Explication approfondie du principe technologique et des systèmes de soutien de la génération d'oxygène VPSA et PSA

1. Technologie de génération d'oxygène VPSA

L'adsorption par variation de pression sous vide (VPSA) est une technologie avancée pour séparer l'oxygène de l'air. Elle utilise la différence de capacité d'adsorption des divers composants de l'air sur les adsorbants. L'adsorbant adsorbe sélectivement les gaz lorsque la pression augmente et se désorbe pour se régénérer lorsque la pression est réduite à un état de vide.

L'équipement de génération d'oxygène VPSA fonctionne en utilisant l'électricité comme source d'énergie et l'air comme matière première. Il exploite la propriété des tamis moléculaires d'augmenter la capacité d'adsorption de l'azote sous pression positive et de la diminuer sous pression négative. Un cycle d'adsorption sous pression positive et de désorption sous vide est réalisé en alternant le fonctionnement des 2 cuves d'adsorption, permettant la séparation de l'oxygène et de l'azote de l'air et la production continue d'oxygène industriel.

Le processus de génération d'oxygène VPSA est un processus d'adsorption physique, sans réactions chimiques ni pollution environnementale, ce qui en fait une méthode d'alimentation en oxygène idéale. Comparé à la production d'oxygène cryogénique traditionnelle, le procédé VPSA offre des avantages significatifs, notamment une composition et un processus plus simples, une opération plus facile, un démarrage plus rapide, un fonctionnement sûr et fiable à température normale et basse pression, une consommation d'énergie plus faible et des coûts de production d'oxygène nettement inférieurs.

1.1 Processus de l'équipement de génération d'oxygène VPSA à deux cuves

L'équipement de génération d'oxygène VPSA utilise l'air comme matière première. L'air passe d'abord à travers un filtre à air et entre dans un compresseur Roots, où il est comprimé avant d'entrer dans un adsorbeur qui a terminé la régénération et qui est en fonctionnement.

À l'intérieur de l'adsorbeur, l'humidité, le dioxyde de carbone et autres gaz moléculaires présents dans l'air sont adsorbés de manière préférentielle. L'air séché traverse ensuite un tamis moléculaire spécialisé pour la production d'oxygène, où l'azote est adsorbé, permettant à l'oxygène de s'enrichir à la sortie. Le gaz riche en oxygène est ensuite régulé en pression via une vanne de contrôle et entre dans un réservoir tampon. À la sortie du réservoir tampon, l'oxygène est comprimé davantage par un compresseur d'oxygène pour atteindre la pression requise. L'oxygène haute pression est ensuite refroidi et stocké dans un réservoir de stockage d'oxygène, d'où il est fourni aux utilisateurs finaux.

Pour garantir une alimentation en oxygène continue et stable, l'installation de génération d'oxygène V

1.2 Scénario d'application

L'équipement d'oxygène VPSA convient à la production d'oxygène industriel de différentes échelles, fournissant de l'oxygène avec une pureté d'environ 80 % à 93 %.

2. Composants de base de l'unité d'oxygène VPSA

L'unité d'oxygène VPSA se compose de 7 composants principaux, notamment le système d'adsorbeur radial, le système de puissance (soufflantes et pompes à vide), le système d'instrumentation et électrique, les réservoirs tampons d'oxygène, le système de compression d'oxygène (en option), le système de contrôle électrique et le système d'eau.

Le schéma de flux du processus de génération d'oxygène VPSA

2.1 Système d'adsorbeur radial

L'unité de séparation oxygène-azote est le composant central de l'équipement de génération d'oxygène. Elle se compose principalement de 2 tours d'adsorption en alternance, ainsi que de vannes papillon pneumatiques de commutation, de vannes papillon pneumatiques de régulation et de vannes papillon manuelles. La séparation de l'oxygène et de l'azote est réalisée en fonction de la différence de capacité d'adsorption des molécules d'azote et d'oxygène sur des tamis moléculaires d'oxygène spécialisés et très efficaces, lors des processus d'adsorption sous pression positive et de désorption sous pression négative.

Un automate programmable (PLC) contrôle les électrovannes, qui à leur tour régulent les vannes pneumatiques selon une séquence définie. Cela permet le fonctionnement automatique du système d'oxygène, assurant ainsi une production continue d'oxygène. Pendant ce temps, la pompe à vide évacue et rejette l'azote et les autres composants gazeux.

2.1.1 Réservoir d'adsorption

La structure à double adsorbeur assure une alimentation continue en gaz pour répondre aux demandes des clients. À l'intérieur de l'adsorbeur, des tamis moléculaires déshydratants et des tamis moléculaires LiX sont remplis pour séparer efficacement les composants de l'air et répondre aux exigences de production d'oxygène.

2.1.2 Vanne papillon pneumatique de commutation

Les électrovannes sont contrôlées par le système de contrôle pour commuter périodiquement le flux de gaz entre les deux adsorbeurs, assurant un fonctionnement stable de l'équipement d'oxygène.

2.1.3 Vanne papillon pneumatique de régulation

Pendant le processus d'égalisation de pression et de purge, une vanne papillon de régulation pneumatique est installée pour optimiser les effets d'égalisation et de purge. La vanne offre une réglabilité à pourcentage égal, une fuite nulle et une longue durée de vie, etc.

2.2 Système de puissance – Soufflante

En tant que composant de puissance d'admission d'air du système entier, la soufflante fournit une source de gaz sous pression positive appropriée pour le système de séparation oxygène-azote, jouant un rôle crucial dans le fonctionnement stable et efficace du système. Le système de soufflante comprend un filtre à air d'admission, la soufflante et son moteur correspondant, une vanne papillon pneumatique de commutation de dérivation, une vanne papillon manuelle, un échangeur de chaleur, des connecteurs à soufflet (ou joints flexibles) et d'autres équipements complets de soutien.

2.2.1 Unité de soufflante et moteur correspondant

La soufflante Roots est une soufflante à gaz à déplacement positif. À l'intérieur de son boîtier, deux rotors maintiennent un jeu d'engrènement spécifique et sont entraînés par des engrenages synchrones pour tourner à des vitesses égales dans des directions opposées. Ce mécanisme pousse le gaz inhalé de l'entrée à la sortie, surmontant la résistance du gaz à haute pression du côté de la sortie pour obtenir un refoulement forcé.

À l'intérieur du boîtier, deux rotors en forme de huit sont installés perpendiculairement sur une paire d'arbres parallèles. Les rotors sont entraînés par une paire d'engrenages avec un rapport de transmission de 1:1 pour tourner de manière synchrone dans des directions opposées. Un certain jeu est maintenu entre les rotors et entre les rotors et la paroi intérieure du boîtier de la pompe.

Le composant clé d'une soufflante Roots est le rotor, et le cœur du rotor réside dans son profil. Les roues adoptent un profil spécial nouvellement conçu, assurant un jeu d'engrènement uniforme entre les deux rotors, réduisant les fuites internes et améliorant l'efficacité volumétrique. De plus, des composants de haute précision et haute performance tels que des engrenages synchrones, des roulements et des joints PTFE garantissent un fonctionnement stable avec de faibles vibrations.

Le moteur correspondant est un moteur asynchrone triphasé avec un indice de protection IP23–IP54 et une classe d'isolation F. Il présente une haute efficacité, des économies d'énergie, un faible bruit, des vibrations minimales, une conception légère, des performances fiables et une installation et une maintenance faciles.

2.2.2 Vanne papillon pneumatique de commutation de dérivation et vanne papillon manuelle

Pour améliorer le taux de récupération du gaz produit pendant le processus VPSA et PSA, les 2 adsorbeurs subissent un processus d'égalisation pendant une certaine période. Pendant cette phase d'égalisation, la soufflante contourne et évacue l'excès de gaz. De plus, pour éviter le reflux lorsque la soufflante s'arrête, un mécanisme de protection par dépressurisation de dérivation est nécessaire. Par conséquent, un système de dérivation est installé, où la vanne papillon pneumatique de commutation est programmée pour décharger à l'extérieur. En outre, une vanne papillon manuelle est installée pour réguler efficacement la pression de sortie de la soufflante.

La vanne est une vanne papillon pneumatique à siège dur double excentrique, conçue pour des commutations fréquentes à cycle court. Elle présente une fuite nulle, une longue durée de vie et un temps de commutation court.

2.2.3 Échangeur de chaleur

Après pressurisation par la soufflante, la température de l'air à la sortie atteint environ 65 °C, tandis que la condition de travail optimale pour le tamis moléculaire se situe entre 30 et 40 °C. Pour assurer une utilisation efficace du tamis moléculaire, un échangeur de chaleur est nécessaire pour refroidir l'air chauffé.

2.2.4 Connecteur à soufflet

Pendant le fonctionnement de la soufflante Roots, des vibrations importantes sont inévitables. Pour minimiser l'impact des vibrations sur les équipements en aval et réduire le bruit causé par les vibrations, des connecteurs flexibles appariés et des connecteurs à soufflet sont installés à l'entrée et à la sortie de la soufflante.

2.3 Système de puissance – Pompe à vide

Une fois que le tamis moléculaire atteint la saturation dynamique pendant l'adsorption, la désorption et la régénération sont nécessaires. Des études ont montré que la régénération du tamis moléculaire est plus efficace sous pression négative (vide). Le système de pompe à vide est un composant indispensable du système entier. Il se compose de l'unité de pompe à vide et de son moteur correspondant, d'une vanne papillon pneumatique de commutation de dérivation, d'une vanne papillon manuelle, de connecteurs à soufflet (ou connecteurs flexibles) et d'autres équipements auxiliaires.

2.3.1 Unité de pompe à vide et moteur

La pompe à vide Roots est une pompe à vide volumétrique rotative, dérivée structurellement de la soufflante Roots. Son principe de fonctionnement est identique à celui de la soufflante Roots.

2.3.2 Vanne papillon pneumatique de commutation de dérivation et vanne papillon manuelle

Pour éviter le reflux lorsque la pompe à vide est arrêtée, une dérivation est installée pour libérer la pression à l'avance, assurant un démarrage et un arrêt à pression nulle. Une vanne de dérivation est installée à cette fin. De plus, une vanne papillon manuelle est utilisée pour des réglages fins de la pression d'aspiration de la pompe à vide.

La vanne est une vanne papillon de commutation à siège souple, conçue pour répondre aux exigences de fuite nulle dans des conditions de commutation à long terme.

2.3.3 Connecteur à soufflet

Pendant le fonctionnement de la pompe à vide Roots, des vibrations importantes sont inévitables. Pour minimiser l'impact des vibrations sur les équipements en aval et réduire le bruit causé par les vibrations, des connecteurs flexibles ou des connecteurs à soufflet sont installés à l'entrée et à la sortie de la pompe à vide.

2.4 Système d'air instrument

Les vannes papillon pneumatiques et les vannes papillon pneumatiques de régulation nécessitent une source d'air instrument d'environ 0,5 à 0,7 MPa comme force motrice de l'actionneur lors de la commutation de contrôle automatique. Le système se compose de composants tels qu'un filtre de traitement de l'air source et un réservoir de stockage d'air. Pour garantir le taux de fonctionnement, une vanne de dérivation est ajoutée à l'unité de filtration qui nécessite une maintenance et un entretien fréquents.

2.5 Réservoir tampon d'oxygène

Le système de réservoir tampon d'oxygène se compose principalement d'un réservoir tampon d'oxygène, d'un débitmètre à orifice, d'un analyseur de pureté d'oxygène, d'une vanne de régulation et d'un capteur de pression.

Le réservoir tampon d'oxygène constitue une mesure clé pour atténuer les fluctuations excessives de pression dans les adsorbeurs et pour stabiliser la pression et la pureté de l'oxygène produit.

2.6 Système de compression d'oxygène (optionnel)

Le système de compression d'oxygène se compose d'une vanne papillon spécifique à l'oxygène, d'un compresseur d'oxygène et d'autres composants. Sa fonction principale est d'augmenter la pression de l'oxygène produit pour atteindre la pression requise par l'utilisateur et de l'acheminer vers le réservoir de stockage d'oxygène.

Le système de réservoir de stockage d'oxygène comprend des réservoirs de stockage d'oxygène, des vannes, des manomètres, des soupapes de sécurité et d'autres composants. Sa fonction principale est de stocker une partie de l'oxygène produit, garantissant ainsi une sortie d'oxygène stable. De plus, il fournit un approvisionnement temporaire en oxygène en cas d'arrêt imprévu, évitant ainsi une défaillance du système d'alimentation en oxygène.

2.7 Système de contrôle électrique et d'instrumentation

Le système de contrôle électrique et d'instrumentation comprend un ordinateur industriel, une armoire de commande électrique, une armoire d'instrumentation, un automate programmable (PLC), des électrovannes, des voyants lumineux, des boutons de commande et d'autres composants.

Le système fonctionne automatiquement selon le programme édité dans l'automate, contrôlant la mise sous tension et hors tension des électrovannes, qui à leur tour ouvrent et ferment les vannes pneumatiques via le système de commande pneumatique. Il collecte et traite divers signaux, affichant l'état de fonctionnement de l'équipement d'oxygène. Les utilisateurs peuvent définir ou modifier les paramètres de contrôle sur l'ordinateur industriel pour configurer ou vérifier l'état de fonctionnement de l'équipement.

2.8 Système d'eau

Le système d'eau se compose généralement de deux parties : le système d'eau de circulation et le système d'eau d'étanchéité. Le système d'eau de circulation comprend principalement une tour de refroidissement, des pompes à eau, des filtres, des canalisations d'alimentation et de retour d'eau, ainsi que les vannes associées. Il fournit de l'eau de circulation de refroidissement pour l'ensemble du système d'oxygène. Le système d'eau d'étanchéité est principalement utilisé pour alimenter en eau la roue de la pompe à vide afin d'améliorer l'étanchéité, permettant ainsi d'atteindre un niveau de vide plus élevé pendant le processus de désorption. De l'eau douce ou déminéralisée, dont le système de production est fourni par des fabricants spécialisés, est généralement utilisée à cette fin.

Le VPSA de PKU Pioneer et La technologie de production d'oxygène par adsorption modulée en pression (PSA) se distingue comme une solution économique, flexible et fiable pour l'alimentation industrielle en oxygène. Avec une plage de débit d'oxygène de 50 à 100 000 Nm³/h et des niveaux de pureté généraux de 80 à 94 %, nos systèmes d'oxygène offrent des avantages de coût nettement inférieurs par rapport aux méthodes traditionnelles d'ASU (Unités de Séparation d'Air) ou de LOX (Oxygène Liquide). L'adsorbant à base de lithium produit en interne et la conception innovante du procédé à tour radiale garantissent une capacité d'oxygène plus élevée, des performances optimales et une efficacité énergétique. Au cours des 25 dernières années, nous avons mis en œuvre avec succès plus de 400 projets d'usines d'oxygène dans le monde, y compris le plus grand système VPSA-O2 au monde (146 000 Nm³/h) et la plus grande usine VPSA-O2 de Chine (87 500 Nm³/h).

PKU Pioneer a exporté des systèmes VPSA/PSA vers plus de 20 pays et régions, desservant plus de 30 industries avec une expertise éprouvée. Notre générateur VPSA-O2 conteneurisé SPOX certifié CE a été exporté vers l'Italie et le Installation PSA-CO sera construit aux États-Unis. Avec le plus grand nombre de références VPSA et PSA dans le monde, PKU Pioneer continuera à mener l'industrie en fournissant des solutions d'oxygène efficaces, durables et personnalisées pour répondre aux besoins uniques de davantage de clients.