Das Funktionsprinzip sauerstofferzeugender Molekularsiebe

Das Funktionsprinzip sauerstofferzeugender Molekularsiebe basiert auf der Druckwechseladsorptionstechnologie (PSA). Dabei wird die hohe Selektivität des Molekularsiebs für Stickstoffgas genutzt. Durch einen zyklischen Prozess aus Druckadsorption und druckloser Desorption wird die Trennung von Sauerstoff und Stickstoff erreicht. Der Prozess umfasst vier Hauptschritte: Luftkompression, Vorbehandlung, Adsorptionstrennung und Regeneration des Molekularsiebs.

1. Luftkompression und Vorbehandlung

Die Luft wird zunächst durch einen Kompressor auf 0,5–0,7 MPa komprimiert. Anschließend wird sie durch einen Kühler gekühlt und die Feuchtigkeit über Kältetrockner entfernt, wodurch saubere, komprimierte Luft entsteht. Dieser Schritt stellt eine stabile Gasquelle für die anschließende Adsorptionstrennung bereit und verhindert, dass Feuchtigkeit die Leistung des Molekularsiebs beeinträchtigt.

2. Adsorptionstrennverfahren

Die Hauptbestandteile der Luft sind Stickstoff (ca. 78 %) und Sauerstoff (ca. 21 %). Obwohl ihre Molekülgrößen ähnlich sind (der kinetische Durchmesser von Stickstoffmolekülen beträgt ca. 0,364 nm, der von Sauerstoffmolekülen ca. 0,346 nm), unterscheiden sie sich in ihren chemischen Eigenschaften. Die vorbehandelte Luft gelangt in den mit Molekularsieben gefüllten Adsorptionsturm. Die mikroporöse Struktur des Molekularsiebs adsorbiert bevorzugt Stickstoff, während Sauerstoff aufgrund seines kleineren kinetischen Durchmessers und seiner langsameren Diffusionsrate angereichert und als Produktgas abgegeben wird. Dabei kann die Sauerstoffreinheit über 90 % erreichen.

3. Regeneration und Zyklisierung von Molekularsieben

Sobald das Molekularsieb mit adsorbiertem Stickstoff gesättigt ist, wird es durch Druckentlastung regeneriert, um den Stickstoff freizusetzen und seine Adsorptionskapazität wiederherzustellen. Das System verwendet typischerweise ein Doppel- oder Mehrturm-Design, bei dem die Türme abwechselnd Adsorption und Desorption durchführen, um eine kontinuierliche Sauerstoffproduktion zu ermöglichen. Der Arbeitszyklus jedes Turms umfasst fünf Phasen: Adsorption, Druckabbau, Reinigung, Regeneration und Druckbeaufschlagung.