Basınç salınımlı adsorpsiyon - Pressure swing adsorption

PSA sürecinin şematik çizimi ("aria" = hava girişi). Sol ve sağ çizimler arasındaki dikey düzlemdeki simetriye dikkat edin.
PSA kullanan nitrojen jeneratörü

Basınç salınımlı adsorpsiyon ( PSA ), bazı gaz türlerini, türün moleküler özelliklerine ve bir adsorban malzemeye olan afinitesine göre basınç altında bir gaz karışımından (tipik olarak hava) ayırmak için kullanılan bir tekniktir . Çevre sıcaklığında çalışır ve gazları ayırmak için yaygın olarak kullanılan kriyojenik damıtmadan önemli ölçüde farklıdır . Seçici adsorban malzemeler (örneğin, zeolitler , (diğer adıyla moleküler elekler ), aktif karbon vb.) tutucu malzeme olarak kullanılır ve tercihen hedef gaz türlerini yüksek basınçta adsorbe eder. İşlem daha sonra adsorbe edilen gazı desorbe etmek için düşük basınca geçer.

İşlem

Basınç salınımlı adsorpsiyonun animasyonu, (1) ve (2) alternatif adsorpsiyon ve desorpsiyonun gösterilmesi.
ben basınçlı hava girişi A adsorpsiyon
Ö oksijen çıkışı NS desorpsiyon
E egzoz

Basınç salınımlı adsorpsiyon işlemi (PSA), yüksek basınç altında gazların katı yüzeyler üzerinde tutulma, yani "adsorbe olma" eğilimine dayanır . Basınç ne kadar yüksek olursa, o kadar fazla gaz adsorbe edilir. Basınç düştüğünde gaz serbest bırakılır veya desorbe edilir. PSA, bir karışımdaki gazları ayırmak için kullanılabilir, çünkü farklı gazlar belirli bir katı yüzeye az ya da çok güçlü bir şekilde adsorbe edilir. Hava gibi bir gaz karışımı , nitrojeni oksijenden daha güçlü çeken bir adsorban zeolit yatağı içeren bir kaptan basınç altında geçirilirse , nitrojenin bir kısmı yatakta kalacak ve kaptan çıkan gaz oksijence oksijenden daha zengin olacaktır. karışım giriyor. Yatak, nitrojeni adsorbe etme kapasitesinin sınırına ulaştığında, basınç düşürülerek yeniden üretilebilir ve böylece adsorbe edilen nitrojeni serbest bırakır. Daha sonra oksijenle zenginleştirilmiş hava üretmenin başka bir döngüsü için hazırdır.

Bu, amfizem ve COVID-19 hastaları tarafından kullanılan tıbbi oksijen konsantratörlerinde ve solunum için oksijenle zenginleştirilmiş hava gerektiren diğerlerinde kullanılan işlemdir .

İki adsorban kabının kullanılması, hedef gazın neredeyse sürekli üretimine izin verir. Aynı zamanda, basıncı boşaltılmakta olan kaptan çıkan gazın ikinci kaba kısmen basınç vermek için kullanıldığı bir basınç dengelemesine de izin verir. Bu, önemli ölçüde enerji tasarrufu sağlar ve yaygın bir endüstriyel uygulamadır.

Adsorbanlar

Farklı gazlar arasında ayrım yapma yeteneklerinin yanı sıra, PSA sistemleri için adsorbanlar, genellikle geniş spesifik yüzey alanları nedeniyle seçilen çok gözenekli malzemelerdir . Tipik adsorbanlar zeolit , aktif karbon , silika jel , alümina veya sentetik reçinelerdir . Bu yüzeylerde adsorbe edilen gaz, yalnızca bir veya en fazla birkaç molekül kalınlığında bir katmandan oluşabilmesine rağmen, gram başına birkaç yüz metrekarelik yüzey alanları, adsorbanın ağırlığının büyük bir bölümünün gaz içinde adsorpsiyonunu sağlar. Farklı gazlar için afinitelerine ek olarak, zeolitler ve bazı aktif karbon türleri, moleküllerin boyutuna ve şekline bağlı olarak bazı gaz moleküllerini yapılarından çıkarmak için moleküler elek özelliklerini kullanabilir, böylece daha büyük moleküllerin olma kabiliyetini kısıtlayabilir. adsorbe edildi.

Uygulamalar

Çöp gazı kullanım sürecinde kullanılan gaz ayırıcı membran kızağı

Tıbbi oksijen sağlamak için kullanımının veya herhangi bir hastane için birincil oksijen kaynağı olan toplu kriyojenik veya sıkıştırılmış silindir depolamanın yerine kullanılmasının yanı sıra, PSA'nın çok sayıda başka kullanımı vardır. PSA'nın birincil uygulamalarından biri , petrol rafinerilerinde ve amonyak (NH 3 ) üretiminde kullanım için hidrojenin (H 2 ) büyük ölçekli ticari sentezinde son adım olarak karbondioksitin (CO 2 ) uzaklaştırılmasıdır. . Rafineriler genellikle hidrojen sülfürün (H 2 S) hidrojen beslemesinden ve hidro-işlem ve hidrokraking ünitelerinin geri dönüşüm akışlarından uzaklaştırılmasında PSA teknolojisini kullanır . PSA nın diğer bir uygulaması, karbon dioksitin ayrılması olan biyogaz geliştirmek için metan (CH 4 ) oranı. PSA aracılığıyla biyogaz, doğal gaza benzer bir kaliteye yükseltilebilir . Bu, çöp gazının doğal gaz olarak satılacak kamu hizmeti dereceli yüksek saflıkta metan gazına yükseltilmesi için çöp gazı kullanımındaki bir süreci içerir .

PSA ayrıca şu alanlarda da kullanılır: -

  • Düşük oksijen içeriğine sahip hava üretmek için hipoksik hava yangın önleme sistemleri .
  • Propan dehidrojenasyonu yoluyla amaca yönelik propilen bitkileri . Hidrojen üzerinde metan ve etanın tercih edilen adsorpsiyonu için seçici bir ortamdan oluşurlar .
  • PSA prosesine dayalı endüstriyel nitrojen jeneratör üniteleri, basınçlı havadan yüksek saflıkta nitrojen gazı (%99,99995'e kadar) üretebilir. Bununla birlikte, bu tür jeneratörler, ara saflık ve akış aralıkları sağlamak için daha uygundur. Bu tür birimlerin kapasiteler Nm verilmiştir 3 / h , normal metreküp saatte bir Nm 3 , sıcaklık, basınç, ve nem birkaç standart koşullar herhangi biri altında, saatte 1000 litre eşdeğer / sa.
    • Azotun: 100 Nm 3 % 99.9 saflıkta / saat, 9000 Nm 3 / saat% 97 saflık ile;
    • 1500 Nm: oksijen 3 / h,% 88 ve% 93 arasında bir saflığa sahip.

Çerçevesinde karbon yakalama ve depolama (CCS), araştırma halen devam yakalama CO da 2 büyük miktarlarda kömür yakıtlı enerji tesisleri önce karbon dioksit gömülüm azaltmak için, sera gazı Bu bitkilerden üretimi.

PSA ayrıca , ağırlıktan tasarruf etmek ve giysinin çalışma süresini uzatmak için uzay giysisi birincil yaşam destek sistemlerinde kullanılan yenilenemez emici madde teknolojisine gelecekteki bir alternatif olarak tartışılmıştır .

PSA teknolojisinin varyasyonları

Çift Aşamalı PSA

(DS-PSA, bazen Çift Adımlı PSA olarak da anılır).
Laboratuvar nitrojen jeneratörlerinde kullanılmak üzere geliştirilen bu PSA varyantı ile nitrojen gazı iki aşamada üretilir: ilk aşamada, sıkıştırılmış hava, yaklaşık %98 saflıkta nitrojen üretmek için bir karbon moleküler elekten geçmeye zorlanır; ikinci adımda bu nitrojen ikinci bir karbon moleküler elekten geçmeye zorlanır ve nitrojen gazı %99,999'a kadar nihai saflığa ulaşır. İkinci aşamadan gelen tahliye gazı geri dönüştürülür ve birinci aşamada kısmen besleme gazı olarak kullanılır.

Ayrıca, bir sonraki döngüde daha iyi performans için tahliye süreci aktif tahliye ile desteklenir. Bu değişikliklerin her ikisinin de amacı, geleneksel bir PSA sürecine göre verimliliği artırmaktır.

Oksijen konsantrasyonunu arttırmak için DS-PSA da uygulanabilir. Bu durumda, alüminyum silika bazlı bir zeolit , ilk aşamada nitrojeni adsorbe ederek çıkışta %95 oksijene ulaşır ve ikinci aşamada karbon bazlı moleküler elek, kalan nitrojeni ters bir döngüde adsorbe ederek oksijeni %99'a kadar konsantre eder.

Hızlı PSA

Hızlı basınç salınımlı adsorpsiyon veya RPSA, taşınabilir oksijen yoğunlaştırıcılarda sıklıkla kullanılır . Yüksek saflığın gerekli olmadığı ve besleme gazının (hava) atılabildiği durumlarda adsorban yatağın boyutunda büyük bir azalmaya izin verir. Kolonun zıt uçlarını aynı oranda dönüşümlü olarak havalandırırken, basıncı hızlı bir şekilde değiştirerek çalışır. Bu, adsorbe edilmemiş gazların kolon boyunca çok daha hızlı ilerlediği ve distal uçta havalandırıldığı, adsorbe edilen gazların ilerleme şansını elde etmediği ve proksimal uçta havalandırıldığı anlamına gelir .

Vakum salınımlı adsorpsiyon

Vakum salınımlı adsorpsiyon (VSA), belirli gazları ortam basıncına yakın bir gaz karışımından ayırır; işlem daha sonra adsorban malzemeyi yeniden oluşturmak için bir vakuma döner. VSA, diğer PSA tekniklerinden farklıdır çünkü ortama yakın sıcaklık ve basınçlarda çalışır. VSA tipik olarak gazı bir vakumla ayırma işlemi boyunca çeker. Oksijen ve nitrojen VSA sistemleri için, vakum tipik olarak bir üfleyici tarafından üretilir. Hibrit Vakum Basıncı salınımlı adsorpsiyon (VPSA) sistemleri de mevcuttur. VPSA sistemleri, ayırma işlemine basınçlı gaz uygular ve ayrıca tahliye gazına bir vakum uygular. VPSA sistemleri, portatif oksijen konsantratörlerinden biri gibi, geri kazanım (ürün gazı çıkışı/ürün gazı girişi) ve üretkenlik (ürün gazı çıkışı/elek malzemesinin kütlesi) gibi geleneksel endüstri endekslerinde ölçülen en verimli sistemler arasındadır. Genel olarak, daha yüksek geri kazanım, daha küçük bir kompresör, üfleyici veya diğer sıkıştırılmış gaz veya vakum kaynağına ve daha düşük güç tüketimine yol açar. Daha yüksek verimlilik, daha küçük elek yataklarına yol açar. Tüketici büyük olasılıkla, sistem ağırlığı ve boyutuna bölünen ürün gazı miktarı, sistem başlangıç ​​ve bakım maliyetleri, sistem güç tüketimi veya diğer işletim maliyetleri gibi genel sistemde daha doğrudan ölçülebilir bir farklılığa sahip olan endeksleri dikkate alacaktır ve güvenilirlik.

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ "SWANA 2012 Mükemmellik Ödülü Uygulaması "Depolama Gazı Kontrolü" Seneca Landfill, Inc" (PDF) : 8 . 13 Ekim 2016 tarihinde alındı . Alıntı günlüğü gerektirir |journal=( yardım )
  2. ^ Propan Dehidrojenasyonu ile Propilen Üretimi, Teknoloji Ekonomisi Programı . Intratec. 2012. ISBN 9780615661025.
  3. ^ Air Products and Chemicals, Inc (2009). "Systèmes de prodüksiyon de gaz PRISM®" (PDF) (Fransızca).
  4. ^ Http://www.co2crc.com.au Arşivlenen de 19 Ağustos 2006, Wayback Machine
  5. ^ Grande, Carlos A.; Cavenati, Simone, ed. (2005), "Karbondioksit Ayırma için Basınç Salınımlı Adsorpsiyon", 2. Mercosur Kimya Mühendisliği Kongresi
  6. ^ Alptekin, Gökhan (2005-01-08). " PLSS için Gelişmiş Hızlı Döngü CO 2 ve H 2 O Kontrol Sistemi" . NASA'ya . 2007-02-24 alındı .
  7. ^ Chai, GB; Kothare, MV; Sircar, S. (2011). "Bir Tıbbi Oksijen Yoğunlaştırıcının Yatak Boyutu Faktörünün Azaltılması için Hızlı Basınç Salınımlı Adsorpsiyon". Endüstri ve Mühendislik Kimyası Araştırması . 50 (14): 8703. doi : 10.1021/ie2005093 .
  8. ^ Ruthven, Douglas M.; Shamsuzzman Farooq, Kent S. Knaebel (1993). Basınç Salınımlı Adsorpsiyon . Wiley-VCH. ISBN'si 9780471188186.

daha fazla okuma

  • Hutson, Nick D.; Rege, Salil Ü.; ve Yang, Ralph T. (2001). “Üstün Emici Kullanarak Basınç Salınımlı Emme ile Hava Ayrımı,” Ulusal Enerji Teknolojisi Laboratuvarı, Enerji Bakanlığı, Mart 2001.
  • Adsorpsiyon Araştırması, Inc., “Soğurma Katı Çözümdür” [1]
  • Ruthven, Douglas M. (2004). Soğurma ve Soğurma İşleminin Prensipleri, Wiley-InterScience, Hoboken, NJ, s. 1
  • Yang, Ralph T. (1997). “Soğurma Prosesleriyle Gaz Ayrımı”, Kimya Mühendisliği Serisi, Cilt. Ben, World Scientific Publishing Co., Singapur.
  • Ruthven, Douglas M.; Shamsuzzman Farooq, Kent S. Knaebel (1993). Basınç Salınımlı Adsorpsiyon . Wiley-VCH. ISBN'si 9780471188186.
  • Santos, Joao C.; Magalhães, Fernão D.; ve Mendes, Adélio, Processos de Separação, Universidado do Porto, Porto, Portekiz'de “Oksijen Üretimi için Basınç Salınım Emilimi ve Zeolitler”