Prinzip der PSA-Stickstofferzeugung
Kohlenstoffmolekularsiebe sind in der Lage, gleichzeitig Sauerstoff und Stickstoff aus der Luft zu adsorbieren; Darüber hinaus nimmt ihre Adsorptionskapazität mit steigendem Druck zu. Bei jedem gegebenen Druck gibt es jedoch keinen signifikanten Unterschied zwischen den Gleichgewichtsadsorptionskapazitäten von Sauerstoff und Stickstoff. Folglich ist es schwierig, eine wirksame Trennung von Sauerstoff und Stickstoff allein auf der Grundlage von Druckschwankungen zu erreichen. Durch die Berücksichtigung der Adsorptionskinetik -insbesondere der Adsorptionsrate- können die Adsorptionseigenschaften von Sauerstoff und Stickstoff jedoch effektiv differenziert werden. Sauerstoffmoleküle haben einen kleineren Durchmesser als Stickstoffmoleküle; Folglich ist ihre Diffusionsgeschwindigkeit mehrere Hundert Mal schneller als die von Stickstoff. Dadurch adsorbieren Kohlenstoffmolekularsiebe Sauerstoff sehr schnell und erreichen innerhalb von etwa einer Minute über 90 % ihrer Adsorptionskapazität. Zu diesem Zeitpunkt beträgt die Adsorptionsaufnahme für Stickstoff nur etwa 5 %. Daher besteht die während dieses kurzen Zeitraums adsorbierte Substanz überwiegend aus Sauerstoff, während das verbleibende Gas -der nicht adsorbierte Teil- überwiegend aus Stickstoff besteht. Durch die Begrenzung der Adsorptionsdauer auf weniger als eine Minute kann somit eine vorläufige Trennung von Sauerstoff und Stickstoff erreicht werden. Im Wesentlichen werden die Prozesse der Adsorption und Desorption durch Druckunterschiede angetrieben -Adsorption erfolgt, wenn der Druck steigt, und Desorption erfolgt, wenn der Druck sinkt. Die tatsächliche Unterscheidung zwischen Sauerstoff und Stickstoff beruht jedoch auf der Ungleichheit ihrer Adsorptionsraten und wird durch die genaue Steuerung der Adsorptionsdauer erreicht; Wenn diese Dauer sehr kurz gehalten wird, wird der Sauerstoff vollständig adsorbiert, während der Adsorptionsprozess gestoppt wird, bevor der Stickstoff ausreichend Zeit zur Adsorption hatte.
Prinzip der kryogenen Luftzerlegung zur Stickstofferzeugung
Systeme zur Erzeugung von kryogenem Stickstoff sind in der Lage, nicht nur gasförmigen Stickstoff, sondern auch flüssigen Stickstoff zu erzeugen und erfüllen so Prozessanforderungen, die speziell flüssigen Stickstoff erfordern. Darüber hinaus kann der produzierte flüssige Stickstoff in speziellen Lagertanks gelagert werden. Bei zeitweiligem Stickstoffbedarf oder bei kleineren Wartungsarbeiten an der Luftzerlegungsanlage kann der in diesen Tanks gespeicherte flüssige Stickstoff in einen Verdampfer geleitet, erhitzt und dann in die Produktstickstoffleitung eingespeist werden, um den Stickstoffbedarf der nachgeschalteten Prozessanlage zu decken. Der Betriebszyklus einer kryogenen Stickstofferzeugungsanlage (definiert als das Intervall zwischen zwei großen Aufwärmzyklen) erstreckt sich typischerweise über mehr als ein Jahr; Daher wird es im Allgemeinen als unnötig erachtet, eine spezielle Backup-Einheit für Kryosysteme bereitzustellen. Im Gegensatz dazu sind Druckwechseladsorptionssysteme (PSA) nur in der Lage, gasförmigen Stickstoff zu produzieren und verfügen nicht über solche Backup-Funktionen; Daher kann eine einzelne PSA-Einheit keinen kontinuierlichen, langfristigen Betrieb ohne Unterbrechung garantieren.
Prinzip der Membran-Luftzerlegung zur Stickstofferzeugung
Nach der Komprimierung und Filterung gelangt die Luft in eine Polymermembran-Trenneinheit. Da verschiedene Gase innerhalb des Membranmaterials unterschiedliche Löslichkeiten und Diffusionskoeffizienten aufweisen, weisen sie beim Durchgang durch die Membran unterschiedliche relative Permeationsraten auf. Basierend auf dieser Eigenschaft können Gase grob in zwei Gruppen eingeteilt werden: „schnelle Gase“ und „langsame Gase“. Wenn ein Gasgemisch einer Druckdifferenz über einer Membran ausgesetzt ist, passieren Gase mit relativ hohen Permeationsraten-wie Wasser, Wasserstoff, Helium, Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid-die Membran und reichern sich auf der Permeatseite an. Umgekehrt werden Gase mit relativ langsameren Permeationsraten-wie Methan, Stickstoff, Kohlenmonoxid und Argon-auf der Retentatseite der Membran zurückgehalten und angereichert, wodurch die Trennung des Gasgemisches erreicht wird.