Para las fábricas que consumen oxígeno todos los días, la diferencia de costo entre los cilindros entregados y la generación de oxígeno en el sitio depende de algo más que el precio cotizado del gas. Un sistema basado en cilindros traslada la producción, compresión, almacenamiento y transporte de oxígeno fuera de la fábrica, mientras que un sistema PSA in situ traslada la mayoría de estas funciones a las instalaciones de producción. La estructura de costos resultante cambia de un modelo de compra y entrega a un modelo de electricidad, compresores, mantenimiento y utilización de equipos.
Oxígeno en botella: cómo funciona la cadena de suministro convencional
El oxígeno en cilindros industriales normalmente llega al usuario a través de una secuencia de producción, compresión, llenado, transporte, almacenamiento y reducción de presión. El oxígeno se produce en una planta central de gas y se comprime en cilindros de acero o aluminio. Dependiendo del diseño del cilindro y de las regulaciones locales, los cilindros industriales se pueden llenar a aproximadamente 150-200 bar en la estación de llenado.
En la fábrica, los cilindros se conectan individualmente o, a través de un colector, agrupa varios cilindros en bancos para que los operadores puedan cambiar de un banco vacío a uno lleno sin interrumpir inmediatamente el proceso. Luego, los reguladores de presión reducen la presión del cilindro a la presión de funcionamiento requerida por los quemadores, equipos de corte, sistemas de aireación u otros equipos que consumen oxígeno.
La cantidad de oxígeno utilizable no está determinada únicamente por la presión nominal de la botella. El volumen de agua del cilindro, la presión de llenado, la temperatura del gas y la presión residual al reemplazar el cilindro afectan la utilización real. Si se cambian las bombonas mientras queda una cantidad importante de gas en su interior, la fábrica ha pagado por el gas que no ha entrado en el proceso de producción.
Producción de oxígeno PSA in situ: estructura del sistema
un sitioSistema de oxígeno PSAGenera oxígeno a partir del aire atmosférico comprimido. Una instalación típica contiene un compresor de aire, un receptor de aire, filtros coalescentes y de partículas, recipientes de adsorción, válvulas de conmutación, un receptor de oxígeno, un analizador de oxígeno, un sistema de control PLC, un regulador de presión y tuberías de distribución de oxígeno.
Los recipientes de adsorción contienen material de tamiz molecular, comúnmente zeolita. El material interactúa de manera diferente con el nitrógeno y el oxígeno en condiciones presurizadas. Durante la etapa de adsorción, el aire comprimido ingresa a un recipiente, el tamiz molecular retiene preferentemente el nitrógeno y una corriente de gas enriquecida con oxígeno sale hacia el receptor de oxígeno.
El sistema normalmente utiliza dos o más recipientes de adsorción. Mientras un recipiente produce oxígeno, otro recipiente sufre despresurización y regeneración. Las válvulas de conmutación controlan el recorrido del gas según un ciclo programado. Esta disposición permite que un recipiente absorba nitrógeno mientras que otro libera el nitrógeno previamente retenido.
El receptor de oxígeno separa la producción de la demanda instantánea del proceso. Puede absorber fluctuaciones de flujo a corto plazo y estabilizar la presión aguas abajo en lugar de requerir que los lechos de adsorción sigan cada cambio en el consumo de oxígeno.
ElPSAEl ciclo consta principalmente de pasos de presurización, adsorción, despresurización y regeneración. El aire comprimido pasa primero a través de la sección de tratamiento de aire, donde se eliminan el agua, los aerosoles de aceite y las partículas antes de que el aire llegue al tamiz molecular.
Durante la adsorción, el recipiente de operación permanece presurizado mientras que el nitrógeno se adsorbe preferentemente. El oxígeno y el argón pasan a través del lecho y forman el gas producto. A medida que la capacidad de adsorción se acerca a su límite operativo, el sistema de control cambia la ruta del gas y envía el recipiente a regeneración.
Durante la regeneración, la presión del recipiente se reduce y el nitrógeno adsorbido abandona el tamiz molecular. Algunas configuraciones de PSA usan una porción del oxígeno producto para purga o ecualización, mientras que otras configuraciones usan ecualización de presión entre recipientes para reducir las pérdidas de gas. El ciclo exacto depende del tamaño del recipiente, las características del tamiz molecular, la pureza objetivo, la recuperación y el flujo de oxígeno requerido.
Por lo tanto, a efectos de adquisición, la pureza del oxígeno debe evaluarse junto con la recuperación de oxígeno y el consumo de energía específico. Aumentar la pureza del oxígeno requerida puede aumentar la cantidad de aire comprimido requerido por unidad de oxígeno del producto, lo que puede aumentar el consumo de energía del compresor.
Estructura de costos: llenado de cilindros versus producción de PSA
El oxígeno en botella crea varios componentes de costos recurrentes. La fábrica puede pagar el oxígeno en sí, el alquiler de los cilindros o los costos de servicio, el transporte, la carga y descarga, el almacenamiento y la mano de obra del operador para el reemplazo de los cilindros. Estos costos aumentan con la frecuencia de entrega y el consumo de oxígeno.
La producción de PSA desplaza el gasto recurrente hacia la electricidad y el mantenimiento de equipos. El compresor normalmente representa una parte importante del consumo eléctrico porque el aire atmosférico debe comprimirse antes de ingresar a los recipientes de adsorción. Los filtros, válvulas, analizadores de oxígeno, sellos y materiales de tamiz molecular también contribuyen al costo del ciclo de vida.
| Componente de costo | Suministro de cilindros | PSA en el sitio |
|---|---|---|
| Compra de oxígeno | Carga de gas recurrente | No es necesario para la producción normal. |
| Transporte | Requerido | Normalmente eliminado |
| Manipulación de cilindros | Requerido | Remoto |
| Electricidad del compresor | Del lado del proveedor | Lado de fábrica |
| Inversión en equipos | Bajo en fábrica | Requerido |
| Tratamiento del aire | Del lado del proveedor | Requerido en el sitio |
| Almacenamiento | Inventario de cilindros | Receptor de oxígeno |
| Mantenimiento | Reguladores, válvulas, colectores. | Compresor, válvulas, filtros, analizador. |
| Suministro de respaldo | Cilindros adicionales | Cilindro u otra fuente de respaldo |
La comparación debe utilizar la misma cantidad de oxígeno, pureza, presión y período de funcionamiento. Comparar una cotización de cilindro en $/cilindro con electricidad de PSA en $/kWh sin convertir ambos sistemas al costo por Nm³ de oxígeno utilizable puede producir una conclusión incorrecta.
Por qué la tasa de consumo de oxígeno cambia la ecuación de costos
El consumo de oxígeno es una de las variables más fuertes en la comparación económica. Una fábrica que utiliza 10 Nm³/h durante un turno de producción corto tiene un perfil operativo muy diferente al de una instalación que consume 100 Nm³/h continuamente durante 24 horas.
Para el suministro de cilindros, un mayor consumo aumenta directamente la cantidad de cilindros que deben entregarse, almacenarse, conectarse y reemplazarse. Si el consumo diario supera la capacidad del colector existente, es posible que se requieran bancos de cilindros adicionales o entregas más frecuentes.
Para la producción de PSA, una carga continua más alta puede aumentar la utilización del equipo y distribuir el costo de capital fijo entre un mayor volumen de oxígeno. Sin embargo, el compresor y los recipientes de adsorción deben dimensionarse para el flujo requerido, y el funcionamiento cerca de la capacidad máxima puede cambiar el consumo de energía específico y la recuperación de oxígeno.
Por lo tanto, una comparación práctica debería calcular el consumo de oxígeno como:
Demanda anual de oxígeno=Flujo de oxígeno × Horas de funcionamiento × Días de funcionamiento
La cifra anual resultante de Nm³ proporciona una base común para comparar el oxígeno suministrado con la producción in situ.
Consumo de electricidad y aire comprimido
En un sistema in situ, el consumo de electricidad está fuertemente influenciado por la presión del compresor, la temperatura del aire de entrada, la eficiencia del compresor, la caída de presión del tratamiento del aire, la configuración del ciclo de adsorción y la recuperación de oxígeno.
Por ejemplo, si un sistema consume 0,8 kWh/Nm³ de oxígeno y la electricidad industrial cuesta 0,10 dólares/kWh, el componente eléctrico es de aproximadamente 0,08 dólares/Nm³. Esta cifra no incluye mantenimiento de compresores, filtros, reemplazo de válvulas, análisis de oxígeno ni recuperación de capital.
La calidad del aire comprimido también afecta el costo operativo. El agua que ingresa a los lechos de adsorción puede alterar el desempeño del tamiz molecular, mientras que la contaminación por aceite puede dañar la superficie del adsorbente. Por lo tanto, los filtros de aire hacen más que proteger los componentes posteriores; también controlan el estado del material de adsorción.
Los ingenieros de adquisiciones deben solicitar el consumo de energía específico del proveedor con el flujo y la pureza de oxígeno especificados en lugar de utilizar los kW nominales del motor del compresor como costo de producción de oxígeno.
Requisitos de presión, pureza y flujo
La pureza del oxígeno y la presión de suministro deben especificarse juntas porque influyen en el diseño del sistema. Un proceso que requiere aproximadamente entre un 90% y un 93% de oxígeno puede utilizar una configuración de PSA diferente a la de un proceso que requiere oxígeno por encima del 95%.
El oxígeno del cilindro proporciona una gran cantidad de gas almacenado a alta presión, mientras que los sistemas PSA generalmente generan oxígeno a una presión más baja adecuada para uso directo en el proceso o para aumentar la presión aguas abajo. Si un proceso requiere una presión sustancialmente mayor, es posible que se necesite un compresor de oxígeno adicional.
La estabilidad del flujo es otra consideración. Un quemador o una máquina cortadora pueden experimentar cambios rápidos en la demanda de oxígeno, mientras que la aireación de aguas residuales puede mantener un flujo relativamente estable durante períodos prolongados. El receptor de oxígeno puede amortiguar los cambios de demanda a corto plazo, pero su volumen debe adaptarse a la diferencia entre la producción de PSA y el consumo del proceso.
Demanda de oxígeno y fluctuación de carga
No todas las fábricas consumen oxígeno a un ritmo constante. Una línea de producción puede operar con una alta demanda de oxígeno durante el corte o la combustión y caer a una demanda menor durante la carga, el mantenimiento o los cambios de turno.
En el caso de las botellas, la capacidad de suministro está determinada por el número de botellas conectadas y su presión restante. Cuando el consumo aumenta inesperadamente, es posible que el operador necesite conectar otra bancada de cilindros.
En la producción de PSA, la unidad de adsorción generalmente funciona según un ciclo programado, mientras que el receptor de oxígeno absorbe las diferencias de corto plazo entre la producción y el consumo. Si la demanda permanece por encima de la capacidad de producción nominal durante un período prolongado, la presión del receptor eventualmente caerá. Por lo tanto, el sistema necesita una capacidad de flujo máximo definida en lugar de solo un cálculo de flujo promedio.
Para el aprovisionamiento, las cifras importantes no son sólo los Nm³/h promedio, sino también el caudal mínimo, el caudal normal, el caudal máximo, la duración máxima y el perfil de carga diario.
Almacenamiento y continuidad del suministro
Los sistemas de cilindros almacenan oxígeno directamente dentro de recipientes a presión. Una fábrica puede mantener varios días de suministro si se mantienen suficientes cilindros en el lugar, pero esto aumenta el área de almacenamiento requerida y la carga de trabajo de manipulación. Los inventarios de cilindros también deben rotarse de acuerdo con los procedimientos del proveedor y los requisitos aplicables de los recipientes a presión.
UnPSA en el sitioEl sistema normalmente almacena oxígeno en un receptor en lugar de mantener un gran inventario de cilindros llenos. El receptor proporciona un amortiguador de gas entre el ciclo de adsorción y la línea de proceso.
Para una producción continua, sigue siendo importante contar con una fuente de oxígeno de respaldo. Si el compresor PSA se detiene debido a una falla eléctrica, sobrecalentamiento, mantenimiento o una falla de control, es posible que el oxígeno almacenado solo respalde el proceso durante un período limitado. Por lo tanto, se puede conectar un colector de cilindro de respaldo aguas abajo para que la producción pueda continuar mientras se inspecciona el equipo PSA.
Instalación e integración del sistema
Reemplazar los cilindros con producción de PSA requiere cambios en la infraestructura de gas de la fábrica. La instalación debe proporcionar espacio para el compresor, el receptor de aire, el conjunto de filtración, los recipientes de adsorción, el receptor de oxígeno, el gabinete de control y las tuberías asociadas.
El aire comprimido debe pasar por las etapas de filtración especificadas antes de ingresar a los recipientes de adsorción. Se debe drenar el condensado del receptor de aire y de los filtros para evitar que el agua líquida llegue al tamiz molecular. Luego, las tuberías de oxígeno conectan el receptor con el sistema de regulación de presión y distribución de procesos.
El sistema eléctrico debe alimentar el compresor y el equipo de control de acuerdo con la tensión y corriente nominal del fabricante. También se debe considerar la ventilación porque los compresores generan calor durante el funcionamiento continuo, mientras que el escape de PSA libera gas rico en nitrógeno durante la regeneración.
Antes de la puesta en servicio, los ingenieros normalmente verifican la limpieza de las tuberías, la integridad de la presión, el funcionamiento de las válvulas, la pureza del oxígeno, la presión de salida, la capacidad de flujo y las funciones de alarma. El analizador de oxígeno debe confirmar que el gas generado cumple con la pureza especificada antes de que el equipo de proceso reciba el gas.
Modos de mantenimiento y falla
Los sistemas de cilindros requieren principalmente la inspección de válvulas, reguladores, mangueras flexibles, conexiones de colectores y sellos de cilindros. Una fuga en una válvula o conexión puede liberar oxígeno continuamente y aumentar el consumo sin aumentar la producción.
Los sistemas PSA tienen una gama más amplia de modos de falla mecánicos y relacionados con el proceso. El sobrecalentamiento del compresor puede reducir el suministro de aire, los filtros obstruidos pueden aumentar la caída de presión, el desgaste de la válvula de conmutación puede alterar la secuencia de adsorción y la contaminación del tamiz molecular puede reducir la capacidad de adsorción de nitrógeno.
Una disminución en la pureza del oxígeno puede indicar problemas con el ciclo de adsorción, la condición del aire de alimentación, la sincronización de las válvulas, la condición del tamiz molecular o una demanda excesiva de producto. Una caída de presión en los filtros puede indicar contaminación, mientras que una temperatura anormal de descarga del compresor puede indicar problemas mecánicos o de refrigeración.
Por lo tanto, el mantenimiento debe incluir la inspección del compresor, el reemplazo del filtro, la eliminación del condensado, el monitoreo del ciclo de la válvula, la calibración del analizador de oxígeno, la medición de la caída de presión y la inspección del sistema de adsorción de acuerdo con las horas de operación y los requisitos del fabricante.
