Генерация азота КЦА/PSA — принцип работы, схемы и требования

Короткоцикловая адсорбция (КЦА, PSA — Pressure Swing Adsorption) основана на избирательной способности современных адсорбентов — главным образом цеолитов типа CMS (Carbon Molecular Sieve) — задерживать молекулы кислорода, влаги, CO₂ и ряда лёгких углеводородов при повышенном давлении.

Молекулярные механизмы разделения кислорода и азота — Структурные различия молекул O₂ и N₂: меньшие молекулы кислорода легче проникают в поры адсорбента CMS, что позволяет эффективно отделять их от азота.

Благодаря различию в размерах и динамике сорбции, кислород и примеси удерживаются в гранулах CMS значительно сильнее. Азот при этом проходит через слой практически свободно, формируя стабильный поток с заданной чистотой.

Принцип работы PSA-генератора: двухколоночная схема

Схема принципа работы PSA генератора — Классическая двухколоночная система PSA: одна колонна поглощает кислород, вторая в этот момент регенерируется.

PSA-генераторы используют минимум две адсорбционные колонны, работающие попеременно:

Колонна А — Адсорбция. Сжатый воздух поступает под давлением, кислород и примеси удерживаются CMS, на выходе — поток азота.
Колонна B — Десорбция. Давление резко сбрасывается, адсорбент освобождается от кислорода и влаги.

Две колонны обеспечивают непрерывность процесса — пока одна работает под нагрузкой, вторая готовится к следующему циклу. Частота переключения составляет от 40 до 120 секунд, что и называется коротким циклом адсорбции.

Циклы адсорбции и десорбции

Цикл адсорбции и десорбции PSA — Последовательность стадий типичного PSA-цикла: адсорбция, выравнивание давления, десорбция, продувка и восстановление.

Полный цикл включает 4–5 стадий:

Адсорбция. Загрязняющие газы удерживаются CMS.
Выравнивание давления. Часть азота используется для мягкого перехода в колонну, что снижает удельное энергопотребление.
Десорбция. Давление сбрасывается, кислород выходит из колонны.
Продувка. Небольшой поток чистого N₂ из второй колонны удаляет остаточные молекулы примесей.
Восстановление давления. Колонна готовится к следующему циклу.

Адсорбент CMS: структура и свойства

Структура адсорбента CMS — Внутренняя структура CMS: микропоры диаметром 3–4 Å обеспечивают селективность по молекулам кислорода.

Карбоновые молекулярные сита (CMS) образуют систему микропор наномасштаба. Диаметр пор подобран так, чтобы кислород проникал в структуру, а азот — проходил поверхностным слоем. Это создаёт **эффект кинетической селективности** — ключевой механизм PSA.

Зависимость расхода и производительности от чистоты

График зависимости производительности от чистоты азота — Типичная кривая производительности PSA-генератора: рост чистоты выше 99,5% резко снижает выход продукта.

Производительность PSA-генератора напрямую зависит от требуемой чистоты. Если потребитель требует 95–99,5%, генератор работает экономично и стабильно. Но при чистоте 99,9% и выше:

расход воздуха растёт на 50–300%
цикл адсорбции укорачивается
ресурс CMS снижается при неправильной подготовке воздуха

Подготовка воздуха и требования к компрессорной станции

Система подготовки воздуха для PSA — Схема подготовки воздуха: компрессор → осушитель → фильтры → ресивер → PSA.

PSA-генераторы чувствительны к качеству воздуха. Перед ними всегда устанавливается система подготовки, включающая:

винтовой компрессор нужной производительности
осушитель (рефрижераторный или адсорбционный — зависит от чистоты)
механические и угольные фильтры классов 1, 0.01, АК
воздушный ресивер

Правильная подготовка защищает CMS от конденсата, масла, аэрозолей, продлевает срок службы и обеспечивает стабильность чистоты.

Применение PSA-азота

Сферы применения PSA азота — Основные отрасли применения PSA-генераторов: пищевая промышленность, металлургия, фармацевтика, электроника, лазерная резка и др.

PSA-генераторы сегодня заменяют баллоны и криогенные установки во многих сферах:

Пищевая промышленность: MAP-упаковка, вытеснение кислорода.
Металлургия: инертирование печей и резервуаров.
Электроника: бессемянная среда при пайке и производстве полупроводников.
Фармацевтика: защита сырья от окисления.
Лазерная резка: стабильный поток азота высокой чистоты.

Генерация азота по технологии КЦА (PSA)

Технология короткоцикловой адсорбции (КЦА/PSA) для получения азота