Explicación detallada del principio tecnológico y los sistemas de soporte de generación de oxígeno VPSA y PSA

1. Tecnología de generación de oxígeno VPSA

La adsorción por cambio de presión al vacío (VPSA) es una tecnología avanzada para separar oxígeno del aire. Utiliza la diferencia en la capacidad de adsorción de varios componentes del aire en adsorbentes. El adsorbente adsorbe gases selectivamente cuando la presión aumenta y se desorbe para regenerarse cuando la presión se reduce a un estado de vacío.

Equipo de generación de oxígeno VPSA funciona utilizando electricidad como fuente de energía y aire como materia prima. Aprovecha la propiedad de los tamices moleculares de aumentar la capacidad de adsorción de nitrógeno bajo presión positiva y disminuirla bajo presión negativa. Mediante un proceso cíclico de adsorción a presión positiva y desorción al vacío, logrado alternando el funcionamiento de los dos recipientes de adsorción, se logra la separación de oxígeno y nitrógeno del aire y la producción continua de oxígeno industrial.

El proceso de generación de oxígeno VPSA es un proceso de adsorción física, sin reacciones químicas ni contaminación ambiental, lo que lo convierte en un método ideal de suministro de oxígeno. En comparación con la producción criogénica tradicional de oxígeno, el proceso VPSA ofrece ventajas significativas, incluyendo una composición y un proceso más simples, una operación más fácil, un arranque más rápido, un funcionamiento seguro y fiable a temperatura normal y baja presión, un menor consumo de energía y costos de producción de oxígeno significativamente más bajos.

1.1 Proceso del equipo de generación de oxígeno VPSA de dos recipientes

El equipo de generación de oxígeno VPSA utiliza aire como materia prima. El aire primero pasa a través de un filtro de aire y entra en un soplador Roots, donde se comprime antes de entrar en un adsorbedor que ha completado la regeneración y está en funcionamiento.

Dentro del adsorbedor, la humedad, el dióxido de carbono y otros gases moleculares del aire se adsorben preferentemente. El aire seco luego pasa a través de un tamiz molecular especializado para la producción de oxígeno, donde se adsorbe el nitrógeno, permitiendo que el oxígeno se enriquezca en la salida. El gas enriquecido en oxígeno luego se regula en presión a través de una válvula de control y entra en un tanque de amortiguación. En la salida del tanque de amortiguación, el oxígeno se comprime adicionalmente mediante un compresor de oxígeno para alcanzar la presión requerida. El oxígeno de alta presión luego se enfría y se almacena en un tanque de almacenamiento de oxígeno, desde donde se suministra a los usuarios finales.

Para garantizar un suministro de oxígeno continuo y estable, la planta de generación de oxígeno VPSA está diseñada con dos torres de adsorción que operan de forma alterna. Mientras una torre produce oxígeno, la otra está realizando una regeneración al vacío. Durante la regeneración, el nitrógeno rico adsorbido se desorbe y se descarga al exterior después de un tratamiento de reducción de ruido.

1.2 Escenario de aplicación

El equipo de oxígeno VPSA es adecuado para la producción de oxígeno industrial de diversas escalas, proporcionando oxígeno con una pureza de aproximadamente 80%–93%.

2. Componentes básicos de la planta de oxígeno VPSA

La unidad de oxígeno VPSA consta de 7 componentes principales, incluyendo el sistema

El diagrama de flujo del proceso de generación de oxígeno VPSA

2.1 Sistema de Adsorbedor Radial

La unidad de separación oxígeno-nitrógeno es el componente central del equipo de generación de oxígeno. Consiste principalmente en 2 torres de adsorción alternantes, junto con válvulas de mariposa de conmutación neumáticas, válvulas de mariposa de regulación neumáticas y válvulas de mariposa manuales. La separación de oxígeno y nitrógeno se logra basándose en la diferencia en la capacidad de adsorción de las moléculas de nitrógeno y oxígeno en tamices moleculares de oxígeno especializados y de alta eficiencia durante los procesos de adsorción a presión positiva y desorción a presión negativa.

Un controlador lógico programable (PLC) controla las válvulas solenoides, que a su vez regulan las válvulas neumáticas según una secuencia establecida. Esto permite el funcionamiento automático del sistema de oxígeno, asegurando así una producción continua de oxígeno. Mientras tanto, la bomba de vacío evacua y descarga nitrógeno y otros componentes gaseosos.

2.1.1 Recipiente de Adsorción

La estructura de doble adsorbedor asegura un suministro continuo de gas para satisfacer las demandas del cliente. En el interior del adsorbedor se llenan tamices moleculares deshidratantes y tamices moleculares LiX para separar eficazmente los componentes del aire y cumplir con los requisitos de producción de oxígeno.

2.1.2 Válvula de Mariposa Neumática de Conmutación

Las válvulas solenoides son controladas por el sistema de control para conmutar periódicamente el flujo de gas entre los dos adsorbedores, asegurando un funcionamiento estable del equipo de oxígeno.

2.1.3 Válvula de Mariposa Neumática Reguladora

Durante el proceso de ecualización de presión y purga, se instala una válvula de mariposa de control neumático para optimizar los efectos de ecualización y purga. La válvula cuenta con ajuste de porcentaje igual, fuga cero y larga vida útil, etc.

2.2 Sistema de Potencia – Soplador

Como componente de potencia de admisión de aire de todo el sistema, el soplador proporciona una fuente de gas a presión positiva adecuada para el sistema de separación de oxígeno-nitrógeno, desempeñando un papel crítico en garantizar el funcionamiento estable y eficiente del sistema. El sistema del soplador incluye un filtro de aire de entrada, el soplador y su motor correspondiente, una válvula de mariposa neumática de conmutación de derivación, una válvula de mariposa manual, un intercambiador de calor, conectores de fuelle (o juntas flexibles) y otros equipos completos de soporte.

2.2.1 Unidad de Soplador y Motor Correspondiente

El soplador Roots es un soplador de gas de desplazamiento positivo. En el interior de su carcasa, dos impulsores mantienen un espacio de engrane específico y son impulsados por engranajes sincrónicos para girar a velocidades iguales en direcciones opuestas. Este mecanismo empuja el gas inhalado desde la entrada hasta la salida, superando la resistencia del gas de alta presión en el lado de salida para lograr una extracción forzada.

Dentro de la carcasa, dos rotores en forma de ocho se instalan perpendicularmente sobre un par de ejes paralelos. Los rotores son impulsados por un par de engranajes con una relación de transmisión 1:1 para girar sincrónicamente en direcciones opuestas. Se mantiene un cierto espacio entre los rotores y entre los rotores y la pared interna de la carcasa de la bomba.

El componente clave de un soplador Roots es el rotor, y el núcleo del rotor radica en su per

El motor emparejado es un motor asíncrono trifásico con un grado de protección IP23–IP54 y una clase de aislamiento F. Presenta alta eficiencia, ahorro energético, bajo nivel de ruido, vibraciones mínimas, diseño ligero, rendimiento fiable y fácil instalación y mantenimiento.

2.2.2 Válvula de mariposa neumática de conmutación de derivación y válvula de mariposa manual

Para mejorar la tasa de recuperación del gas producto durante el proceso VPSA y PSA, los 2 adsorbentes experimentan un proceso de ecualización durante un período determinado. Durante esta fase de ecualización, el soplador desvía y ventila el exceso de gas. Además, para evitar el reflujo cuando el soplador se detiene, se requiere un mecanismo de protección por despresurización de derivación. Por lo tanto, se instala un sistema de derivación, donde la válvula de mariposa neumática de conmutación se controla mediante programa para descargar al exterior. Asimismo, se dispone de una válvula de mariposa manual para regular eficazmente la presión de salida del soplador.

La válvula es una válvula de mariposa neumática de doble excéntrica con sello duro, diseñada para conmutaciones frecuentes de ciclo corto. Presenta cero fugas, larga vida útil y tiempo de conmutación breve.

2.2.3 Intercambiador de calor

Tras la presurización por el soplador, la temperatura del aire de salida alcanza aproximadamente 65 °C, mientras que la condición de trabajo óptima para el tamiz molecular está entre 30 y 40 °C. Para garantizar el uso eficiente del tamiz molecular, se requiere un intercambiador de calor para enfriar el aire calentado.

2.2.4 Conector de fuelle

Durante el funcionamiento del soplador Roots, las vibraciones significativas son inevitables. Para minimizar el impacto de las vibraciones en los equipos posteriores y reducir el ruido causado por ellas, se instalan conectores flexibles emparejados y conectores de fuelle en la entrada y salida del soplador.

2.3 Sistema de potencia – Bomba de vacío

Una vez que el tamiz molecular alcanza la saturación dinámica durante la adsorción, es necesaria la desorción y regeneración. Los estudios muestran que la regeneración del tamiz molecular es más efectiva en condiciones de presión negativa (vacío). El sistema de bomba de vacío es un componente indispensable de todo el sistema. Consiste en la unidad de bomba de vacío y su motor emparejado, una válvula de mariposa neumática de conmutación de derivación, una válvula de mariposa manual, conectores de fuelle (o conectores flexibles) y otros equipos auxiliares.

2.3.1 Unidad de bomba de vacío y motor

La bomba de vacío Roots es una bomba de vacío volumétrica rotativa, derivada estructuralmente del soplador Roots. Su principio de funcionamiento es idéntico al del soplador Roots.

2.3.2 Válvula de mariposa neumática de conmutación de derivación y válvula de mariposa manual

Para evitar el reflujo cuando la bomba de vacío se detiene, se instala una derivación para liberar presión anticipadamente, garantizando un arranque y parada a presión cero. Se instala una válvula de derivación para este propósito. Además, se utiliza una válvula de mariposa manual para ajustes finos de la presión de succión de la bomba de vacío.

La válvula es una válvula de mariposa de conmutación con sello blando, diseñada para cumplir con los requisitos de cero fugas en condiciones de conmutación prolongadas.

2.3.3 Conector de fuelle

Durante el funcionamiento de la bomba de vacío Roots, las vibraciones significativas son inevitables. Para minimizar el impacto de las vibraciones en los equipos posteriores y reducir el ruido causado por ellas, se instalan conectores flexibles o conectores de fuelle en la entrada y salida de la bomba de vacío.

2.4 Sistema de aire de instrumentos

Tanto las válvulas de mariposa neumáticas como las válvulas de mariposa neumáticas reguladoras requieren una fuente de aire de instrumentos de aproximadamente 0.5-0.7 MPa como fuerza motriz del actuador durante la conmutación del control automático. El sistema consta de componentes como un filtro de tratamiento de fuente de aire y un tanque de almacenamiento de aire. Para garantizar la tasa de operación, se añade una válvula de derivación a la unidad de filtración que requiere mantenimiento y servicio frecuentes.

2.5 Tanque de amortiguación de oxígeno

El sistema del tanque de amortiguación de oxígeno consta principalmente de un tanque de amortiguación de oxígeno, medidor de flujo de orificio, analizador de pureza de oxígeno, válvula de control y sensor de presión.

El tanque de amortiguación de oxígeno sirve como medida clave para mitigar las fluctuaciones excesivas de presión en los adsorbentes y para estabilizar la presión y pureza del oxígeno producto.

2.6 Sistema de compresión de oxígeno (Opcional)

El sistema de compresión de oxígeno consta de una válvula de mariposa específica para oxígeno, un compresor de oxígeno y otros componentes. Su función principal es aumentar la presión del oxígeno producto para cumplir con la presión requerida por el usuario y entregarlo al tanque de almacenamiento de oxígeno.

El sistema de tanques de almacenamiento de oxígeno incluye tanques de almacenamiento de oxígeno, válvulas, manómetros, válvulas de seguridad y otros componentes. Su función principal es almacenar una parte del oxígeno producto, asegurando una salida de oxígeno estable. Además, proporciona un suministro temporal de oxígeno en caso de una parada inesperada, evitando que el sistema de suministro de oxígeno falle.

2.7 Sistema de control eléctrico e instrumentación

El sistema de control eléctrico e instrumentación incluye un ordenador industrial, armario de control eléctrico, armario de instrumentación, controlador lógico programable (PLC), electroválvulas, luces indicadoras, botones de control y otros componentes.

El sistema funciona automáticamente según el programa editado en el PLC, controlando la energización y desenergización de las electroválvulas, que a su vez abren y cierran válvulas neumáticas mediante el sistema de control neumático. Recoge y procesa diversas señales, mostrando el estado operativo del equipo de oxígeno. Los usuarios pueden establecer o modificar los parámetros de control en el ordenador industrial para configurar o verificar el estado operativo del equipo.

2.8 Sistema de agua

El sistema de agua generalmente consta de dos partes: el sistema de agua circulante y el sistema de agua de sellado. El sistema de agua circulante incluye principalmente una torre de enfriamiento, bombas de agua, filtros, tuberías de ida y retorno de agua, y válvulas asociadas. Proporciona agua circulante de enfriamiento para todo el sistema de oxígeno. El sistema de agua de sellado se utiliza principalmente para suministrar agua al impulsor de la bomba de vacío para mejorar el sellado, logrando así un mayor nivel de vacío durante el proceso de desorción. Para este propósito se utiliza típicamente agua blanda o agua desmineralizada, cuyo sistema de producción es proporcionado por fabricantes especializados.

El sistema VPSA de PKU Pioneer y La tecnología de generación de oxígeno por PSA se destaca como una solución rentable, flexible y confiable para el suministro industrial de oxígeno. Con un caudal de oxígeno de 50 a 100 000 Nm³/h y niveles de pureza generales del 80 al 94 %, nuestros sistemas de oxígeno ofrecen ventajas de costo significativamente menores en comparación con los métodos tradicionales de ASU (Unidades de Separación de Aire) o LOX (Oxígeno Líquido). El adsorbente de base de litio producido internamente y el diseño innovador del proceso de torre radial garantizan una mayor capacidad de oxígeno, un rendimiento óptimo y eficiencia energética. Durante los últimos 25 años, hemos implementado con éxito más de 400 proyectos de plantas de oxígeno en todo el mundo, incluido el proyecto de sistema VPSA-O2 más grande del mundo (146 000 Nm³/h) y la planta VPSA-O2 más grande de China (87 500 Nm³/h).

PKU Pioneer ha exportado sistemas VPSA/PSA a más de 20 países y regiones, atendiendo a más de 30 industrias con experiencia comprobada. Nuestro generador VPSA-O2 SPOX contenerizado con certificación CE se ha exportado a Italia y el la planta PSA-CO se construirá en los EE. UU. Con las referencias más numerosas de VPSA y PSA a nivel mundial, PKU Pioneer continuará liderando la industria al proporcionar soluciones de oxígeno eficientes, sostenibles y personalizadas para satisfacer las necesidades únicas de más clientes.