Инженер завода, который приобретает генератор азота, руководствуясь исключительно техническими характеристиками производительности по азоту — 50 Нм³/ч при чистоте 99,5%, заказ оформлен — в день ввода в эксплуатацию обнаруживает, что имеющийся воздушный компрессор мощностью 30 кВт не способен обеспечить подачу сжатого воздуха в объеме от 150 до 200 Нм³/ч, необходимого на входе в генератор. Генератор простаивает две недели, пока новый компрессор срочно закупается по завышенной цене, и проект, бюджет которого составлял $80 000, теперь обходится в $130 000 с учетом стоимости компрессора, осушителя, системы фильтрации и аварийной установки. Такая ситуация повторяется потому, что потребность в сжатом воздухе — как правило, в 2,5–5,0 раз превышающая выход азота — является самой часто упускаемой из виду технической характеристикой при выработке газа на месте. Генератор азота не производит азот из ничего. Он отделяет азот из сжатого воздуха, а этот сжатый воздух не является ни бесплатным, ни автоматически доступным с нужным расходом, давлением и качеством.
Система сжатого воздуха, питающая генератор азота по технологии PSA, должна обеспечивать расход на входе, равный продуктивности генератора, умноженной на коэффициент соотношения воздуха к азоту — как правило, от 2,5:1 до 4,5:1 в зависимости от степени очистки — при давлении от 6 до 10 бар(г), при этом качество воздуха должно соответствовать требованиям стандарта ISO 8573-1, класс 1.2.1 или выше. Это означает, что Генератор азота PSA Для обеспечения производительности 50 Нм³/ч азота чистотой 99,5% требуется от 125 до 200 Нм³/ч сжатого воздуха. Компрессор, осушитель, система фильтрации и накопительный резервуар, составляющие эту систему подачи, обычно стоят от 40% до 70% от стоимости генератора и потребляют от 80% до 95% от общего объема электроэнергии, потребляемой системой. Правильный расчёт производительности компрессора, выбор подходящего осушителя, определение необходимой системы фильтрации и согласование давления с входом генератора — это инженерные решения, от которых зависит, будет ли система соответствовать техническим требованиям при минимальных затратах на электроэнергию в течение всего срока службы.
Почему правильный подбор мощности промышленного воздушного компрессора имеет решающее значение
Генератор азота типа PSA представляет собой устройство для очистки сжатого воздуха. Азот является инертным газом и проходит через слой углеродного молекулярного сита (CMS) без изменений, однако генератор чрезвычайно чувствителен ко всем остальным компонентам воздуха: парам масла, парам воды, твердым частицам и углекислому газу. Пары масла наносят необратимое повреждение углеродному молекулярному ситу (CMS), адсорбируясь на поверхности микропор и блокируя участки адсорбции кислорода. Пары воды конкурируют с кислородом за места адсорбции. Твердые частицы забивают межпоровые пространства CMS, увеличивая перепад давления. Генератор, работающий на загрязнённом сжатом воздухе, постепенно и необратимо теряет чистоту — единственным способом устранения этой проблемы является замена CMS.
CMS в генераторе PSA имеет внутреннюю поверхность площадью 300–500 м² на грамм, распределенную по микропорам размером 3–5 ангстрем. Когда пары нефти (углеводороды C6–C30) попадают в слой, они адсорбируются с гораздо большей энергией, чем кислород, и не десорбируются во время регенерации. В течение сотен часов накапливается монослой, снижающий адсорбционную способность. Результат: более низкая степень очистки при тех же настройках цикла или более высокий расход воздуха для компенсации. Замена CMS обходится от $5 000 до $25 000 в зависимости от размера генератора, а простои в производстве — как правило, на несколько дней — зачастую обходятся дороже, чем сам адсорбент.
Стандарт ISO 8573-1 «Качество сжатого воздуха» для генераторов азота
Стандарт ISO 8573-1 классифицирует степень очистки воздуха с использованием обозначения «Класс X.Y.Z» (твердые частицы . вода . масло). Минимальные рекомендуемые показатели для генераторов азота:
| Загрязняющее вещество | Рекомендуемый курс | Предел | Почему установлено такое ограничение? |
|---|---|---|---|
| Твердые частицы | Класс 1 | Не более 0,1 мг/м³, максимальный размер частиц — 0,1 микрона | Частицы размером более 0,1 микрона забивают межклеточные пространства CMS |
| Вода | 2-й класс | Точка росы при давлении ≤ -40 °C | Вода вступает в конкуренцию за сайты адсорбции CMS; жидкая вода разрушает структуру CMS |
| Нефть (всего) | Класс 1 | Максимум 0,01 мг/м³ | Любые пары масла необратимо загрязняют CMS и мембрану |
Для применения в пищевой, фармацевтической и электронной отраслях часто предъявляются требования класса 1.2.1 или класса 1.1.1 — то есть класс 1 по твердым частицам, класс 1 по воде (точка росы под давлением ≤ -70 °C) и класс 1 по маслу. Для достижения точки росы -70 °C требуется адсорбционный осушитель, который увеличивает стоимость системы сжатого воздуха примерно на $5 000–$15 000 по сравнению с холодильным осушителем, обеспечивающим точку росы +3 °C. Эти дополнительные затраты являются обязательными для применений, где требуется чистота азота выше 99,9% или где водяной пар может повлиять на последующий технологический процесс.
Какой объем сжатого воздуха требуется для генератора азота: соотношение «воздух/азот»
Соотношение «воздух к азоту» является основным множителем, преобразующим объем получаемого азота в объем подаваемого сжатого воздуха. Для PSA с чистотой 99,51 TP3T это соотношение обычно составляет от 2,8:1 до 3,5:1. Для мембранных систем с чистотой 98% оно составляет от 3,5:1 до 4,5:1. Это соотношение увеличивается с ростом чистоты и уменьшается при более высоком рабочем давлении, а также при использовании конструкций слоев CMS, оптимизированных для рекуперации воздуха.
Атмосферный воздух содержит примерно 78% азота и 21% кислорода. Если в процессе разделения было уловлено 100% азота и отведено 100% кислорода, соотношение составило бы 1/0,78 = 1,28:1 — ни один реальный процесс не достигает этого теоретического минимума. В PSA это соотношение определяется селективностью CMS и конструкцией цикла: во время адсорбции 5–15% азота соадсорбируется с кислородом и теряется при сбросе давления. На этапах выравнивания давления часть этого азота рекуперируется — генератор с двумя этапами выравнивания давления снижает соотношение воздух/азот на 10–20% по сравнению с генератором с одним этапом.
Соотношение «воздух к азоту» в зависимости от технологии и степени очистки
| Технологии | Чистота азота | Типичное соотношение воздуха к азоту | Производительность компрессора для 50 Нм³/ч N₂ |
|---|---|---|---|
| PSA, высокая степень рекуперации | 99% | 2.5:1–3.0:1 | 125–150 Нм³/ч |
| PSA, стандартный | 99.5% | 2.8:1–3.5:1 | 140–175 Нм³/ч |
| PSA, высокая степень очистки | 99.9% | 3.2:1–3.8:1 | 160–190 Нм³/ч |
| PSA, сверхвысокая чистота | 99.999% | 3.5:1–4.5:1 | 175–225 Нм³/ч |
| Мембрана, одноступенчатая | 95% | 3.0:1–4.0:1 | 150–200 Нм³/ч |
| Мембрана, одноступенчатая | 98% | 3.5:1–4.5:1 | 175–225 Нм³/ч |
| Мембрана, двухступенчатая | 99.5% | 4.0:1–5.5:1 | 200–275 Нм³/ч |
Значение расхода компрессора в крайнем правом столбце — это показатель, указанный в техническом паспорте компрессора, а именно: расход свободного воздуха (FAD) при условиях впуска компрессора, измеренный в соответствии с ISO 1217. Именно этот показатель, а не объем производимого азота, определяет размер компрессора и потребление электроэнергии. В примере с генератором азота производительностью 50 Нм³/ч компрессор представляет собой агрегат мощностью от 90 до 132 кВт, а не 30 кВт, как мог бы предположить человек, проводящий приблизительные расчёты, исходя исключительно из производительности по азоту.
Расчет расхода сжатого воздуха для генераторов азота по технологии PSA
Расход сжатого воздуха для генератора азота по технологии PSA рассчитывается путем умножения производительности генератора по азоту с требуемой степенью очистки на соотношение «воздух/азот», указанное в техническом паспорте генератора для данной степени очистки и рабочего давления, с последующим добавлением запаса от 5% до 10% на расход воздуха для управления, приборного воздуха и системных потерь. Указанное в техническом паспорте соотношение воздух/азот действует при заявленном входном давлении — обычно 7,0 или 8,0 бар(г) — и это соотношение увеличивается, если фактическое входное давление ниже. Это означает, что компрессор должен быть рассчитан на обеспечение требуемого расхода при минимальном допустимом давлении на входе генератора, а не при номинальном давлении компрессора, которое всегда выше давления на входе в генератор после потерь в осушителе, фильтрах и трубопроводах.
Как читать техническое описание генератора
Типовой технический паспорт генератора азота PSA производительностью 50 Нм³/ч с чистотой 99,51 TP3T содержит следующие данные о расходе воздуха:
| Параметры технического паспорта | Значение | Примечания |
|---|---|---|
| Выбросы азота | 50 Нм³/ч | При чистоте 99,51 TP3T, 20 °C, 1 бар(а) — эталон |
| Расход сжатого воздуха | 160 Нм³/ч | При давлении на входе 7,5 бар(g), температуре 20 °C и эталонном давлении 1 бар(a) |
| Соотношение воздуха и азота | 3.2:1 | 160 / 50 = 3.2 |
| Минимальное давление на входе | 7,0 бар(г) | Ниже этого уровня чистота или расход могут ухудшиться |
| Максимальное давление на входе | 10,0 бар(г) | Кроме того, могут применяться ограничения по жидкостям или емкостям в системе CMS |
| Температура входящего воздуха | 5–40 °C | Повышение температуры снижает адсорбционную способность CMS |
| Контроль расхода воздуха | 1,0 Нм³/ч | Пневматический воздух для привода клапанов |
Две важные поправки к показателю 160 Нм³/ч:
- Корректировка давления: если компрессор рассчитан на давление на выходе 7,5 бар(г), а система теряет 0,8 бар в осушителе, фильтрах и трубопроводах, то на входе в генератор давление составляет 6,7 бар(г) — ниже минимального входного давления. Решением является выбор компрессора с давлением на выходе 8,5 бар(г), что обеспечит давление на входе в генератор не менее 7,0 бар(г) с учётом потерь в системе. В качестве альтернативы в техническом паспорте может быть указан расход воздуха при более высоком давлении. При расчёте мощности необходимо использовать расход при фактическом давлении на входе.
- Условия впуска воздуха в компрессор: Производительность компрессора по воздушному потоку (FAD) измеряется при условиях впуска — температуре, давлении и влажности воздуха, поступающего в компрессор. Компрессор, установленный на высоте 1 500 метров, всасывает воздух с плотностью, равной примерно 85% от плотности на уровне моря, что приводит к уменьшению его массового расхода на тот же процент. Для сравнения с расходом воздуха генератора, выраженным в стандартных условиях, следует использовать показатель FAD, скорректированный с учётом стандартных условий.
Этапы расчета размеров
- Технические характеристики: расход воздуха — 160 Нм³/ч при давлении 7,5 бар (газ)
- Добавить воздух управления + запас 5%: 160 × 1,05 ≈ 168 Нм³/ч
- Корректировка давления: 168 / 0,96 = 175 Нм³/ч FAD при давлении 8,5 бар(г)
- Мощность компрессора: ротационно-винтовой компрессор класса ~90 кВт с производительностью 175 Нм³/ч (FAD)
Чтобы понять Как работает генератор азота на технологическом уровне — включая цикл адсорбции, этап регенерации CMS и роль выравнивания давления — является важнейшим контекстом для понимания того, почему соотношение «воздух-азот» изменяется в зависимости от степени очистки и почему входное давление имеет решающее значение.
Требования к давлению сжатого воздуха для генераторов азота по технологии PSA
Генераторы азота типа PSA требуют входного давления от 6 до 10 бар (газ). Работа при давлении ниже минимального значения снижает адсорбцию кислорода за цикл, что ухудшает степень очистки. Работа при давлении выше максимального значения создает риск флюидизации CMS — частицы трутся друг о друга, образуя мелкую пыль, которая забивает последующие фильтры. Входное давление должно оставаться в заданном диапазоне при любых условиях, включая пусковые скачки давления.
Расчет перепада давления
Давление на выходе компрессора должно превышать требуемое давление на входе в генератор на величину совокупного перепада давления во всем оборудовании для подготовки:
| Компонент | Типичный перепад давления | Примечания |
|---|---|---|
| Охладитель на выходе (встроенный в компрессор) | 0,1–0,3 бар | Входит в комплект компрессора |
| Водоотделитель / циклон | 0,05–0,1 бар | Если отделен от доохладителя |
| Коалесцирующий фильтр (1 микрон) | 0,1–0,2 бар | Чистый элемент |
| Коалесцирующий фильтр (0,01 микрона) | 0,1–0,3 бар | Чистый элемент |
| Фильтр с активированным углем | 0,1–0,2 бар | Чистый элемент |
| Холодильный осушитель | 0,2–0,5 бар | Включая внутренний разделитель |
| Осушитель с осушительным веществом (бестепловой) | 0,2–0,4 бар | С учетом потерь при продувке |
| Соединительные трубопроводы (на каждые 50 м) | 0,05–0,15 бар | При скорости 10–15 м/с |
Типичная очистительная линия — доохладитель, водоотделитель, два коалесцирующих фильтра, фильтр с активированным углем, холодильный осушитель — имеет совокупный перепад давления в чистых элементах от 0,8 до 1,5 бар, который достигает 1,2–2,0 бар к моменту окончания срока службы фильтров. Для генератора, требующего минимального давления 7,0 бар(г) с падением давления в конце срока службы 1,5 бар, давление на выходе компрессора должно составлять 8,5 бар(г). Это гарантирует, что на генератор будет поступать давление не менее 7,0 бар(г) даже тогда, когда фильтры приближаются к сроку замены.
Качество сжатого воздуха: почему использование безмасляного воздуха является обязательным условием
Пары масла разрушают CMS, адсорбируясь на поверхности микропор и не десорбируясь во время регенерации. Поры CMS заполняются молекулами углеводородов, блокируя участки адсорбции кислорода. Загрязнённый CMS необходимо заменять через $5 000–$25 000, а простои в производстве — как правило, продолжительностью в несколько дней — обходятся дороже, чем сам фильтрующий материал.
Безмасляный компрессор против системы фильтрации
Два способа подачи безмасляного воздуха в генератор азота методом PSA:
Безмасляный компрессор: конструкция обеспечивает полное отсутствие масла в камере сжатия. Все же рекомендуется использовать фильтр с активированным углем для улавливания паров углеводородов из окружающей среды, однако основной риск загрязнения исключен.
Маслосмазываемый компрессор с системой фильтрации: коалесцирующие фильтры в сочетании с активированным углем позволяют достичь класса 1 (0,01 мг/м³) в новом состоянии. Однако активированный уголь обладает ограниченной емкостью — после его насыщения пары масла прорываются через фильтр, а коалесцирующие фильтры могут быть обойдены в случае выхода из строя сливного клапана или повреждения фильтрующего элемента.
Разница заключается не в том, может ли фильтрация теоретически достичь этого предела — она может, пока система новая. Разница в том, что безмасляный компрессор полностью исключает данный вид отказов. Для предприятия, инвестирующего от $50 000 до $150 000 в систему подачи азота, доплата в размере от $10 000 до $20 000 за безмасляный компрессор является страховкой от замены CMS, которая обойдется столько же, сколько и сама доплата. A винтовой воздушный компрессор — предпочтительно безмасляный — является стандартным приводным агрегатом для систем производства азота методом PSA в диапазоне мощности от 15 до 500 кВт.
Расчет мощности компрессора, осушителя и системы фильтрации
Система подачи сжатого воздуха состоит из четырёх компонентов, подбираемых в определённой последовательности: воздушного компрессора (рассчитанного на расход воздуха генератором при давлении на выходе), осушителя воздуха (холодильного — для температуры +3 °C или адсорбционного — для температуры -40 °C / -70 °C), фильтрационной линии (коалесцирующие фильтры и фильтры с активированным углем, рассчитанные на рабочее давление) и воздушного резервуара (рассчитанного на выравнивание пиковых нагрузок и сокращение числа циклов работы).
Последовательность определения размеров компонентов
| Шаг | Компонент | Параметр определения размера | Как определить размер |
|---|---|---|---|
| 1 | Воздушный компрессор | FAD при давлении нагнетания | Расход воздуха генератором × 1,05 ÷ коэффициент поправки на давление |
| 2 | Воздушный резервуар | Объем в литрах | Производительность компрессора FAD в л/с × 10–15 (режим нагрузки/разгрузки) или × 5–8 (VSD) |
| 3 | Водоотделитель | Расход при рабочем давлении | Значение FAD компрессора, пересчитанное в фактические м³/мин |
| 4 | Коалесцирующие фильтры (2 ступени) | Расход при давлении, эквивалентном 7 бар(г) | Значение FAD компрессора скорректировано до 7 бар(г) |
| 5 | Фильтр с активированным углем | Расход при давлении 7 бар(г), время контакта | Время контакта 0,1–0,3 секунды при номинальном расходе |
| 6 | Воздухоосушитель | Расход при давлении 7 бар (газ), точка росы по давлению | Значение FAD компрессора скорректировано до 7 бар(г) |
Для пересчета расхода в эквивалент 7 бар(г) используется коэффициент (P_actual + 1,013) / (7 + 1,013), где P_actual указано в бар(г).
Сайт осушитель сжатого воздуха является вторым по энергоемкости компонентом. Холодильный осушитель потребляет 2–5% мощности компрессора. Безтепловая адсорбционная осушительная установка потребляет 15–20% в виде продувочного воздуха — для компрессора мощностью 90 кВт это соответствует эффективному энергопотреблению от 13,5 до 18 кВт. Осушители с подогревом и с использованием тепла сжатия снижают расход продувочного воздуха до 5–8% при более высоких капитальных затратах. Выбор осушителя должен соответствовать требуемой точке росы: установка адсорбционного осушителя там, где достаточно холодильного, приводит к потере 15% энергии сжатого воздуха.
Реальная цена неправильного подхода к использованию сжатого воздуха
Недостаточно проработанная система сжатого воздуха обходится предприятию дорого по трем причинам: промышленный генератор азота не соответствует требованиям к чистоте или расходу, что ухудшает качество последующих технологических процессов; компрессор работает непрерывно на номинальной мощности, что приводит к увеличению объема технического обслуживания и сокращению срока службы; в итоге предприятие вынуждено в срочном порядке закупать необходимое оборудование, что увеличивает затраты на 20–40%. Ошибка обходится в два-три раза дороже, чем правильный выбор.
Последовательность определения размеров компонентов
Пять наиболее распространённых ошибок в технических заданиях
- Подбор мощности компрессора в соответствии с производительностью азота: для генератора производительностью 50 Нм³/ч требуется 125–225 Нм³/ч сжатого воздуха. Компрессор, рассчитанный на 50 Нм³/ч, обеспечивает от одной четверти до одной трети необходимой производительности.
- Игнорирование перепада давления в технологической цепочке: если задать давление на выходе компрессора на уровне минимального давления на входе в генератор, то на потери в фильтре и осушителе ничего не останется.
- Отказ от фильтра с активированным углем: коалесцирующие фильтры удаляют масляный аэрозоль, а не пары. Без активированного угля масляные пары наносят необратимый ущерб системе CMS.
- Недостаточный размер воздушного резервуара: короткие циклы работы приводят к перегреву двигателя, увеличению энергопотребления на 5–10% и сокращению срока службы компрессора на 30–50%.
- Неучёт снижения номинальной производительности из-за условий окружающей среды: компрессор, рассчитанный на работу на уровне моря при температуре 20 °C, может обеспечивать производительность на 20% ниже при температуре 35 °C и на высоте 1 500 м.
Комплект, состоящий из генератора и компрессора, следует подбирать комплексно — производитель генератора указывает технические характеристики по расходу воздуха, давлению и качеству, а поставщик компрессора проверяет их соответствие в условиях окружающей среды на объекте.
Пошаговый расчет размеров: практический пример
Заводу по производству упаковки для пищевых продуктов требуется 40 Нм³/ч азота чистотой 99,5% для упаковки в модифицированной атмосфере; время работы составляет 6 000 часов в год, температура окружающей среды — 5–38 °C, высота над уровнем моря — 200 метров.
Пять наиболее распространённых ошибок в технических заданиях
Шаг 1: Определение расхода воздуха генератором
В техническом паспорте генератора азота PSA указано:
- Производительность по азоту: 40 Нм³/ч при чистоте 99,51 TP3T
- Расход сжатого воздуха: 128 Нм³/ч при давлении 7,5 бар (газ), температура 25 °C (условная)
- Соотношение воздуха и азота: 3,2:1
- Минимальное давление на входе: 7,0 бар (газ); максимальное: 10,0 бар (газ)
- Качество входящего воздуха: ISO 8573-1, класс 1.2.1
Шаг 2: Добавление регулирующего воздуха и системного запаса
- Воздух управления: 1,0 Нм³/ч; запас мощности системы: 5%
- Скорректированное значение: (128 + 1,0) × 1,05 = 135,5 Нм³/ч
Шаг 3: Определение давления на выходе компрессора
| Компонент | «Чистая капля» | Утилизация отслуживших свой срок устройств |
|---|---|---|
| Водоотделитель | 0,1 бар | 0,1 бар |
| Коалесцирующий фильтр, 1 микрон | 0,15 бар | 0,3 бар |
| Коалесцирующий фильтр, 0,01 микрона | 0,15 бар | 0,3 бар |
| Фильтр с активированным углем | 0,15 бар | 0,25 бар |
| Холодильный осушитель | 0,3 бар | 0,4 бар |
| Трубопроводы и арматура (~30 м) | 0,15 бар | 0,2 бар |
| Итого | 1,0 бар | 1,55 бар |
- Давление на выходе компрессора = 7,0 + 1,55 = 8,55 бар(г), округлено до 8,5 бар(г).
Шаг 4: Применение поправки на давление в компрессоре
Винтовой компрессор с фиксированной скоростью при давлении 8,5 бар(г) обеспечивает производительность FAD примерно на 3% меньше, чем при давлении 7,5 бар(г). Коэффициент поправки = 0,97. Требуемый расход FAD = 135,5 / 0,97 = 139,7 Нм³/ч, округленно до 140 Нм³/ч.
Шаг 5: Проверка понижения номинальных характеристик в зависимости от температуры окружающей среды
При температуре 38 °C и высоте над уровнем моря 200 м совокупный коэффициент снижения номинальной мощности ≈ 0,93. Требуемый номинальный расход по паспортным данным = 140 / 0,93 = 150,5 Нм³/ч.
Шаг 6: Выберите компрессор
Безмасляный винтовой компрессор мощностью 75 кВт, обеспечивающий производительность 150 Нм³/ч (FAD) при давлении 8,5 бар (газ).
Шаг 7: Расчет размера воздушного резервуара
- FAD: 150 Нм³/ч = 41,7 л/с; накопитель: 41,7 × 12 = 500 л; вертикальный накопитель объемом 500 литров, рассчитанный на давление 11 бар(г).
Шаг 8: Подбор размера осушителя воздуха
- Расход при давлении 7 бар(г): 150 × (8,5 + 1,013) / (7 + 1,013) = 178 Нм³/ч
- Холодильный осушитель с номинальной производительностью 200 Нм³/ч при давлении 7 бар (газ) и точке росы +3 °C. В сочетании с собственной водоадсорбционной способностью слоя CMS этого достаточно для достижения степени очистки 99,51 TP3T.
Шаг 9: Фильтрация по размеру
Все фильтры, рассчитанные на производительность 178 Нм³/ч при давлении 7 бар (газ):
- Коалесцирующий фильтр с размером частиц 1 микрон, 200 Нм³/ч
- Коалесцирующий фильтр с размером частиц 0,01 микрона, 200 Нм³/ч
- Фильтр с активированным углем, 200 Нм³/ч, время контакта 0,2 секунды
Шаг 10: Проверка производительности системы
| Параметр | Технические характеристики | Достигнуто |
|---|---|---|
| Расход на входе генератора | не менее 128 Нм³/ч | Производительность 140 Нм³/ч |
| Давление на входе в генератор | Не менее 7,0 бар(г) | 6,95 бар(г) при окончании срока службы фильтра (предельное значение) |
| Размер компрессора | — | 75 кВт |
| Общая установленная мощность | — | 78 кВт |
| Годовая энергия | — | 78 × 6 000 × 0,75 = 351 000 кВт·ч |
| Годовые затраты на электроэнергию ($0,10/кВт·ч) | — | $35,100 |
Давление на входе при окончании срока службы фильтра находится на пределе допустимого диапазона. Меры по устранению неисправности: увеличить давление на выходе до 8,8 бар(г) или заменить фильтры при более низком перепаде давления. При упаковке пищевых продуктов в режиме 99,5% генератор допускает небольшое снижение давления, в связи с чем давление 8,5 бар(г) является приемлемым.
Данный расчетный пример показывает, что для генератора PSA, производящего 40 Нм³/ч азота, требуется компрессор мощностью 75 кВт — это основная статья затрат как в капитальных, так и в энергетических расходах. Годовые затраты на электроэнергию для модели $35,100 за 10 лет составляют $351 000, что примерно в два раза превышает совокупную стоимость генератора и компрессора.
Для завода, переходящего на производство азота на месте, система сжатого воздуха — это не просто дополнительное оборудование: на неё приходится две трети капитальных затрат и девять десятых затрат на электроэнергию. Описанная здесь методология расчета — начиная с технического паспорта, с учетом потерь давления, с поправкой на условия окружающей среды и последовательным выбором компонентов — гарантирует, что система будет обеспечивать правильный расход, давление и качество в течение всего срока службы CMS. Пяти наиболее распространенных ошибок можно избежать с помощью систематических расчетов. Разница между правильной и неправильной спецификацией — это разница между 10–15 годами надёжной эксплуатации и заменой системы CMS с незапланированными затратами в течение нескольких месяцев.
Часто задаваемые вопросы
Что произойдет, если давление сжатого воздуха на входе в генератор азота опустится ниже установленного минимального значения?
Когда давление на входе опускается ниже минимального значения, сила, обеспечивающая процесс разделения, уменьшается. В генераторе PSA более низкое давление уменьшает количество кислорода, адсорбируемого за цикл на CMS, и чистота азота снижается — падение давления на 0,5 бар ниже минимального значения может снизить чистоту с 99,5% до 98,5% или ниже. В мембранном генераторе разность парциальных давлений через стенку волокна уменьшается, что снижает скорость пермеации кислорода и приводит к аналогичному снижению чистоты. Ни один из генераторов не повреждается в результате кратковременного снижения давления, однако продолжительная работа при давлении ниже минимального уровня требует либо снижения расхода азота для восстановления чистоты, либо принятия продукта с более низкой чистотой.
Можно ли использовать поршневой компрессор вместо винтового компрессора в генераторе азота?
Поршневой компрессор может обеспечивать подачу воздуха в генератор азота, однако с существенными ограничениями. Поршневые компрессоры создают пульсирующий поток воздуха, который может нарушать равновесие слоя CMS и снижать эффективность PSA-сепарации. Кроме того, они имеют более низкий рабочий цикл — как правило, от 50% до 70%, — что ограничивает их применение только для генераторов азота, работающих в прерывистом режиме. Для генератора азота, работающего более 4 часов в сутки, стандартным выбором является ротационный винтовой компрессор благодаря его способности работать в режиме непрерывной эксплуатации, стабильному давлению на выходе и более низкой удельной мощности. Поршневые компрессоры подходят только для очень небольших генераторов азота — с производительностью менее 5 Нм³/ч — где пульсации расхода гасятся с помощью резервуара подходящего размера.
Как часто следует заменять фильтры сжатого воздуха, установленные перед генератором азота?
Коалесцирующие фильтры следует заменять, когда перепад давления на элементе достигает 0,3–0,5 бар или по истечении 4 000–8 000 часов работы — в зависимости от того, что наступит раньше. Фильтры с активированным углем следует заменять по истечении 4 000 часов работы или когда концентрация паров масла за фильтром превышает 0,003 мг/м³, что требует измерения с помощью детекторной трубки для паров масла или лабораторного анализа пробы воздуха. Согласно консервативному графику технического обслуживания коалесцирующие фильтры заменяются ежегодно, а фильтр с активированным углем — каждые 6 месяцев для генератора азота, работающего 8 000 часов в год. Стоимость фильтрующих элементов — как правило, от $100 до $500 за штуку — незначительна по сравнению со стоимостью замены системы CMS или мембраны, вызванной выходом фильтра из строя.
