Teste de tecnologia de produção de oxigênio de adsorção com oscilação de pressão em pequena escala

 Tecnologia de produção de oxigênio por adsorção com oscilação de pressão em pequena escala
 

A tecnologia de produção de oxigênio por adsorção com pequena oscilação de pressão (PSA) usa o ar como matéria-prima para produzir oxigênio por meio de adsorção física, tendo a eletricidade como única fonte de energia. Poucos minutos depois de ser ligado, o equipamento pode produzir continuamente oxigênio medicinal com um teor de oxigênio superior a 90%, atendendo aos padrões de assistência médica. Esta tecnologia oferece vantagens como operação simples, confiabilidade, fornecimento de oxigênio a longo prazo e economia.

Os pequenos concentradores de oxigênio PSA são amplamente utilizados em hospitais, residências, hotéis, bares de oxigênio e outros locais públicos, com requisitos rígidos de tamanho, peso, ruído e consumo de energia. Para atender a essas demandas, os concentradores devem ser compactos, leves, portáteis, silenciosos e energeticamente eficientes. Para melhorar ainda mais o desempenho do pequeno gerador de oxigênio PSA, este estudo explora fatores que influenciam a produção de oxigênio, incluindo seleção de peneira molecular, tempo de comutação, otimização de etapas de equalização de pressão e capacidade do tanque de armazenamento de oxigênio. O objetivo é melhorar a eficiência da produção de oxigênio, reduzir o consumo de energia e prolongar a vida útil do equipamento por meio dessas otimizações.

 

 

 

Fluxo do processo

A produção de oxigênio por adsorção por oscilação de pressão (PSA) depende das diferentes capacidades de adsorção das peneiras moleculares de zeólita para oxigênio e nitrogênio sob pressões variadas. A alta pressão, o nitrogênio é adsorvido, enriquecendo o oxigênio, enquanto a baixa pressão, o nitrogênio é dessorvido, produzindo um gás rico em oxigênio. Múltiplos leitos de adsorção são trocados em sequência para produção contínua de oxigênio. Os processos comuns de PSA incluem adsorção de alta pressão com dessorção atmosférica (PSA), adsorção pressurizada com dessorção a vácuo (VPSA) e adsorção atmosférica com dessorção a vácuo (VSA).

O processo PSA é amplamente utilizado na produção de oxigênio em pequena escala devido à sua simplicidade e baixo investimento, mas seu alto consumo de energia despertou o interesse no processo VPSA, mais eficiente em termos energéticos. Nos últimos anos, a tecnologia VPSA ganhou força em aplicações de pequena escala, com produtos já lançados no exterior.

Para melhorar a recuperação de gás, a pureza do oxigênio e reduzir o consumo de energia, foi introduzida a etapa de equalização de pressão (PE). Esta etapa conecta duas torres de adsorção, permitindo que o gás da torre de alta pressão flua para a torre de baixa pressão, equilibrando suas pressões. Esta recuperação de energia mecânica e otimização da distribuição da concentração de gás aumenta a eficiência energética e as taxas de recuperação.

Estudos mostram que o processo PSA com PE reduz significativamente as pressões de comutação, a perda de potência do compressor e a perda de potência do leito, ao mesmo tempo que melhora a eficiência energética e a recuperação de gás. Embora o PE tenha sido amplamente aplicado em sistemas de grande escala, a sua utilização em dispositivos de pequena escala é menos comum devido a limitações técnicas e de custo. Na produção de oxigênio PSA em pequena escala, o PE pode ser implementado na entrada, na saída ou em ambas as extremidades da torre de adsorção, melhorando o desempenho, a eficiência e a economia de energia.

 

 

Processo de teste

1-filtro; 2-compressor; 3-mais legal; 4-manômetro; 5-válvula solenóide de cinco vias e duas posições; 6-silenciador; 7-torre de adsorção; 8-válvula solenóide equalizadora de pressão; 9-válvula borboleta; 10-válvula de três vias; 11-válvula de retenção; 12-tanque de armazenamento de gás; 13-válvula limitadora de pressão;
14-medidor de vazão; 15-painel de controle

O dispositivo experimental utiliza um painel de controle para gerenciar a válvula solenóide de duas posições e cinco vias e a válvula solenóide de equalização de pressão, possibilitando três configurações de processo: sem equalização de pressão, equalização de pressão na entrada de ar e equalização de pressão em ambas as extremidades da adsorção torre. O sistema ajusta o tempo de equalização da pressão e o tempo de conexão da entrada de ar para alternar entre esses processos.

O ar é purificado, comprimido e resfriado antes de entrar na torre de adsorção com peneira molecular de zeólita para separação. O oxigênio separado flui para um tanque de armazenamento de gás, enquanto o nitrogênio restante é ventilado. O fluxo de oxigênio é controlado por um medidor de vazão e o tempo de comutação é ajustado através do painel de controle. O conteúdo de oxigênio é medido usando o método de solução de cobre e amônia e o medidor inteligente de oxigênio YHL.

Este experimento se concentra no impacto de fatores como tipo de peneira molecular, tempo de comutação, etapas de equalização de pressão, relação da torre de adsorção e volume do tanque de armazenamento na produção de oxigênio. Alguns parâmetros são adimensionais para uma análise mais clara dos seus efeitos no desempenho.

Conclusão
 

Diferentes tipos de peneiras moleculares têm impactos significativos na eficiência da produção de oxigênio, sendo a peneira molecular LiX o melhor desempenho. O uso do LiX pode reduzir bastante o tamanho da torre de adsorção, diminuir a proporção oxigênio-ar e melhorar o desempenho geral da máquina.

O tempo de comutação é um parâmetro chave na produção de oxigênio por adsorção por oscilação de pressão (PSA). O tempo de comutação ideal para um sistema específico deve ser determinado através de experimentação.

A introdução de uma etapa de equalização de pressão (PE) pode efetivamente aumentar o conteúdo de oxigênio e a taxa de recuperação, levando à economia de energia. A adição de uma única etapa de PE melhora significativamente a concentração de oxigênio e a taxa de recuperação. Portanto, para sistemas de produção de oxigênio PSA em pequena escala, um processo PE simples de uma etapa é comumente usado.

Aumentar a relação altura/diâmetro da torre de adsorção ajuda a melhorar o desempenho da produção de oxigênio em sistemas PSA de pequena escala. No entanto, proporções excessivamente elevadas podem reduzir a utilização de peneiras moleculares e causar efeitos de parede significativos, que impactam negativamente a eficiência da produção de oxigênio.

Aumentar a capacidade do tanque de armazenamento de gás ajuda a melhorar o teor de oxigênio e a reduzir as flutuações no fornecimento de oxigênio.