Il riempimento professionale delle bombole di ossigeno richiede più di un generatore di ossigeno che produce gas in modo continuo. Il sistema PSA deve corrispondere alla stazione di riempimento in termini di flusso di ossigeno, purezza, stoccaggio tampone, pressione di compressione, sequenza di riempimento, logica di controllo e protezione di sicurezza. Quando l'ossigeno viene generato a bassa pressione e poi trasferito nelle bombole ad alta pressione, ogni sezione tra i letti di adsorbimento e il collettore delle bombole influisce sulla capacità di riempimento e sulla stabilità operativa.
Un tipico sistema di riempimento bombole PSA in loco combina quindi il trattamento dell'aria compressa,PSA ossigenogenerazione, stoccaggio tampone di ossigeno, un booster o compressore di ossigeno, tubazioni ad alta pressione, un collettore di riempimento automatico, sensori di pressione, monitoraggio dell'ossigeno e un sistema di controllo PLC. I dati PSA sull'ossigeno pubblicati da NEWTEK coprono la produzione di ossigeno da 1 a 300 Nm³/h, con purezza standard dell'ossigeno indicata al 93% ± 3% e pressione di uscita regolabile da 0,01 a 0,5 MPa prima della compressione ad alta pressione a valle.
Il sistema PSA deve corrispondere alla capacità di riempimento della bombola
Il primo requisito è un rapporto definito tra la produzione di ossigeno e il numero di bombole da riempire per periodo di funzionamento. Una stazione di riempimento non può essere dimensionata solo in base alla capacità nominale del generatore di ossigeno perché le bombole introducono un secondo strato di domanda: il gas deve prima accumularsi alla pressione richiesta e poi entrare in più bombole attraverso il collettore di riempimento.
Ad esempio, la tabella dei modelli orientati al riempimento pubblicata da NEWTEK elenca NTK-20P a 20 Nm³/h e NTK-100P a 100 Nm³/h, con la tabella che specifica anche il numero di bottiglie che possono essere riempite in 12 ore. La stessa tabella utilizza come base di progettazione una bombola standard da 150 bar, 40 L, con una base ambientale di 0–38 gradi e umidità relativa fino all'80%.
La scelta corretta dovrebbe quindi iniziare con:
- Capacità acqua cilindro
- Pressione di riempimento target
- Numero di cilindri per lotto
- Quantità di riempimento giornaliera
- Purezza dell'ossigeno richiesta
- Orari di funzionamento
- Picco della domanda di ossigeno
- Capacità del compressore disponibile
Un impianto che riempie 100 bombole al giorno richiede una diversa disposizione di produzione e compressione di ossigeno rispetto a un impianto che riempie 20 bombole al giorno, anche se entrambi gli impianti utilizzano le stesse specifiche di bombola.
La Sezione Trattamento Aria Deve Proteggere il Setaccio Molecolare
Produzione di ossigeno PSAinizia con l'aria atmosferica compressa, quindi le condizioni dell'aria di alimentazione influiscono direttamente sui letti di adsorbimento. Un sistema professionale normalmente posiziona un serbatoio dell'aria, filtri, apparecchiature per la rimozione della condensa e altri componenti per il trattamento dell'aria a monte dei recipienti PSA.
Lo scopo è fisico piuttosto che estetico: i filtri rimuovono particelle e aerosol d'olio, mentre il drenaggio della condensa impedisce all'acqua liquida di entrare nei letti di adsorbimento. L'umidità e la contaminazione da olio possono modificare le condizioni di lavoro del setaccio molecolare e aumentare la caduta di pressione nella sezione di trattamento dell'aria.
NEWTEK descrive il suo sistema di ossigeno PSA come se utilizzasse un setaccio molecolare di zeolite come adsorbente. Il processo di separazione si basa sul diverso comportamento di adsorbimento di ossigeno e azoto sotto pressione, seguito dalla riduzione della pressione per la rigenerazione.
Per le applicazioni di riempimento delle bombole, le specifiche del trattamento dell'aria dovrebbero quindi essere verificate insieme al compressore. Un compressore che fornisce il flusso richiesto ma introduce olio, umidità o temperatura eccessivi può creare un problema di processo a valle.
Il ciclo di adsorbimento del PSA deve mantenere una produzione di ossigeno definita
I vasi PSA devono eseguire ripetutamente l'adsorbimento e la rigenerazione. Durante la fase di adsorbimento, l'aria compressa entra nel letto del setaccio molecolare, l'azoto viene assorbito preferibilmente e il gas arricchito di ossigeno passa verso l'uscita dell'ossigeno. Durante la depressurizzazione, l'azoto adsorbito lascia il letto in modo che il setaccio molecolare possa entrare nel ciclo di adsorbimento successivo.
Un sistema di riempimento delle bombole pone una domanda aggiuntiva su questo ciclo perché il generatore di ossigeno alimenta una sezione di stoccaggio e compressione piuttosto che un piccolo processo al punto di utilizzo. Il sistema di controllo PSA deve quindi coordinare la commutazione della torre, la produzione di ossigeno, la pressione e la domanda a valle.
NEWTEK specifica funzioni di avvio automatico, protezione dalla pressione minima, disposizioni di bypass, sensori di ossigeno, regolazione automatica e modulazione del tempo di ciclo sui suoi sistemi di ossigeno PSA. L'azienda elenca anche la capacità di funzionamento continuo e la comunicazione remota tramite Modbus, Profibus ed Ethernet.
Per gli appalti, la questione importante non è semplicemente se l’attrezzatura utilizza il PSA. L'acquirente deve verificare come risponde il sistema di controllo quando viene avviato, interrotto il riempimento della bombola o viene modificata la dimensione del lotto.
Lo stoccaggio tampone di ossigeno deve separare la generazione dalla domanda di riempimento
PSA ossigenola produzione è ciclica, mentre il riempimento delle bombole crea una domanda a valle ad alta pressione. Un serbatoio di accumulo di ossigeno è quindi utile per separare le due condizioni operative.
Il buffer riceve ossigeno dall'unità PSA e alimenta il booster o il collettore di riempimento quando la domanda a valle aumenta. Ciò impedisce che ogni collegamento del cilindro o azionamento della valvola modifichi direttamente il punto di funzionamento dei vasi di adsorbimento.
Il volume tampone richiesto dipende dalla velocità di produzione di ossigeno, dal flusso di riempimento, dalla capacità del compressore, dall'intervallo di pressione e dal numero di bombole collegate contemporaneamente. Un sistema con un volume tampone insufficiente può subire frequenti fluttuazioni di pressione durante il riempimento. Un serbatoio sovradimensionato, tuttavia, aumenta i costi di capitale e lo spazio di installazione senza necessariamente aumentare la produzione di ossigeno.
Il buffer dovrebbe pertanto essere calcolato in base al ciclo di riempimento effettivo piuttosto che selezionato come specifica del serbatoio isolato.
Un booster ad alta pressione deve corrispondere alla pressione di riempimento della bombola
Il generatore PSA e il collettore di riempimento della bombola funzionano normalmente a livelli di pressione diversi. L'intervallo di uscita dell'ossigeno PSA pubblicato da NEWTEK è 0,01–0,5 MPa, mentre le applicazioni di riempimento delle bombole possono richiedere una pressione molto più elevata. Le informazioni sul prodotto orientate al riempimento utilizzano 150 bar come base di progettazione per una bombola da 40 litri.
Questa differenza di pressione richiede un booster o un compressore di ossigeno a valle.
Il booster riceve l'ossigeno dalla sezione di stoccaggio a bassa pressione, aumenta la pressione in fasi controllate e trasferisce il gas compresso nel collettore della bombola. Per il servizio con ossigeno, la progettazione del compressore deve controllare le fonti di contaminazione poiché l'olio lubrificante o i materiali di tenuta non idonei possono introdurre idrocarburi in un flusso di gas ricco di ossigeno.
L'acquirente deve confermare:
- Pressione di ingresso del booster
- Pressione massima in uscita
- Flusso di ossigeno alla pressione richiesta
- Fasi di compressione
- Disposizione di raffreddamento
- Materiali di tenuta
- Configurazione oil-free o compatibile con l'ossigeno
- Condizioni di arresto per alta pressione
Un generatore PSA non dovrebbe mai essere valutato separatamente dal booster quando l'applicazione finale è il riempimento della bombola.
Il collettore di riempimento deve controllare più bombole
Il collettore di riempimento distribuisce l'ossigeno ad alta pressione dal booster a più bombole. La sua struttura normalmente comprende raccordi di derivazione, valvole di isolamento, sensori di pressione, tubi flessibili ad alta pressione o tubazioni rigide e valvole di riempimento automatiche o manuali.
Quando più bombole sono collegate contemporaneamente, l'equalizzazione della pressione e la sequenza di riempimento diventano importanti. Il sistema di controllo deve identificare le condizioni di pressione di ciascuna bombola e impedire che una bombola sia esposta a un aumento incontrollato di pressione.
Le informazioni sul sistema di riempimento pubblicate da NEWTEK descrivono collettori di riempimento automatico delle bombole con monitoraggio della pressione basato su PLC e chiusura automatica della valvola quando vengono raggiunte le condizioni target.
Per una stazione di rifornimento professionale, il collettore dovrebbe quindi essere specificato dal numero di bombole per banco di riempimento, standard di collegamento, pressione di esercizio massima, sequenza di riempimento, materiale della valvola e punti di isolamento richiesti.
La purezza dell'ossigeno deve essere monitorata prima del riempimento ad alta pressione
Il monitoraggio della purezza non è facoltativo quando l'ossigeno prodotto verrà trasferito nelle bombole. Un sistema PSA può generare ossigeno in modo continuo, ma il gas deve essere analizzato prima che entri nella sezione di riempimento ad alta pressione.
NEWTEK elenca i sensori di ossigeno come parte del suo sistema PSA e specifica una purezza dell'ossigeno del 93% ± 3% per la sua configurazione tecnica standard. Le informazioni più ampie sui prodotti dell'azienda elencano anche configurazioni con diversi livelli di purezza, a seconda dell'attrezzatura e dell'applicazione.
L'analizzatore di ossigeno deve essere posizionato e integrato in modo che gli operatori possano identificare le deviazioni di purezza prima che il gas entri nel collettore della bombola. Se la purezza misurata non rientra nell'intervallo specificato, il sistema di controllo può isolare il flusso del prodotto o deviare il gas invece di riempire le bombole con ossigeno fuori specifica.
Per l'approvvigionamento, la specifica dovrebbe definire la purezza target, l'intervallo dell'analizzatore, il punto di campionamento, la procedura di calibrazione, il valore di allarme e la risposta dopo un allarme di purezza.
I sensori di pressione e gli interblocchi devono proteggere il processo di riempimento
Il riempimento della bombola introduce diversi limiti di pressione: pressione di uscita PSA, pressione del serbatoio tampone, pressione di ingresso del booster, pressione di scarico del booster, pressione del collettore e pressione della bombola.
Ogni punto di pressione può influenzare la fase successiva del processo. Se la pressione del buffer scende al di sotto del requisito di ingresso del booster, il booster potrebbe non ricevere gas sufficiente. Se la pressione di scarico raggiunge il limite di riempimento, il booster deve arrestarsi o scaricare. Se una bombola raggiunge la pressione target, la sua valvola di riempimento deve chiudersi.
La documentazione del sistema PSA di NEWTEK elenca i sensori di pressione, le valvole di pressione minima, gli ugelli di bypass, i sensori di ossigeno e le funzioni di controllo automatico.
Un sistema professionale dovrebbe quindi utilizzare gli interblocchi anziché fare affidamento solo sull'osservazione dell'operatore. La logica tipica include:
- Verificare la purezza dell'ossigeno PSA.
- Confermare che la pressione del buffer rientra nell'intervallo operativo.
- Avviare il booster quando è presente la domanda di riempimento.
- Monitorare lo scarico ad alta pressione.
- Monitorare ogni banca di riempimento.
Arrestare o isolare la linea corrispondente quando viene raggiunta la pressione target.
Attiva un allarme quando la pressione, la purezza o lo stato dell'apparecchiatura escono dall'intervallo specificato.
Le interfacce elettriche e di comunicazione devono supportare il funzionamento automatico
Il riempimento delle bombole è un processo ripetitivo, quindi il sistema di controllo deve coordinare le attrezzature anziché richiedere a un operatore di regolare manualmente ogni fase.
Un PLC può ricevere segnali da sensori di pressione, analizzatori di ossigeno, controlli del compressore, controlli del booster e valvole del collettore. Può quindi avviare o arrestare l'apparecchiatura in base alla pressione e allo stato di riempimento.
NEWTEK elenca le comunicazioni Modbus, Profibus Fieldbus ed Ethernet per i suoi sistemi PSA. Descrive inoltre le funzioni di avvio/arresto remoto e di regolazione automatica.
Per l'integrazione del sistema, l'acquirente deve richiedere l'elenco I/O e il protocollo di comunicazione prima dell'installazione. Ciò determina se il controller PSA può scambiare stato operativo, allarmi, valori di pressione, purezza dell'ossigeno e comandi dell'apparecchiatura con il sistema di controllo centrale della stazione di rifornimento.
Il sistema deve considerare la temperatura, l'umidità e le condizioni di installazione
Le condizioni ambientali influiscono sulla densità dell'aria compressa, sul raffreddamento del compressore, sul carico di umidità e sulle prestazioni dell'apparecchiatura. I dati del modello orientato al riempimento di NEWTEK utilizzano 0–38 gradi e umidità relativa fino all'80% come base di progettazione dichiarata per la configurazione di riempimento del cilindro elencata.
L'area di installazione deve pertanto fornire un'adeguata ventilazione, drenaggio, alimentazione elettrica e spazio libero attorno al compressore, ai serbatoi di adsorbimento, ai serbatoi tampone, al booster e al quadro di controllo.
Nei siti con temperature ambiente più elevate, elevata umidità o condizioni di altitudine diverse, il fornitore dovrebbe ricalcolare la capacità del compressore e i requisiti di trattamento dell'aria invece di applicare direttamente un modello standard. Lo stesso obiettivo di produzione di ossigeno può richiedere diversi volumi d'aria e condizioni di raffreddamento quando cambia l'ambiente dell'aria in ingresso.
La manutenzione deve coprire sia le sezioni PSA che quelle ad alta pressione
I sistemi di riempimento delle bombole combinano la generazione di gas a bassa pressione con la compressione di gas ad alta pressione, quindi la manutenzione deve coprire entrambe le sezioni.
Il lato PSA richiede l'ispezione di filtri, scarichi di condensa, valvole di commutazione, sensori di pressione, analizzatori di ossigeno, tubazioni e condizioni operative dei setacci molecolari. Il lato di compressione richiede l'ispezione di guarnizioni, valvole, componenti di raffreddamento, manometri, collegamenti ad alta pressione e tubi di riempimento.
I sintomi più comuni dei guasti possono essere tracciati attraverso i dati operativi:
| Condizione osservata | Possibile causa tecnica | Punto di ispezione |
|---|---|---|
| La purezza dell'ossigeno diminuisce | Problema del ciclo di assorbimento, contaminazione dell'aria di alimentazione, domanda eccessiva | Setaccio molecolare, valvole, filtri aria |
| Perdite di pressione in uscita dal PSA | Aria compressa insufficiente o domanda eccessiva | Compressore, serbatoio dell'aria, pressione in ingresso |
| Il booster non riesce a raggiungere la pressione di riempimento | Bassa pressione in ingresso o guasto del compressore | Serbatoio inerziale, ingresso booster, valvole |
| La velocità di riempimento diminuisce | Flusso limitato o capacità del booster insufficiente | Collettore, tubi flessibili, booster |
| La pressione oscilla | Volume del buffer insufficiente o commutazione instabile | Ricevitore di ossigeno, ciclo PSA |
| Allarmi frequenti | Problema al sensore o al sistema di controllo | PLC, sensore di pressione, analizzatore di ossigeno |
Questo approccio diagnostico è più utile per gli appalti rispetto alla semplice domanda se un sistema PSA è "automatico".
Informazioni su NEWTEK
NEWTEKsi concentra sulla progettazione e fornitura di sistemi di generazione di ossigeno e azoto PSA in loco, inclusi generatori di ossigeno PSA, sistemi integrati di compressione e purificazione dell'aria e sistemi di gas chiavi in mano. Il processo di progettazione pubblicato copre la ricerca tecnologica, la progettazione tecnica, la fabbricazione dei dispositivi, i test di installazione e il servizio post-vendita. Per i sistemi di ossigeno, NEWTEK elenca l'adsorbimento con setacci molecolari di zeolite, il monitoraggio automatico dell'ossigeno, il controllo della pressione e le interfacce di comunicazione come Modbus, Profibus ed Ethernet. La gamma di generatori di ossigeno pubblicata comprende una produzione di 1–300 Nm³/h, con una purezza standard dell'ossigeno del 93% ± 3% e una pressione di uscita dell'ossigeno di 0,01–0,5 MPa.
Per i progetti di riempimento di bombole, l'ambito ingegneristico rilevante si estende oltre i serbatoi di adsorbimento PSA. Il generatore di ossigeno deve essere collegato alla sezione di trattamento dell'aria, al serbatoio di stoccaggio dell'ossigeno, al moltiplicatore di alta pressione, al collettore di riempimento, ai sensori, alle valvole e ai controlli PLC. Le configurazioni orientate al riempimento di NEWTEK specificano anche la quantità di bombole, la pressione di riempimento, la capacità di produzione di ossigeno, il consumo energetico e le condizioni di progettazione ambientale, fornendo i parametri necessari per valutare il processo di riempimento completo piuttosto che il solo generatore.
