אודות החנקן

האויר שסביבנו מורכב  מ78.08% חנקן  שאר היסודות בתכולת האויר הם : חמצן , ארגון ,פחמן דו חמצני , ומים H2O (ברכוז מזערי).

החנקן הוא גז חסר ריח,צבע ,וטעם , והוא אדיש מבחינה כימית , סימנו הכימי הוא- N  מולקולת החנקן מורכבת וקשורה משני אטומים של חנקן  כך שבהגדרה הסימן המוכר הוא N2.

שיטות נפוצות להפקת החנקן הן : *הפרדת האויר בשיטה של הפרדת מולקולרית או ספיחה ,

שיטה נוספת היא בניזול האויר והפרדתו למרכיביו השונים,תהליך שכזה הוא בעיבוי ואת החנקן ניתן להפיק בטמפרטורה של מינוס 196 מעלות צלסיוס.

אז כיצד ניתן להפיק חנקן?

מאחר וברור לנו כי את החנקן ניתן להפיק מן האויר המצוי בכל מקום על פני כדור הארץ,נוכל להסביר בפשטות אלו אמצעים קיימים להפיקו ונעסוק בעיקר בשיטה הנפוצה של הפרדה מולקולרית המתחלקת לשתי שיטות עיקריות ואנו מדברים על מצב צבירה גזי כמובן.

1-  מחולל  חנקן בשיטת PSA –  PRSSURE SWING ADSORPTION    ספיחה בתהליך מחזורי כאשר קיימים הבדלים בין גודל המולקולות המרכיבות את האויר הנדחס ובשל הבדלים בגודל (הפיזי ) מולקולות החנקן עוברות והשאר נספחות ,התהליך כולו מבוצע בתוך עמודות (מכלי לחץ ) המלאות בחומר הנקרא סיב מולקולרי –סוג של פחם פעיל בעל נקבים מיקרוניים שכל האויר הנדחס לתוכו עובר בזמן נתון דרך כל הנקבים ומופרד לחלקיקים , כאשר הפעולת הן מחזוריות-פעם דחיסה ופעם שטיפה או שחרור לפליטת החמצן לאטמוספרה.כל אלה נעשים באמצעות מערכת שסתומים ואמצעים נוספים המופעלים על ידי בקר מתוכנת (PLC) ומערכת בעלת משובים שונים לקבלת תוצר אחיד.

2- הפרדה באמצעות מחולל ממברנות   Membrane technology שיטה בה ההפרדה מתבצעת על פי הבדלים במהירות תנועת החלקיקים  והנגזרת של תהליך זה היא הפרש לחצים על מעטה הממברנה ,שיוצר הפרדה בין החלקיקים השונים. מולקולות החמצן מופרדות לכיוון שונה מאלו של החנקן. מחולל ממברנות ניתן להגדרה של מערכת ללא רכיבים נעים ופעולתו יחסית פשוטה,מצידו האחד דוחסים אויר ומצדו השני קולטים את החנקן – והחמצן השאריתי נפלט לפתחים יעודיים.

מתי משתמשים בכל שיטה?

שתי השיטות כאמור מצריכות אויר דחוס בלחץ(על איכות האויר נעסוק בהמשך)ומכאן נשאלות שתי שאלות :

1. מה רמת טוהר החנקן (PURITY ) לו אנו נדרשים ? כלומר כמה גבוה רמת נקיון החנקן מחומרים שאריתיים כמו חמצן וגזים נוספים המצויים באויר שנדחס ?

2. מה הספיקה הנדרשת ? ספיקה היא כמות החנקן (במקרה שלנו)במטר קוב שעה או בליטרים לדקה או בשיטות מדידת ספיקה בתקן אחר.

היכן שנדרש חנקן ברמת טוהר גבוהה וספיקות נמוכות עד גבוהות  נהוג להשתמש במחולל בשיטת PSA; בשיטה זו ניתן להגיע לרמה של עד 99,999% (9\5) ואף מעבר לכך,בשימושים שונים איכות החנקן קריטית עד מאד כמו בריתוכי לייזר,חיתוכי לייזר, לאלקטרוניקה,ציוד הדמיה טרמית ,אופטיקה,מכוני מחקר ועוד..

היכן שנדרש חנקן ברמת טוהר נמוכה יותר ולספיקות גבוהות נהוג לעשות שימוש במחולל ממברנות; בשיטה זו ניתן להפיק כמויות גדולות מאד של חנקן  אך ברמת טוהר חנקן של עד 96%  כלומר כ4% חמצן שאריתי , ולתהליכים מסויימים בתעשיה זה אכן מספק את הדרישה,כמו באסדות נפט\גז,אחסנה ומניעת התחמצנות והגנה אנרטית מפני דליקה \פיצוץ.

מפעל,גוף או גורם הנדרש לגז חנקן לצורך תהליך מסויים נדרש לבדוק את הפרמטרים הבאים:

1.כמות החנקן הנדרשת לאורך זמן נתון ובעיקר בזמני שיא (פיקים )

2.איכות חנקן ברמת הטוהר , ( באחוזים  או בppm  חלק ממליון )

3.תקציב ואו עלות שנתית ישירה של יחידת גז בנפח,כלומר; מחיר למטר מעוקב במצב גזי – או במצב נוזלי לפי משקל בק"ג או בטון(ואז יש טבלאות היפוך להמרה למצב גז).

בארץ קיימים שני יצרנים/ספקים עיקריים לאספקת חנקן בשתי הפאזות (גז \נוזל ). שיטת הנוזלי מחייבת העמדה של ציוד יעודי כמו מיכל עבה דופן ומבודד,מערכת מעבים וצנרת רבה. האספקה נעשית בהובלה על ידי משאית מיוחדת בהתאם לדרישה. יתרון של חנקן נוזלי הוא רמת טוהר גבוהה במיוחד, אך החסרון הוא במחיר גבוה(התחייבות למספר שנים \פקדון וכו) והפחת הגדול בכל זמן האחסנה בשל מפלי טמפרטורה. מדובר על כ4% בממוצע.

השיטה הנוספת היא באספקת גלילים או מארזי גלילים(סוללות). החנקן דחוס בתוכם בלחץ גבוה יחסית, ניתן לקבל אותו ברמות טוהר שונות (לפי דרישה). שיטה זו נפוצה אך חסרונותיה רבים; שינוע הסוללות,פריקתן באמצעות מלגזה, תשלום הפקדון, הובלה וכו'.

 גם ניתוק וחיבור של סוללה כל פעם שקודמתה הסתיימה הוא נטל לא קטן, מה גם שבכל ניתוק שכזה חודר אויר למערכת אספקת החנקן!

דבר נוסף שיש לקחת בחשבון הוא שהספקים (של הסוללות)דורשים להשיב את הסוללות אליהם כאשר הן לא מרוקנות לחלוטין (החזרה בלחץ  של 10 bar ) בחישוב פשוט הכפלה של נפח הסוללות בלחץ שנדרש להחזירם  הוא מרכיב משמעותי בתמחיר הכולל !

שיטת ייצור חנקן עצמי במפעל (ON SITE GAS SYSTEM ) באמצעות מחולל חנקן היא השיטה שמאפשרת למקבלי ההחלטות להגיע למקסום עלות מול תועלת וגמישות מרבית;לשלם בדיוק על הצריכה הנדרשת.  כמו כן זמינות ואי התעסקות בשינוע ,פריקה ,ניתוק וחיבור חוסכים משאבים רבים וזמן יקר,והמרכיב החשוב ביותר בכל החישוב הוא הנתון שחומר הגלם המרכזי (אויר) נמצא וזמין בחינם!!

מערך אספקת חנקן במפעל או בשפתנו "תחנת ייצור חנקן "במפעל כולל את המרכיבים המרכזיים הבאים:

מדחס אויר – (היחידה היונקת את האויר ודוחסת אותו ללחץ העבודה הנדרש )

מערך סינון וייבוש האויר ( היחידה אשר מייבשת את האויר מאדי מים ומסננת אותו לרמות סינון גבוהות במיוחדׁׂׂׂׂׂ)

קולט אויר – מיכל עשוי פלדה לאגירת לחץ האויר  שהגיע מהמדחס ויחידת הייבוש (נפחו בהתאם להגדרת הצורך )

מחולל חנקן – מכונה המפרידה את האויר למרכיביו – ומייצרת חנקן.

קולט חנקן – מיכל עשוי פלדה המקבל מהמחולל את החנקן ואוגר אותו בלחץ הנדרש (נפחו בהתאם להגדרת הצורך)

עד כאן הוצגה "תחנה " לייצור חנקן לדרישות לחץ של עד BAR 10 – וספיקות  בהתאם לדרישות הלקוח.

קיימים ישומים בהם נדרש לחץ עבודה גבוהה יותר כמו חיתוכי לייזר- שם לחץ העבודה בראש החיתוך מתבצע בלחץ ממוצע של 17 BAR לשם כך מתווספים לתחנה שני מרכיבים נוספים :

*מדחס לחץ גבוהה ( מדחס בוכנתי הניזון ממיכל החנקן ומעלה ומגביר את הלחץ בהתאם לדרישה בנקודת הקצה).

* מיכל אגירת חנקן לחץ גבוהה (מיכל פלדה –או פלדת אל חלד S/S) עבה דופן המתוכנן ובנוי ללחצים הנדרשים (עפ"י רוב ל35-40 BAR )

דרישות בסיסיות להעמדה של תחנה לייצור חנקן: שטח מינימלי של כ6  מ"ר  ואספקת חשמל סדירה בהתאם לגודל המערכת והספקה,כמו כן רצוי שהמשטח יהיה באזור אויר נקי ומאוורר ולא חשוף לשמש.

מנסיון רב שצברנו במהלך השנים, תחנות של מחוללי חנקן הנמצאות בתוך מכולות שאינן מאווררות כהלכה יתקצרו חייהם באופן משמעותי ורמת התקלות והאחזקה יהיו רבות יותר.כמו כן, עלינו לקחת בחשבון את נושא בטיחות בשימוש במחוללי חנקן ועמידה בתקנות העבודה והבטיחות במערכות לחץ אויר.

עלות הפקה של חנקן ( תחנה עצמאית לייצור חנקן )נגזרת ישירות מהמרכיבים הבאים:

1. עלות חד פעמית של רכישה \ או שכירת מערכת.

 2-עלות הוצאות החשמל, בעיקר של מדחסי האויר; גם כאן ניתן להגיע למיקסום על ידי בחירה נכונה של המדחס ובאפיון הנכון, לדוגמא: שימוש במדחס בעל משנה מהירות (תדר) או INVERTER:דחיסה מתואמת לדרישה בפועל ,

3*-עלות טיפולים שנתית כגון: שמן ומפרידים (למדחס )מסנני קו וסנסורים (אחת לשנתיים 

*כלול במחיר השכירות).

באם נדרש לערוך השוואה בכדאיות רכישה \שכירות של תחנה לייצור חנקן מול רכישה של חנקן בגלילים או במצב נוזלי, ניתן לדרג את העלות לפי הסדר הבא :היקר: ביותר חנקן נוזלי,אחריו חנקן בגלילים, והזול ביותר ובוודאי שהנוח ביותר הוא מחולל החנקן.

במקרה של מחולל חנקן, עלות מ"ק חנקן ברמת טוהר של 99,995% ובספיקה של 180 מ"ק ליום (9 ש"ע ) תהה כ80 אג' למ"ק (לפי חישוב חשמל של ,50 אג"ח לקוו"ט ) וטיפולים, לא כולל עלות רכישה.

מנסיוננו הרב ברכישה של תחנה עצמאית לייצור חנקן, עם גב ושרות איכותי ובחירה של הציוד הנכון,ההשקעה חוזרת לכל היותר לאחר כשנתיים.

חברתנו היא היחידה המספקת מערכות בעלות שליטה ופיקוח מרחוק ( WI FI ) המאפשרות עקיבה רציפה על העבודה השוטפת של המערכת וכן על מעקב שעות עבודה לצורך טיפולים.

לסיכום: עלויות החנקן למפעל או גוף כזה או אחר הינם משמעותיות. 

אנו מאמינים שבעזרת תכנון נכון, ניתן להגיע לביצוע מושלם: חסכוני, יעיל ונוח למפעל. גם אם המפעל כבר משתמש בחנקן בוריאציה כזאת או אחרת, נשמח לתת ייעוץ ראשוני בחינם במטרה להוזיל עלויות ולמקסם את התהליכים הקורים אצלכם במפעל.

TOOLOOTEAM- מספר 1 בחנקן.

​