PSA Azot Jeneratörleri: Mühendislik Perspektifinden Detaylı İnceleme

1- PSA nedir? Temel prensip

PSA (Pressure Swing Adsorption – Basınç Salınımlı Adsorpsiyon), basınçlı hava içindeki azotu (N₂) oksijenden (O₂) ve diğer gazlardan ayırmak için kullanılan, katı adsorban malzeme esaslı bir ayırma teknolojisidir.

• Basınç yükseltilirken: Adsorban (çoğunlukla Karbon Moleküler Sieve – CMS) oksijen ve bir miktar CO₂ / H₂O’yu tutar, azot zenginleşmiş akış ürün tarafına geçer.
• Basınç düşürülürken: Adsorban üzerindeki O₂, CO₂ ve H₂O serbest bırakılır ve kolon rejenerasyon görür.

Bu iki faz, tipik olarak iki veya daha fazla kolon arasında sürekli döngüsel olarak yürütülür; böylece sistem 7/24 sürekli azot üretimi yapar.

2- Kullanılan adsorban: CMS (Carbon Molecular Sieve)

PSA azot jeneratörlerinin kalbi, içi CMS malzemesiyle doldurulmuş kolonlardır.

• CMS, belirli gözenek boyutuna sahip, yüksek yüzey alanlı karbon tanecikleridir.
• Gözenek boyutu ve yüzey kimyası sayesinde, O₂ molekülleri N₂’ye göre daha hızlı adsorplanır.
• Hava kolonun girişinden verildiğinde, CMS yatak üzerinde önce O₂ tutulur, N₂ ise daha ilerilere geçerek ürün hattına çıkar.

Tasarımda kritik parametreler:

• CMS yoğunluğu ve yatak yüksekliği
• Bed Speed Factor (BSF): kg CMS başına Nm³/h N₂ üretimi

Breakthrough (geçiş) süresi: O₂ konsantrasyonunun yatak çıkışında artmaya başladığı an

3- PSA çevrimi: Adım adım proses

Tipik iki kolonlu bir PSA azot jeneratörü çevrimi şu ana safhalardan oluşur:

1. Basınçlandırma (Pressurization)
   • Kolon, bir önceki döngüden düşük basınçtadır. Girişten basınçlı hava verilerek işletme basıncına (örneğin 7 bar(g)) getirilir.
   • Bu adımda ürün valfi kapalıdır; kolon sadece doldurulur.
2. Adsorpsiyon / Ürün Verme (Adsorption / Production)
   • Kolon işletme basıncındadır.
   • Girişten kuru hava beslenirken, CMS O₂’yi adsorblar; N₂ zenginleşmiş gaz ürün çıkışından alınır.
   • Ürün tankına gönderilen bu gaz istenen saflığa göre (95% – 99,999% aralığı) kontrol edilir.
3. Basınç Eşitleme (Equalization)
   • Ürün vermesi biten yüksek basınçtaki kolon ile, rejenerasyondan çıkan düşük basınçtaki kolon arasında gaz transferi yapılır.
   • Amaç: Yüksek basınçlı kolondaki enerjinin ve N₂’nin bir kısmını diğer kolona aktararak enerji tasarrufu ve verim artışı sağlamaktır.
4. Depresyon / Blowdown
   • Kolon atmosfere veya düşük basınç seviyesine indirilir.
   • Basınç düşerken, CMS üzerinde tutulan O₂, CO₂ ve su buharı desorbe olur.
5. Purge (Süpürme)
   • Düşük basınçta, az miktarda yüksek saflıkta N₂ ters yönde kolondan geçirilir.
   • Bu adım, yataktaki son O₂ kalıntılarını da uzaklaştırır ve kolon bir sonraki döngü için hazırlanır.

Bu adımlar iki kolon arasında faz kaydırılarak işletilir; bir kolon ürün verirken diğeri rejenerasyon halindedir. Böylece sistem kesintisiz N₂ üretir.

4- Temel tasarım parametreleri

4.1. Giriş havası

• Basınç: Genellikle 7–10 bar(g) aralığı
• Sıcaklık: 5–40 °C (yatak performansı sıcaklığa duyarlıdır)
• Hava kalitesi: ISO 8573-1’e göre genellikle Class 1.4.1 veya daha iyi; yağ, su ve partikül mutlaka kontrol altına alınmalıdır.

Bu yüzden tipik bir PSA sistemi öncesinde:

• Vidalı kompresör
• Soğutmalı/kimyasal kurutucu
• Koalesens ve partikül filtreleri
• Yağ buharı giderici aktif karbon filtresi

bulunur.

4.2. Basınç ve saflık

• Adsorpsiyon basıncı yükseldikçe, CMS daha fazla O₂ adsorplar → Aynı saflık için daha küçük yatak veya aynı yatakla daha yüksek saflık mümkündür.
• Saflık–verim–enerji arasında tipik bir denge vardır:
  • Saflık arttıkça (%99,9 → %99,999),
    • Gerekli hava miktarı artar,
    • N₂ üretim verimi düşer,
    • Kompresör enerji tüketimi yükselir.

Tasarımda genellikle müşteri prosesinin ihtiyacına göre optimum saflık seçilir (örneğin lazer kesim için %99,95–99,999; gıda için %99,5–99,9 gibi).

4.3. Çevrim süresi

• Toplam cycle time (bir kolon için tüm adımlar): tipik olarak 60–180 saniye aralığındadır.
• Çok kısa çevrimler → adsorpsiyon için yeterli temas süresi olmaz, saflık bozulur.
• Çok uzun çevrimler → CMS daha fazla doyduğundan breakthrough riski artar, daha büyük yatak gerekir.

4.4. Kapasite hesabı (özet mantık)

Kapasite hesabında kabaca:

1. Hedef: Nm³/h N₂ debisi ve saflık belirlenir.
2. Buna göre gerekli hava debisi, üretici CMS datasından veya deneysel korelasyonlardan bulunur.
3. Seçilen cycle time ve BSF değerine göre kolon hacmi ve çapı hesaplanır.
4. Ardından giriş/çıkış tankları, borulama, valfler ve kontrol sistemi boyutlandırılır.

5- PSA azot jeneratörü sistem bileşenleri

Tipik bir PSA azot jeneratörü çözümü aşağıdaki ana bileşenlerden oluşur:

1. Kompresör (genelde yağ enjeksiyonlu vidalı kompresör)
2. Hava ön arıtma sistemi
   • Soğutmalı veya kimyasal kurutucu
   • Filtreler (koalesens, partikül, aktif karbon vs.)
3. Hava tankı (buffer)
4. PSA ünitesi
   • İki veya daha fazla adsorpsiyon kolonu (CMS dolu)
   • Otomatik pnömatik / elektrik tahrikli valfler
   • Borulama, sessizleştirici, egzoz hatları
5. Azot ürün tankı
6. Kontrol ve otomasyon sistemi
   • PLC, HMI, basınç sensörleri
   • O₂ analizörü, debimetre
   • Uzaktan izleme (Ethernet/Modbus vb.) opsiyonları

6- PSA azot jeneratörlerinin avantajları

1. Yerinde üretim (On-site generation)
   • Tüp / tank tedarikine bağımlılık ortadan kalkar.
   • Lojistik, kira ve buharlaşma (boil-off) kayıpları yoktur.
2. Düşük işletme maliyeti
   • Ana maliyet kalemi elektrik (kompresör ve yardımcı ekipman).
   • Orta–uzun vadede, özellikle yüksek tüketimli tesislerde, PSA çoğunlukla sıvı azota göre daha ekonomik hale gelir.
3. Esneklik
   • Saflık ve debi, kontrol sistemi ile ayarlanabilir (belirli sınırlar içinde).
   • İleriye dönük kapasite artırımı için ek modüller eklenebilir.
4. Güvenlik
   • Yüksek basınçlı tüp stokları azalır.
   • Sıvı azot tankı ve tanker operasyonlarına kıyasla sahada daha az kritik risk.
5. Çevresel faydalar
   • Tanker taşımalarının azalması → CO₂ emisyonu düşer.

Boş tüp – palet lojistiği ortadan kalkar.

7- Uygulama alanları

• Lazer kesim ve kaynak
• Isıl işlem ve metalurji (fırın atmosferi, nitrürleme, koruyucu atmosfer)
• Gıda ve içecek (MAP paketleme, inertleme, tank blanketleme)
• Kimya ve petrokimya (reaktör inertleme, boru hatlarının süpürülmesi)
• Elektronik, yarı iletken ve lityum-iyon pil üretimi
• Petrol & gaz (boru hattı kurutma, pigging operasyonları)
• Eczacılık ve biyoteknoloji

8- Bakım, işletme ve tipik arızalar

8.1. Rutin bakım

• Filtre elemanlarının periyodik değişimi
• Kurutucu bakım ve sarf malzemeleri
• Valf, sensör ve enstrüman kontrolleri
• O₂ analizörü kalibrasyonu
• CMS yatağının periyodik performans kontrolü (breakthrough testleri)

8.2. Tipik problem kaynakları

• Yetersiz hava kalitesi → CMS’nin yağ veya su ile zehirlenmesi
• Aşırı veya düzensiz yük değişimleri → saflık dalgalanmaları
• Basınç/akış kontrolünde yanlış ayarlar → kapasite veya saflık sorunları
• Tank hacimlerinin doğru seçilmemesi → sistemde sık dur/kalk ve basınç salınımı

9- PSA azot jeneratörleri vs. alternatif çözümler

10- Satın alma sürecinde sorulması gereken sorular

• Prosesimin azot debisi ve saflık gereksinimi nedir (Nm³/h ve %)?
• Pik ve ortalama tüketim değerleri nasıl?
• Hava tarafında mevcut kompresör altyapım, PSA için yeterli mi?
• Enerji maliyetlerim göz önüne alındığında, ROI (geri dönüş süresi) ne kadar?
• Hangi standart ve sertifikalara uyum isteniyor (CE, PED, ASME, ISO vb.)?
• Servis ve yedek parça desteği nasıl sağlanacak (yerel servis, uzaktan izleme)?

Bu sorulara net cevap vermek, doğru boyutlandırılmış ve sürdürülebilir bir PSA azot jeneratörü yatırımının anahtarıdır.