Za tvornice koje svakodnevno troše kisik, razlika u cijeni između isporučenih boca i proizvodnje kisika na licu mjesta ovisi o više od navedene cijene plina. Sustav temeljen na cilindrima premješta proizvodnju kisika, kompresiju, skladištenje i transport izvan tvornice, dok PSA sustav na licu mjesta premješta većinu ovih funkcija u proizvodni pogon. Rezultirajuća struktura troškova mijenja se od modela kupnje i isporuke do modela električne energije, kompresora, održavanja i korištenja opreme.
Cilindrični kisik: kako funkcionira konvencionalni lanac opskrbe
Kisik u industrijskim bocama obično dolazi do korisnika kroz niz proizvodnje, kompresije, punjenja, transporta, skladištenja i smanjenja tlaka. Kisik se proizvodi u centralnom plinskom postrojenju i komprimira u čelične ili aluminijske cilindre. Ovisno o dizajnu boca i lokalnim propisima, industrijske boce mogu se napuniti na približno 150-200 bara na punionici.
U tvornici, cilindri su povezani pojedinačno ili kroz razvodnik koji grupira više cilindara u banke tako da se operateri mogu prebaciti s prazne banke na napunjenu banku bez trenutnog prekida procesa. Regulatori tlaka zatim smanjuju tlak u cilindru na radni tlak koji zahtijevaju plamenici, oprema za rezanje, sustavi za prozračivanje ili druga oprema koja troši kisik.
Količina upotrebljivog kisika nije određena samo nazivnim tlakom u boci. Volumen vode u boci, tlak punjenja, temperatura plina i preostali tlak pri zamjeni boce utječu na stvarnu iskoristivost. Ako su boce zamijenjene dok je u njima ostala značajna količina plina, tvornica je platila plin koji nije ušao u proizvodni proces.
PSA proizvodnja kisika na licu mjesta: Struktura sustava
Na licu mjestaPSA kisikov sustavstvara kisik iz komprimiranog atmosferskog zraka. Tipična instalacija sadrži zračni kompresor, prijemnik zraka, filtre za čestice i koalescentne filtre, adsorpcijske posude, preklopne ventile, prijemnik kisika, analizator kisika, PLC kontrolni sustav, regulator tlaka i cjevovod za distribuciju kisika.
Adsorpcijske posude sadrže materijal molekularnog sita, obično zeolit. Materijal različito stupa u interakciju s dušikom i kisikom u uvjetima pod tlakom. Tijekom faze adsorpcije, komprimirani zrak ulazi u jednu posudu, dušik se prvenstveno zadržava na molekularnom situ, a struja plina obogaćena kisikom izlazi prema prijemniku kisika.
Sustav obično koristi dvije ili više adsorpcijskih posuda. Dok jedna posuda proizvodi kisik, druga posuda prolazi depresurizaciju i regeneraciju. Preklopni ventili kontroliraju put plina prema programiranom ciklusu. Ovaj raspored omogućuje jednoj posudi da adsorbira dušik, dok druga oslobađa prethodno zadržani dušik.
Prijemnik kisika odvaja proizvodnju od trenutne potrebe procesa. Može apsorbirati kratkotrajne fluktuacije protoka i stabilizirati nizvodni tlak umjesto da zahtijeva da adsorpcijski slojevi prate svaku promjenu u potrošnji kisika.
ThePSAciklus se uglavnom sastoji od koraka tlačenja, adsorpcije, smanjenja tlaka i regeneracije. Komprimirani zrak prvo prolazi kroz odjeljak za obradu zraka, gdje se voda, uljni aerosoli i čestice uklanjaju prije nego što zrak stigne do molekularnog sita.
Tijekom adsorpcije radna posuda ostaje pod tlakom dok se dušik prvenstveno adsorbira. Kisik i argon prolaze kroz sloj i tvore produkt plin. Kako se kapacitet adsorpcije približava radnoj granici, sustav upravljanja mijenja putanju plina i šalje posudu u regeneraciju.
Tijekom regeneracije, tlak u posudi se smanjuje i adsorbirani dušik napušta molekularno sito. Neke konfiguracije PSA koriste dio kisika proizvoda za pročišćavanje ili izjednačavanje, dok druge konfiguracije koriste izjednačavanje tlaka između posuda kako bi se smanjili gubici plina. Točan ciklus ovisi o veličini posude, karakteristikama molekularnog sita, ciljnoj čistoći, oporavku i potrebnom protoku kisika.
Za potrebe nabave, čistoću kisika stoga treba ocijeniti zajedno s povratom kisika i specifičnom potrošnjom energije. Povećanje potrebne čistoće kisika može povećati količinu komprimiranog zraka potrebnog po jedinici proizvedenog kisika, što može povećati potrošnju energije kompresora.
Struktura troškova: Punjenje cilindra u odnosu na PSA proizvodnju
Cilindrični kisik stvara nekoliko komponenti troškova koji se ponavljaju. Tvornica može sama platiti kisik, najam boce ili troškove usluge, prijevoz, utovar i istovar, skladištenje i rad operatera za zamjenu boce. Ovi troškovi rastu s učestalošću poroda i potrošnjom kisika.
Proizvodnja PSA prebacuje tekuće troškove prema održavanju električne energije i opreme. Kompresor obično predstavlja glavni dio električne potrošnje jer se atmosferski zrak mora komprimirati prije ulaska u adsorpcijske posude. Filtri, ventili, analizatori kisika, brtve i materijal molekularnih sita također doprinose troškovima životnog ciklusa.
| Troškovna komponenta | Opskrba cilindra | PSA na licu mjesta |
|---|---|---|
| Kupnja kisika | Ponavljajuće punjenje plinom | Nije potrebno za normalnu proizvodnju |
| Prijevoz | Potreban | Normalno uklonjeno |
| Rukovanje cilindrom | Potreban | Uklonjeno |
| Kompresor struja | Na strani dobavljača | Tvornička strana |
| Ulaganje u opremu | Nisko u tvornici | Potreban |
| Obrada zraka | Na strani dobavljača | Obavezno na licu mjesta |
| Skladištenje | Inventar cilindra | Prijamnik kisika |
| Održavanje | Regulatori, ventili, razdjelnici | Kompresor, ventili, filteri, analizator |
| Rezervna opskrba | Dodatni cilindri | Cilindar ili drugi rezervni izvor |
Za usporedbu treba koristiti istu količinu kisika, čistoću, tlak i razdoblje rada. Usporedba cijene boce u $/cilindaru s PSA električnom energijom u $/kWh bez pretvaranja oba sustava u cijenu po Nm³ upotrebljivog kisika može dovesti do netočnog zaključka.
Zašto stopa potrošnje kisika mijenja jednadžbu troškova
Potrošnja kisika jedna je od najjačih varijabli u ekonomskoj usporedbi. Tvornica koja koristi 10 Nm³/h za kratku proizvodnu smjenu ima vrlo različit radni profil od pogona koji troši 100 Nm³/h neprekidno tijekom 24 sata.
Za opskrbu bocama, veća potrošnja izravno povećava broj boca koje je potrebno isporučiti, uskladištiti, spojiti i zamijeniti. Ako dnevna potrošnja naraste iznad kapaciteta postojećeg razdjelnika, mogu biti potrebne dodatne grupe cilindara ili češće isporuke.
Za proizvodnju PSA, veće kontinuirano opterećenje može povećati iskorištenost opreme i raspodijeliti fiksne kapitalne troškove na veću količinu kisika. Međutim, kompresor i adsorpcijske posude moraju biti dimenzionirani za potrebni protok, a rad blizu maksimalnog kapaciteta može promijeniti specifičnu potrošnju energije i povrat kisika.
Praktična usporedba bi stoga trebala izračunati potrošnju kisika kao:
Godišnja potreba za kisikom=protok kisika × radni sati × radni dani
Rezultirajuća godišnja brojka Nm³ pruža zajedničku osnovu za usporedbu isporučenog kisika s proizvodnjom na licu mjesta.
Potrošnja električne energije i komprimiranog zraka
U sustavu na licu mjesta, na potrošnju električne energije snažno utječu tlak kompresora, temperatura ulaznog zraka, učinkovitost kompresora, pad tlaka obrade zraka, konfiguracija ciklusa adsorpcije i povrat kisika.
Na primjer, ako sustav troši 0,8 kWh/Nm³ kisika, a industrijska električna energija košta 0,10 USD/kWh, komponenta električne energije iznosi približno 0,08 USD/Nm³. Ova brojka ne uključuje održavanje kompresora, filtere, zamjenu ventila, analizu kisika ili povrat kapitala.
Kvaliteta komprimiranog zraka također utječe na troškove rada. Voda koja ulazi u adsorpcijske slojeve može promijeniti performanse molekularnog sita, dok onečišćenje uljem može oštetiti površinu adsorpcije. Zračni filtri stoga čine više od zaštite nizvodnih komponenti; kontroliraju i stanje adsorpcijskog materijala.
Inženjeri nabave trebali bi zahtijevati dobavljačevu specifičnu potrošnju energije pri navedenom protoku i čistoći kisika, umjesto da koriste nazivni kW motora kompresora kao trošak proizvodnje kisika.
Zahtjevi za tlak, čistoću i protok
Čistoća kisika i tlak isporuke moraju se specificirati zajedno jer utječu na dizajn sustava. Proces koji zahtijeva približno 90-93% kisika može koristiti drugačiju konfiguraciju PSA od procesa koji zahtijeva kisik iznad 95%.
Kisik u boci osigurava veliku količinu pohranjenog plina pod visokim tlakom, dok PSA sustavi općenito proizvode kisik pri nižem tlaku pogodnom za izravnu upotrebu u procesu ili nizvodno povećanje tlaka. Ako proces zahtijeva znatno viši tlak, možda će biti potreban dodatni kompresor za kisik.
Stabilnost protoka je još jedno razmatranje. Plamenik ili stroj za rezanje mogu doživjeti brze promjene u potrebi za kisikom, dok prozračivanje otpadne vode može održavati relativno stabilan protok dulje vrijeme. Prijemnik kisika može ublažiti kratkoročne promjene potražnje, ali njegov volumen mora biti usklađen s razlikom između izlaza PSA i potrošnje procesa.
Potreba za kisikom i fluktuacija opterećenja
Ne troši svaka tvornica kisik konstantnom brzinom. Proizvodna linija može raditi s velikom potrebom za kisikom tijekom rezanja ili izgaranja i pasti na nižu potražnju tijekom utovara, održavanja ili promjena smjene.
Kod cilindara, kapacitet opskrbe je određen brojem priključenih cilindara i njihovim preostalim tlakom. Kada se potrošnja neočekivano poveća, operater će možda morati spojiti drugu grupu cilindara.
S proizvodnjom PSA, adsorpcijska jedinica općenito radi prema programiranom ciklusu dok prijemnik kisika apsorbira kratkoročne razlike između proizvodnje i potrošnje. Ako potražnja dulje vrijeme ostane iznad nazivnog proizvodnog kapaciteta, tlak u prijemniku će na kraju pasti. Sustav stoga treba definirani kapacitet vršnog protoka, a ne samo izračun prosječnog protoka.
Za nabavu, važne brojke nisu samo prosječni Nm³/h, već i minimalni protok, normalni protok, vršni protok, vršno trajanje i dnevni profil opterećenja.
Kontinuitet skladištenja i opskrbe
Sustavi cilindra pohranjuju kisik izravno unutar tlačnih posuda. Tvornica može održavati opskrbu za nekoliko dana ako se na licu mjesta drži dovoljno cilindara, ali to povećava potreban skladišni prostor i opterećenje rukovanja. Zalihe cilindara također se moraju rotirati u skladu s postupcima dobavljača i primjenjivim zahtjevima za tlačne posude.
AnPSA na licu mjestasustav obično pohranjuje kisik u spremnik umjesto da održava veliki inventar napunjenih boca. Prijemnik osigurava međuspremnik plina između adsorpcijskog ciklusa i procesne linije.
Za kontinuiranu proizvodnju, rezervni izvor kisika ostaje važan. Ako se PSA kompresor zaustavi zbog električnog kvara, pregrijavanja, održavanja ili greške u upravljanju, pohranjeni kisik može podržavati proces samo u ograničenom razdoblju. Razvodnik pomoćnog cilindra stoga se može spojiti nizvodno tako da se proizvodnja može nastaviti dok se PSA oprema pregledava.
Instalacija i integracija sustava
Zamjena cilindara s PSA proizvodnjom zahtijeva promjene plinske infrastrukture tvornice. Instalacija mora osigurati prostor za kompresor, spremnik zraka, sklop za filtriranje, adsorpcijske posude, spremnik kisika, upravljački ormarić i pripadajuće cijevi.
Komprimirani zrak treba proći kroz navedene stupnjeve filtracije prije ulaska u adsorpcijske posude. Kondenzat se mora ispustiti iz spremnika zraka i filtara kako bi se spriječilo da tekuća voda dospije u molekularno sito. Cijev za kisik zatim povezuje prijamnik sa sustavom za regulaciju tlaka i distribuciju procesa.
Električni sustav mora napajati kompresor i upravljačku opremu prema nazivnom naponu i struji proizvođača. Ventilaciju također treba uzeti u obzir jer kompresori stvaraju toplinu tijekom kontinuiranog rada, dok PSA ispuh oslobađa dušikom bogat plin tijekom regeneracije.
Prije puštanja u rad, inženjeri obično provjeravaju čistoću cjevovoda, cjelovitost tlaka, rad ventila, čistoću kisika, izlazni tlak, kapacitet protoka i funkcije alarma. Analizator kisika treba potvrditi da proizvedeni plin zadovoljava specificiranu čistoću prije nego što procesna oprema primi plin.
Načini održavanja i kvara
Sustavi cilindara uglavnom zahtijevaju pregled ventila cilindara, regulatora, savitljivih crijeva, spojeva razdjelnika i brtvila. Propuštanje na ventilu ili priključku može kontinuirano oslobađati kisik i povećati potrošnju bez povećanja proizvodnje.
PSA sustavi imaju širi raspon mehaničkih i procesnih kvarova. Pregrijavanje kompresora može smanjiti isporuku zraka, začepljeni filtri mogu povećati pad tlaka, istrošenost preklopnog ventila može poremetiti slijed adsorpcije, a kontaminacija molekularnim sitom može smanjiti kapacitet adsorpcije dušika.
Smanjenje čistoće kisika može ukazivati na probleme s ciklusom adsorpcije, stanjem dovodnog zraka, vremenskim podešavanjem ventila, stanjem molekularnog sita ili pretjeranom potražnjom za proizvodom. Pad tlaka na filtrima može ukazivati na kontaminaciju, dok abnormalna temperatura na ispuhu kompresora može ukazivati na hlađenje ili mehaničke probleme.
Održavanje stoga treba uključivati pregled kompresora, zamjenu filtera, uklanjanje kondenzata, praćenje ciklusa ventila, kalibraciju analizatora kisika, mjerenje pada tlaka i pregled adsorpcijskog sustava prema radnim satima i zahtjevima proizvođača.
