Produzione di azoto a basso costo tramite adsorbimento: prospettive? 

Quando senti “azoto a buon mercato?”, pensi subito alla criogenia o alle membrane. Adsorbimento? È spesso percepito come un giocattolo costoso per l'elevata purezza. Ma c'è una sfumatura qui di cui non si parla molto: l'economicità non riguarda solo i costi di capitale di installazione, ma il costo di un metro cubo di gas all'uscita per l'intera durata di servizio. È qui che le tecnologie di adsorbimento, in particolare l’adsorbimento a ciclo senza calore (SCA), possono riservare sorprese. Molto dipende dal calcolo corretto e, soprattutto, dalla comprensione delle condizioni operative reali e non ideali.

Dove sta il vero risparmio?

Il mito principale è che gli impianti di adsorbimento siano sempre più costosi di quelli a membrana. Se si confrontano i cartellini dei prezzi nudi per attrezzature di produttività bassa e media, questo è spesso vero. Ma se si approfondisce il funzionamento, il quadro cambia. Il parametro chiave è il costo dell'aria compressa. L'adsorbimento ne consuma meno per unità di prodotto ad elevata purezza, diciamo, 99,5% e oltre. Con l'aumentare della purezza, le membrane perdono drasticamente efficienza; hanno bisogno di molta più aria di origine. Si scopre che all'inizio si paga meno per l'unità a membrana, ma poi per decenni si paga più del dovuto per l'elettricità al compressore. Risulta essere un’arma a doppio taglio.

Un altro punto è la durabilità della zeolite. Tutti hanno paura che debba essere cambiato spesso. In pratica, con un'adeguata purificazione preliminare dell'aria (e senza di essa nessun sistema funziona normalmente), la durata dell'adsorbente può essere di 8-10 anni. Ho visto impianti in cui, dopo 7 anni di funzionamento, il calo di produttività era compreso tra il 5 e il 7%. Ma le membrane sono sensibili all'olio e alla condensa e la loro durata può ridursi inaspettatamente a causa di problemi con i filtri. Il rischio è più alto.

E il terzo punto è la flessibilità. Le moderne unità di controllo consentono all'unità di adsorbimento di funzionare in modalità standby con un consumo minimo quando la produzione è inattiva. La membrana, infatti, lavora costantemente finché c'è pressione in ingresso. Per le officine con carico variabile, questo è un risparmio diretto.

Insidie di cui non si parla negli opuscoli

Ora parliamo delle cose tristi. La convenienza si trasforma facilmente in costi elevati in fase di progettazione e installazione. L'errore più comune è risparmiare sul sistema di preparazione dell'aria. Installano filtri a coalescenza economici che non forniscono il punto di rugiada richiesto. Il vapore acqueo uccide la zeolite molto più velocemente dei 10 anni promessi. Ho visto un caso in uno stabilimento alimentare: dopo due anni la zeolite è diventata inutilizzabile perché il cliente ha insistito per ridurre il costo del pacchetto di filtri. Di conseguenza, l'adsorbente è stato completamente sostituito; tutti i risparmi sono stati raddoppiati.

Il secondo problema sono le soluzioni universali. Non esiste una soluzione magica “per tutte le occasioni?”. Per la purezza del 99,9% e del 99,999%, la configurazione, le dimensioni e i tempi di ciclo della colonna saranno diversi. Tentativi di prendere la versione "rinforzata" per elevata purezza, ma utilizzarla per bassa purezza è un pagamento eccessivo e un consumo non ottimale. È necessario comprendere chiaramente i termini di riferimento. A volte i clienti richiedono la pulizia “con riserva” e poi pagano per anni interessi di cui non hanno bisogno.

E, naturalmente, il servizio. Un'unità di adsorbimento non è un frigorifero; non può essere semplicemente acceso e dimenticato. È necessario monitorare le differenze di pressione, sostituire tempestivamente gli elementi filtranti e controllare il funzionamento delle valvole. Senza questo, non ci sarà convenienza in futuro.

Esperienza pratica: quando l'asorbimento decolla

Lasciatemi fare un esempio tratto da un recente progetto in cui abbiamo lavorato con colleghi cinesi, in particolare con una società di ingegneriaChengdu Yizhi Technology Co.. Il loro sito webyzkjhx.ruben noto a chi cerca soluzioni nel campo della separazione dei gas. Si tratta di un istituto di design con un capitale autorizzato significativo, creatoTecnologia Huaxi. Hanno proposto uno schema per un impianto di lavorazione dei metalli che necessitava di azoto puro al 99,999% per la saldatura. Volume - circa 100 Nm3/h.

Inizialmente si era pensato ad un impianto criogenico, ma non era adatto a causa del consumo giornaliero non uniforme. Le membrane sono cadute a causa dell'elevata purezza. Abbiamo optato per un'installazione KBA a due colonne. Il trucco stava nei dettagli: non è stata utilizzata la zeolite 13X standard, ma la sua modifica con proprietà più selettive, che ha permesso di ridurre il consumo di aria. Inoltre, abbiamo integrato un sistema per il recupero energetico della pressione di scarico: ciò ha consentito un ulteriore risparmio di circa il 5% sulla compressione.

Risultato? I costi di capitale si sono rivelati superiori del 15-20% rispetto alla versione a membrana con tale purezza. Ma il costo stimato di un metro cubo di azoto in 5 anni è inferiore del 30%. Il cliente, che inizialmente era scettico riguardo al “complesso?” adsorbimento, dopo un anno di intervento ha ammesso che la scelta era corretta. Era particolarmente soddisfatto della stabilità della pulizia, che è fondamentale per la qualità della saldatura.

E quando non dovresti essere coinvolto?

L’assorbimento non è una panacea. Esistono scenari in cui può essere utilizzato per "economici?" l’azoto sarà un perdente. Il primo riguarda volumi molto piccoli, fino a 10-15 Nm3/h. Qui le membrane o anche i cilindri sono spesso più redditizi grazie alla loro semplicità e al basso prezzo iniziale. Il secondo è quando è necessaria una purezza del 95-98%. Qui le membrane non hanno rivali in termini di costo totale di proprietà.

Un altro fattore critico è la qualità dell’alimentazione. Sovraccarichi e arresti frequenti interrompono l'automazione delle valvole. Le riparazioni possono essere costose e richiedere molto tempo. In condizioni di rete instabile, a volte è più logico scegliere uno schema più semplice, anche se meno efficace.

E infine la mancanza di personale qualificato in loco. Se nello stabilimento non c'è nessuno che possa guardare nel pannello di controllo una volta alla settimana e controllare i registri degli errori, allora è meglio scegliere quello più “quercia”. e una soluzione che può essere mantenuta in remoto, anche se è più costosa da gestire. Altrimenti risparmierai sull'attrezzatura, ma andrai in rovina per le chiamate ai tecnici dell'assistenza.

Guardando al futuro: dove sta andando la tecnologia

Le prospettive, secondo me, non sono legate alla rivoluzione, ma all'evoluzione. Innanzitutto, questi sono materiali. Sviluppo di nuovi adsorbenti con maggiore capacità e selettività. Ad esempio, gli stessi MOF (strutture metallo-organiche) promettono una riduzione del consumo energetico, ma finora sono incredibilmente costosi per l’industria. Aspettiamo che il prezzo scenda.

In secondo luogo, il controllo intelligente. Algoritmi che analizzano consumi, temperatura, umidità dell'aria in tempo reale e regolano i cicli di adsorbimento. Ciò può fornire ulteriori risparmi del 5-10%, che rappresentano enormi quantità su scala annua. Alcuni produttori, inclusoChengdu Yizhi Technology Co., stanno già implementando sistemi simili nei loro progetti, come si può vedere dalle loro ultime implementazioni.

E in terzo luogo, i sistemi ibridi. Non “o/o”, ma simbiosi. Ad esempio, il primo stadio è a membrana (per la pulizia grossolana fino al 98-99%), il secondo è ad adsorbimento (per la pulizia finale fino al 99,999%). Ciò può ottimizzare i costi complessivi per alcune attività specifiche. Sebbene tali programmi siano rari, l’interesse nei loro confronti è in crescita.

Quindi, tornando alla domanda principale: ci sono prospettive per la produzione di azoto a basso costo mediante adsorbimento, e sono abbastanza tangibili. Ma la parola chiave qui non è “economico”, ma “ottimale”. Non esiste una risposta universale. È necessario considerare ogni caso specifico nei minimi dettagli: dalla qualità dell'aria in officina al programma di lavoro e alle qualifiche dei meccanici. Solo allora potremo parlare di vera economia. Altrimenti sarà solo un gioco di numeri sulla carta che si concluderà con una spesa inaspettata. Come spesso accade.