Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет ..., печатный экземпляр отправим ...
Опубликовать статью

Молодой учёный

Когда лаборатории выгодно перейти на собственный генератор азота

Информационные материалы
11
Поделиться
Аннотация
Расход от 50 баллонов азота в месяц — точка, после которой собственная генерация окупается за 12–18 месяцев. Разбираем экономику, чистоту газа и выбор оборудования.
Библиографическое описание
Когда лаборатории выгодно перейти на собственный генератор азота. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2018. — № 39 (225). — URL: https://moluch.ru/archive/225/139930.

Экономика баллонного азота: сколько тратит лаборатория при расходе 50 баллонов в месяц

Лаборатория, работающая с газовой хроматографией, масс-спектрометрией или перчаточными боксами, расходует 40-60 баллонов азота ежемесячно. Стандартный баллон объёмом 40 литров при давлении 150 бар содержит 6 кубометров газа. При расходе 50 баллонов это 300 кубометров в месяц, или 10 кубометров в сутки.

Затраты складываются из трёх статей. Первая - аренда баллонов: от 150 до 400 рублей за единицу в месяц в зависимости от региона и объёма заказа. Вторая - доставка, которая при еженедельных поставках обходится в 3000-8000 рублей ежемесячно. Третья - стоимость самого газа: от 250 до 600 рублей за кубометр азота чистотой 99,5% и выше. Суммарно лаборатория платит 80-120 тысяч рублей в месяц, или миллион в год.

К финансовым потерям добавляются организационные: задержка поставки останавливает анализы, хранение баллонов требует выделенной площади, смена пустых баллонов отвлекает сотрудников. Баллонная схема удобна при малых расходах, но после преодоления порога в 40 баллонов месячные издержки делают собственную генерацию экономически оправданной.

Расчёт окупаемости генератора: точка безубыточности за 12-18 месяцев

Адсорбционная установка производительностью 5 кубометров в час с чистотой азота 99,5% стоит 800-1200 тысяч рублей в зависимости от комплектации и производителя. К этой сумме добавляется монтаж - 50-100 тысяч, пусконаладка и обучение персонала - ещё 30-50 тысяч. Итоговые капитальные затраты составляют 1 миллион рублей.

Эксплуатационные расходы складываются из электроэнергии и обслуживания. Генератор потребляет сжатый воздух от компрессора: на производство кубометра азота чистотой 99% нужно 5-6 кубометров воздуха. Компрессор мощностью 5,5 киловатта под нагрузкой берёт 4 киловатта. Но работает он не круглосуточно: чтобы закрыть месячные 300 кубометров, генератору хватает 60 часов, с учётом циклов регенерации и добивки ресивера - сотня с небольшим. Это 400 киловатт-часов, то есть 2 тысячи рублей по тарифу 5 рублей за киловатт-час. Обслуживание - замена фильтров, регламентные проверки - обходится в 30-50 тысяч рублей ежегодно, или 4 тысячи в месяц.

Ежемесячные операционные затраты на собственную генерацию - 6 тысяч рублей против 80-120 тысяч при баллонной схеме. Экономия составляет 74-114 тысяч в месяц, и миллион капитальных вложений возвращается за 9-14 месяцев. Химическая лаборатория одного из исследовательских институтов перешла на адсорбционный генератор производительностью 5 кубометров в час при чистоте 99,5% и вышла в ноль за полтора года - дольше расчётного, потому что первые месяцы хроматографы ещё держали на баллонной аналитике и генератор закрывал только продувку.

Чистота азота по задачам: от продувки боксов до газовой хроматографии

Требования к чистоте газа определяются конкретной задачей. Перчаточные боксы для работы с влагочувствительными материалами используют азот чистотой 95-98%: остаточный кислород на уровне 2-5% не мешает поддержанию инертной атмосферы, а стоимость генерации при такой чистоте минимальна. Продувка лабораторной посуды перед синтезом - аналогичные требования.

Масс-спектрометрия и жидкостная хроматография требуют азота чистотой 99-99,5%: примеси кислорода на уровне 0,5-1% могут влиять на ионизацию и стабильность сигнала. Газовая хроматография с детекторами высокой чувствительности - пламенно-ионизационным или электронного захвата - работает на азоте чистотой 99,99% и выше. Остаточный кислород на уровне 100 ppm приводит к дрейфу базовой линии и ухудшению воспроизводимости.

Зависимость между чистотой и расходом воздуха нелинейная. Получение азота чистотой 95% требует 3-4 кубометра сжатого воздуха на кубометр продукта, 99% - уже 5-6 кубометров, 99,9% - 8-10 кубометров. Каждая дополнительная девятка после запятой удорожает генерацию в полтора раза. Перед покупкой установки имеет смысл проанализировать реальные потребности: если основная нагрузка - продувка боксов, а хроматограф работает два раза в неделю, экономичнее установить генератор азота на 98% и докупать баллоны высокой чистоты для аналитики.

Три вопроса перед покупкой генератора

Первый вопрос - пиковый расход и режим потребления. Генератор проектируется на максимальную нагрузку: если три хроматографа работают одновременно, а перчаточный бокс требует быстрой продувки после вскрытия, суммарный расход может достигать 8-12 кубометров в час. Дальше есть развилка. Подбирать установку по пику с запасом 20-30% - решение прямое, но дорогое: машина будет простаивать большую часть суток. Второй путь - взять генератор по среднесуточному расходу и поставить ресивер, который копит азот в паузах. Пик 10 кубометров в час длительностью полчаса - это 5 кубометров газа; при рабочем диапазоне 8-4 бара их отдаёт ресивер на 1250 литров. Чего делать нельзя - гонять генератор на пределе постоянно: это сокращает ресурс сорбента и роняет чистоту.

Второй вопрос - требуемое давление на выходе. Большинство лабораторных приборов работают при давлении 4-7 бар, но некоторые масс-спектрометры и системы продувки капилляров требуют 8-10 бар. Адсорбционные генераторы выдают азот при давлении 6-8 бар; если нужно выше, потребуется дополнительный бустер. Мембранные азотные установки дают более низкое давление - 5-7 бар - и подходят для задач, где чистота не превышает 99,5%, но требуется компактность и простота обслуживания.

Третий вопрос - место установки и требования к инфраструктуре. Адсорбционному генератору нужен компрессор с осушителем: точка росы воздуха на входе должна быть не выше +3 градусов Цельсия, иначе влага насыщает молекулярное сито и снижает его ёмкость. Компрессор, ресивер и сама установка занимают 3-5 квадратных метров; потребуется вентиляция для отвода тепла и дренаж для конденсата из осушителя. Уровень шума компрессора - 65-75 дБА, что требует либо отдельного помещения, либо акустического кожуха.

Физика процесса: как работает PSA-технология

Адсорбционная технология разделения воздуха работает на углеродном молекулярном сите (CMS) с размером пор 3-4 ангстрема. Разделение здесь кинетическое, а не по силе притяжения: молекула кислорода мельче молекулы азота (3,46 против 3,64 ангстрема) и успевает проникнуть в микропоры сорбента за время цикла, тогда как азот остаётся в газовой фазе и уходит к потребителю. Именно поэтому цикл короткий - сорбент разделяет газы по скорости, а не по ёмкости, и передержка сводит эффект на нет. Цеолитовые сита в азотных генераторах не применяют: цеолит поглощает как раз азот, и на нём строят кислородные установки.

Установка содержит две колонны, заполненные углеродным ситом. Сжатый воздух под давлением 6-8 бар подаётся в первую колонну: кислород адсорбируется, азот выходит через верхний штуцер с чистотой 95-99,999% в зависимости от времени цикла и соотношения потоков. Через 30-60 секунд адсорбент насыщается, и система переключает поток на вторую колонну. Первая колонна в это время регенерируется: давление сбрасывается до атмосферного, кислород десорбируется и сбрасывается в атмосферу.

Часть произведённого азота используется для продувки регенерируемой колонны - так называемый обратный поток, который ускоряет удаление кислорода из пор сорбента. Чем выше требуемая чистота азота, тем больше доля обратного потока и тем ниже выход продукта: при чистоте 99% из кубометра воздуха получается 170-200 литров азота, при 99,9% - 100-125 литров, а при 99,99% - меньше сотни. Этим объясняется рост энергопотребления с увеличением чистоты: для той же производительности нужен более мощный компрессор.

Ресурс углеродного сита - 40-60 тысяч часов работы, или 5-7 лет при круглосуточной эксплуатации. Деградация адсорбента происходит из-за попадания влаги, масла из компрессора и механических загрязнений. Хорошая подготовка воздуха - осушка до точки росы +3 градуса плюс фильтрация в две ступени - продлевает ресурс до верхней границы диапазона и сохраняет стабильность чистоты выходного газа.

Резюме

Переход на собственную генерацию азота оправдан при месячном расходе от 40 баллонов: экономия составляет 60-100 тысяч рублей ежемесячно, окупаемость - 12-18 месяцев. Выбор установки определяется тремя параметрами: пиковым расходом с запасом 20-30%, требуемой чистотой газа от 95% для боксов до 99,99% для хроматографии и условиями размещения компрессора с системой подготовки воздуха. Адсорбционная технология PSA обеспечивает непрерывное производство азота при правильной эксплуатации в течение 5-7 лет до замены сорбента.

Можно быстро и просто опубликовать свою научную статью в журнале «Молодой Ученый». Сразу предоставляем препринт и справку о публикации.
Опубликовать статью

Молодой учёный