בייצור תעשייתי מודרני, חנקן, כגז מגן חשוב, גז אינרטי ומדיום תגובה, נמצא בשימוש נרחב בתחומים רבים כגון תעשייה כימית, אלקטרוניקה, מזון ורפואה. על מנת לענות על הביקוש לחנקן בתרחישים שונים, הטכנולוגיות הנוכחיות של ייצור חנקן מיינסטרים כוללות בעיקר ייצור חנקן על ידי מחולל חנקן (PSA) והפרדת אוויר קריוגני. מאמר זה ינתח באופן שיטתי את ההבדלים בין שתי הטכנולוגיות הללו ממספר מימדים כגון עקרונות בסיסיים, קנה מידה ייצור, זמן הפעלה, מבנה עלויות, טוהר המוצר ותרחישי יישומים כדי לעזור למשתמשים לבחור את פתרון ייצור החנקן המתאים ביותר בהתבסס על הצרכים בפועל.
עקרונות בסיסיים
1. מחולל חנקן (PSA)
טכנולוגיית Pressure Swing Adsorption (PSA) משתמשת בהבדל ביכולת הספיחה של מסננת מולקולרית כדי לספוח זיהומים כגון חמצן ופחמן דו חמצני בתנאי לחץ כדי להפריד חנקן. זרימת התהליך שלו פשוטה, ולחץ הפעולה הוא בדרך כלל בין 0.5 ל-0.8 MPa, וייצור חנקן רציף מושג באמצעות שינוי לחץ תקופתי.
2. ייצור חנקן בהפרדת אוויר קריוגנית
בהתבסס על הפרש נקודת הרתיחה של כל רכיב באוויר, האוויר מופרד לחנקן, חמצן וארגון בטמפרטורות נמוכות במיוחד (בדרך כלל מתחת ל--180 מעלות) באמצעות דחיסה, קירור, הנזלה וזיקוק. טכנולוגיה זו מורכבת בטכנולוגיה ועצומה בציוד, אך היא יכולה להשיג הפקה משותפת של- מוצרים.
קנה מידה ויעילות ייצור
|
מֶטרִי |
יצירת חנקן PSA |
הפרדת אוויר קריוגנית |
|
כושר ייצור |
כמה עד אלפי Nm³/h, מתאים לביקוש גז בקנה מידה קטן עד בינוני-. |
עד עשרות אלפי Nm³/h, אידיאלי עבור אספקה מרוכזת-בקנה מידה גדול או ייצור חנקן נוזלי. |
|
שיעור התאוששות |
כ-70%-80%. |
מעל 95%, עם יעילות ניצול אנרגיה גבוהה. |
|
זמן הפעלה- |
קצר, בדרך כלל מגיע לפעולה יציבה תוך 30 דקות. |
ארוך, דורש מספר שעות עד ימים להתקררות ולהתנעה-. |
ניתוח עלויות
1. השקעה ראשונית
- ייצור חנקן PSA: לציוד מבנה פשוט, טביעת רגל קטנה והשקעה ראשונית נמוכה. מערכות קטנות הן בערך מאות אלפי יואן, בעוד שמערכות בינוניות וגדולות הן כמיליוני יואן.
- הפרדת אוויר קריוגנית: הציוד מורכב ודורש יחידות מדחסים תומכות, קופסאות קירור, מיכלי אחסון וכו'. היקף ההשקעה גדול, עולה בדרך כלל מעל 100 מיליון יואן.
2. עלות תפעול
- ייצור חנקן PSA: בעיקר צריכת חשמל, צריכת חנקן יחידה היא כ-0.4-0.6 קוט"ש/Nm³, ועלות התחזוקה נמוכה.
- הפרדת אוויר קריוגנית: למרות שצריכת האנרגיה היחידה נמוכה, צריכת האנרגיה הכוללת גבוהה בשל קנה המידה הגדול; הוא מתאים לפעולה רציפה ויציבה, ויש לו יותר יתרונות בעלות-יחידה לטווח ארוך, מתאים במיוחד לביקוש-בקנה מידה גדול.
השוואת טוהר המוצר
1. ייצור חנקן PSA
הטוהר המקובל יכול להגיע ל-99.9%-99.999%, המתאים לרוב התרחישים התעשייתיים, כגון מילוי חנקן מזון, הגנה כימית, טיפול במתכות וכו'.
2. ייצור חנקן בהפרדת אוויר קריוגנית
הטוהר בדרך כלל גבוה מ-99.999%, וניתן להשיג חנקן נוזלי בטוהר- גבוה, חמצן נוזלי ומוצרים אחרים בו-זמנית. הוא מתאים לאזורים כמו מוליכים למחצה, אלקטרוניקה וחלל בהם דרישות טוהר הגז גבוהות במיוחד.
סיכום תרחישי יישום
|
תכונה |
יצירת חנקן PSA |
הפרדת אוויר קריוגנית |
|
קנה מידה מתאים |
ביקוש לגז בקנה מידה קטן עד בינוני, לסירוגין או מתמשך |
אספקת גז רציפה ויציבה בקנה מידה גדול- |
|
דרישות טוהר |
טוהר בינוני עד גבוה (פחות או שווה ל-99.999%) |
טוהר- במיוחד (גדול או שווה ל-99.999%) |
|
יכולת השקעה |
השקעה נמוכה יותר, פריסה גמישה |
השקעה גבוהה יותר, מתאים לפעילות יציבה-לטווח ארוך |
|
טופס מוצר |
חנקן גזי (ניתן להנזה לאחר מכן) |
ייצור-משותף של חנקן גזי ונוזלי |
|
תעשיות טיפוסיות |
מזון, תרופות, מטלורגיה, תעשייה כללית |
אלקטרוניקה, מוליכים למחצה,-עיבוד כימי גדול, אספקת גז להפרדת אוויר |
לייצור חנקן PSA ולהפרדת אוויר קריוגני יש יתרונות משלהם. באיזה מסלול טכני לבחור יש לשקול באופן מקיף גורמים כמו קנה מידה של שימוש בגז, דרישות טוהר, תקציב הון ומצב תפעול. עבור משתמשים קטנים ובינוניים-עם דרישות גמישות גבוהות, מחוללי חנקן PSA הם בחירה חסכונית ומעשית; בעוד שעבור ארגונים בקנה מידה גדול,-טוהר- ורב-מוצרים משותפים-, להתקני הפרדת אוויר קריוגניים יש יתרונות משמעותיים-לטווח ארוך. מומלץ למפעלים לבצע ניתוח דרישת גז מפורט והשוואה טכנית וכלכלית לפני קבלת החלטות על מנת להבטיח כי נבחרה תוכנית הפקת החנקן המתאימה ביותר.
