um ein Gerät, das Öl und Fett beseitigt, das sich im Laufe der Zeit um die Bauteile und die Rohrleitung ansammelt. Dieser Ölnebel sammelt sich in der Regel an, wenn die Temperaturen auf ein bestimmtes Niveau sinken, und er kann eine Quelle der Verunreinigung sein, wenn nicht rechtzeitig etwas unternommen wird. Der Ölnebel wirkt sich auch negativ auf die Zeolith-Molekularsiebe aus, da er deren Lebensdauer beeinträchtigt und sie viel schneller als normal an ihre Sättigungsgrenze bringt.

Adsorptionssystem

Auch hier gibt es zwei Türme und eine Rohrleitung mit einem Netz von Ventilen, die mit Zeolithsieben als Adsorptionsmittel verklebt sind. Wenn die Druckluft in den ersten Turm eingeleitet wird, wird sie über eine Schicht von Adsorptionsmitteln geleitet, in der Stickstoff, Wasser und Kohlendioxid absorbiert werden, wobei Sauerstoff zurückbleibt.

Im zweiten Turm werden die Zeolith-Molekularsiebe jedes Mal, wenn sie an ihre Grenzen stoßen, einer ständigen Regeneration unterzogen. Wie bei einem VPSA-System greifen beide nahtlos ineinander, um einen möglichst hohen Reinheitsgrad des Sauerstoffs zu gewährleisten.

Ein Puffertank

Dies ist ein spezieller Tank, der den Sauerstoff auffängt, der im gesamten System erzeugt wird. Er wird auch zur Stabilisierung verwendet, da die Erzeugung und Trennung der Gase im Hintergrund weiterläuft, bis alles erledigt ist.

Ein Kontrollsystem

Dabei handelt es sich um ein System, das vorprogrammierte Anweisungen verwendet, die den natürlichen Betrieb des Computers steuern. Druckwechsel-Absorption System von einem Punkt aus. Das Einzige, was der Ingenieur tun muss, ist, das Programm hinzuzufügen und alles in das gesamte System zu integrieren, und der Rest erledigt sich von selbst. Es ist eine sehr praktische Methode, um die Effizienz zu gewährleisten, um die schlechteste Form von Sauerstoff zu erhalten, die frei von jeglicher Verunreinigung ist.

Vorteile von PSA

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Der Einsatz der PSA-Technologie zur Erzeugung und Trennung von Gasen bietet eine Reihe von Vorteilen. Da sie eine Alternative zu VPSA ist, haben sich viele Hersteller und Unternehmen für dieses System entschieden, und im Folgenden sind einige der Vorteile aufgeführt, die es mit sich bringt.

• Der Einsatz von Automatisierung macht den Prozess viel sicherer und effizienter. Dies wäre nicht der Fall, wenn man direkt von Hand arbeiten würde. Wenn man die hohen Temperaturen und Drücke und die Tatsache bedenkt, dass reiner Sauerstoff sehr leicht entflammbar ist, ist es keine gute Idee, wenn menschliche Mitarbeiter die Bodenfläche ausfüllen.
• Es ist ein sehr zuverlässiges Verfahren, das mit einer erhöhten Ausfallsicherheit einhergeht. Das bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, dass etwas schief geht, sehr gering ist, und wenn es doch passiert, ist es viel einfacher, die Folgen zu bewältigen.
• Es ist leicht zu starten und zu stoppen. Dies ermöglicht eine gute Kontrolle und Genauigkeit, so dass bei Bedarf die richtige Menge an Sauerstoff produziert werden kann. Das spart Kosten und verringert die Gefahr der Verschwendung von Rohstoffen wie Molekularsieben.
• Es handelt sich um ein System, das dank seiner langen Betriebsdauer sehr lange genutzt werden kann. Dies macht es zu einer sehr kosteneffizienten Methode, wenn Sie eine groß angelegte Gastrennung und -erzeugung planen.
• PSA-Systeme haben niedrige Betriebskosten. Dies ist darauf zurückzuführen, dass jedes Teil für seine Funktionen optimiert ist. Dadurch werden Verzögerungen, Zeitverluste und die Verschwendung von Ressourcen reduziert. All diese drei Faktoren führen zu einer Senkung der Gesamtkosten des Betriebs.
• Es sind keine speziellen Werkstattanforderungen erforderlich, und die Einrichtung des Systems ist recht einfach. Es gibt immer Raum für spätere Erweiterungen, falls Sie jemals daran denken, Ihren Betrieb aufzustocken.

Anwendungen von PSA-Systemen

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Es gibt eine Reihe von Anwendungen, für die PSA-Systeme in der Fertigungs- und Handelsindustrie eingesetzt werden. Wahrscheinlich haben Sie schon bestimmte Produkte verwendet, die mit PSA-Verfahren hergestellt wurden. Im Folgenden finden Sie einige der derzeit wichtigsten Anwendungen.

• Metall- und Gasschweißen: Reiner Sauerstoff ist leicht entzündlich und brennt bei sehr hohen Temperaturen. Diese Art von Hitze ist ideal für das Gas- und Metallschweißen. Der meiste Sauerstoff, der durch das PSA-Verfahren gewonnen wird, wird für präzise Schweißarbeiten in den meisten Schwerindustriezweigen wie der Automobilindustrie und vielen anderen verwendet.
• Metallurgie: Dabei handelt es sich um ein Verfahren zur Herstellung von Strukturen aus Metallen jeder Art und Form. Damit Metall geformt werden kann, muss es einer starken Hitze ausgesetzt werden, die es zum Schmelzen bringt. Das kann mit Hilfe von Elektrizität geschehen, aber das verbraucht viel Strom, was zusätzliche Kosten verursacht. Um dies zu umgehen, verwenden viele Hersteller, die mit Metallen arbeiten, reinen Sauerstoff, um die Metalle auf hohe Temperaturen zu erhitzen, was die Verarbeitung erleichtert.
• Petrochemische Industrie: Die meisten chemischen und petrochemischen Unternehmen sind für ihre Oxidationsprozesse auf reine Formen von Sauerstoff angewiesen, z. B. bei der Gewinnung von Salpetersäure, Propylenoxid, Ethylenoxid und Vinylchlorid, Trocknung von Ethanolund eine Vielzahl anderer chemischer Verbindungen, die in der ganzen Welt weit verbreitet sind.
• Fischzucht: Es ist überraschend, aber der in PSA-Anlagen erzeugte Sauerstoff wird auch in der Fischzucht auf vielfältige Weise genutzt. Eine beliebte Methode ist die Verwendung von Sauerstoff zur Verkürzung der Inkubationszeit der Fischeier, indem das Wasser mit reichlich Sauerstoff versorgt wird, der den Wachstumsprozess sowohl der Eier als auch der erwachsenen Fische beschleunigt. Dadurch wird die Produktion gesteigert.
• Glasindustrie: Glasherstellung ist ein weiteres Verfahren, bei dem viel Wärme benötigt wird, um die Rohstoffe von Sand in Lass zu verwandeln. Die Verwendung von Elektrizität führt zu höheren Stromrechnungen, aber die Verwendung von Sauerstoff im Ofen beschleunigt den Schmelzprozess, ist weniger kostspielig und bietet mehr Kontrollmöglichkeiten.
• Aufbereitung von Biogas: Einer der größten Nachteile bei der Nutzung von Biogasenergie ist die Tatsache, dass neben dem dringend benötigten Methangas eine sehr hohe Produktion von Schwefelwasserstoff entsteht. Dieser ist nicht nur für Menschen giftig, sondern kann auch schwere Schäden verursachen, wenn er Flammen ausgesetzt wird. PSA-Systeme werden eingesetzt, um Schwefelwasserstoff und andere giftige Gase zu beseitigen, die in Biogasanlagen nicht benötigt werden.

Endgültiges Urteil

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Wie sind diese beiden Systeme im Vergleich zueinander? Wie trifft man eine Entscheidung zwischen den beiden? Die kurze Antwort auf die zweite Frage lautet: Es kommt auf die persönlichen Vorlieben an. Sowohl die PSA und VPSA sind in der Lage, die gleichen Aufgaben mit nur geringen Unterschieden zu erledigen. Sie müssen sich einfach für das entscheiden, was Ihren Bedürfnissen besser entspricht.

Im Folgenden finden Sie eine kurze Vergleichstabelle, die zeigt, wie die beiden Verfahren im Vergleich zueinander stehen. Die Informationen können Ihnen helfen, eine bessere Entscheidung zu treffen, wenn es darum geht, entweder PSA oder VPSA zu wählen.

PROZESS	PSA	VPSA
Kraftwerk	Luftkompressor	Gebläse und Vakuumpumpe
Luftreinigung	Lufttrockner und Filter	Kein Bedarf
Adsorptionsmittel	Molekularsieb & Tonerde	Molekularsieb & Tonerde
Türme und Puffertank	Druckgefäß	Normaler Druck
Wasserverbrauch	Nicht erforderlich	Erforderlich
Elektrizitätsverbrauch	Mehr	Weniger
Instrument	Selbstständige Anlage	Benötigt
Landbesetzung	Klein	Größer
Investitionskosten	Weniger	Mehr
Operation	Vollständig automatisiert	Vollständig automatisiert
Sauerstoffdruck	0.2 – 0.4	0.02 – 0.03

Wie Sie aus dem obigen Schaubild ersehen können, liegen die Unterschiede nicht in der Funktionalität, sondern eher in den Kosten und dem Umfang des Betriebs. Behalten Sie all diese Faktoren im Hinterkopf, wenn es darum geht, die richtige Entscheidung zu treffen.

Schlussfolgerung

VPSA und PSA sind beides hocheffiziente und zuverlässige Verfahren, die in jeder Umgebung funktionieren können. Es kommt nur darauf an, welche Art von Einrichtung Sie verwenden möchten und welche Branchen Sie bedienen wollen. Wenn Sie mehr über Gastrennung und -erzeugung, die benötigten Maschinen und die Einrichtung von Grund auf erfahren möchten, dann Besuchen Sie unsere Website und lassen Sie sich alle Ihre Fragen von einem Expertenteam beantworten.