Funktionsweise eines Stickstoffgenerators: PSA vs. Membrantrenntechnologie

Die Verwendung von Stickstoffgas ist zur Standardmethode zur Verhinderung von Korrosion in Trockenrohr- und Sprinkleranlagen geworden.

Durch die Eliminierung von Sauerstoff in den Systemleitungen werden Korrosion und Ablagerungen minimiert. Dies trägt dazu bei, das Risiko von Leckagen zu verringern und die Bildung von hinderlichem Material zu verhindern, wodurch sichergestellt wird, dass das System im Brandfall wie vorgesehen funktioniert.

Während Stickstoffflaschen in einigen kleinen Systemen als Stickstoffquelle verwendet wurden, schränkt die Notwendigkeit, häufig Zylinder auszutauschen, und das Risiko falscher Auslösungen aufgrund des Verlusts von Druckhaltegas die Wirksamkeit dieses Ansatzes ein. Vielmehr ist die Installation von Stickstoffgeneratoren als permanente Stickstoffquelle sowohl für neue als auch für bestehende Anlagen zur bevorzugten Methode geworden.

Wenn es um die Stickstofferzeugungstechnologie geht, gibt es zwei Hauptmethoden zur Herstellung von Stickstoffgas vor Ort: Stickstofftrennmembranen und Druckwechseladsorption (PSA).

Obwohl jeder Ansatz seine Vor- und Nachteile hat, machen mehrere wichtige Vorteile die membranbasierten Generatoren von ECS zur idealen Wahl für die Sprinklerindustrie:

– Benötigen Sie keine Lufttrockner mit spezieller Zuluftfiltration
– Geringeres Gewicht, kleinere installierte Stellfläche
– Einfache Wartung / Reparatur
– Bereitstellung von Industriestandard 98% Stickstoff

Um die Hauptunterschiede zwischen den beiden Generatortypen besser zu verstehen, müssen Sie zunächst verstehen, wie sie Stickstoff produzieren. Während beide Generatoren hochreines Stickstoffgas aus Druckluft erzeugen, tun sie dies auf zwei deutlich unterschiedliche Arten, was einen großen Einfluss darauf hat, wie sie konstruiert und gewartet werden.

Membrantrennung: Das Herz eines Stickstoffgenerators, der die Membrantrennungstechnik verwendet, ist, wenig überraschend, die Trennmembran. Die Membran besteht aus Tausenden von Hohlfasern, durch die Druckluft geleitet wird. Die Wände jeder Faser sind für Gasmoleküle durchlässig, aber einige Gase können leichter passieren als andere. Diese ’schnellen‘ Gase, einschließlich Sauerstoff, CO2 und Wasserdampf, passieren die Faserwände und werden an die Atmosphäre abgegeben. Das ‚langsame‘ Gas, Stickstoff, durchläuft die Faserwand viel langsamer und erzeugt einen hochreinen Stickstoffstrom am Membranauslass. Es gibt keine beweglichen Teile zur Membran, einfach das Steuern des Drucks und der Strömungsgeschwindigkeit der Druckluft durch die Membranergebnisse in der Stickstoffproduktion des hohen Reinheitsgrades.
Druckwechseladsorption (PSA): PSA-Stickstoffgeneratoren verwenden Kohlenstoffmolekularsieb (CMS) -Material, um Sauerstoff aus der Quelldruckluft zu entfernen. Das Material besteht aus porösem Kohlenstoff mit fein kontrollierter Porengröße. Wenn Druckluft über das Material strömt, werden Sauerstoffmoleküle in die Poren adsorbiert, während die größeren Stickstoffmoleküle zum Abgas gelangen können. Schließlich wird das CMS mit Sauerstoffmolekülen gesättigt und es findet keine Gastrennung mehr statt.

Aus diesem Grund werden PSA-Generatoren immer mit zwei oder mehr Adsorptionskolonnen ausgelegt. Eine Säule trennt aktiv Gas, während die andere regeneriert wird, indem hochreiner Stickstoff durch sie geleitet wird, um den Sauerstoff abzustreifen und als Abgas abzuführen. Der Generator wechselt etwa alle 60 Sekunden zwischen den beiden Spalten. Die Notwendigkeit, zwischen den beiden Adsorptionskolonnen umzuschalten, führt zu der Notwendigkeit mehrerer automatisierter Steuerventile, was die potenziellen Fehlerstellen in der Einheit stark erhöht. Zusätzlich wird typischerweise ein Stickstoffpuffertank benötigt, um einen konstanten Druck und Durchfluss während des Umschaltens zwischen den beiden Adsorptionskolonnen zu gewährleisten.

Benötige ich einen Lufttrockner oder eine andere spezielle Filtration für meine Luftzufuhr?

Membrantrennung: Jeder Generator umfasst eine Inline-Filtration, um Partikel, flüssiges Wasser und Kohlenwasserstoffe aus dem Luftstrom zu entfernen, bevor sie in die Trennmembran eintreten. Die PRISM®-Membranen von Air Products, die ECS verwendet, sind so konzipiert, dass sie Wasserdampf herausfiltern, sodass kein Kühl- oder Trockenmitteltrockner mehr erforderlich ist.
Druckwechseladsorption (PSA): PSA-Einheiten umfassen typischerweise auch eine Inline-Filtration von Partikeln und Übertrag von Kohlenwasserstoffen in ihrer Quellluftleitung, um das CMS-Material zu schützen. Im Gegensatz zu Air Products PRISM® Membranen kann das CMS-Material in PSA-Einheiten jedoch durch Wasser / Wasserdampf in der Gasquelle beeinträchtigt werden. Wasserdampf würde auch vom CMS-Material adsorbiert, wodurch die Effizienz des Trennprozesses verringert und Stickstoff mit geringerer Reinheit erzeugt würde.

Darüber hinaus kann das CMS-Material beschädigt werden, wenn Wasser übertragen wird oder wenn Kondensation in den Adsorptionstanks auftritt. Flüssiges Wasser kann zu einer Kanalisierung des CMS-Materials führen, was zu einer falschen Luftströmung durch das Bett und einer verringerten Produktion führt. In einigen Fällen kann das CMS irreparabel beschädigt werden und muss vollständig ersetzt werden. Aus diesem Grund benötigen PSA-Generatoren immer einen gekühlten Lufttrockner am Einlassgasstrom, was zu einem weiteren potenziellen Fehlerpunkt und einem erhöhten Stromverbrauch führt.

Gibt es Unterschiede in der Größe/Gewicht /Footprint der beiden Methoden der Stickstofferzeugung?

Membrantrennung: Da die Membrantrennungstechnik so wenige bewegliche Teile benötigt, konnte ECS seine Systeme so konstruieren, dass sie den kleinsten Platzbedarf aller derzeit auf dem Markt befindlichen Stickstoffgeneratoren haben. Darüber hinaus verwendet ECS eine Füll- und Spülmethode, um die Sprinkleranlagen zu ineren, wodurch die Notwendigkeit eines Stickstoffspeicher- / Puffertanks entfällt, der Platzbedarf der Ausrüstung weiter reduziert und erhebliche Einsparungen sowie Material- und Arbeitskosten für die Installation erzielt werden.
Druckwechseladsorption (PSA): Die zusätzlichen Steuerungen, Ventile, Adsorptionsbetten, der Kühltrockner und der Stickstoffpuffertank, die für den PSA-Ansatz erforderlich sind, führen zu deutlich schwereren und sperrigeren Geräten. Dies führt zu höheren Installationskosten und einem größeren Platzbedarf am Installationsort.

Was ist die erwartete Lebensdauer des Geräts und was sind die daraus resultierenden Reparaturkosten?

Membrantrennung: Wie jedes andere verkaufte Produkt gibt es mehrere Hersteller von Stickstoffmembranen, einige produzieren ein hochwertiges Produkt und einige produzieren eine Wertoption. Seit seiner Gründung verwendet ECS Air Products PRISM® Membranen, die die höchste Qualität der verfügbaren Technologie darstellen. Air Products erfand die Stickstoffmembrantrennungstechnologie in den 1970er Jahren und hat sie weiter verbessert.

Derzeit sind ihre Membranen für eine Lebensdauer von zwanzig (20) Jahren bei einem Arbeitszyklus von 100% ausgelegt (in der Brandschutzindustrie verwenden wir die Membran bei einem Arbeitszyklus von nicht mehr als 10%). Die Kosten für den Austausch einer Membran betragen höchstens 25% der Kosten des Stickstoffgenerators. Darüber hinaus ist der Arbeitsaufwand für den Austausch einer Stickstoffmembran vor Ort minimal und kann innerhalb einer Stunde von einem Sprinklerinstallateur ausgeführt werden, um das Gerät wieder in Betrieb zu nehmen und das Brandschutzsystem wieder in Betrieb zu nehmen.
Druckwechseladsorption (PSA): Die meisten PSA-Hersteller berichten, dass das CMS-Material eine typische Lebensdauer von mehr als 20 Jahren hat, wenn eine ordnungsgemäße Wartung und Luftfiltration durchgeführt wird. Es ist jedoch nicht klar, ob der Austausch des CMS durch Personal vor Ort durchgeführt werden kann oder ob ein Vertreter des Herstellers den Austausch durchführen muss. Die Arbeiten würden die Demontage der beiden Adsorptionskolonnen, die Entfernung des alten CMS-Materials und das Umpacken der Säulen nach Originalspezifikationen mit neuem CMS-Material umfassen.

Die umgepackten Säulen müssten dann getestet werden, um sicherzustellen, dass eine ordnungsgemäße Gastrennung stattfindet. Dies ist eine arbeitsintensive Übung, die durchgeführt werden muss, während das Gerät außer Betrieb ist, was zu einem Verlust des Gases an die Trocken- und preaction Sprinkleranlagen. Zusätzlich zum CMS-Material führt die zusätzliche Komplexität der PSA-Generatoren zu zusätzlichen Ausfallstellen der Ausrüstung, sowohl an der Steuerausrüstung als auch an den automatisierten Ventilen, die den Fluss zwischen den beiden Adsorptionskolonnen umschalten. Jeder Ausfall dieser Komponenten würde dazu führen, dass das System außer Betrieb geht.

Gibt es einen Unterschied in der Produktionsrate oder Gasreinheit zwischen den beiden Arten von Stickstoffgeneratoren?

Stickstofftrennmembranen können typischerweise Stickstoff mit Reinheiten von bis zu 99,5% produzieren, während PSA-Stickstoffgeneratoren Reinheiten von bis zu 99,9995% erreichen können. Realistisch gesehen hat der Unterschied in der potenziellen Reinheit zwischen den beiden keine Bedeutung in der Sprinklerindustrie, wo 98% Stickstoffreinheit zum branchenweiten Standard für den Korrosionsschutz geworden ist.

Wie bei Luftkompressoren gibt es Stickstoffgeneratoren in einer Vielzahl von Modellen mit unterschiedlichen Stickstoffproduktionsraten. ECS verfügt über eine Reihe von acht (8) Stickstoffgeneratoren für ein breites Anwendungsspektrum, von einem einzelnen kleinen Trockenrohrsystem bis zu einer Anlage, die durch mehr als 25 Systeme geschützt ist, die alle von einem einzigen Stickstoffgenerator gespeist werden. ECS berücksichtigt bei der Dimensionierung seiner Generatoren sowohl die zulässigen Leckraten von NFPA 13 als auch NFPA 25, um sicherzustellen, dass sie immer mit der Systemnachfrage Schritt halten.