Ventiltechnik für Druckwechseladsorptions-Anlagen

Die Druckwechseladsorption – englisch pressure swing adsorption (PSA) – ist ein etabliertes Verfahren zur Trennung und Aufreinigung von Gasen. Das Einsatzgebiet dieser Technologie ist vielseitig und technisch weit verbreitet. Während PSA-Anlagen in der Chemietechnik zur Produktion von Industriegasen eingesetzt werden, erfuhren sie zu Hochzeiten der Corona-Pandemie eine starke weltweite Nachfrage zur Herstellung von medizinischem Sauerstoff. Für die Entcarbonisierung der Energiebranche sind sie wiederum ein wichtiger Baustein bei der Erzeugung von grünem Wasserstoff: Das begehrte Gas wird nach der Herstellung durch Elektrolyseverfahren oder Dampfreformierung häufig über PSA-Anlagen gereinigt.

Das Funktionsprinzip von PSA-Anlagen basiert auf der selektiven Adsorption unter periodischen Druckwechseln. Bei einem typischen PSA-System werden Molekularsiebe in einen Drucktank gefüllt und bilden das sogenannte Adsorptionsbett. Das aufzureinigende Gasgemisch wird nun unter Druck durch das Adsorptionsbett geleitet. Bei diesem Vorgang reichern sich die leicht zu adsorbierenden Gaskomponenten an der Oberfläche des Adsorbtionsmittels an, während die gering oder gar nicht adsorbierbaren Komponenten die Schüttung passieren. Je höher der Druck, desto stärker die Adsorption. Daher erfolgt der Prozess normalerweise bei 7 bis 8 bar.

Die Anreicherung des Adsorptionsmittels erfolgt bis zu einem Gleichgewichtszustand, danach ist das Fassungsvermögen erschöpft. Um den Gastrennprozess erneut durchzuführen, muss das Adsorptionsmittel durch Desorption regeneriert werden. Für die Desorption genügt es, den Druck zu senken und das Bett mit gereinigtem Gas durchzuspülen. Bei der Gewinnung von Stickstoff strömt beispielsweise komprimierte, getrocknete und gefilterte Luft in den Adsorptionstank ein. Dadurch wird Sauerstoff selektiv in den Molekularsieben adsorbiert. Gereinigter Stickstoff strömt aus.

Für den kontinuierlichen Betrieb einer PSA-Anlage werden zwei oder mehr Adsorptionstanks alternierend betrieben, die zwischen Ad- und Desorptionszyklen wechseln. Während in einem Tank der Adsorptionsprozess läuft, wird parallel der zweite Behälter regeneriert, also entlüftet und gespült. Das Verschieben des Überdrucks zwischen den parallelen Adsorptionsbehältern ermöglicht den kontinuierlichen Betrieb des Systems mit hoher Energieeinsparung.

Die Anforderungen an die Reinheit von PSA-produziertem Gas ist hoch. In der Regel versprechen Hersteller eine hochreine oder sogar ultrareine Gasqualität zwischen 93 und 99,999 %. Ob eine PSA-Anlage effizient und zuverlässig zu betreiben ist, steht und fällt mit der Qualität des Prozessequipments.

Für den Bereich der Ventil-, Mess-, und Regeltechnik bieten Hersteller wie Gemü ein breites Lösungsangebot an, das passgenau auf die Anforderungen von PSA-Anlagen abgestimmt ist. Maßgebend für die Auslegung sind Prozessparameter wie das Medium, der Betriebsdruck oder andere besondere Bedingungen wie der bidirektionale Durchfluss bei parallel betriebenen Tanks. Aber auch die Einsparung von Bauraum spielt eine Rolle, wenn es für den Anlagenbauer darum geht, wettbewerbsfähig zu bleiben.

Je nach Anwendungsgebiet kommen in PSA-Anlagen unterschiedliche Medien wie Luft, Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Methan oder Kohlenstoffdioxid zum Einsatz. Während Luft als chemisch neutrales Medium keine große Herausforderung bei der Ventilauswahl in PSA-Anlagen darstellt, sollte spätestens beim Handling brennbarer Medien wie zum Beispiel korrosivem Sauerstoff ein hoher Wert auf die Materialbeständigkeit und eine sichere Konstruktion der Armatur gelegt werden.

Sauerstoff gilt als kritisches Betriebsmedium, denn viele Stoffe verbrennen mit verdichtetem oder reinem Sauerstoff heftig und schnell. Deswegen ist bei PSA-Anlagen, in denen gasförmiger Sauerstoff zum Einsatz kommt, besondere Sorgfalt geboten. Nichtmetallische Werkstoffe für den Betrieb mit Sauerstoff oder Gasgemischen mit einem Sauerstoffanteil größer 25 % müssen in Deutschland durch die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) geprüft und beurteilt werden.

Für den sicheren Anlagenbetrieb legt Gemü besonderen Wert auf die Auswahl geeigneter Werkstoffe. Im Fall von Sauerstoffanwendungen betrifft das vor allem die Hilfs- und Dichtwerkstoffe. Darum sind beispielsweise alle Dichtwerkstoffe bei Ventilen des Herstellers, die für Anwendungen mit gasförmigem Sauerstoff konform sind, aus BAM-geprüften Werkstoffen hergestellt.

Voraussetzung für den effizienten Betrieb einer PSA-Anlage ist die exakte Druck- und Durchflussmessung. Ein ineffizienter Druckwechsel führt zu verringerter Leistung, höheren Betriebskosten und möglicherweise zur Beschädigung der Adsorptionsbetten. Der Drucksensor Gemü 3140 eignet sich beispielsweise für präzise Messungen in einem breiten Druckbereich. Für Anwendungen mit chemisch aggressiven Medien sind die medienberührenden Teile mit PVDF-Ummantelung erhältlich.

Für die Einspeisung, den Druckwechsel, die Spülung und die Entlüftung ist hingegen eine präzise Durchflussregelung erforderlich. Hier werden oft Sitzventile verwendet. Dies ist auf ihre Kompatibilität mit unter mäßigem Druck stehenden Gasen und ihre zuverlässige, langlebige Funktion bei hohen Schaltzyklen zurückzuführen. Dank der beliebigen Einbaulage ermöglichen Membranventile dagegen den bidirektionalen Fluss beim Druckwechsel.

Mit den hohen Sicherheits- oder Qualitätsanforderungen benötigen alle automatisierten Prozesse in PSA-Anlagen eine Überwachung der verbauten Ventile. Die Steuerung und Regulierung der Anlage bei den einzelnen Prozessschritten wird durch zuverlässige Positionsanzeiger und Stellgeräte mit SPS-Einheiten gewährleistet. Pneumatische Antriebe liefert der Ventiltechnik-Anbieter ab Werk als geprüftes Gesamtsystem mit angebautem Stellungs- und Prozessregler. Das minimiert den Aufwand in der Logistik und der Installation der Anlage vor Ort und vereinfacht die Dokumentation.

Neben den Prozessbedingungen spielen auch betriebswirtschaftliche Faktoren eine wichtige Rolle, um PSA-Anlagen wettbewerbsfähig zu betreiben. Unabhängig vom produzierten oder gereinigten Gas haben alle PSA-Anlagen eine Gemeinsamkeit: Medien müssen schnell und präzise geleitet werden, um einen eng getakteten Betrieb zu ermöglichen. Für die Armaturen in der Anlage bedeutet das, dass sie zum einen unter hoher Auslastung zuverlässig funktionieren und zum anderen möglichst wartungsarm sein müssen.

Die weitverbreitete Bauweise in Skids oder als Container-Lösung stellt zudem besondere Anforderungen an den Platzbedarf der Anlage, der sich mit modernen Block- oder Modullösungen im Bereich der Armaturen und Messgeräte minimieren lässt, während bei konventioneller Bauweise die einzelnen Komponenten in Summe viel wertvollen Platz einnehmen. Der Anlagenbauer muss nicht nur die Ventil- und Messtechnik, die Stellglieder und Stellungsregler mit den Versorgungsleitungen verbinden, sondern vor allem auch einzelne Rohrleitungsstücke, Fittings und Dichtungen zwischen all diesen Komponenten montieren. Anlagenbauer, die ihren Kunden mit kompakten und wartungsfreundlichen Anlagen Kostenvorteile verschaffen, sind somit im Vorteil.

Mit Mehrwege-Ventilblöcken wie dem Gemü P600 oder anderen modularen Verteilsystemen wie dem Gemü 553, das aus direkt adaptierbaren Einzelmodulen besteht, erzielen Anlagenbauer nicht nur eine deutliche Platzersparnis durch die direkte Verbindung der einzelnen Anlagenkomponenten, sondern sparen auch zusätzliches Rohrleitungsmaterial. Speziell Mehrwege-Ventilblöcke verringern außerdem potenzielle Leckage­stellen, wenn sie aus einem Stück gefertigt werden.

Durch die einfache und feste Verbindung der Einzelmodule erfolgt die Installation mit wenigen, einfachen Handgriffen. Davon profitieren auch Anlagenbetreiber, da Wartungen bei der Instandhaltung schneller und einfacher durchgeführt werden können. Ein flexibles Baukastensystem erlaubt zudem eine nachträgliche Ergänzung weiterer Einheiten ohne großen Aufwand.