ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΟΣΤΟΥΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΟΞΥΓΟΝΟΥ 93% ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ PSA & VPSA ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ ΚΑΡΑΠΙΠΕΡΗΣ ΧΗΜΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ του ΕΜΠ Ειδικός Ιατρικών Αερίων και των Εφαρμογών τους. 7 Ο Πανελλήνιο Συνέδριο Βιοιατρικής Τεχνολογίας Αθήνα, 7 Απριλίου 2017
ΟΞΥΓΟΝΟ ΑΠΟ ΦΥΣΙΚΟ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟ Ο φυσικός διαχωρισμός του οξυγόνου επιτυγχάνεται με τη χρήση μοριακών φίλτρων από ζεολίθους: 1) Τοποθετούνται μοριακά φίλτρα από ζεολίθους (υλικά που έχουν την ιδιότητα να κατακρατούν κυρίως τα μόρια του αζώτου και να επιτρέπουν την διέλευση μορίων οξυγόνου) 2) Πεπιεσμένος αέρας τροφοδοτεί τα μοριακά φίλτρα με αποτέλεσμα να εξέρχεται ένα αέριο εμπλουτισμένο σε οξυγόνο 3) Το αέριο αυτό είναι καθαρότητας σε όρια άνω του 90%.
ΙΑΤΡΙΚΟ ΟΞΥΓΟΝΟ ΑΠΟ ΦΥΣΙΚΟ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟ Η ποιότητα του παραγόμενου οξυγόνου ιατρικής χρήσης πρέπει να είναι (σύμφωνα με την μονογραφία 2455, της προσθήκης 7.1 της Ε.Φ.): % O 2 > 90% κατ όγκον CO CO 2 < 5 ppm < 300 ppm ΝΟ2/ΝΟ < 2 ppm SO2 < 1 ppm Oil < 0.1 mg / m³ H 2 O < 67 ml / m³ (σημείο δρόσου -45 C σε O 2 ) % Σωματίδια: Class 5 ISO 14 644 1
7ο ΣΥΝΕΔΡΙΟ ΒΙΟΙΑΤΡΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ PSA ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΙΑΤΡΙΚΟΥ ΟΞΥΓΟΝΟΥ ΑΠΟ ΦΥΣΙΚΟ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟ ΟΠΩΣ ΠΡΟΔΙΑΓΡΑΦΕΤΑΙ ΣΤΟ ISO 10083 4
7ο ΣΥΝΕΔΡΙΟ ΒΙΟΙΑΤΡΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ PSA ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΙΑΤΡΙΚΟΥ ΟΞΥΓΟΝΟΥ ΑΠΟ ΦΥΣΙΚΟ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟ Κρίσιμο σημείο για την επίτευξη της βέλτιστης (οικονομοτεχνικά) ποιότητας αερίου είναι η επιλογή του κατάλληλου τύπου ζεολίθου. Η επίτευξη της απαιτούμενης ποιότητας οξυγόνου για τροφοδοσία νοσηλευτικού ιδρύματος βασίζεται (καταρχήν) στην σωστή επιλογή των φίλτρων που θα χρησιμοποιηθούν για τον διαχωρισμό του οξυγόνου από τα υπόλοιπα συστατικά του αέρα, και κυρίως από το άζωτο. Το ρόλο αυτό καλούνται να «παίξουν» οι ζεόλιθοι. Οι ζεόλιθοι είναι αργιλλοπυριτικές κρυσταλλικές σύμπλοκες μικροπορώδεις ενώσεις, το σχήμα των οποίων τους δίνει την δυνατότητα να απορροφούν επιλεκτικά τα μόρια μερικών χημικών συστατικών και να μην απορροφούν κάποια άλλα 5
7ο ΣΥΝΕΔΡΙΟ ΒΙΟΙΑΤΡΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ PSA ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΙΑΤΡΙΚΟΥ ΟΞΥΓΟΝΟΥ ΑΠΟ ΦΥΣΙΚΟ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟ Τύποι ζεολίθου που χρησιμοποιούνται. - Calcium Based Πλεονέκτημα: Χαμηλό κόστος Μειονέκτημα: Απαίτηση υψηλών πιέσεων για την επίτευξη του απαραίτητου βαθμού προσρόφησης (5-6 bar) - Lithium Based Πλεονέκτημα: Υψηλό κόστος Μειονέκτημα: Απαίτηση χαμηλών πιέσεων για την επίτευξη του απαραίτητου βαθμού προσρόφησης (0.3-0.8 bar) 6
7ο ΣΥΝΕΔΡΙΟ ΒΙΟΙΑΤΡΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ PSA ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΙΑΤΡΙΚΟΥ ΟΞΥΓΟΝΟΥ ΑΠΟ ΦΥΣΙΚΟ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟ Οι Lithium Based ζεόλιθοι παρασκευάζονται συνθετικά με ανταλλαγή ιόντων. Στη θερμοκρασία περιβάλλοντος (298 Κ), επιδεικνύουν μία σημαντική ενίσχυση της επιλεκτικής προσρόφησης Ν2 / Ο2 έναντι των εμπορικών ζεόλιθων. Σε πίεση 1 atm, η εκλεκτικότητα Ν2 / Ο2 αυξάνεται από 3 έως περίπου 7 φορές. Για παράδειγμα, οι Lithium Based ζεόλιθοι δίνουν> 90% O2 καθαρότητα και ανάκτηση Ο2 άνω του 70% σε ρυθμό τροφοδοσίας > 5.65 s x 105 L/ h. Για τον ίδιο ρυθμό οι Calcium Based ζεόλιθοι δίνουν μια ανάκτηση Ο2 μικρότερη από 30%. Για τον λόγο αυτό η αντικατάσταση ενός Calcium Based με έναν Lithium Based ζεόλιθο θα οδηγήσει σε εξοικονόμηση ενέργειας πάνω από 50%. 7
7ο ΣΥΝΕΔΡΙΟ ΒΙΟΙΑΤΡΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ PSA ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΙΑΤΡΙΚΟΥ ΟΞΥΓΟΝΟΥ ΑΠΟ ΦΥΣΙΚΟ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟ Η τεχνολογία χρήσης Lithium Based ζεολίθων για παραγωγή οξυγόνου ιατρικών προδιαγραφών σε χαμηλές (λιγότερο ενεργοβόρες) πιέσεις αποκαλείται VPSA (Vacuum Pressure Swing Adsorption) και στην ουσία προσθέτει στον σχεδιασμό την χρήση αντλίας κενού για την απομάκρυνση των αερίων της εκρόφησης από τις στήλες. Με τον τρόπο αυτό αυξάνεται τεχνητά το ΔΡ στο εσωτερικό της στήλης και επιτυγχάνεται υψηλός ρυθμός παραγωγής σε χαμηλές πιέσεις 8
7ο ΣΥΝΕΔΡΙΟ ΒΙΟΙΑΤΡΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ VPSA ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΙΑΤΡΙΚΟΥ ΟΞΥΓΟΝΟΥ ΑΠΟ ΦΥΣΙΚΟ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟ 9
7ο ΣΥΝΕΔΡΙΟ ΒΙΟΙΑΤΡΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ PSA & VPSA ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΙΑΤΡΙΚΟΥ ΟΞΥΓΟΝΟΥ ΑΠΟ ΦΥΣΙΚΟ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟ 10
ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ο2 93% PSA
ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ο2 93% VPSA
ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ο2 93% VPSA Παράδειγμα Ενεργειακής Εξοικονόμησης (από επίσημες μετρήσεις κατασκευαστών)
7ο ΣΥΝΕΔΡΙΟ ΒΙΟΙΑΤΡΙΚΗΣ ΚΟΣΤΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ο2 93% ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ PSA 1 ο Παράδειγμα ενδεικτικού υπολογισμού: ΝΟΣΟΚΟΜΕΙΟ ΜΕ ΕΤΗΣΙΑ ΚΑΝΑΤΑΛΩΣΗ 150.000m3 Ετήσια Κατανάλωση Μέση ωριαία κατανάλωση Μέγιστη ωριαία κατανάλωση (+40%) 150000 m3 17 m3/h 24 m3/h Επιλογή γεννήτριας που να υπερκαλύπτει την μέγιστη ωριαία κατανάλωση, πχ 26 m3/h. Το συγκρότημα αυτό θα έχει ισχύ 46.85 KW Άρα για την παραγωγή των 150000 m3 θα καταναλωθούν (150000m3 / 26 m3/h) x 46.85 KW = 270000 KWh Που αντιστοιχούν σε 1.80 KWh/m3 Με παραδοχή τιμής 0.13 /KWh, προκύπτει ΚΟΣΤΟΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΟΥ m3 = 0.23 14
ΚΟΣΤΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ο2 93% ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ PSA 1 ο Παράδειγμα ενδεικτικού υπολογισμού: ΝΟΣΟΚΟΜΕΙΟ ΜΕ ΕΤΗΣΙΑ ΚΑΝΑΤΑΛΩΣΗ 150.000m3 Δεδομένου ότι ο εξοπλισμός έχει εγγύηση επάρκειας ανταλλακτικών για 10 έτη και την απαίτηση για την καλή συντήρηση του εξοπλισμού, αναλύοντας τα κόστη συντήρησης για 10 έτη από τους τιμοκαταλόγους των κατασκευαστών προκύπτει: ΚΟΣΤΟΣ ΣΥΝΤΗΡΗΣΗΣ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΟΥ m3 = 0.064 ΣΥΝΕΠΩΣ ΚΟΣΤΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ m3 (PSA) = 0.294 Το κόστος προμήθειας και εγκατάστασης ενός τέτοιου συγκροτήματος κυμαίνεται μεταξύ των 120-150.000 *. Συνεπώς σε άνοιγμα 10ετίας και με τη δεδομένη ετήσια κατανάλωση, η αντίστοιχη επιβάρυνση ανά m3 είναι 0,08-0,10. * Δεν περιλαμβάνονται τυχόν επιπρόσθετες οικονομικές επιβαρύνσεις, π.χ. κόστος δανεισμού.
ΚΟΣΤΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ο2 93% ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ VPSA 1 ο Παράδειγμα ενδεικτικού υπολογισμού: ΝΟΣΟΚΟΜΕΙΟ ΜΕ ΕΤΗΣΙΑ ΚΑΝΑΤΑΛΩΣΗ 150.000m3 Ακολουθώντας τους ίδιους υπολογισμούς ενεργειακής κατανάλωσης και με ενεργειακή εξοικονόμηση της τάξης του 60%, προκύπτει ΚΟΣΤΟΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΟΥ m3 =0,09 /m3 Το κόστος συντήρησης για 10ετή λειτουργία παραμένει ως έχει, ήτοι ΚΟΣΤΟΣ ΣΥΝΤΗΡΗΣΗΣ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΟΥ m3 = 0,064 / m3 ΣΥΝΕΠΩΣ ΚΟΣΤΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ m3 (VPSA) = 0.15 Το κόστος προμήθειας και εγκατάστασης ενός τέτοιου συγκροτήματος κυμαίνεται μεταξύ των 150-190.000 *. Συνεπώς σε άνοιγμα 10ετίας και με τη δεδομένη ετήσια κατανάλωση, η αντίστοιχη επιβάρυνση ανά m3 είναι 0,10-0,13. * Δεν περιλαμβάνονται τυχόν επιπρόσθετες οικονομικές επιβαρύνσεις, π.χ. κόστος δανεισμού.
7ο ΣΥΝΕΔΡΙΟ ΒΙΟΙΑΤΡΙΚΗΣ ΚΟΣΤΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ο2 93% ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ PSA 2 ο Παράδειγμα ενδεικτικού υπολογισμού: ΝΟΣΟΚΟΜΕΙΟ ΜΕ ΕΤΗΣΙΑ ΚΑΝΑΤΑΛΩΣΗ 350.000m3 Ετήσια Κατανάλωση Μέση ωριαία κατανάλωση Μέγιστη ωριαία κατανάλωση (+40%) 350000 m3 40 m3/h 55 m3/h Επιλογή διπλής γεννήτριας που να υπερκαλύπτει την μέγιστη ωριαία κατανάλωση, πχ 2Χ28 m3/h. Το συγκρότημα αυτό θα έχει ισχύ 93,00KW Άρα για την παραγωγή των 350000 m3 θα καταναλωθούν (350000m3 / 56 m3/h) x 93.00 KW = 580000 KWh Που αντιστοιχούν σε 1.66 KWh/m3 Με παραδοχή τιμής 0.13 /KWh, προκύπτει ΚΟΣΤΟΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΟΥ m3 = 0.22 17
ΚΟΣΤΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ο2 93% ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ PSA 2 ο Παράδειγμα ενδεικτικού υπολογισμού: ΝΟΣΟΚΟΜΕΙΟ ΜΕ ΕΤΗΣΙΑ ΚΑΝΑΤΑΛΩΣΗ 350.000m3 Δεδομένου ότι ο εξοπλισμός έχει εγγύηση επάρκειας ανταλλακτικών για 10 έτη και την απαίτηση για την καλή συντήρηση του εξοπλισμού, αναλύοντας τα κόστη συντήρησης για 10 έτη από τους τιμοκαταλόγους των κατασκευαστών προκύπτει: ΚΟΣΤΟΣ ΣΥΝΤΗΡΗΣΗΣ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΟΥ m3 = 0.05 ΣΥΝΕΠΩΣ ΚΟΣΤΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ m3 (PSA) = 0.270 Το κόστος προμήθειας και εγκατάστασης ενός τέτοιου συγκροτήματος κυμαίνεται μεταξύ των 240-280.000 *. Συνεπώς σε άνοιγμα 10ετίας και με τη δεδομένη ετήσια κατανάλωση, η αντίστοιχη επιβάρυνση ανά m3 είναι 0,07-0,08. * Δεν περιλαμβάνονται τυχόν επιπρόσθετες οικονομικές επιβαρύνσεις, π.χ. κόστος δανεισμού.
ΚΟΣΤΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ο2 93% ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ VPSA 2 ο Παράδειγμα ενδεικτικού υπολογισμού: ΝΟΣΟΚΟΜΕΙΟ ΜΕ ΕΤΗΣΙΑ ΚΑΝΑΤΑΛΩΣΗ 350.000m3 Ακολουθώντας τους ίδιους υπολογισμούς ενεργειακής κατανάλωσης και με ενεργειακή εξοικονόμηση της τάξης του 60%, προκύπτει ΚΟΣΤΟΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΟΥ m3 =0,09 /m3 Το κόστος συντήρησης για 10ετή λειτουργία παραμένει ως έχει, ήτοι ΚΟΣΤΟΣ ΣΥΝΤΗΡΗΣΗΣ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΟΥ m3 = 0,05 / m3 ΣΥΝΕΠΩΣ ΚΟΣΤΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ m3 (VPSA) = 0.14 Το κόστος προμήθειας και εγκατάστασης ενός τέτοιου συγκροτήματος κυμαίνεται μεταξύ των 300-350.000 *. Συνεπώς σε άνοιγμα 10ετίας και με τη δεδομένη ετήσια κατανάλωση, η αντίστοιχη επιβάρυνση ανά m3 είναι 0,085-0,10. * Δεν περιλαμβάνονται τυχόν επιπρόσθετες οικονομικές επιβαρύνσεις, π.χ. κόστος δανεισμού.
7ο ΣΥΝΕΔΡΙΟ ΒΙΟΙΑΤΡΙΚΗΣ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΚΟΣΤΟΥΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ο2 93% ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ PSA & VPSA ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ 150.000 m3/έτος σε διάστημα 10ετίας PSA VPSA 0,294 /m3 0,15 /m3 ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ 350.000 m3/έτος σε διάστημα 10ετίας PSA VPSA 0,270 /m3 0,14 /m3 20
ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΟΣΤΟΥΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΟΞΥΓΟΝΟΥ 93% ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ PSA & VPSA ΕΥΧΑΡΙΣΤΟΥΜΕ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΟΧΗ ΣΑΣ 7 Ο Πανελλήνιο Συνέδριο Βιοιατρικής Τεχνολογίας Αθήνα, 7 Απριλίου 2017