Per le fabbriche che consumano ossigeno ogni giorno, la differenza di costo tra le bombole consegnate e la generazione di ossigeno in loco dipende da qualcosa di più del prezzo del gas indicato. Un sistema basato su bombole sposta la produzione, la compressione, lo stoccaggio e il trasporto dell'ossigeno all'esterno della fabbrica, mentre un sistema PSA in loco sposta la maggior parte di queste funzioni nell'impianto di produzione. La struttura dei costi risultante cambia da un modello di acquisto e consegna a un modello di elettricità, compressore, manutenzione e utilizzo delle attrezzature.
Ossigeno in bombola: come funziona la catena di fornitura convenzionale
L'ossigeno nelle bombole industriali normalmente raggiunge l'utente attraverso una sequenza di produzione, compressione, riempimento, trasporto, stoccaggio e riduzione della pressione. L'ossigeno viene prodotto in un impianto centrale di gas e compresso in bombole di acciaio o alluminio. A seconda del modello della bombola e delle normative locali, le bombole industriali possono essere riempite fino a circa 150–200 bar presso la stazione di riempimento.
In fabbrica, le bombole vengono collegate individualmente o tramite un collettore che raggruppa più bombole in banchi in modo che gli operatori possano passare da un banco vuoto a uno pieno senza interrompere immediatamente il processo. I regolatori di pressione riducono quindi la pressione della bombola alla pressione operativa richiesta da bruciatori, apparecchiature di taglio, sistemi di aerazione o altre apparecchiature che consumano ossigeno.
La quantità di ossigeno utilizzabile non è determinata solo dalla pressione nominale della bombola. Il volume dell'acqua della bombola, la pressione di riempimento, la temperatura del gas e la pressione residua al momento della sostituzione della bombola influiscono tutti sull'utilizzo effettivo. Se le bombole vengono sostituite mentre all'interno rimane una quantità significativa di gas, la fabbrica ha pagato per il gas che non è entrato nel processo di produzione.
Produzione di ossigeno PSA in loco: struttura del sistema
Un sul postoSistema di ossigeno PSAgenera ossigeno dall'aria atmosferica compressa. Un'installazione tipica contiene un compressore d'aria, un serbatoio d'aria, filtri antiparticolato e a coalescenza, serbatoi di adsorbimento, valvole di commutazione, ricevitore di ossigeno, analizzatore di ossigeno, sistema di controllo PLC, regolatore di pressione e tubazioni di distribuzione dell'ossigeno.
I recipienti di adsorbimento contengono materiale di setaccio molecolare, comunemente zeolite. Il materiale interagisce in modo diverso con l'azoto e l'ossigeno in condizioni pressurizzate. Durante la fase di adsorbimento, l'aria compressa entra in un recipiente, l'azoto viene trattenuto preferibilmente dal setaccio molecolare e un flusso di gas arricchito di ossigeno esce verso il ricevitore di ossigeno.
Il sistema normalmente utilizza due o più recipienti di adsorbimento. Mentre un vaso produce ossigeno, un altro vaso subisce depressurizzazione e rigenerazione. Le valvole di commutazione controllano il percorso del gas secondo un ciclo programmato. Questa disposizione consente a un recipiente di assorbire l'azoto mentre un altro rilascia l'azoto precedentemente trattenuto.
Il ricevitore di ossigeno separa la produzione dalla domanda di processo istantanea. Può assorbire le fluttuazioni del flusso a breve termine e stabilizzare la pressione a valle invece di richiedere ai letti di adsorbimento di seguire ogni cambiamento nel consumo di ossigeno.
ILPSAIl ciclo consiste principalmente nelle fasi di pressurizzazione, adsorbimento, depressurizzazione e rigenerazione. L'aria compressa passa innanzitutto attraverso la sezione di trattamento dell'aria, dove l'acqua, gli aerosol d'olio e il particolato vengono rimossi prima che l'aria raggiunga il setaccio molecolare.
Durante l'adsorbimento, il recipiente operativo rimane pressurizzato mentre l'azoto viene adsorbito preferenzialmente. L'ossigeno e l'argon passano attraverso il letto e formano il gas prodotto. Quando la capacità di adsorbimento si avvicina al limite operativo, il sistema di controllo modifica il percorso del gas e avvia la rigenerazione del recipiente.
Durante la rigenerazione, la pressione del recipiente viene ridotta e l'azoto adsorbito lascia il setaccio molecolare. Alcune configurazioni PSA utilizzano una porzione di ossigeno prodotto per lo spurgo o l'equalizzazione, mentre altre configurazioni utilizzano l'equalizzazione della pressione tra i serbatoi per ridurre le perdite di gas. Il ciclo esatto dipende dalle dimensioni del recipiente, dalle caratteristiche del setaccio molecolare, dalla purezza target, dal recupero e dal flusso di ossigeno richiesto.
Ai fini dell'approvvigionamento, la purezza dell'ossigeno dovrebbe quindi essere valutata insieme al recupero dell'ossigeno e al consumo energetico specifico. L'aumento della purezza dell'ossigeno richiesta può aumentare la quantità di aria compressa richiesta per unità di ossigeno prodotto, con conseguente aumento del consumo energetico del compressore.
Struttura dei costi: riempimento delle bombole rispetto alla produzione di PSA
L'ossigeno in bombola crea diverse componenti di costo ricorrenti. La fabbrica può pagare personalmente l'ossigeno, il noleggio della bombola o le spese di servizio, il trasporto, il carico e lo scarico, lo stoccaggio e la manodopera dell'operatore per la sostituzione della bombola. Questi costi aumentano con la frequenza di erogazione e il consumo di ossigeno.
La produzione PSA sposta le spese ricorrenti verso la manutenzione dell’elettricità e delle apparecchiature. Il compressore normalmente rappresenta una parte importante del consumo elettrico perché l'aria atmosferica deve essere compressa prima di entrare nei vasi di adsorbimento. Anche i filtri, le valvole, gli analizzatori di ossigeno, le guarnizioni e il materiale dei setacci molecolari contribuiscono al costo del ciclo di vita.
| Componente di costo | Fornitura bombole | PSA in loco |
|---|---|---|
| Acquisto di ossigeno | Addebito gas ricorrente | Non richiesto per la normale produzione |
| Trasporti | Necessario | Normalmente rimosso |
| Movimentazione del cilindro | Necessario | RIMOSSO |
| Elettricità del compressore | Lato fornitore | Lato fabbrica |
| Investimenti in attrezzature | Basso in fabbrica | Necessario |
| Trattamento dell'aria | Lato fornitore | Obbligatorio in loco |
| Magazzinaggio | Inventario delle bombole | Ricevitore di ossigeno |
| Manutenzione | Regolatori, valvole, collettori | Compressore, valvole, filtri, analizzatore |
| Fornitura di riserva | Cilindri aggiuntivi | Cilindro o altra fonte di backup |
Il confronto dovrebbe utilizzare la stessa quantità di ossigeno, purezza, pressione e periodo di funzionamento. Confrontando una quotazione della bombola in $/bombola con l'elettricità PSA in $/kWh senza convertire entrambi i sistemi nel costo per Nm³ di ossigeno utilizzabile si può produrre una conclusione errata.
Perché il tasso di consumo di ossigeno modifica l'equazione dei costi
Il consumo di ossigeno è una delle variabili più forti nel confronto economico. Una fabbrica che utilizza 10 Nm³/h per un breve turno di produzione ha un profilo operativo molto diverso da un impianto che consuma 100 Nm³/h ininterrottamente per 24 ore.
Per quanto riguarda la fornitura di bombole, un consumo maggiore aumenta direttamente il numero di bombole che devono essere consegnate, immagazzinate, collegate e sostituite. Se il consumo giornaliero supera la capacità del collettore esistente, potrebbero essere necessarie ulteriori bancate di cilindri o consegne più frequenti.
Per la produzione di PSA, un carico continuo più elevato può aumentare l’utilizzo delle apparecchiature e distribuire il costo del capitale fisso su un volume maggiore di ossigeno. Tuttavia, il compressore e i vasi di adsorbimento devono essere dimensionati per il flusso richiesto e il funzionamento vicino alla capacità massima può modificare il consumo energetico specifico e il recupero di ossigeno.
Un confronto pratico dovrebbe quindi calcolare il consumo di ossigeno come:
Domanda annuale di ossigeno=Flusso di ossigeno × Ore di funzionamento × Giorni di funzionamento
La cifra annuale Nm³ risultante fornisce una base comune per confrontare l'ossigeno erogato con la produzione in loco.
Consumo di elettricità e aria compressa
In un sistema in loco, il consumo di elettricità è fortemente influenzato dalla pressione del compressore, dalla temperatura dell'aria in ingresso, dall'efficienza del compressore, dalla caduta di pressione del trattamento dell'aria, dalla configurazione del ciclo di adsorbimento e dal recupero dell'ossigeno.
Ad esempio, se un sistema consuma 0,8 kWh/Nm³ di ossigeno e l’elettricità industriale costa 0,10 $/kWh, la componente elettrica sarà di circa 0,08 $/Nm³. Questa cifra non include la manutenzione del compressore, i filtri, la sostituzione delle valvole, l'analisi dell'ossigeno o il recupero del capitale.
La qualità dell'aria compressa influisce anche sui costi operativi. L'acqua che entra nei letti di adsorbimento può alterare le prestazioni dei setacci molecolari, mentre la contaminazione dell'olio può danneggiare la superficie adsorbente. I filtri dell'aria quindi fanno molto più che proteggere i componenti a valle; controllano anche le condizioni del materiale di adsorbimento.
Gli ingegneri addetti agli acquisti dovrebbero richiedere il consumo energetico specifico del fornitore al flusso e alla purezza dell'ossigeno specificati anziché utilizzare i kW nominali del motore del compressore come costo di produzione dell'ossigeno.
Requisiti di pressione, purezza e flusso
La purezza dell'ossigeno e la pressione di erogazione devono essere specificate insieme perché influenzano la progettazione del sistema. Un processo che richiede circa il 90–93% di ossigeno può utilizzare una configurazione PSA diversa da un processo che richiede ossigeno superiore al 95%.
L'ossigeno in bombola fornisce una grande quantità di gas immagazzinato ad alta pressione, mentre i sistemi PSA generalmente generano ossigeno a una pressione inferiore adatta per l'uso diretto nel processo o per l'aumento della pressione a valle. Se un processo richiede una pressione sostanzialmente più elevata, potrebbe essere necessario un compressore di ossigeno aggiuntivo.
La stabilità del flusso è un'altra considerazione. Un bruciatore o una macchina da taglio possono subire rapidi cambiamenti nella richiesta di ossigeno, mentre l’aerazione delle acque reflue può mantenere un flusso relativamente stabile per periodi prolungati. Il ricevitore di ossigeno può tamponare i cambiamenti della domanda a breve termine, ma il suo volume deve essere adeguato alla differenza tra la produzione di PSA e il consumo del processo.
Domanda di ossigeno e fluttuazione del carico
Non tutte le fabbriche consumano ossigeno a un ritmo costante. Una linea di produzione può funzionare con una domanda elevata di ossigeno durante il taglio o la combustione e scendere a una domanda inferiore durante il caricamento, la manutenzione o i cambi di turno.
Nel caso delle bombole, la capacità di alimentazione è determinata dal numero di bombole collegate e dalla loro pressione residua. Quando il consumo aumenta inaspettatamente, l'operatore potrebbe dover collegare un'altra bancata di cilindri.
Con la produzione di PSA, l'unità di adsorbimento funziona generalmente secondo un ciclo programmato mentre il ricevitore di ossigeno assorbe le differenze a breve termine tra produzione e consumo. Se la domanda rimane al di sopra della capacità di produzione nominale per un periodo prolungato, la pressione del ricevitore finirà per diminuire. Il sistema necessita quindi di una capacità di flusso di picco definita piuttosto che solo di un calcolo del flusso medio.
Per l'approvvigionamento, i dati importanti non sono solo i Nm³/h medi, ma anche il flusso minimo, il flusso normale, il flusso di picco, la durata del picco e il profilo di carico giornaliero.
Continuità di stoccaggio e fornitura
I sistemi a bombole immagazzinano l'ossigeno direttamente all'interno dei recipienti a pressione. Una fabbrica può mantenere diversi giorni di fornitura se un numero sufficiente di bombole viene mantenuto in loco, ma ciò aumenta l'area di stoccaggio richiesta e il carico di lavoro di movimentazione. Anche le scorte di bombole devono essere modificate in base alle procedure del fornitore e ai requisiti applicabili dei recipienti a pressione.
UNPSA in locoIl sistema normalmente immagazzina l'ossigeno in un ricevitore invece di mantenere un grande inventario di bombole piene. Il ricevitore fornisce un buffer di gas tra il ciclo di adsorbimento e la linea di processo.
Per la produzione continua, una fonte di ossigeno di riserva rimane importante. Se il compressore PSA si arresta a causa di un guasto elettrico, surriscaldamento, manutenzione o guasto del controllo, l'ossigeno immagazzinato può supportare il processo solo per un periodo limitato. È quindi possibile collegare a valle un collettore di bombole di riserva in modo che la produzione possa continuare mentre l'attrezzatura PSA viene ispezionata.
Installazione e integrazione di sistema
La sostituzione delle bombole con la produzione di PSA richiede modifiche all'infrastruttura del gas della fabbrica. L'installazione deve fornire spazio per il compressore, il serbatoio dell'aria, il gruppo di filtraggio, i serbatoi di adsorbimento, il ricevitore di ossigeno, il quadro di controllo e le relative tubazioni.
L'aria compressa deve passare attraverso le fasi di filtrazione specificate prima di entrare nei recipienti di adsorbimento. La condensa deve essere scaricata dal serbatoio dell'aria e dai filtri per evitare che l'acqua liquida raggiunga il setaccio molecolare. La tubazione dell'ossigeno collega quindi il ricevitore al sistema di regolazione della pressione e di distribuzione del processo.
L'impianto elettrico deve alimentare il compressore e le apparecchiature di controllo secondo la tensione e la corrente nominale del produttore. Dovrebbe essere presa in considerazione anche la ventilazione perché i compressori generano calore durante il funzionamento continuo, mentre lo scarico PSA rilascia gas ricco di azoto durante la rigenerazione.
Prima della messa in servizio, i tecnici normalmente verificano la pulizia delle tubazioni, l'integrità della pressione, il funzionamento della valvola, la purezza dell'ossigeno, la pressione di uscita, la capacità di flusso e le funzioni di allarme. L'analizzatore di ossigeno deve confermare che il gas generato soddisfa la purezza specificata prima che l'apparecchiatura di processo riceva il gas.
Modalità di manutenzione e di guasto
I sistemi di bombole richiedono principalmente l'ispezione delle valvole delle bombole, dei regolatori, dei tubi flessibili, dei collegamenti dei collettori e delle guarnizioni. Una perdita su una valvola o su un collegamento può rilasciare continuamente ossigeno e aumentare il consumo senza aumentare la produzione.
I sistemi PSA presentano una gamma più ampia di modalità di guasto meccaniche e legate al processo. Il surriscaldamento del compressore può ridurre l’erogazione dell’aria, i filtri intasati possono aumentare la caduta di pressione, l’usura della valvola di commutazione può disturbare la sequenza di adsorbimento e la contaminazione dei setacci molecolari può ridurre la capacità di adsorbimento dell’azoto.
Una diminuzione della purezza dell'ossigeno può indicare problemi con il ciclo di adsorbimento, le condizioni dell'aria di alimentazione, la fasatura delle valvole, le condizioni dei setacci molecolari o una domanda eccessiva di prodotto. Una caduta di pressione sui filtri può indicare contaminazione, mentre una temperatura di scarico anomala del compressore può indicare problemi di raffreddamento o meccanici.
La manutenzione dovrebbe pertanto includere l'ispezione del compressore, la sostituzione del filtro, la rimozione della condensa, il monitoraggio del ciclo della valvola, la calibrazione dell'analizzatore di ossigeno, la misurazione della caduta di pressione e l'ispezione del sistema di adsorbimento in base alle ore di funzionamento e ai requisiti del produttore.
