Principios básicos del funcionamiento del generador de oxígeno PSA

Introducción

En el mundo moderno, el suministro de oxígeno a las industrias es necesario y debe ser fiable y eficaz. La demanda de oxígeno puro en los centros sanitarios es cada vez mayor, así como en las plantas de tratamiento de aguas residuales. Por eso se emplean generadores de oxígeno PSA para tal fin. Estos nuevos dispositivos aplican tecnología punta para extraer oxígeno del aire natural, proporcionando así una forma económica y respetuosa con el medio ambiente de producir este gas.

¿Qué es un generador de oxígeno PSA?

Un generador de oxígeno PSA es un dispositivo avanzado que utiliza el principio de adsorción por cambio de presión para producir oxígeno de gran pureza a partir de aire ambiente. En este caso, el aire comprimido pasa a través de un lecho de tamiz molecular en el que las moléculas de nitrógeno se adsorben selectivamente y las moléculas de oxígeno pueden atravesarlo. Esto permite al sistema PSA separar el oxígeno de la mezcla de gases del aire exponiendo cíclicamente los tamices moleculares a presiones altas y bajas para mantener un flujo constante de gas rico en oxígeno.

Los generadores PSA para oxígeno reúnen simplicidad y eficacia. A diferencia de las formas más antiguas de producir líquidos criogénicos, que implican procesos de alto consumo energético como la licuefacción y la destilación, la tecnología PSA funciona en condiciones normales de temperatura y presión. Como tal, se consume menos energía y se hace innecesario el uso de equipos complejos y caros. La otra ventaja de estos generadores es su adaptabilidad en cuanto a caudal o incluso nivel de pureza para distintas aplicaciones.

Aplicaciones de los generadores de oxígeno PSA

Diversos sectores no pueden prescindir de los generadores de oxígeno PSA debido a su flexibilidad. Es en el campo médico donde actúan como fuente fiable de oxígeno de grado médico para hospitales, clínicas y situaciones de asistencia sanitaria a domicilio. Los sistemas garantizan un suministro constante e ininterrumpido de oxígeno, lo que resulta esencial para atender a pacientes y emergencias. Además, los generadores de oxígeno PSA se utilizan mucho en aplicaciones industriales. Desde el tratamiento de aguas y la acuicultura hasta la fabricación de vidrio y el moldeado de metales, todos requieren oxígeno puro. Por tanto, la tecnología PSA resuelve el problema del transporte de oxígeno líquido, costoso y logísticamente exigente, proporcionando un medio in situ para producirlo.

Además, la industria del gas natural depende en gran medida de los generadores de oxígeno PSA. Los tamices moleculares suelen emplearse para eliminar la humedad y las impurezas de la corriente de gas durante el proceso de deshidratación o secado del gas natural. Cuando se integran en estos procesos, los generadores de oxígeno PSA pueden permitir una purificación eficaz del gas al tiempo que generan oxígeno para otras aplicaciones posteriores. La generación de oxígeno y la purificación de gas mediante tamices moleculares ha cambiado gracias a esta unión entre ellos y la tecnología PSA, de modo que se ha puesto a nuestra disposición una solución rentable y sostenible para las industrias de todo el mundo.

Principio de funcionamiento del generador de oxígeno PSA

En el núcleo de un generador de oxígeno PSA se encuentra el proceso de adsorción por oscilación de presión. Esta avanzada tecnología aprovecha el poder de adsorción discriminatoria de los tamices moleculares de zeolita para aislar el gas oxígeno del aire. El proceso se caracteriza por dos etapas principales: adsorción y desorción. En el curso de la adsorción, el aire comprimido se introduce en un adsorbedor que contiene el tamiz molecular. De este modo, las moléculas de gas nitrógeno se absorben preferentemente en el sistema de poros de la zeolita en lugar de atravesarlos, de modo que, en la medida de lo posible, sólo sale oxígeno, mientras que el resto se queda en el tamiz sin absorber, lo que enriquece la corriente resultante.

En cuanto el tamiz molecular alcanza el punto de saturación, el sistema pasa al ciclo de desorción. En este sentido, cuando baja la presión en un recipiente de absorción, el gas nitrógeno absorbido se libera, por lo que se ventila al exterior. Esto lo reaviva, listo para otro ciclo de absorción. Repitiendo estos dos pasos sin interrupción, se puede producir continuamente oxígeno gaseoso de gran pureza en grandes cantidades, según las necesidades de los clientes en una planta de oxígeno psa. La eficiencia y eficacia del proceso PSA depende en gran medida de las características y el rendimiento del tamiz molecular empleado en él.

Componentes clave de un generador de oxígeno PSA

Para intentar comprender cómo funciona un generador de oxígeno PSA, es importante que examinemos algunos de sus componentes más significativos. Todas estas piezas funcionan conjuntamente para facilitar la producción y el suministro eficaces de oxígeno.

Compresores y filtros de aire

En primer lugar, el viaje hacia el oxígeno comienza con la compresión del aire circundante. Para que el nivel de adsorción sea mínimo, se utiliza un compresor de aire de primera clase para presurizar el aire. No obstante, antes de que el aire comprimido entre en los recipientes de adsorción, debe pasar por varios tipos de filtros. Estos filtros filtran las partículas de polvo, las gotas de aceite y la humedad, entre otras impurezas, garantizando así la conservación y pureza de los tamices moleculares. La eficacia y la vida útil de los tamices moleculares dependen del grado de limpieza del aire entrante, por lo que los procesos de filtración son vitales durante el proceso de PSA.

Tamices moleculares

Los tamices moleculares son el corazón de un generador de oxígeno PSA. Estas sustancias zeolíticas artificiales tienen una estructura interna especial que las hace capaces de adsorber selectivamente átomos de nitrógeno mientras dejan pasar los de oxígeno. El tamiz molecular más empleado en la generación de oxígeno es la zeolita 13X con un tamaño de poro aproximadamente igual a diez angstroms. La pureza y el rendimiento del oxígeno generado están directamente relacionados con la capacidad de adsorción y la selectividad del tamiz molecular.

Tanque de almacenamiento de oxígeno

El proceso PSA genera y purifica oxígeno que se deposita en un tanque de almacenamiento independiente. El tanque sirve como un amortiguador de oxígeno que mantiene el suministro estable y constante incluso durante los periodos de máxima demanda. A la hora de diseñar el tamaño de este tanque de almacenamiento, hay que tener en cuenta las aplicaciones específicas junto con los caudales de oxígeno requeridos. Por lo tanto, el dimensionamiento y mantenimiento adecuados del tanque de almacenamiento de O2 son absolutamente esenciales para el funcionamiento ininterrumpido de los generadores de oxígeno PSA. Por ello, se realizan inspecciones periódicas y comprobaciones de seguridad en el sistema de almacenamiento para garantizar que funciona correctamente sin ningún fallo.

Selección del tamiz molecular adecuado para generadores de oxígeno PSA

El rendimiento de un generador de oxígeno PSA depende en gran medida de la elección del tamiz molecular adecuado. Los distintos tamices moleculares tienen diferentes atributos de adsorción que afectan a la pureza del oxígeno, la tasa de recuperación y la eficacia general del sistema. Hay varios factores que deben tenerse en cuenta al seleccionar un tamiz molecular para la generación de oxígeno, como la selectividad de adsorción del nitrógeno, la capacidad de adsorción, el tamaño de los poros y la distribución.

La zeolita 13X está ampliamente reconocida como estándar industrial en los generadores de oxígeno PSA, debido a su especial estructura de poros y propiedades de adsorción. Mientras tanto, la investigación y el desarrollo se concentran en nuevas generaciones de tamices moleculares con características de rendimiento mejoradas. El objetivo de estos materiales avanzados es mejorar la pureza del oxígeno y, al mismo tiempo, aumentar la capacidad de absorción y reducir los índices de consumo de los sistemas PSA. El tamiz molecular adecuado es, por tanto, una parte esencial de la optimización del rendimiento y la eficacia de un generador de oxígeno PSA.

Jalon ha desarrollado la serie JLOX, que es un ejemplo de tamices moleculares avanzados para la producción de oxígeno PSA. Entre ellos se encuentra un tamiz molecular tipo X de alta eficiencia conocido como JLOX-500, diseñado específicamente para la producción industrial de oxígeno mediante la técnica de absorción por oscilación de presión o para los requisitos de los centros médicos en cuanto a sistemas de suministro de oxígeno; tiene una capacidad de adsorción de nitrógeno extremadamente alta junto con un excelente coeficiente de separación entre N2 y O2. Además, JLOX-501 está diseñado para concentradores portátiles de oxígeno médico con caudales que oscilan entre 1-5 L/min y alcanzan un nivel de pureza de oxígeno de hasta 93%±3%. Estos avances representan la posibilidad que existe dentro de la tecnología actual en cuanto a rendimientos mejorados además de la rentabilidad asociada al O2 generado por absorción por oscilación de presión (PSA).

El proceso PSA: Etapa de adsorción

A continuación, el recipiente de adsorción que contiene el tamiz molecular recibe aire comprimido y filtrado en el transcurso de la etapa de adsorción. Como fenómeno notable, se produce una interacción molecular entre el aire y el lecho de tamiz que conduce a la adsorción selectiva de nitrógeno (N2). Este tamiz molecular es típicamente zeolita 13X con un tamaño de poro específico y una química superficial que atrae fuertemente a las moléculas de nitrógeno debido a su tamaño de poro específico y a su química superficial. Las moléculas de nitrógeno son atraídas a la superficie de la zeolita donde quedan atrapadas dentro de sus poros cuando la mezcla de aire pasa a través de ella. A su vez, esta selectividad en la adsorción se debe a que el momento cuadrupolar del nitrógeno es mayor que el del oxígeno, lo que provoca interacciones más fuertes entre el nitrógeno y la estructura de la zeolita.

Cuando esto ocurre, queda una corriente de gas enriquecida con oxígeno tras la adsorción selectiva de las moléculas de nitrógeno por los tamices moleculares. Las moléculas de oxígeno, al ser ligeramente más pequeñas que las de nitrógeno, pasarán relativamente sin verse afectadas por su trayectoria dentro y a través del lecho o directamente hacia las regiones situadas aguas abajo. Este proceso continúa hasta que en algún momento todas ellas se llenan de N2, entonces decimos que dicho recipiente adsorbente está saturado de nitrógeno. En consecuencia, este proceso se considera vital en la primera etapa antes de fabricar cualquier oxígeno de alta pureza utilizando el sistema y los principios PSA, marcando así el ritmo para la producción de oxígeno de alta calidad. El funcionamiento global del sistema puede verse influido en gran medida por la eficiencia durante el proceso de absorción junto con la selectividad del tamiz molecular.

El proceso PSA: Etapa de desorción

El sistema PSA pasa a la fase de desorción una vez que el tamiz molecular del recipiente de adsorción se satura de nitrógeno. El proceso de desorción es importante para regenerar el tamiz molecular y prepararlo para los siguientes ciclos de adsorción. La presión en el recipiente de adsorción cae rápidamente durante la desorción. La repentina caída de presión altera el equilibrio entre las moléculas de nitrógeno adsorbidas y la superficie de la zeolita. En consecuencia, las moléculas de nitrógeno abandonan los poros del tamiz molecular y salen del sistema. Para ayudar a la desorción suele emplearse gas de purga, que normalmente genera oxígeno y se utiliza para barrer el nitrógeno liberado.

El proceso de desorción no sólo elimina el nitrógeno adsorbido, sino que también devuelve el tamiz molecular a su estado original para que pueda volver a utilizarse en otro ciclo. La duración y las condiciones de la etapa de desorción deben controlarse bien para la regeneración completa del material de tamiz. Si la desorción no es suficiente, se produce una degradación gradual del rendimiento a lo largo de varios ciclos siguientes que afecta a la pureza del oxígeno y a la eficiencia de la producción. Una vez superada esta fase, se producirá otro ciclo de adsorción en un tamiz molecular. El ciclo continuo entre absorción y desorción hace que el generador de oxígeno PSA mantenga un suministro constante de oxígeno de alta pureza sin fallos ni interrupciones en todo momento.

Control de la pureza y el caudal de oxígeno

La capacidad de controlar la pureza y el caudal del oxígeno producido es una de las ventajas más importantes de los generadores de oxígeno PSA. Esto permite ajustarlos para que cumplan los requisitos específicos de numerosas aplicaciones. Por otra parte, la pureza del oxígeno puede regularse modificando parámetros como la oscilación de presión, así como ajustando los tiempos de los ciclos de adsorción y desorción. Por lo general, una mayor pureza del oxígeno resulta de la adsorción durante periodos más largos o de la adsorción a altas presiones, mientras que un menor rendimiento global de oxígeno puede dar lugar a formas más puras de oxígeno. En un sistema PSA típico, es habitual un nivel de pureza del oxígeno entre 90% y 95%, dependiendo de las características específicas del diseño y de las condiciones de funcionamiento.

Para controlar el flujo de aire del O2 generado se utiliza el caudal que entra en los recipientes que contienen los adsorbedores y la frecuencia de los ciclos de absorción y desorción. El aumento del caudal de aire y la reducción de los tiempos de reciclado mejoran el rendimiento de la producción de O2. Sin embargo, la gestión debe garantizar que los caudales no superen las capacidades de adsorción de los tamices moleculares, garantizando así un rendimiento óptimo al tiempo que se evitan las fugas de nitrógeno antes de tiempo. El nitrógeno presenta una capacidad finita de absorción cuando se utilizan tamices moleculares como la zeolita13X en la fabricación de generadores de oxígeno PSA. Si el aire fluye demasiado deprisa o los ciclos giran con rapidez, el N2 puede no ser absorbido completamente antes de que el nitrógeno comience posteriormente a provocar fugas prematuras, lo que afecta a la calidad del O2 producido. En los generadores de oxígeno PSA avanzados, los ajustes de las operaciones en tiempo real se realizan mediante el uso de sofisticados sistemas de control y sensores, que permiten la monitorización continua de variables cruciales como el caudal y la pureza del oxígeno. Esta característica garantiza la uniformidad de la calidad y reduce el trabajo manual al disminuir los niveles de intervención humana mientras se controlan las propiedades de mezcla del gas.

Ventajas de los generadores de oxígeno PSA

Por lo tanto, los generadores de oxígeno PSA tienen muchas ventajas sobre los métodos normales de generación de oxígeno, como el oxígeno líquido criogénico o las botellas de oxígeno comprimido. En primer lugar, los generadores de oxígeno PSA ofrecen un enfoque económico para generar oxígeno in situ, eliminando así las entregas regulares del gas y los gastos de transporte y almacenamiento. En segundo lugar, si se cuidan bien, los sistemas PSA pueden funcionar ininterrumpidamente, lo que permite un suministro continuo de oxígeno sin interrupciones. Especialmente cuando es necesario mantener un caudal constante, como en las instituciones médicas y las industrias que lo utilizan.

Además, hay varias opciones de escalado disponibles mediante el uso de generadores de oxígeno PSA. El generador puede diseñarse para diferentes niveles de demanda, desde aplicaciones médicas a pequeña escala hasta procesos industriales a gran escala. Además, estos generadores son de naturaleza modular, lo que facilita su ampliación para adaptarse a futuras necesidades de mayores volúmenes de oxígeno. Además, el uso de la tecnología PSA es respetuoso con el medio ambiente, ya que emplea aire procedente de condiciones ambientales, eliminando así los procesos criogénicos de alto consumo energético o los transportes en botellas de oxígeno comprimido. Además, la generación directa mediante este método reduce los incidentes de manipulación y almacenamiento relacionados con las botellas de alta presión para O2 gaseoso, mejorando así la seguridad y la facilidad.

Mantenimiento de los generadores de oxígeno PSA

Es imprescindible realizar un mantenimiento periódico para garantizar un rendimiento y una vida útil óptimos del generador de oxígeno PSA. Un cuidado adecuado no sólo garantizará un suministro constante de oxígeno de gran pureza, sino que también evitará tiempos de inactividad y costosas reparaciones. La sustitución periódica de los filtros de aire es una de las tareas de mantenimiento más importantes. Con el tiempo, los filtros de aire pueden obstruirse con impurezas, lo que reduce la eficacia de los procesos de compresión y purificación del aire.

En el mantenimiento de los tamices moleculares, la supervisión es un aspecto adicional esencial. Según un estudio de la American Chemical Society, los tamices moleculares están diseñados para una vida útil prolongada en condiciones adecuadas de funcionamiento y mantenimiento. Por tanto, los tamices moleculares 13X utilizados en los generadores de oxígeno PSA pueden durar de 30.000 a 40.000 horas o de 3,4 a 4,5 años de funcionamiento continuo de media. Sin embargo, pueden dejar de adsorber eficientemente de forma gradual debido a daños por humedad, contaminantes o simplemente desgaste por trabajo mecánico. Las pruebas y evaluaciones periódicas del rendimiento del adsorbente permitirán identificar la degradación del rendimiento o la necesidad de sustituirlo.

Para optimizar el rendimiento y la vida útil de un generador de oxígeno PSA, es importante respetar los intervalos y procedimientos de mantenimiento recomendados en el manual del fabricante. Los tamices moleculares suelen tener una vida útil de entre tres y cinco años, mientras que los filtros de aire deben inspeccionarse periódicamente y cambiarse cada seis o doce meses, dependiendo de las condiciones de funcionamiento y de la calidad del aire de entrada. Las técnicas de regeneración periódica, como la regeneración térmica en línea o el lavado químico, pueden prolongar su vida útil. No obstante, si se produce una disminución significativa de la pureza del oxígeno o una caída de presión en los recipientes del adsorbedor, puede ser necesario sustituir el tamiz molecular. Para obtener una orientación correcta sobre los programas y procesos de mantenimiento, consulte los manuales de producto de los fabricantes de tamices moleculares, las especificaciones técnicas o a proveedores experimentados de equipos de oxígeno PSA.

La inspección y el mantenimiento rutinarios de compresores, válvulas y otros equipos mecánicos son igualmente críticos para el funcionamiento eficaz de un generador de oxígeno PSA. Es necesario un programa de mantenimiento integral con una formación adecuada del personal para aumentar la vida útil del generador PSA y garantizar su eficacia a lo largo del tiempo.

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Para facilitar la máxima eficacia, las empresas que utilizan generadores de oxígeno PSA deben asociarse con un proveedor de tamices moleculares de confianza. Está considerada como una de las mayores empresas en los casos de investigación, producción y asistencia técnica sobre tamices moleculares de tipo adsorción, todo lo cual se inició en 1998 (Jalon). Nuestra gama de productos avanzados como Zeolita 13X y otros tipos de tamices moleculares especiales tiene como objetivo mejorar el rendimiento de los sistemas PSA. Optar por Jalon significa que se le suministrarán nuevas ideas y tendrá la oportunidad de recibir ayuda rápida de nuestro personal, garantizando así una producción de oxígeno de alta pureza por parte de sus generadores de oxígeno de forma continuada. Conviértase en uno de los muchos usuarios que confían en esta empresa para sus necesidades de generación de oxígeno PSA y experimente la mejora de la calidad del producto, así como los conocimientos técnicos en tecnología.

Conclusión

La evolución de los generadores de oxígeno PSA ha cambiado por completo la forma de producir y distribuir oxígeno en diversas industrias. Estas máquinas emplean el proceso PSA, que utiliza tamices moleculares con propiedades de adsorción selectiva para proporcionar una solución económica, fiable y ecológica para la producción de oxígeno in situ. Dominar los principios de funcionamiento de los generadores de oxígeno PSA es vital para mejorar su productividad y garantizar un suministro constante de oxígeno de alta pureza.

La eficiencia y eficacia del proceso PSA dependen en gran medida de las fases de adsorción y desorción, así como de la elección adecuada del tamiz molecular. A medida que avance la tecnología se introducirán nuevas mejoras en el diseño, eficacia que se pone de manifiesto en un generador de PSA para O2. Las actividades de investigación y desarrollo en curso se centran en mejorar los materiales de los tamices moleculares, optimizar los parámetros del proceso e integrar técnicas de control inteligente. Por este motivo, adoptar la tecnología PSA comprendiendo sus principios de funcionamiento abre oportunidades a las industrias hacia un funcionamiento eficiente sostenible con un impacto medioambiental mínimo a la hora de producir el O2 de alta pureza que tanto se demanda hoy en día.