Der VPSA-Sauerstofferzeugungsprozess ist ein physikalisches Adsorptionsverfahren, das keine chemischen Reaktionen oder Umweltverschmutzung verursacht, was ihn zu einer idealen Sauerstoffversorgungsmethode macht. Im Vergleich zur traditionellen kryogenen Sauerstoffproduktion bietet das VPSA-Verfahren erhebliche Vorteile, darunter eine einfachere Zusammensetzung und Prozessf\u00fchrung, einfachere Bedienung, schnellere Inbetriebnahme, sicheren und zuverl\u00e4ssigen Betrieb bei Normaldruck und Umgebungstemperatur, geringeren Energieverbrauch und deutlich niedrigere Sauerstoffproduktionskosten.<\/p>\n
1.1 Verfahren der VPSA-Sauerstofferzeugungsanlage mit zwei Beh\u00e4ltern<\/p>\n
VPSA-Sauerstofferzeugungsanlagen verwenden Luft als Rohmaterial. Die Luft str\u00f6mt zun\u00e4chst durch einen Luftfilter und gelangt in ein Roots-Gebl\u00e4se, wo sie verdichtet wird, bevor sie in einen Adsorber eintritt, der die Regeneration abgeschlossen hat und in Betrieb ist.<\/p>\n
Im Adsorber werden Feuchtigkeit, Kohlendioxid und andere molekulare Gase aus der Luft bevorzugt adsorbiert. Die getrocknete Luft str\u00f6mt dann durch ein spezialisiertes Sauerstoff-Molekularsieb, wo Stickstoff adsorbiert wird, wodurch sich Sauerstoff am Auslass anreichert. Das sauerstoffreiche Gas wird dann \u00fcber ein Regelventil druckgeregelt und gelangt in einen Puffertank. Am Auslass des Puffertanks wird der Sauerstoff durch einen Sauerstoffverdichter auf den erforderlichen Druck komprimiert. Der Hochdrucksauerstoff wird anschlie\u00dfend gek\u00fchlt und in einem Sauerstoffbeh\u00e4lter gelagert, von wo aus er den Endverbrauchern zugef\u00fchrt wird.<\/p>\n
Um eine kontinuierliche und stabile Sauerstoffversorgung zu gew\u00e4hrleisten, ist die VPSA-Sauerstofferzeugungsanlage mit zwei Adsorptionst\u00fcrmen ausgelegt, die abwechselnd arbeiten. W\u00e4hrend der eine Turm Sauerstoff produziert, durchl\u00e4uft der andere eine Vakuumregeneration. W\u00e4hrend der Regeneration wird der adsorbierte, stickstoffreiche Anteil desorbiert und nach einer L\u00e4rmminderungsbehandlung ins Freie abgeleitet.<\/p>\n
1.2 Anwendungsszenario<\/p>\n
Die VPSA-Sauerstoffanlage eignet sich f\u00fcr die industrielle Sauerstoffproduktion verschiedener Gr\u00f6\u00dfenordnungen und liefert Sauerstoff mit einer Reinheit von etwa 80 % bis 93 %.<\/p>\n
2. Grundkomponenten der VPSA-Sauerstoffanlage<\/p>\n
Die VPSA-Sauerstoffanlage besteht aus 7 Hauptkomponenten, darunter das radiale Adsorbersystem, das Antriebssystem (Gebl\u00e4se und Vakuumpumpen), das Mess- und Steuerungssystem, Sauerstoffpuffertanks, das Sauerstoffverdichtungssystem (optional), die elektrische Steuerung und das Wassersystem.<\/p>\n
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Verfahrensflie\u00dfbild der VPSA-Sauerstofferzeugung<\/p>\n
2.1 Radiales Adsorbersystem<\/p>\n
Die Sauerstoff-Stickstoff-Trenneinheit ist die Kernkomponente der Sauerstofferzeugungsanlage. Sie besteht haupts\u00e4chlich aus 2 abwechselnd betriebenen Adsorptionst\u00fcrmen sowie pneumatischen Umschaltklappen, pneumatischen Regelklappen und Handklappen. Die Trennung von Sauerstoff und Stickstoff erfolgt aufgrund des Unterschieds in der Adsorptionskapazit\u00e4t von Stickstoff- und Sauerstoffmolek\u00fclen an hocheffizienten, speziellen Sauerstoff-Molekularsieben w\u00e4hrend der Druckadsorption und der Unterdruckdesorption.<\/p>\n
Eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) steuert die Magnetventile, die wiederum die pneumatischen Ventile gem\u00e4\u00df einem festgelegten Ablauf regeln. Dies erm\u00f6glicht den automatischen Betrieb des Sauerstoffsystems und gew\u00e4hrleistet so eine kontinuierliche Sauerstoffproduktion. Gleichzeitig evakuiert und leitet die Vakuumpumpe Stickstoff und andere Gasbestandteile ab.<\/p>\n
2.1.1 Adsorptionsbeh\u00e4lter<\/p>\n
Die Doppeladsorberstruktur gew\u00e4hrleistet eine kontinuierliche Gasversorgung, um den Kundenanforderungen gerecht zu werden. Im Adsorber werden Entw\u00e4sserungsmolekularsiebe und LiX-Molekularsiebe gef\u00fcllt, um die Luftbestandteile effektiv zu trennen und die Sauerstoffproduktionsanforderungen zu erf\u00fcllen.<\/p>\n
2.1.2 Pneumatische Umschaltklappe<\/p>\n
Die Magnetventile werden durch das Steuerungssystem gesteuert, um den Gasstrom periodisch zwischen den beiden Adsorbern umzuschalten und so einen stabilen Betrieb der Sauerstoffanlage zu gew\u00e4hrleisten.<\/p>\n
2.1.3 Pneumatische Regelklappe<\/p>\n
W\u00e4hrend des Druckausgleichs- und Sp\u00fclvorgangs wird eine pneumatische Regelklappe installiert, um die Druckausgleichs- und Sp\u00fclwirkung zu optimieren. Das Ventil zeichnet sich durch einstellbare Prozentkennlinie, Null-Leckage und lange Lebensdauer aus.<\/p>\n
2.2 Antriebssystem \u2013 Gebl\u00e4se<\/p>\n
Als Lufteinlass-Antriebskomponente des gesamten Systems liefert das Gebl\u00e4se eine geeignete \u00dcberdruck-Gasquelle f\u00fcr das Sauerstoff-Stickstoff-Trennsystem und spielt eine entscheidende Rolle f\u00fcr den stabilen und effizienten Betrieb des Systems. Das Gebl\u00e4sesystem umfasst einen Einlassluftfilter, das Gebl\u00e4se mit seinem zugeh\u00f6rigen Motor, eine pneumatische Bypass-Umschaltklappe, eine Handklappe, einen W\u00e4rmetauscher, Balgverbinder (oder flexible Verbindungen) und andere unterst\u00fctzende komplette Ausr\u00fcstungsteile.<\/p>\n
2.2.1 Gebl\u00e4seeinheit und zugeh\u00f6riger Motor<\/p>\n
Das Roots-Gebl\u00e4se ist ein Verdr\u00e4ngungsgasgebl\u00e4se. In seinem Geh\u00e4use halten zwei L\u00e4ufer einen bestimmten Verzahnungsabstand ein und werden von Synchronzahnr\u00e4dern angetrieben, die sich mit gleicher Geschwindigkeit in entgegengesetzter Richtung drehen. Dieser Mechanismus dr\u00fcckt das angesaugte Gas vom Einlass zum Auslass und \u00fcberwindet den Widerstand des Hochdruckgases auf der Auslassseite, um eine erzwungene Abgabe zu erreichen.<\/p>\n
Im Geh\u00e4use sind zwei achternf\u00f6rmige Rotoren senkrecht auf einem Paar paralleler Wellen montiert. Die Rotoren werden von einem Paar Zahnr\u00e4der mit einem \u00dcbersetzungsverh\u00e4ltnis von 1:1 angetrieben, die synchron in entgegengesetzter Richtung rotieren. Zwischen den Rotoren sowie zwischen den Rotoren und der Innenwand des Pumpengeh\u00e4uses besteht ein bestimmter Spalt.<\/p>\n
Die Schl\u00fcsselkomponente eines Roots-Gebl\u00e4ses ist der Rotor, und der Kern des Rotors liegt in seiner Profilform. Die Laufr\u00e4der verwenden ein neu konstruiertes Spezialprofil, das einen gleichm\u00e4\u00dfigen Verzahnungsspalt zwischen den beiden Rotoren gew\u00e4hrleistet, interne Leckagen reduziert und den volumetrischen Wirkungsgrad verbessert. Dar\u00fcber hinaus sorgen hochpr\u00e4zise und leistungsstarke Komponenten wie Synchronzahnr\u00e4der, Lager und PTFE-Dichtungen f\u00fcr einen vibrationsarmen, stabilen Betrieb.<\/p>\n
Der zugeh\u00f6rige Motor ist ein Drehstrom-Asynchronmotor mit Schutzart IP23\u2013IP54 und Isolierstoffklasse F. Er zeichnet sich durch hohe Effizienz, Energieeinsparung, niedrige Ger\u00e4uschentwicklung, geringe Vibration, Leichtbauweise, zuverl\u00e4ssige Leistung sowie einfache Installation und Wartung aus.<\/p>\n
2.2.2 Pneumatische Bypass-Umschaltklappe & Handklappe<\/p>\n
Um die R\u00fcckgewinnungsrate des Produktgases w\u00e4hrend des VPSA- und PSA-Prozesses zu verbessern, durchlaufen die 2 Adsorber f\u00fcr einen bestimmten Zeitraum einen Druckausgleichsprozess. W\u00e4hrend dieser Druckausgleichsphase umgeht das Gebl\u00e4se und leitet \u00fcbersch\u00fcssiges Gas ab. Dar\u00fcber hinaus ist zum Schutz vor R\u00fcckstr\u00f6mung beim Stopp des Gebl\u00e4ses ein Bypass-Druckentlastungsschutz erforderlich. Daher wird ein Bypass-System installiert, bei dem die pneumatische Umschaltklappe programmgesteuert nach au\u00dfen abgibt. Au\u00dferdem ist eine Handklappe zur effektiven Regelung des Gebl\u00e4seausgangsdrucks vorgesehen.<\/p>\n
Das Ventil ist eine doppelexzentrische hartabdichtende pneumatische Klappe, ausgelegt f\u00fcr kurzzyklisches h\u00e4ufiges Schalten. Es zeichnet sich durch Null-Leckage, lange Lebensdauer und kurze Schaltzeiten aus.<\/p>\n
2.2.3 W\u00e4rmetauscher<\/p>\n
Nach der Verdichtung durch das Gebl\u00e4se erreicht die Austrittslufttemperatur etwa 65 \u00b0C, w\u00e4hrend die optimale Arbeitsbedingung f\u00fcr das Molekularsieb zwischen 30 und 40 \u00b0C liegt. Um eine effiziente Nutzung des Molekularsiebs zu gew\u00e4hrleisten, ist ein W\u00e4rmetauscher erforderlich, um die erw\u00e4rmte Luft zu k\u00fchlen.<\/p>\n
2.2.4 Balgverbinder<\/p>\n
W\u00e4hrend des Betriebs des Roots-Gebl\u00e4ses sind erhebliche Vibrationen unvermeidbar. Um die Auswirkungen von Vibrationen auf nachfolgende Ger\u00e4te zu minimieren und vibrationsbedingte Ger\u00e4usche zu reduzieren, werden am Einlass und Auslass des Gebl\u00e4ses gepaarte flexible Verbinder und Balgverbinder installiert.<\/p>\n
2.3 Antriebssystem \u2013 Vakuumpumpe<\/p>\n
Sobald das Molekularsieb w\u00e4hrend der Adsorption dynamisch ges\u00e4ttigt ist, ist eine Desorption und Regeneration erforderlich. Studien haben gezeigt, dass die Regeneration von Molekularsieben unter Unterdruck (Vakuum) effektiver ist. Das Vakuumpumpensystem ist ein unverzichtbarer Bestandteil des gesamten Systems. Es besteht aus der Vakuumpumpeneinheit und ihrem zugeh\u00f6rigen Motor, einer pneumatischen Bypass-Umschaltklappe, einer Handklappe, Balgverbindern (oder flexiblen Verbindern) und anderer Hilfsausr\u00fcstung.<\/p>\n
2.3.1 Vakuumpumpeneinheit & Motor<\/p>\n
Die Roots-Vakuumpumpe ist eine rotierende Verdr\u00e4ngungsvakuumpumpe, die strukturell vom Roots-Gebl\u00e4se abgeleitet ist. Ihr Arbeitsprinzip ist identisch mit dem des Roots-Gebl\u00e4ses.<\/p>\n
2.3.2 Pneumatische Bypass-Umschaltklappe & Handklappe<\/p>\n
Um einen R\u00fcckfluss beim Abschalten der Vakuumpumpe zu verhindern, wird ein Bypass installiert, der vorab Druck abl\u00e4sst, um einen drucklosen Start und Stopp zu gew\u00e4hrleisten. Zu diesem Zweck ist ein Bypass-Ventil installiert. Zus\u00e4tzlich wird eine Handklappe zur Feinabstimmung des Ansaugdrucks der Vakuumpumpe verwendet.<\/p>\n
Das Ventil ist eine weichabdichtende Umschaltklappe, ausgelegt f\u00fcr die Anforderung der Null-Leckage bei langfristigem Schaltbetrieb.<\/p>\n
2.3.3 Balgverbinder<\/p>\n
W\u00e4hrend des Betriebs der Roots-Vakuumpumpe sind erhebliche Vibrationen unvermeidbar. Um die Auswirkungen von Vibrationen auf nachfolgende Ger\u00e4te zu minimieren und vibrationsbedingte Ger\u00e4usche zu reduzieren, werden am Einlass und Auslass der Vakuumpumpe flexible Verbinder oder Balgverbinder installiert.<\/p>\n
2.4 Druckluftsystem f\u00fcr Steuerung<\/p>\n
Sowohl die pneumatischen Klappen als auch die pneumatischen Regelklappen ben\u00f6tigen eine Druckluftquelle von etwa 0,5\u20130,7 MPa als Antriebskraft f\u00fcr die automatische Steuerungsumschaltung. Das System besteht aus Komponenten wie einem Druckluftaufbereitungsfilter und einem Druckluftbeh\u00e4lter. Zur Sicherstellung der Verf\u00fcgbarkeit wird eine Bypass-Klappe an der Filtereinheit hinzugef\u00fcgt, die regelm\u00e4\u00dfig gewartet und instandgesetzt werden muss.<\/p>\n
2.5 Sauerstoffpuffertank<\/p>\n
Das Sauerstoffpuffertanksystem besteht haupts\u00e4chlich aus einem Sauerstoffpuffertank, einem Blendenmessger\u00e4t, einem Sauerstoff-Reinheitsanalysator, einem Regelventil und einem Drucksensor.<\/p>\n
Der Sauerstoffpuffertank dient als wichtige Ma\u00dfnahme, um \u00fcberm\u00e4\u00dfige Druckschwankungen in den Adsorbern abzumildern und den Druck sowie die Reinheit des Produktsauerstoffs zu stabilisieren.<\/p>\n
2.6 Sauerstoffverdichtungssystem (Optional)<\/p>\n
Das Sauerstoffverdichtungssystem besteht aus einer sauerstoffspezifischen Klappe, einem Sauerstoffverdichter und anderen Komponenten. Seine Hauptfunktion besteht darin, den Druck des Produktsauerstoffs zu erh\u00f6hen, um den geforderten Druck des Benutzers zu erreichen, und ihn dem Sauerstoffspeicherbeh\u00e4lter zuzuf\u00fchren.<\/p>\n
Das Sauerstoffspeicherbeh\u00e4ltersystem umfasst Sauerstoffspeicherbeh\u00e4lter, Ventile, Manometer, Sicherheitsventile und andere Komponenten. Seine Hauptfunktion besteht darin, einen Teil des Produktsauerstoffs zu speichern, um eine stabile Sauerstoffabgabe zu gew\u00e4hrleisten. Dar\u00fcber hinaus stellt es bei einem unerwarteten Stillstand eine vor\u00fcbergehende Sauerstoffversorgung bereit, um ein Versagen des Sauerstoffversorgungssystems zu verhindern.<\/p>\n
2.7 Elektro- und Instrumentierungssteuerungssystem<\/p>\n
Das Elektro- und Instrumentierungssteuerungssystem umfasst einen Industriecomputer, einen elektrischen Schaltschrank, einen Instrumentenschrank, eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), Magnetventile, Kontrollleuchten, Bedientasten und andere Komponenten.<\/p>\n
Das System arbeitet automatisch gem\u00e4\u00df dem in der SPS programmierten Ablauf und steuert das Ein- und Ausschalten der Magnetventile, die wiederum \u00fcber die pneumatische Steuerung die Pneumatikventile \u00f6ffnen und schlie\u00dfen. Es erfasst und verarbeitet verschiedene Signale und zeigt den Betriebszustand der Sauerstoffanlage an. Benutzer k\u00f6nnen auf dem Industriecomputer Steuerparameter einstellen oder \u00e4ndern, um den Betriebszustand der Anlage zu konfigurieren oder zu \u00fcberpr\u00fcfen.<\/p>\n
2.8 Wassersystem<\/p>\n
Das Wassersystem besteht typischerweise aus zwei Teilen: dem K\u00fchlwasserkreislauf und dem Sperrwassersystem. Das K\u00fchlwassersystem umfasst haupts\u00e4chlich einen K\u00fchlturm, Wasserpumpen, Filter, Vor- und R\u00fccklaufleitungen sowie zugeh\u00f6rige Ventile. Es versorgt das gesamte Sauerstoffsystem mit K\u00fchlwasser. Das Sperrwassersystem dient haupts\u00e4chlich dazu, das Laufrad der Vakuumpumpe mit Wasser zu versorgen, um die Abdichtung zu verbessern und so w\u00e4hrend des Desorptionsprozesses ein h\u00f6heres Vakuumniveau zu erreichen. Hierf\u00fcr wird \u00fcblicherweise Weichwasser oder entsalztes Wasser verwendet, dessen Produktionssystem von spezialisierten Herstellern bereitgestellt wird.<\/p>\n