Σύγκριση κόστους πλήρωσης κυλίνδρων με την επιτόπια παραγωγή οξυγόνου PSA - Πληροφορίες

Comparing Cylinder Filling Costs with On-Site PSA Oxygen Production

Για τα εργοστάσια που καταναλώνουν οξυγόνο καθημερινά, η διαφορά κόστους μεταξύ των παραδοτέων κυλίνδρων και της επιτόπιας παραγωγής οξυγόνου εξαρτάται από περισσότερο από την αναγραφόμενη τιμή του αερίου. Ένα σύστημα που βασίζεται σε κύλινδρο μετακινεί την παραγωγή, τη συμπίεση, την αποθήκευση και τη μεταφορά οξυγόνου εκτός του εργοστασίου, ενώ ένα επιτόπιο σύστημα PSA μεταφέρει τις περισσότερες από αυτές τις λειτουργίες στην εγκατάσταση παραγωγής. Η προκύπτουσα δομή κόστους αλλάζει από μοντέλο αγοράς και παράδοσης σε μοντέλο ηλεκτρικής ενέργειας, συμπιεστή, συντήρησης και χρήσης εξοπλισμού.

Το οξυγόνο του βιομηχανικού κυλίνδρου φτάνει κανονικά στον χρήστη μέσω μιας σειράς παραγωγής, συμπίεσης, πλήρωσης, μεταφοράς, αποθήκευσης και μείωσης της πίεσης. Το οξυγόνο παράγεται σε μια κεντρική μονάδα αερίου και συμπιέζεται σε φιάλες από χάλυβα ή αλουμίνιο. Ανάλογα με τον σχεδιασμό του κυλίνδρου και τους τοπικούς κανονισμούς, οι βιομηχανικοί κύλινδροι μπορούν να γεμιστούν περίπου στα 150–200 bar στο πρατήριο καυσίμων.

Στο εργοστάσιο, οι κύλινδροι συνδέονται μεμονωμένα ή μέσω μιας πολλαπλής πολλαπλής ομαδοποίησης πολλαπλών κυλίνδρων σε τράπεζες έτσι ώστε οι χειριστές να μπορούν να αλλάξουν από μια άδεια τράπεζα σε μια γεμάτη τράπεζα χωρίς να διακόπτουν αμέσως τη διαδικασία. Στη συνέχεια, οι ρυθμιστές πίεσης μειώνουν την πίεση του κυλίνδρου στην πίεση λειτουργίας που απαιτείται από καυστήρες, εξοπλισμό κοπής, συστήματα αερισμού ή άλλο εξοπλισμό που καταναλώνει οξυγόνο.

Η ποσότητα του χρησιμοποιήσιμου οξυγόνου δεν καθορίζεται μόνο από την ονομαστική πίεση του κυλίνδρου. Ο όγκος του νερού του κυλίνδρου, η πίεση πλήρωσης, η θερμοκρασία αερίου και η υπολειπόμενη πίεση κατά την αντικατάσταση του κυλίνδρου επηρεάζουν την πραγματική χρήση. Εάν οι φιάλες ανταλλάσσονται ενώ παραμένει σημαντική ποσότητα αερίου μέσα, το εργοστάσιο έχει πληρώσει για αέριο που δεν έχει μπει στη διαδικασία παραγωγής.

Επί τόπουΣύστημα οξυγόνου PSAπαράγει οξυγόνο από τον πεπιεσμένο ατμοσφαιρικό αέρα. Μια τυπική εγκατάσταση περιλαμβάνει αεροσυμπιεστή, δέκτη αέρα, φίλτρα σωματιδίων και συγχώνευσης, δοχεία προσρόφησης, βαλβίδες μεταγωγής, δέκτη οξυγόνου, αναλυτή οξυγόνου, σύστημα ελέγχου PLC, ρυθμιστή πίεσης και σωληνώσεις διανομής οξυγόνου.

Τα δοχεία προσρόφησης περιέχουν υλικό μοριακού κόσκινου, συνήθως ζεόλιθο. Το υλικό αλληλεπιδρά διαφορετικά με το άζωτο και το οξυγόνο υπό συνθήκες πίεσης. Κατά το στάδιο της προσρόφησης, ο πεπιεσμένος αέρας εισέρχεται σε ένα δοχείο, το άζωτο συγκρατείται κατά προτίμηση από το μοριακό κόσκινο και ένα ρεύμα αερίου εμπλουτισμένο με οξυγόνο εξέρχεται προς τον δέκτη οξυγόνου.

Το σύστημα χρησιμοποιεί συνήθως δύο ή περισσότερα δοχεία προσρόφησης. Ενώ ένα δοχείο παράγει οξυγόνο, ένα άλλο δοχείο υφίσταται αποσυμπίεση και αναγέννηση. Οι βαλβίδες μεταγωγής ελέγχουν τη διαδρομή αερίου σύμφωνα με έναν προγραμματισμένο κύκλο. Αυτή η διάταξη επιτρέπει σε ένα δοχείο να προσροφήσει άζωτο ενώ ένα άλλο απελευθερώνει το προηγουμένως κατακρατημένο άζωτο.

Ο δέκτης οξυγόνου διαχωρίζει την παραγωγή από τη στιγμιαία ζήτηση διεργασίας. Μπορεί να απορροφήσει βραχυπρόθεσμες διακυμάνσεις ροής και να σταθεροποιήσει την πίεση κατάντη αντί να απαιτεί από τις κλίνες προσρόφησης να ακολουθούν κάθε αλλαγή στην κατανάλωση οξυγόνου.

Πώς λειτουργεί ο κύκλος διαχωρισμού PSA

ΟPSAΟ κύκλος αποτελείται κυρίως από στάδια συμπίεσης, προσρόφησης, αποσυμπίεσης και αναγέννησης. Ο πεπιεσμένος αέρας περνά πρώτα από το τμήμα επεξεργασίας αέρα, όπου το νερό, τα αερολύματα λαδιού και τα σωματίδια απομακρύνονται πριν ο αέρας φτάσει στο μοριακό κόσκινο.

Κατά τη διάρκεια της προσρόφησης, το δοχείο λειτουργίας παραμένει υπό πίεση ενώ το άζωτο προσροφάται κατά προτίμηση. Το οξυγόνο και το αργό περνούν μέσα από την κλίνη και σχηματίζουν το προϊόν αέριο. Καθώς η ικανότητα προσρόφησης πλησιάζει το όριο λειτουργίας της, το σύστημα ελέγχου αλλάζει τη διαδρομή του αερίου και στέλνει το δοχείο σε αναγέννηση.

Κατά την αναγέννηση, η πίεση του δοχείου μειώνεται και το προσροφημένο άζωτο φεύγει από το μοριακό κόσκινο. Ορισμένες διαμορφώσεις PSA χρησιμοποιούν ένα μέρος του οξυγόνου του προϊόντος για καθαρισμό ή εξισορρόπηση, ενώ άλλες διαμορφώσεις χρησιμοποιούν εξισορρόπηση πίεσης μεταξύ των δοχείων για τη μείωση των απωλειών αερίου. Ο ακριβής κύκλος εξαρτάται από το μέγεθος του δοχείου, τα χαρακτηριστικά του μοριακού κόσκινου, την καθαρότητα του στόχου, την ανάκτηση και την απαιτούμενη ροή οξυγόνου.

Για σκοπούς προμήθειας, η καθαρότητα του οξυγόνου θα πρέπει επομένως να αξιολογείται μαζί με την ανάκτηση οξυγόνου και την ειδική κατανάλωση ενέργειας. Η αύξηση της απαιτούμενης καθαρότητας οξυγόνου μπορεί να αυξήσει την ποσότητα πεπιεσμένου αέρα που απαιτείται ανά μονάδα οξυγόνου προϊόντος, γεγονός που μπορεί να αυξήσει την κατανάλωση ενέργειας του συμπιεστή.

Το οξυγόνο του κυλίνδρου δημιουργεί πολλά στοιχεία επαναλαμβανόμενου κόστους. Το εργοστάσιο μπορεί να πληρώσει για το ίδιο το οξυγόνο, τις χρεώσεις ενοικίασης κυλίνδρων ή υπηρεσιών, τη μεταφορά, τη φόρτωση και εκφόρτωση, την αποθήκευση και την εργασία του χειριστή για την αντικατάσταση κυλίνδρων. Αυτά τα κόστη αυξάνονται με τη συχνότητα παράδοσης και την κατανάλωση οξυγόνου.

Η παραγωγή PSA μετατοπίζει το επαναλαμβανόμενο κόστος προς την ηλεκτρική ενέργεια και τη συντήρηση του εξοπλισμού. Ο συμπιεστής αντιπροσωπεύει κανονικά ένα μεγάλο μέρος της ηλεκτρικής κατανάλωσης επειδή ο ατμοσφαιρικός αέρας πρέπει να συμπιεστεί πριν εισέλθει στα δοχεία προσρόφησης. Τα φίλτρα, οι βαλβίδες, οι αναλυτές οξυγόνου, οι σφραγίδες και το υλικό μοριακού κόσκινου συμβάλλουν επίσης στο κόστος του κύκλου ζωής.

Συνιστώσα κόστους	Τροφοδοσία κυλίνδρου	PSA επιτόπου
Αγορά οξυγόνου	Επαναλαμβανόμενη χρέωση αερίου	Δεν απαιτείται για την κανονική παραγωγή
Μεταφορά	Υποχρεούμαι	Κανονικά αφαιρέθηκε
Χειρισμός κυλίνδρων	Υποχρεούμαι	Καταργήθηκε
Ηλεκτρικός συμπιεστής	Από την πλευρά του προμηθευτή	Από την πλευρά του εργοστασίου
Επένδυση σε εξοπλισμό	Χαμηλό στο εργοστάσιο	Υποχρεούμαι
Θεραπεία αέρα	Από την πλευρά του προμηθευτή	Απαιτείται επί τόπου
Αποθήκευση	Απογραφή κυλίνδρων	Δέκτης οξυγόνου
Συντήρηση	Ρυθμιστές, βαλβίδες, πολλαπλή	Συμπιεστής, βαλβίδες, φίλτρα, αναλυτής
Εφεδρικό εφεδρικό	Πρόσθετοι κύλινδροι	Κύλινδρος ή άλλη εφεδρική πηγή

Η σύγκριση θα πρέπει να χρησιμοποιεί την ίδια ποσότητα οξυγόνου, καθαρότητα, πίεση και περίοδο λειτουργίας. Η σύγκριση μιας τιμής κυλίνδρου σε $/κύλινδρο με ηλεκτρική ενέργεια PSA σε $/kWh χωρίς μετατροπή και των δύο συστημάτων σε κόστος ανά Nm³ χρησιμοποιήσιμου οξυγόνου μπορεί να οδηγήσει σε εσφαλμένο συμπέρασμα.

Η κατανάλωση οξυγόνου είναι μια από τις ισχυρότερες μεταβλητές στην οικονομική σύγκριση. Ένα εργοστάσιο που χρησιμοποιεί 10 Nm³/h για μια σύντομη βάρδια παραγωγής έχει πολύ διαφορετικό προφίλ λειτουργίας από μια εγκατάσταση που καταναλώνει συνεχώς 100 Nm³/h για 24 ώρες.

Για την τροφοδοσία κυλίνδρων, η υψηλότερη κατανάλωση αυξάνει άμεσα τον αριθμό των κυλίνδρων που πρέπει να παραδοθούν, να αποθηκευτούν, να συνδεθούν και να αντικατασταθούν. Εάν η ημερήσια κατανάλωση υπερβαίνει τη χωρητικότητα της υπάρχουσας πολλαπλής, ενδέχεται να απαιτηθούν πρόσθετες συστοιχίες κυλίνδρων ή πιο συχνές παραδόσεις.

Για την παραγωγή PSA, ένα υψηλότερο συνεχές φορτίο μπορεί να αυξήσει τη χρήση του εξοπλισμού και να κατανείμει το κόστος παγίου κεφαλαίου σε μεγαλύτερο όγκο οξυγόνου. Ωστόσο, ο συμπιεστής και τα δοχεία προσρόφησης πρέπει να έχουν μέγεθος για την απαιτούμενη ροή και η λειτουργία κοντά στη μέγιστη χωρητικότητα μπορεί να αλλάξει τη συγκεκριμένη κατανάλωση ενέργειας και την ανάκτηση οξυγόνου.

Επομένως, μια πρακτική σύγκριση θα πρέπει να υπολογίζει την κατανάλωση οξυγόνου ως εξής:

Ετήσια ζήτηση οξυγόνου=Ροή οξυγόνου × Ώρες λειτουργίας × ημέρες λειτουργίας

Η προκύπτουσα ετήσια τιμή Nm³ παρέχει μια κοινή βάση για τη σύγκριση του παρεχόμενου οξυγόνου με την επιτόπια παραγωγή.

Σε ένα επιτόπιο σύστημα, η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας επηρεάζεται έντονα από την πίεση του συμπιεστή, τη θερμοκρασία εισόδου-αέρα, την απόδοση του συμπιεστή, την πτώση πίεσης επεξεργασίας αέρα, τη διαμόρφωση του κύκλου προσρόφησης και την ανάκτηση οξυγόνου.

Για παράδειγμα, εάν ένα σύστημα καταναλώνει 0,8 kWh/Nm³ οξυγόνου και η βιομηχανική ηλεκτρική ενέργεια κοστίζει 0,10 $/kWh, το εξάρτημα ηλεκτρικής ενέργειας είναι περίπου 0,08 $/Nm³. Αυτός ο αριθμός δεν περιλαμβάνει συντήρηση συμπιεστή, φίλτρα, αντικατάσταση βαλβίδων, ανάλυση οξυγόνου ή ανάκτηση κεφαλαίου.

Η ποιότητα του πεπιεσμένου αέρα επηρεάζει επίσης το λειτουργικό κόστος. Το νερό που εισέρχεται στις κλίνες προσρόφησης μπορεί να αλλάξει την απόδοση του μοριακού κόσκινου, ενώ η μόλυνση από λάδι μπορεί να βλάψει την επιφάνεια του προσροφητικού. Επομένως, τα φίλτρα αέρα κάνουν περισσότερα από την προστασία των κατάντη εξαρτημάτων. ελέγχουν επίσης την κατάσταση του υλικού προσρόφησης.

Οι μηχανικοί προμηθειών θα πρέπει να ζητούν τη συγκεκριμένη κατανάλωση ισχύος του προμηθευτή στην καθορισμένη ροή και καθαρότητα οξυγόνου αντί να χρησιμοποιούν τα ονομαστικά kW του κινητήρα του συμπιεστή ως κόστος παραγωγής οξυγόνου.

Η καθαρότητα του οξυγόνου και η πίεση παροχής πρέπει να προσδιορίζονται μαζί γιατί επηρεάζουν το σχεδιασμό του συστήματος. Μια διαδικασία που απαιτεί περίπου 90–93% οξυγόνο μπορεί να χρησιμοποιήσει διαφορετική διαμόρφωση PSA από μια διαδικασία που απαιτεί οξυγόνο άνω του 95%.

Το οξυγόνο του κυλίνδρου παρέχει μεγάλη ποσότητα αποθηκευμένου αερίου σε υψηλή πίεση, ενώ τα συστήματα PSA γενικά παράγουν οξυγόνο σε χαμηλότερη πίεση κατάλληλη για άμεση χρήση διεργασίας ή για αύξηση της πίεσης κατάντη. Εάν μια διαδικασία απαιτεί σημαντικά υψηλότερη πίεση, μπορεί να χρειαστεί ένας επιπλέον συμπιεστής οξυγόνου.

Η σταθερότητα ροής είναι ένα άλλο ζήτημα. Ένας καυστήρας ή ένα μηχάνημα κοπής μπορεί να παρουσιάσει γρήγορες αλλαγές στη ζήτηση οξυγόνου, ενώ ο αερισμός των λυμάτων μπορεί να διατηρήσει μια σχετικά σταθερή ροή για παρατεταμένες περιόδους. Ο δέκτης οξυγόνου μπορεί να ρυθμίσει τις βραχυπρόθεσμες αλλαγές ζήτησης, αλλά ο όγκος του πρέπει να αντιστοιχεί στη διαφορά μεταξύ της παραγωγής PSA και της κατανάλωσης διεργασίας.

Δεν καταναλώνει κάθε εργοστάσιο οξυγόνο με σταθερό ρυθμό. Μια γραμμή παραγωγής μπορεί να λειτουργεί με υψηλή ζήτηση οξυγόνου κατά την κοπή ή την καύση και να πέσει σε χαμηλότερη ζήτηση κατά τη φόρτωση, τη συντήρηση ή τις αλλαγές βάρδιας.

Με τους κυλίνδρους, η χωρητικότητα τροφοδοσίας καθορίζεται από τον αριθμό των συνδεδεμένων κυλίνδρων και την υπόλοιπη πίεσή τους. Όταν η κατανάλωση αυξάνεται απροσδόκητα, ο χειριστής μπορεί να χρειαστεί να συνδέσει μια άλλη συστοιχία κυλίνδρων.

Με την παραγωγή PSA, η μονάδα προσρόφησης λειτουργεί γενικά σύμφωνα με έναν προγραμματισμένο κύκλο, ενώ ο δέκτης οξυγόνου απορροφά τις βραχυπρόθεσμες διαφορές μεταξύ παραγωγής και κατανάλωσης. Εάν η ζήτηση παραμείνει πάνω από την ονομαστική ικανότητα παραγωγής για μεγάλο χρονικό διάστημα, η πίεση του δέκτη τελικά θα πέσει. Επομένως, το σύστημα χρειάζεται μια καθορισμένη χωρητικότητα αιχμής και όχι μόνο έναν υπολογισμό μέσης ροής.

Για την προμήθεια, τα σημαντικά στοιχεία δεν είναι μόνο ο μέσος όρος Nm³/h αλλά και η ελάχιστη ροή, η κανονική ροή, η ροή αιχμής, η διάρκεια αιχμής και το ημερήσιο προφίλ φορτίου.

Τα συστήματα κυλίνδρων αποθηκεύουν οξυγόνο απευθείας μέσα σε δοχεία πίεσης. Ένα εργοστάσιο μπορεί να διατηρήσει αρκετές ημέρες εφοδιασμού εάν διατηρούνται αρκετοί κύλινδροι επί τόπου, αλλά αυτό αυξάνει την απαιτούμενη περιοχή αποθήκευσης και το φόρτο εργασίας χειρισμού. Τα αποθέματα κυλίνδρων πρέπει επίσης να εναλλάσσονται σύμφωνα με τις διαδικασίες του προμηθευτή και τις ισχύουσες απαιτήσεις δοχείων πίεσης.

Εναεπί τόπου PSAΤο σύστημα συνήθως αποθηκεύει οξυγόνο σε έναν δέκτη αντί να διατηρεί ένα μεγάλο απόθεμα γεμισμένων κυλίνδρων. Ο δέκτης παρέχει ένα ρυθμιστικό διάλυμα αερίου μεταξύ του κύκλου προσρόφησης και της γραμμής διεργασίας.

Για συνεχή παραγωγή, μια εφεδρική πηγή οξυγόνου παραμένει σημαντική. Εάν ο συμπιεστής PSA σταματήσει λόγω ηλεκτρικής βλάβης, υπερθέρμανσης, συντήρησης ή σφάλματος ελέγχου, το αποθηκευμένο οξυγόνο μπορεί να υποστηρίξει τη διαδικασία μόνο για περιορισμένο χρονικό διάστημα. Επομένως, μια πολλαπλή εφεδρικού κυλίνδρου μπορεί να συνδεθεί κατάντη, έτσι ώστε η παραγωγή να συνεχιστεί κατά την επιθεώρηση του εξοπλισμού PSA.

Η αντικατάσταση κυλίνδρων με παραγωγή PSA απαιτεί αλλαγές στην υποδομή φυσικού αερίου του εργοστασίου. Η εγκατάσταση πρέπει να παρέχει χώρο για τον συμπιεστή, τον δέκτη αέρα, το συγκρότημα φιλτραρίσματος, τα δοχεία προσρόφησης, τον δέκτη οξυγόνου, τον πίνακα ελέγχου και τις σχετικές σωληνώσεις.

Ο πεπιεσμένος αέρας πρέπει να περάσει από τα καθορισμένα στάδια διήθησης πριν εισέλθει στα δοχεία προσρόφησης. Το συμπύκνωμα πρέπει να αποστραγγίζεται από τον δέκτη αέρα και τα φίλτρα για να αποτρέψει το υγρό νερό να φτάσει στο μοριακό κόσκινο. Στη συνέχεια, οι σωληνώσεις οξυγόνου συνδέουν τον δέκτη με το σύστημα ρύθμισης πίεσης και διανομής διεργασιών.

Το ηλεκτρικό σύστημα πρέπει να τροφοδοτεί τον συμπιεστή και τον εξοπλισμό ελέγχου σύμφωνα με την ονομαστική τάση και ρεύμα του κατασκευαστή. Θα πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη ο αερισμός επειδή οι συμπιεστές παράγουν θερμότητα κατά τη συνεχή λειτουργία, ενώ τα καυσαέρια PSA απελευθερώνουν αέριο πλούσιο σε άζωτο κατά την αναγέννηση.

Πριν από τη θέση σε λειτουργία, οι μηχανικοί συνήθως επαληθεύουν την καθαριότητα των σωληνώσεων, την ακεραιότητα της πίεσης, τη λειτουργία της βαλβίδας, την καθαρότητα του οξυγόνου, την πίεση εξόδου, τη χωρητικότητα ροής και τις λειτουργίες συναγερμού. Ο αναλυτής οξυγόνου θα πρέπει να επιβεβαιώσει ότι το παραγόμενο αέριο πληροί την καθορισμένη καθαρότητα προτού ο εξοπλισμός διεργασίας λάβει το αέριο.

Τα συστήματα κυλίνδρων απαιτούν κυρίως επιθεώρηση των βαλβίδων κυλίνδρων, των ρυθμιστών, των εύκαμπτων σωλήνων, των συνδέσεων πολλαπλών και των στεγανοποιήσεων. Η διαρροή σε μια βαλβίδα ή μια σύνδεση μπορεί να απελευθερώσει συνεχώς οξυγόνο και να αυξήσει την κατανάλωση χωρίς να αυξήσει την παραγωγή.

Τα συστήματα PSA έχουν ένα ευρύτερο φάσμα μηχανικών και σχετιζόμενων με τη διαδικασία τρόπων αστοχίας. Η υπερθέρμανση του συμπιεστή μπορεί να μειώσει την παροχή αέρα, τα βουλωμένα φίλτρα μπορεί να αυξήσουν την πτώση πίεσης, η φθορά της βαλβίδας μεταγωγής μπορεί να διαταράξει τη σειρά προσρόφησης και η μόλυνση του μοριακού κόσκινου μπορεί να μειώσει την ικανότητα προσρόφησης αζώτου.

Μια μείωση στην καθαρότητα του οξυγόνου μπορεί να υποδηλώνει προβλήματα με τον κύκλο προσρόφησης, την κατάσταση τροφοδοσίας-αέρα, το χρονισμό της βαλβίδας, την κατάσταση του μοριακού κόσκινου ή την υπερβολική ζήτηση προϊόντος. Μια πτώση πίεσης στα φίλτρα μπορεί να υποδηλώνει μόλυνση, ενώ η μη φυσιολογική θερμοκρασία εκκένωσης του συμπιεστή μπορεί να υποδεικνύει προβλήματα ψύξης ή μηχανικά προβλήματα.

Συνεπώς, η συντήρηση θα πρέπει να περιλαμβάνει επιθεώρηση συμπιεστή, αντικατάσταση φίλτρου, αφαίρεση συμπυκνώματος, παρακολούθηση κύκλου βαλβίδας, βαθμονόμηση αναλυτή οξυγόνου, μέτρηση πτώσης πίεσης και επιθεώρηση του συστήματος προσρόφησης σύμφωνα με τις ώρες λειτουργίας και τις απαιτήσεις του κατασκευαστή.