Принцип работы генераторов азота методом адсорбции при переменном давлении (PSA): углубленный анализ

Адсорбция при изменении давления (PSA) является ведущей технологией для производства азота на месте, но как она работает на микроскопическом уровне? Ответ кроется в выдающихся свойствах своего основного адсорбента — углеродного молекулярного сита (CMS) и научном принципе, известном как кинетическое разделение. В этой статье приводится подробное теоретическое объяснение принципа работы PSA.

Адсорбент: что такое углеродное молекулярное сито?
Инженерный материал для сортировки молекул
Углеродный молекулярный сито (CMS) представляет собой специализированный цилиндрический гранулированный адсорбент, разработанный из исходных смол. Благодаря тщательному процессу измельчения, формования, карбонизации и обработки пористой структуры мы создаем материал с обширной сетью точно контролируемых микропор на его поверхности и внутри. Как показано на диаграмме распределения пор ниже, ключ к CMS заключается в том, что его поры специально разработаны так, чтобы быть одного порядка величины с молекулами газа в воздухе.

Механизм: Объяснение кинетического разделения

Гонка между молекулами кислорода и азота
Основная функция CMS заключается в разделении O₂ и N₂ на основе небольшой разницы в их кинетических диаметрах . Это не химическая реакция, а вопрос скорости.

• КИСЛОРОД (O₂) молекулы, имеющие меньший кинетический диаметр, диффундируют быстро в микропоры CMS.
  
• Азот (N₂) молекулы, которые немного больше, диффундируют с гораздо меньшей скоростью.

Следовательно, когда сжатый воздух проходит через слой CMS, кислород поглощается намного быстрее и в большем количестве, чем азот. Это оставляет газовую фазу вне сита сильно обогащенной азотом и небольшим количеством аргона (который имеет скорость диффузии медленнее, чем у кислорода).

Процесс: адсорбция при переменном давлении в действии
Использование характеристик адсорбции с учетом давления и времени
Эффект кинетического разделения сильно усиливается за счет контроля давления и времени. Как показывают кривые адсорбции, повышение давления увеличивает емкость адсорбции для обоих газов, но относительное увеличение является более значительным для кислорода.
"Перемена" в адсорбции при переменном давлении относится к быстрому, непрерывному циклу:

1. Адсорбция под давлением: Сжатый воздух подается в адсорбционную колонну. Поскольку цикл очень короткий, адсорбция никогда не достигает равновесия. Значительная разница в скорости диффузии обеспечивает захват большого количества кислорода углеродной молекулярной сеткой (CMS) в течение этого короткого периода, в то время как большая часть азота проходит через нее.
   
2. Депрессионная десорбция (регенерация): Затем давление в колонне снижается до атмосферного. Это заставляет CMS выделять захваченный кислород, "регенерируя" ее для следующего цикла.

Организуя этот цикл между двумя чередующимися колоннами (или в конструкции с одной колонной), автоматическая система управления непрерывно производит поток азота высокой чистоты.

Вывод: от теории к эксплуатационным характеристикам
Принцип работы генератора азота PSA представляет собой идеальный синтез микроскопических свойств угольного молекулярного сита и макроскопической инженерии системы. Динамическая адсорбционная емкость, селективность и физическая прочность CMS в конечном итоге определяют эффективность, энергопотребление и надежность окончательного оборудования.

На NitroQuanta, вся наша брендовая философия строится на освоении этой науки.

[Смотрите, как мы применяем этот принцип в наших основных технологиях]