Das Funktionsprinzip von PSA-Stickstoffgeneratoren: Ein tieferer Einblick

Die Druckwechseladsorption (PSA) ist die führende Technologie für die Stickstoffgewinnung vor Ort, aber wie funktioniert sie eigentlich auf mikroskopischer Ebene? Die Antwort liegt in den bemerkenswerten Eigenschaften des zentralen Adsorbens, des Kohlenstoff-Molekularsiebs (CMS), und einem wissenschaftlichen Prinzip, das als kinetische Trennung bekannt ist. Dieser Artikel liefert eine detaillierte, theoretische Erklärung zum Funktionsprinzip der PSA-Technologie.

Das Adsorbens: Was ist Kohlenstoff-Molekularsieb?
Ein Material für die molekulare Trennung nach technischen Vorgaben
Kohlemolekularsieb (CMS) ist ein spezialisiertes, zylindrisches Pellet-Absorptionsmittel, das aus Vorläuferharzen hergestellt wird. Durch einen sorgfältigen Prozess aus Mahlen, Formen, Karbonisierung und Porenstruktur-Behandlung entsteht ein Material mit einem weitverzweigten Netzwerk präzise kontrollierter Mikroporen an der Oberfläche und im Inneren. Wie die unten stehende Porendichtediagramm zeigt, liegt der Schlüssel zu CMS darin, dass die Poren gezielt in der gleichen Größenordnung wie die Gas-Moleküle der Luft gestaltet werden.

Das Prinzip: Kinetische Trennung erklärt

Ein Wettrennen zwischen Sauerstoff- und Stickstoff-Molekülen
Die Hauptfunktion von CMS besteht darin, O₂ und N₂ anhand der geringen Differenz ihrer kinetischen Durchmesser zu trennen. Es handelt sich dabei nicht um eine chemische Reaktion, sondern um Geschwindigkeit.

• SAUERSTOFF (O₂) moleküle mit einem kleineren kinetischen Durchmesser diffundieren schnell in die Mikroporen des CMS.
  
• Stickstoff (N₂) moleküle, die etwas größer sind, diffundieren mit einer deutlich geringeren Geschwindigkeit.

Wenn komprimierte Luft durch eine CMS-Bettanlage strömt, wird Sauerstoff folglich viel schneller und in größerem Maße adsorbiert als Stickstoff. Dadurch bleibt die Gasphase außerhalb des Siebs stark mit Stickstoff und einer geringeren Menge Argon angereichert (das eine langsamere Diffusionsrate als Sauerstoff aufweist).

Der Prozess: Druckwechsel-Adsorption in Aktion
Nutzung der Adsorptionseigenschaften durch Druck und Zeit
Der kinetische Trenneffekt wird durch die Steuerung von Druck und Zeit stark verstärkt. Wie die Adsorptionskurven zeigen, erhöht ein höherer Druck die Adsorptionskapazität beider Gase, doch der relative Anstieg ist für Sauerstoff deutlicher.
Der Begriff "swing" bei Pressure Swing Adsorption bezieht sich auf einen schnellen, kontinuierlichen Zyklus:

1. Druckbeaufschlagung mit Adsorption: Druckluft wird in einen Adsorptionsturm geleitet. Da der Zyklus sehr kurz ist, erreicht die Adsorption niemals das Gleichgewicht. Der große Unterschied in der Diffusionsgeschwindigkeit stellt sicher, dass eine große Menge Sauerstoff von der CMS in diesem kurzen Zeitraum gebunden wird, während der größte Teil des Stickstoffs durchtritt.
   
2. Druckabbau-Desorption (Regeneration): Der Druck im Turm wird anschließend auf den Umgebungsdruck reduziert. Dadurch gibt die CMS den gebundenen Sauerstoff ab und wird für den nächsten Zyklus „regeneriert“.

Durch die Steuerung dieses Zyklus zwischen zwei wechselnden Türmen (oder in einer Einzelturmkonstruktion) erzeugt ein automatisches Steuerungssystem kontinuierlich einen Strom von hochreinem Produkt-Stickstoff.

Fazit: Von der Theorie zur Leistung
Das Funktionsprinzip eines PSA-Stickstoffgenerators ist eine perfekte Synergie zwischen den mikroskopischen Eigenschaften der Kohlenstoff-Molekularsiebe und der makroskopischen Konstruktion des Systems. Die dynamische Adsorptionskapazität, Selektivität und physikalische Langlebigkeit des CMS bestimmen letztendlich die Effizienz, den Energieverbrauch und die Zuverlässigkeit der Endanlage.

Bei NitroQuanta, auf die Beherrschung dieser Wissenschaft ist unsere gesamte Markenphilosophie aufgebaut.

[Siehe, wie wir dieses Prinzip in unserer Kerntechnologie anwenden]