Introducción:Industrias como la química pesada, la metalurgia, el vidrio, la química y la electrónica tienen una gran demanda de oxígeno (O₂), nitrógeno (N₂) y argón (Ar) de alta-pureza. Para garantizar la continuidad, la pureza y la economía del suministro de gas, un número cada vez mayor de plantas grandes están optando por instalar unidades criogénicas de separación de aire (ASU) en-el sitio en lugar de depender de gases comprados. Elegir la ASU adecuada es crucial para garantizar una producción estable, ahorrar costos operativos y optimizar el retorno de la inversión.
Este artículo analizará en detalle cómo seleccionar una ASU para un proyecto específico a partir de tres dimensiones clave: -capacidad, consumo de energía y OPEX, y CAPEX e inversión total-y, en conjunto con el modelo de servicio EPC y llave en mano de NEWTEK, ilustrará cómo lograr una solución eficiente y confiable a través de una entrega integral, que abarca el diseño de ingeniería, la adquisición de equipos, la construcción e instalación, la puesta en marcha y la entrega operativa.
1. Principios básicos de la ASU y escenarios aplicables
Primero, repasemos brevemente el principio de funcionamiento básico de una ASU criogénica. Una ASU criogénica funciona comprimiendo, purificando (eliminando la humedad, el CO₂ y las impurezas) el aire, enfriándolo a temperaturas extremadamente bajas (aproximadamente -180 grados a -200 grados) y luego separando los componentes según sus diferencias de punto de ebullición en una columna de fraccionamiento. El nitrógeno (N₂), el oxígeno (O₂) y el argón (Ar) pueden producirse como gases (o líquidos) respectivamente. Dependiendo de la escala y la configuración de la unidad (columna única-, doble-columna o triple-columna con recuperación de argón), las ASU son ampliamente aplicables en la fabricación de acero (enriquecimiento de oxígeno en altos hornos, soplado de convertidores), petroquímica/gasificación (que requiere grandes cantidades de oxígeno para reacciones de oxidación parcial), hornos de fusión de vidrio (oxi-combustible), síntesis química, electrónica/semiconductores. (nitrógeno/argón de pureza ultra-alta), tratamiento térmico a gran escala y hornos de atmósfera inerte. Por lo tanto, las ASU suelen ser infraestructura central en proyectos industriales grandes y medianos, y su diseño debe personalizarse en gran medida en función de las necesidades posteriores (volumen de producción de gas, pureza, presión) y las condiciones locales.
2. Capacidad: Determinación del tamaño de la ASU según la demanda.
La consideración principal al seleccionar una ASU es su capacidad (es decir, cuántas toneladas/metros cúbicos estándar de O₂/N₂/Ar puede producir por día). Esta capacidad debe coincidir con el consumo máximo de gas y el crecimiento esperado de los procesos posteriores.
El rango de capacidad de las ASU criogénicas es muy amplio. Según datos de la industria, las pequeñas unidades-de una sola columna pueden producir entre decenas y cientos de toneladas de oxígeno por día; los sistemas de tamaño doble-columna/mediano-pueden alcanzar de cientos a dos mil toneladas por día; mientras que las grandes unidades de múltiples-columnas (incluida la recuperación de argón) pueden lograr de miles a varios miles de toneladas de producción de O₂ por día. Específicamente, los datos muestran que el rango de capacidad de una ASU industrial grande típica puede cubrir aproximadamente de 100 a más de 5000 toneladas/día de O₂. Al seleccionar la capacidad, se deben considerar la carga máxima (los altos hornos, los convertidores, los gasificadores y los hornos pueden requerir grandes cantidades de oxígeno durante los períodos de carga alta), los requisitos de operación continua (24 horas al día, los 7 días de la semana) y el potencial de expansión futura (por ejemplo, agregar líneas de producción, aumentar la capacidad y respaldo/redundancia de seguridad).
Por lo tanto, para proyectos metalúrgicos, petroquímicos o de vidrio a gran-escala, generalmente se recomienda configurar ASU de tamaño mediano a grande (de cientos a miles de toneladas de O₂ al día) para garantizar un suministro estable y reducir los cuellos de botella. Para aplicaciones de gas auxiliar o de menor-escala (p. ej., nidos de tratamiento térmico, atmósferas inertes localizadas, capacidad adicional), también se pueden considerar unidades pequeñas/modulares.
3. Consumo de energía y OPEX: factores clave
Una vez que se determina la capacidad, calcular los costos operativos (especialmente el consumo de electricidad) es el siguiente paso crítico en el proceso de selección, ya que el OPEX a menudo determina la economía a largo-plazo.
- Rango de consumo de energía
El consumo de energía específico típico de una ASU criogénica generalmente se encuentra dentro del rango de aproximadamente 250 a 500 kWh/tonelada de O₂ (o aproximadamente 0,3 a 0,6 kWh/Nm³ O₂).
Algunos diseños más antiguos o más pequeños pueden tener un consumo de energía ligeramente mayor (y peor), mientras que los diseños modernos-que ahorran energía y emplean recuperación de calor avanzada, turbo-expansor y sistemas superiores de intercambio de calor pueden reducir significativamente el consumo de energía.
El consumo real de energía también se ve afectado por factores como la presión de salida, la pureza del producto y la estructura de producción del gas (si se recupera argón/N₂). Por ejemplo, aumentar la relación presión de entrega/compresión o requerir una mayor pureza puede aumentar el consumo de energía.
- Composición de costos operativos
Dependiendo de la fuente, los costos de electricidad suelen representar entre el 70% y el 80% del costo operativo (OPEX). Otros costos incluyen personal (operadores, administración), mantenimiento (revisión del compresor, mantenimiento de la caja fría, reemplazo de bandeja/empaque), reemplazo del catalizador/adsorbente/refrigerante (si corresponde), así como lubricación, consumibles, seguros/impuestos, etc. En general, estos artículos diversos representan aproximadamente entre el 10% y el 20% del OPEX. Por lo tanto, en áreas con altos costos de electricidad (o altos precios de electricidad industrial local), los costos operativos de ASU pueden ser una carga económica. Por el contrario, si el proyecto está ubicado en un área con precios de electricidad bajos y energía barata/dedicada (por ejemplo, proximidad a plantas de energía, uso de calor residual/energía propia), la economía operativa de la ASU mejorará significativamente.
Valor económico de los gases subproductos (N₂/Ar/Argón)
Muchas ASU no solo producen oxígeno (O₂), sino también nitrógeno (N₂) y (opcionalmente) argón (Ar). Al recuperar y vender (o utilizar dentro de la planta) los gases-productos, los costos operativos/gastos de electricidad de la ASU se pueden compensar parcialmente. Tomando el argón como ejemplo, dado que el contenido de argón en el aire es aproximadamente del 0,93%, el valor económico del argón recuperado (o argón líquido) puede reducir significativamente los costos netos de O₂ si existe un mercado para él (por ejemplo, en fundición de metales, electrónica, gases protectores inertes, etc.). Por lo tanto, al seleccionar y tomar decisiones de inversión, se debe considerar de manera integral la producción de oxígeno, la producción y utilización simultáneas de nitrógeno/argón (ventas internas o de mercado) para maximizar la eficiencia económica general.
4. Costos de inversión (CAPEX y costo total del proyecto): la escala y el método de entrega tienen un impacto significativo
Además de los costos operativos, el gasto de capital (CAPEX) es un factor crucial en las decisiones de selección de ASU. Los costos de instalación y construcción de ASU de diferentes tamaños/diseños/configuraciones (ya sea que se incluya recuperación de argón, múltiples trenes, múltiples columnas) varían mucho.
Algunos informes de la industria indican que el costo de compra (PEC) de una ASU pequeña/montada sobre patines puede ascender a millones de dólares; el costo total de instalación (TPC) después de la instalación y puesta en servicio será aún mayor. Según datos de una ASU de 200 toneladas/día (TPD), aproximadamente el 75% de los costos de su ciclo de vida provienen de la energía; por lo tanto, incluso con un CAPEX bajo, el OPEX operativo puede determinar la viabilidad económica final. Según estimaciones de la industria disponibles públicamente, para las ASU de tamaño mediano-(cientos a miles de toneladas/día), la inversión inicial (planta, instalación, puesta en servicio, infraestructura, conexiones de tuberías, redes de gas, instalaciones eléctricas, cajas de aislamiento, etc.) generalmente oscila entre decenas de millones y cientos de millones de dólares estadounidenses.
Especialmente para sistemas complejos de gran-escala con recuperación de argón, múltiples trenes y múltiples salidas de gas (O₂/N₂/Ar), el CAPEX es mayor, pero el costo unitario de producción de gas (después de amortizar CAPEX + OPEX) suele ser menor, lo que muestra economías de escala.
Por lo tanto, en las primeras etapas de un proyecto (fase FEED/Evaluación de Inversiones), se debe definir claramente lo siguiente:
Capacidad de diseño (actual + potencial expansión futura)
Pureza requerida (O₂, N₂, Ar) y presión de salida/caudal
Variación en el uso de gas (continuo las 24 horas del día, los 7 días de la semana o temporada alta + temporada baja)
Si se necesita argón/nitrógeno como subproducto y si existen canales de utilización/venta
Precios locales de la electricidad, estabilidad del suministro de energía/estructura de costos/contratos de energía (por ejemplo, disponibilidad de electricidad industrial de bajo-costo)
La complejidad de la construcción de ingeniería (obra civil, cimientos, tuberías, instalación, energía/refrigeración/aislamiento/seguridad/instrumentación)
Sólo considerando exhaustivamente estos factores se puede estimar razonablemente la inversión total del proyecto (CAPEX) y la economía operativa futura (costo unitario del gas).
5. Combinando el modelo EPC y llave en mano de NEWTEK - Proporcionando soluciones integrales-para los clientes
Al enfrentar los complejos desafíos de ingeniería y toma de decisiones-mencionados anteriormente, seleccionar un proveedor con amplias capacidades de integración de sistemas y la capacidad de proporcionar servicios EPC (Ingeniería, Adquisiciones, Construcción) + llave en mano (desde el diseño hasta la puesta en servicio y la operación) es crucial para el éxito del proyecto. Este es precisamente el posicionamiento de NEWTEK.
Por qué es importante el EPC y la llave en mano
Gestión unificada de diseño e ingeniería: los proyectos de ASU involucran compresores de aire, cajas frías, torres de fraccionamiento, intercambiadores de calor, tuberías, aislamiento, sistemas de control, instalaciones de seguridad, sistemas eléctricos e infraestructura. A través de EPC, los contratistas generales (como NEWTEK) pueden coordinar todas las disciplinas (procesos, estructurales, eléctricas, instrumentación, civiles e instalación), evitando problemas de interfaz de múltiples-proveedores, costos de comunicación/coordinación y posibles puntos ciegos en la responsabilidad.
Adquisiciones e integración de la cadena de suministro: las capacidades de integración de recursos de NEWTEK (ingeniería de gas + adquisiciones globales) garantizan la entrega oportuna de equipos (compresores, cajas frías, torres de fraccionamiento), materiales (acero especial, materiales aislantes) y sistemas de control de instrumentación, evitando demoras en la entrega o riesgos de compatibilidad causados por múltiples canales de abastecimiento.
Construcción, instalación y puesta en servicio: La instalación y puesta en servicio de la ASU (aislamiento de la caja fría, puesta en servicio del sistema de refrigeración, prueba de hermeticidad, circulación térmica, conexión del sistema de control e inspección del sistema de seguridad) son cruciales. El modelo EPC + Llave en mano garantiza la calidad de la instalación, acorta los plazos de construcción en obra y permite una rápida puesta en marcha.
Integración de interfaz y procesos posteriores: para proyectos-de gran escala, como metalurgia, ingeniería química, fabricación de vidrio y gasificación, la ASU es solo una parte del sistema general de suministro de gas de la planta. NEWTEK puede ayudar a integrar perfectamente la ASU con procesos posteriores (hornos de combustión, gasificadores, tuberías, tanques de almacenamiento y sistemas de compresión de gas) para lograr-la asignación, el almacenamiento y la entrega de O₂/N₂/Ar bajo demanda.
Entrega de proyectos y soporte operativo: desde la puesta en marcha, la aceptación y la capacitación operativa hasta el mantenimiento y la garantía posteriores, el modelo llave en mano ofrece a los usuarios una experiencia "integral,-libre de preocupaciones-particularmente adecuada para plantas nuevas sin una amplia experiencia en sistemas de separación de aire.
Por lo tanto, para los clientes que buscan un suministro de gas de alta-eficiencia, alta-confiabilidad y alta-pureza, y que desean mitigar la gestión de proyectos y los riesgos técnicos (como acerías, plantas petroquímicas, fábricas de vidrio y plantas químicas), la adopción del modelo EPC + llave en mano de NEWTEK puede reducir significativamente la complejidad del proyecto, acortar los plazos y optimizar los costos.
6. Cómo seleccionar una ASU adecuada en un proyecto-del mundo real -Recomendaciones paso-a-paso
1. Con base en el análisis anterior, el siguiente es un proceso recomendado de selección/inversión/implementación de ASU, adecuado para gerentes de ingeniería, inversionistas de proyectos o tomadores de decisiones-de planta:
1.1 Determinar la demanda de gas
1.1.1 Calcular el consumo de O₂/N₂/Ar por cada unidad de proceso en el proyecto (existente + expansión prevista) (caudal, presión, pureza, distribución de tiempo)
1.1.2 Estimar la demanda máxima y promedio, y reservar márgenes de redundancia/seguridad
1.2 Aclarar los requisitos de calidad del gas
1.2.1 Pureza de O₂ (p. ej., 99,5%–99,9%), requisitos de pureza de N₂/Ar
1.2.2 Presión de salida, gaseosa o líquida (p. ej., si se requiere almacenamiento de oxígeno líquido/nitrógeno líquido)
1.3 Evaluar los precios locales de la electricidad y las condiciones energéticas
1.3.1 Obtener precios de electricidad industrial (día/noche/pico/precio negociado), estabilidad de energía, disponibilidad de energía de calor residual/propia/económica
1.3.2 Calcular el costo operativo por unidad de gas (O₂/N₂) en función de los costos de energía
1.4 Seleccionar escala y configuración de ASU
1.4.1 Determinar la configuración del tren simple/doble/triple (incluida la recuperación de argón) en función de la demanda de gas; El tren simple es adecuado para el uso de gas auxiliar o de pequeña-escala, el tren doble/triple es adecuado para la demanda de productos grandes y medianos-y de múltiples-productos.
1.4.2 Considerar la futura expansión y redundancia (por ejemplo, múltiples trenes en paralelo)
1.5 Seleccionar modelo de suministro/contratación
1.5.1 Priorizar proveedores de sistemas capaces de brindar servicios EPC + Llave en mano (p. ej., NEWTEK)
1.5.2 Exigir a los proveedores que proporcionen-servicios integrales desde el diseño de ingeniería, la adquisición de equipos, la ingeniería civil/cimientos, la instalación, la puesta en servicio, la operación de prueba, la capacitación operativa hasta la entrega y la operación.
1.6 Realizar una evaluación económica (CAPEX + OPEX + Gas por-ingresos de producto)
1.6.1 Estimar la inversión total (CAPEX), costos operativos anuales/ciclo de vida (principalmente electricidad + mantenimiento + (Recursos Humanos)
1.6.2 Estimar la utilización/ingresos por ventas del subproducto gas (N₂/Ar) y el costo neto en comparación con las opciones de suministro auxiliar/gas comprado.
1.7 Evaluación de riesgos y gestión de proyectos
1.7.1 Considere el tiempo de entrega del equipo, el período de construcción, la complejidad de la puesta en servicio, la estabilidad operativa, la conveniencia del mantenimiento, la seguridad y los requisitos reglamentarios (recipiente a presión/refrigeración/seguridad).
1.7.2 Si el consumo de gas fluctúa o la demanda aumenta, considere el diseño de expansión modular/fase (multi-tren) para reducir-el riesgo de inversión único.
7. Resumen - Equilibrio de capacidad, consumo de energía, inversión y capacidad de servicio
Elegir una ASU adecuada es una compensación-completa entre capacidad (satisfacer la demanda), consumo de energía (economía operativa), costos de inversión (CAPEX y costos financieros), implementación del proyecto y soporte de operación y mantenimiento.
Para usuarios pequeños o medianos-(gas auxiliar, uso localizado, demanda flexible), pueden ser suficientes ASU pequeñas de una sola fila o modulares o sistemas PSA/membrana. Sin embargo, cuando la demanda es estable, la escala es grande y los requisitos de pureza, diversidad de productos y confiabilidad son altos, las ASU criogénicas son la mejor opción.
Dentro de las ASU criogénicas, la selección adecuada (capacidad/número de columnas/recuperación de calor) es crucial.
La configuración del gas subproducto y la conservación de energía (excelente diseño de compresión/enfriamiento/intercambio de calor) son clave para reducir los costos unitarios del gas (O₂/N₂/Ar).
Si bien los gastos de capital no son bajos, con un diseño adecuado, una alta utilización del equipo (operación continua las 24 horas del día, los 7 días de la semana) y la utilización total del valor de los subproductos (nitrógeno, argón), es fácil controlar los costos unitarios del gas dentro de un rango competitivo a través de una amortización operativa de varios-años.
Por último, elegir un proveedor con capacidades completas de servicio EPC + llave en mano (como NEWTEK) puede reducir significativamente la complejidad del proyecto, las dificultades de construcción y puesta en servicio, los costos y riesgos de coordinación interdisciplinaria, brindando a los clientes una solución verdaderamente de "diseño-para-operar-integrada y sin preocupaciones-.
Para las empresas que planean construir o expandir proyectos químicos, metalúrgicos, de vidrio, de gasificación y de energía a gran-escala, la selección correcta, el diseño razonable y la contratación EPC + llave en mano profesional son cruciales para garantizar el funcionamiento exitoso, económico y eficiente de los proyectos de ASU.
