Membandingkan Biaya Pengisian Silinder dengan Produksi Oksigen PSA di Tempat

Comparing Cylinder Filling Costs with On-Site PSA Oxygen Production

Untuk pabrik yang mengonsumsi oksigen setiap hari, perbedaan biaya antara pengiriman tabung dan pembangkitan oksigen di lokasi bergantung pada lebih dari harga gas yang dikutip. Sistem berbasis silinder memindahkan produksi, kompresi, penyimpanan, dan transportasi oksigen ke luar pabrik, sementara sistem PSA di lokasi memindahkan sebagian besar fungsi ini ke dalam fasilitas produksi. Struktur biaya yang dihasilkan berubah dari model pembelian dan pengiriman menjadi model listrik, kompresor, pemeliharaan dan pemanfaatan peralatan.

Oksigen silinder industri biasanya mencapai pengguna melalui serangkaian produksi, kompresi, pengisian, transportasi, penyimpanan, dan pengurangan tekanan. Oksigen diproduksi di pabrik gas pusat dan dikompresi menjadi silinder baja atau aluminium. Tergantung pada desain silinder dan peraturan setempat, silinder industri dapat diisi hingga sekitar 150–200 bar di stasiun pengisian.

Di pabrik, silinder dihubungkan satu per satu atau melalui manifold manifo yang mengelompokkan beberapa silinder ke dalam kumpulan sehingga operator dapat beralih dari kumpulan kosong ke kumpulan berisi tanpa segera menghentikan proses. Regulator tekanan kemudian mengurangi tekanan silinder ke tekanan operasi yang dibutuhkan oleh burner, peralatan pemotongan, sistem aerasi, atau peralatan pemakan oksigen lainnya.

Jumlah oksigen yang dapat digunakan tidak hanya ditentukan oleh tekanan nominal silinder. Volume air silinder, tekanan pengisian, suhu gas, dan tekanan sisa pada penggantian silinder semuanya mempengaruhi pemanfaatan sebenarnya. Apabila tabung ditukar dan masih terdapat sejumlah besar gas di dalamnya, maka pabrik telah membayar gas yang belum masuk proses produksi.

Di tempatsistem oksigen PSAmenghasilkan oksigen dari udara atmosfer terkompresi. Instalasi tipikal berisi kompresor udara, penerima udara, filter partikulat dan penggabungan, bejana adsorpsi, katup pengalih, penerima oksigen, penganalisis oksigen, sistem kontrol PLC, pengatur tekanan, dan pipa distribusi oksigen.

Bejana adsorpsi mengandung bahan saringan molekuler, biasanya zeolit. Bahan tersebut berinteraksi secara berbeda dengan nitrogen dan oksigen dalam kondisi bertekanan. Selama tahap adsorpsi, udara terkompresi memasuki satu bejana, nitrogen lebih disukai ditahan oleh saringan molekuler, dan aliran gas yang diperkaya oksigen keluar menuju penerima oksigen.

Sistem ini biasanya menggunakan dua atau lebih bejana adsorpsi. Sementara satu bejana menghasilkan oksigen, bejana lain mengalami depresurisasi dan regenerasi. Katup pengalih mengontrol jalur gas sesuai dengan siklus yang diprogram. Pengaturan ini memungkinkan satu wadah untuk menyerap nitrogen sementara wadah lain melepaskan nitrogen yang sebelumnya tertahan.

Penerima oksigen memisahkan produksi dari permintaan proses sesaat. Hal ini dapat menyerap fluktuasi aliran jangka pendek dan menstabilkan tekanan hilir daripada memerlukan lapisan adsorpsi untuk mengikuti setiap perubahan konsumsi oksigen.

Bagaimana Siklus Pemisahan PSA Bekerja

ItuPSAsiklus terutama terdiri dari langkah-langkah tekanan, adsorpsi, depresurisasi, dan regenerasi. Udara bertekanan terlebih dahulu melewati bagian pengolahan udara, tempat air, aerosol minyak, dan partikel dihilangkan sebelum udara mencapai saringan molekuler.

Selama adsorpsi, bejana operasi tetap bertekanan sementara nitrogen lebih disukai teradsorpsi. Oksigen dan argon melewati unggun dan membentuk gas produk. Ketika kapasitas adsorpsi mendekati batas operasinya, sistem kontrol mengubah jalur gas dan mengirimkan bejana ke regenerasi.

Selama regenerasi, tekanan bejana berkurang dan nitrogen yang teradsorpsi meninggalkan saringan molekuler. Beberapa konfigurasi PSA menggunakan sebagian produk oksigen untuk pembersihan atau pemerataan, sementara konfigurasi lainnya menggunakan pemerataan tekanan antar bejana untuk mengurangi kehilangan gas. Siklus pastinya bergantung pada ukuran bejana, karakteristik saringan molekuler, kemurnian target, perolehan kembali, dan aliran oksigen yang dibutuhkan.

Untuk tujuan pengadaan, kemurnian oksigen harus dievaluasi bersamaan dengan perolehan oksigen dan konsumsi daya spesifik. Meningkatkan kemurnian oksigen yang diperlukan dapat meningkatkan jumlah udara bertekanan yang diperlukan per unit oksigen produk, sehingga dapat meningkatkan konsumsi energi kompresor.

Oksigen silinder menciptakan beberapa komponen biaya berulang. Pabrik dapat membayar sendiri oksigen, sewa silinder atau biaya servis, transportasi, bongkar muat, penyimpanan, dan tenaga operator untuk penggantian silinder. Biaya ini meningkat seiring dengan frekuensi pengiriman dan konsumsi oksigen.

Produksi PSA mengalihkan biaya berulang ke listrik dan pemeliharaan peralatan. Kompresor biasanya mewakili sebagian besar konsumsi listrik karena udara atmosfer harus dikompresi sebelum memasuki bejana adsorpsi. Filter, katup, penganalisis oksigen, segel, dan bahan saringan molekuler juga berkontribusi terhadap biaya siklus hidup.

Komponen Biaya	Pasokan Silinder	PSA di Tempat
Pembelian oksigen	Biaya gas berulang	Tidak diperlukan untuk produksi normal
Angkutan	Diperlukan	Biasanya dihapus
Penanganan silinder	Diperlukan	DIHAPUS
Listrik kompresor	Sisi pemasok	Sisi pabrik
Investasi peralatan	Rendah di pabrik	Diperlukan
Perawatan udara	Sisi pemasok	Diperlukan di tempat
Penyimpanan	Persediaan silinder	Penerima oksigen
Pemeliharaan	Regulator, katup, manifold	Kompresor, katup, filter, analisa
Persediaan cadangan	Silinder tambahan	Silinder atau sumber cadangan lainnya

Perbandingannya harus menggunakan jumlah oksigen, kemurnian, tekanan, dan periode pengoperasian yang sama. Membandingkan kuotasi silinder dalam $/silinder dengan listrik PSA dalam $/kWh tanpa mengubah kedua sistem menjadi biaya per Nm³ oksigen yang dapat digunakan dapat menghasilkan kesimpulan yang salah.

Konsumsi oksigen adalah salah satu variabel terkuat dalam perbandingan ekonomi. Pabrik yang menggunakan 10 Nm³/jam untuk shift produksi singkat memiliki profil operasi yang sangat berbeda dengan fasilitas yang mengonsumsi 100 Nm³/jam secara terus menerus selama 24 jam.

Untuk suplai silinder, konsumsi yang lebih tinggi secara langsung meningkatkan jumlah silinder yang harus dikirim, disimpan, disambungkan, dan diganti. Jika konsumsi harian meningkat melebihi kapasitas manifold yang ada, bank silinder tambahan atau pengiriman yang lebih sering mungkin diperlukan.

Untuk produksi PSA, beban kontinu yang lebih tinggi dapat meningkatkan pemanfaatan peralatan dan mendistribusikan biaya modal tetap ke volume oksigen yang lebih besar. Namun, kompresor dan bejana adsorpsi harus berukuran sesuai aliran yang dibutuhkan, dan pengoperasian mendekati kapasitas maksimum dapat mengubah konsumsi energi spesifik dan pemulihan oksigen.

Oleh karena itu, perbandingan praktis harus menghitung konsumsi oksigen sebagai:

Permintaan Oksigen Tahunan=Aliran Oksigen × Jam Operasional × Hari Operasional

Angka Nm³ tahunan yang dihasilkan memberikan dasar umum untuk membandingkan oksigen yang dikirim dengan produksi di lokasi.

Dalam sistem di lokasi, konsumsi listrik sangat dipengaruhi oleh tekanan kompresor, suhu udara masuk, efisiensi kompresor, penurunan tekanan pengolahan udara, konfigurasi siklus adsorpsi, dan pemulihan oksigen.

Misalnya, jika suatu sistem mengkonsumsi 0,8 kWh/Nm³ oksigen dan biaya listrik industri $0,10/kWh, maka komponen listriknya kira-kira $0,08/Nm³. Angka tersebut belum termasuk perawatan kompresor, filter, penggantian katup, analisis oksigen, atau pemulihan modal.

Kualitas udara bertekanan juga mempengaruhi biaya operasional. Air yang masuk ke lapisan adsorpsi dapat mengubah kinerja saringan molekuler, sedangkan kontaminasi minyak dapat merusak permukaan adsorben. Oleh karena itu, filter udara berfungsi lebih dari sekadar melindungi komponen hilir; mereka juga mengontrol kondisi bahan adsorpsi.

Insinyur pengadaan harus meminta konsumsi daya spesifik pemasok pada aliran dan kemurnian oksigen yang ditentukan daripada menggunakan kW terukur motor kompresor sebagai biaya produksi oksigen.

Kemurnian oksigen dan tekanan pengiriman harus ditentukan bersama-sama karena keduanya mempengaruhi desain sistem. Suatu proses yang memerlukan sekitar 90–93% oksigen dapat menggunakan konfigurasi PSA yang berbeda dari proses yang memerlukan oksigen di atas 95%.

Oksigen silinder menyediakan sejumlah besar gas yang disimpan pada tekanan tinggi, sementara sistem PSA umumnya menghasilkan oksigen pada tekanan lebih rendah yang cocok untuk penggunaan proses langsung atau peningkatan tekanan hilir. Jika suatu proses memerlukan tekanan yang jauh lebih tinggi, kompresor oksigen tambahan mungkin diperlukan.

Stabilitas aliran adalah pertimbangan lain. Mesin pembakar atau pemotong mungkin mengalami perubahan kebutuhan oksigen yang cepat, sementara aerasi air limbah dapat mempertahankan aliran yang relatif stabil untuk waktu yang lama. Penerima oksigen dapat menahan perubahan permintaan jangka pendek, namun volumenya harus disesuaikan dengan perbedaan antara keluaran PSA dan konsumsi proses.

Tidak semua pabrik mengonsumsi oksigen dengan laju yang konstan. Lini produksi dapat beroperasi pada kebutuhan oksigen yang tinggi selama pemotongan atau pembakaran dan turun ke kebutuhan yang lebih rendah selama pemuatan, pemeliharaan, atau pergantian shift.

Dengan silinder, kapasitas suplai ditentukan oleh jumlah silinder yang terhubung dan tekanan yang tersisa. Ketika konsumsi meningkat secara tidak terduga, operator mungkin perlu menyambungkan bank silinder lain.

Dengan produksi PSA, unit adsorpsi umumnya beroperasi berdasarkan siklus terprogram sementara penerima oksigen menyerap perbedaan jangka pendek antara produksi dan konsumsi. Jika permintaan tetap berada di atas kapasitas produksi yang ditetapkan untuk jangka waktu yang lama, tekanan penerima pada akhirnya akan turun. Oleh karena itu, sistem ini memerlukan kapasitas aliran puncak yang ditentukan, bukan hanya penghitungan aliran rata-rata.

Untuk pengadaan, angka penting tidak hanya rata-rata Nm³/jam tetapi juga aliran minimum, aliran normal, aliran puncak, durasi puncak, dan profil beban harian.

Sistem silinder menyimpan oksigen langsung di dalam bejana bertekanan. Sebuah pabrik dapat mempertahankan pasokan selama beberapa hari jika cukup silinder disimpan di lokasi, namun hal ini meningkatkan area penyimpanan dan beban kerja penanganan yang diperlukan. Persediaan silinder juga harus dirotasi sesuai dengan prosedur pemasok dan persyaratan bejana tekan yang berlaku.

SebuahPSA di tempatsistem biasanya menyimpan oksigen di penerima daripada menyimpan persediaan silinder yang terisi dalam jumlah besar. Penerima menyediakan buffer gas antara siklus adsorpsi dan jalur proses.

Untuk produksi yang berkelanjutan, sumber oksigen cadangan tetap penting. Jika kompresor PSA berhenti karena kegagalan listrik, panas berlebih, pemeliharaan, atau kesalahan kontrol, oksigen yang disimpan mungkin hanya mendukung proses tersebut untuk jangka waktu terbatas. Oleh karena itu, manifold silinder cadangan dapat dihubungkan ke hilir sehingga produksi dapat dilanjutkan sementara peralatan PSA diperiksa.

Penggantian silinder dengan produksi PSA memerlukan perubahan pada infrastruktur gas pabrik. Instalasi harus menyediakan ruang untuk kompresor, penerima udara, rakitan filtrasi, bejana adsorpsi, penerima oksigen, kabinet kontrol, dan perpipaan terkait.

Udara bertekanan harus melewati tahap filtrasi yang ditentukan sebelum memasuki bejana adsorpsi. Kondensat harus dialirkan dari penerima udara dan filter untuk mencegah air cair mencapai saringan molekuler. Pipa oksigen kemudian menghubungkan penerima ke pengaturan tekanan dan sistem distribusi proses.

Sistem kelistrikan harus menyuplai kompresor dan peralatan kontrol sesuai dengan voltase dan arus pengenal pabrikan. Ventilasi juga harus dipertimbangkan karena kompresor menghasilkan panas selama pengoperasian terus-menerus, sementara knalpot PSA melepaskan gas kaya nitrogen selama regenerasi.

Sebelum commissioning, teknisi biasanya memverifikasi kebersihan pipa, integritas tekanan, pengoperasian katup, kemurnian oksigen, tekanan saluran keluar, kapasitas aliran, dan fungsi alarm. Alat analisa oksigen harus memastikan bahwa gas yang dihasilkan memenuhi kemurnian yang ditentukan sebelum peralatan proses menerima gas.

Sistem silinder terutama memerlukan pemeriksaan katup silinder, regulator, selang fleksibel, sambungan manifold, dan segel. Kebocoran pada katup atau sambungan dapat melepaskan oksigen secara terus menerus dan meningkatkan konsumsi tanpa meningkatkan hasil produksi.

Sistem PSA memiliki mode kegagalan mekanis dan proses yang lebih luas. Kompresor yang terlalu panas dapat mengurangi aliran udara, filter yang tersumbat dapat meningkatkan penurunan tekanan, keausan katup peralihan dapat mengganggu urutan adsorpsi, dan kontaminasi saringan molekuler dapat mengurangi kapasitas adsorpsi nitrogen.

Penurunan kemurnian oksigen dapat mengindikasikan masalah pada siklus adsorpsi, kondisi udara umpan, timing katup, kondisi saringan molekuler, atau permintaan produk yang berlebihan. Penurunan tekanan pada filter dapat mengindikasikan kontaminasi, sedangkan suhu pelepasan kompresor yang tidak normal dapat mengindikasikan masalah pendinginan atau mekanis.

Oleh karena itu, pemeliharaan harus mencakup pemeriksaan kompresor, penggantian filter, pembuangan kondensat, pemantauan siklus katup, kalibrasi penganalisis oksigen, pengukuran penurunan tekanan, dan pemeriksaan sistem adsorpsi sesuai dengan jam pengoperasian dan persyaratan pabrikan.