设计高效PSA制氮系统用于食品饮料生产
如果您的公司购买纯度为99.999%的氮气，而您不确定原因，那么本文将为您提供。虽然有许多应用确实需要将氮气浓缩到99.999%，但它们远远超过了不需要的应用。许多氮气用户选择在他们的设施内生产定制供应的氮气，而不是依赖于散装液体或加压钢瓶的输送，他们这样做的成本很低。在过去的十年中，我们看到了大规模的工业从供应氮气转向生产氮气。
通过氮气是最丰富的气体气体，78％，从空气中分离氮气的过程非常有效，相对于仅占22％的其他空气气体的提取，其中大部分是氧气。定制氮纯度，压力和流速对特定行业或应用的能力是对传统供应的大量节省。
现实情况(也是问题所在)是，无论系统设计得多么低效，生产氮气通常都比从第三方购买天然气便宜。这不可避免地将浪费和膨胀的氮产生系统引入市场。本文将重点介绍氮气发生系统设计的关键考虑。
纯气高效氮气生成系统，模块化冗余。
为什么氮气产生高需求？
我们的大多数项目都是由终端用户推动的，他们的动机是减少成本和他们的碳足迹。当以传统的供应形式(液体或钢瓶)使用氮气时，气体是在空分厂通过称为分馏的电力密集型过程产生的。液化空气的分馏过程需要将空气冷却至-200°C以上，然后重新加热，根据其沸点提取不同的元素。这个过程需要大量的能源，只有大规模地进行才能在经济上可行。
一旦氮气生成“，它将倾析成大型运输卡车并从空气分离设备调度，最终在最终用户存储和消耗的最终目的地。在空气分离厂和寄存器处以特别高的纯度分析氮，通常为99.998 +％。
替代的解决方案是生成氮气。氮气生成是为生产过程提供所需气体的有效途径。氮气是用碳分子筛或中空纤维膜管从压缩空气中提取和浓缩的。氮气的纯度由压缩空气与所选分离介质的接触时间决定;接触时间越长，纯度越高。因此，更高纯度的氮气需要更多的输入空气流量，产生的成本也更高。
使用氮的每个应用和方法将具有最大允许的氧气的耐受性。诸如灭火抑制之类的“低纯度”应用可能仅需要95 +％纯度，而诸如选择性焊接的高纯度施用通常需要99.995 +％。食品和饮料生产落在中间，大多数应用范围从98％到99.5％（或剩余氧含量为0.50％）。产生95％的氮的成本明显较低的能量和设备，以产生99.999％的相同体积。纯度选择是高效系统设计的关键组成部分。
随着氮气纯度的增加，对输入压缩空气和能量的需求也随之增加。以加拿大每千瓦时12美分的平均电价计算，生产纯度为95%的氮气的年电价约为20957美元，而生产纯度为99.999%的氮气的年电价为71256美元。点击在这里放大。
如果该工艺没有获得超过一定纯度的额外效益，则过度纯化的结果是浪费。过度消耗的制氮系统将使用比所需多得多的压缩空气和设备。不幸的是，人们对浪费资金和过度消耗能源视而不见，因为这仍然比从第三方购买氮气便宜。对于一个饥饿的氮气生成系统，多年的压缩空气系统优化和节能工作可能会在一眨眼之间消失。
氮系统评估设定了衡量机会的基线
在设计新系统之前，了解现有氮供应的细微差异以及如何使用它是至关重要的。从现有供应中收集流量，压力和纯度数据可以帮助创建基线以进行可测量的改进。我们是格言的坚定信徒“哟你无法管理你无法衡量的东西“。当可能时，可以使用校准的流量计和压力传感器（如果使用液体供应，蒸发器的下游）捕获氮气流量和压力要求。
如果一个过程间歇地使用非常大量的氮气，氮产生可能不是最佳选择，因为系统需要足够大以满足植物的峰值需求，而是仅在短时间内。氮气发生器在运行时迅速为自己支付，而不是赤裸裸。具有一致的流量需求和多次班次的设施和流程通常产生最强大的业务案例。
在使用点收集纯度数据可以有助于重置期望，即从空分厂提供的分析证书。在散装液或圆柱形式购买氮时，在运输，储存，蒸发和工艺用途之前，在空气分离装置上分析纯度。我们的许多客户都感到惊讶于在点使用时测量的纯度，或在一系列损失后的成品中。作为我们详细的氮素评估的一部分，我们建议在使用的使用点收集纯度数据，校准的氧气分析仪测量ppm或％的剩余氧含量。我们经常指示该工厂需要99.999％以支持一个过程，仅仅是因为现任分析证明读取了什么。更频繁的是，我们将在管道和使用点的整个配送网络中记录大量纯度损失，这客观地改变了纯度需求的基线。
在使用点收集纯度数据可以帮助确定氮纯度规格。氮气发生器将以特定纯度产生氮气，实时显示HMI上的剩余氧气。当不需要气体时，发电机将进入节能模式，保留有价值的压缩空气。
克拉夫特啤酒厂碳排放案
许多公司正在努力为全球可持续发展计划做出贡献，并减少其碳足迹，包括纯净气体。在购买散装液体或加压气瓶中的万博足球网站氮气时，了解氮气的生产地点（空分设备的位置）以及运输到最终目的地的距离非常重要。分析证书上通常会注明产品来源。除了电力密集型分馏过程排放的温室气体（ghg）外，还需要考虑运输至最终目的地。美国环境保护局发布了一个标准公式，用于计算通过典型运输卡车运输产生的近似ghg排放量：距离x重量x排放系数。根据美国环保署的数据，平均运输卡车每吨英里排放161.8克二氧化碳。根据您所在地区的发电方式，与运输相关的排放量与制氮所需的电力之间的差值有助于确定通过转换获得的环境收益。
北魁北克北部的工艺啤酒厂正在寻求成本降低和环境可持续性的业务机会。万博足球网站啤酒厂每两周使用一个散装块氮，并希望了解如何转换为自我产生的氮气供应将支持其环境目标。
- 使用对货运排放的EPA计算，我们乘以行进的距离（120英里）X重量（1.26吨）x排放因子（每英里吨161.8克）。因此，交付到现场的每个散装包负责约24,464克二氧化碳排放。乘以26个每年交付，啤酒厂与散装包交付的碳足迹为636,064克二氧化碳，每年是每年。
- 然后我们计算与氮产生相关的碳排放。根据加拿大国家能源委员会，魁北克（大多数是水电），加拿大每千瓦时排放最低的二氧化碳，每千瓦时只有1.2克二氧化碳。所提出的氮生成系统每年（大多来自压缩空气）消耗4,480千瓦时，总冲击为5,376克二氧化碳。
- 通过实施高效的氮生成系统，啤酒厂能够净净碳足迹减少630,688克二氧化碳;与送氮散装包相关的碳排放减少99％。
食品加工和包装中的氮使用——网络研讨会记录下载幻灯片并观看免费网络直播的录音，学习:
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设计最佳氮生成系统
系统的效率由其压缩空气与氮气的比率确定；生产一单位氮气需要多少单位的压缩空气。95%的纯氮可能只需要两个单位的压缩空气来产生一个单位的氮，而99.999%的纯氮可能需要接近七个单位的压缩空气来产生相同的体积。强调氮气发生器不会产生更好或更差的氮气是非常重要的；它的成本更低，因为它提供了定制的纯度解决方案。通常，纯度越低，节约的机会就越大。在95%纯度下运行的氮气系统可产生比在99.999%纯度下运行的系统多7.5倍的氮气。
随着纯度的增加，氮气发生器的出口流速降低。如果假设纯度为“最坏情况”（99.999%），则系统可能会变得过大，并且可能需要额外的设备来满足目标流速。
使用来自氮系统评估的基线纯度数据，可以开始向后工作至最佳纯度。质量保证部门通常可以指示纯度要求，因为内部测试可能已经完成。但是，如果纯度未知，我们经常建议使用受控环境中的经过认证的氮气和氧气混合来确定递减的点，而不是假设最坏情况（99.999％）。过度假设纯洁将大大提高系统的资本和运营成本。每个应用中都有一个点，其中氮纯度的增加不会为过程或结果提供额外的益处，但绝对成本更加成本。谈到纯度时，识别回报递减点是至关重要的。
通过优化辅助设备、操作设定值和应用适当的技术，可以提高氮气发生系统的效率。虽然这篇文章不打算指定压缩空气系统，但应该考虑使用支持技术，这是成本有效的拥有和操作。氮气发生器包含很少的机械部件，在其运行中主要是被动的，相对于空气压缩机的复杂性和机械介入。这通常使空压机成为系统中最脆弱的点。空压机运行的电费成本，连同系统维护是决定系统产生的氮气价格的因素。无论采用何种技术，在评估阶段了解维护成本是非常必要的。
示例-一些氮气发生器将使用氧化锆氧传感器测量纯度，而另一些将使用带有原电池的电化学氧传感器。锆传感器更昂贵，但也免维护和校准，使用寿命为5至10年以上。原电池将在氧气存在的情况下耗尽，需要昂贵的季度校准和年度更换。在确定生产单位氮气的成本时，维护成本起着重要作用。在评估技术选择时，为了做出明智的决策，必须完全透明并提前披露所有运营成本。
选择氮气发生器时，可以选择变压吸附（PSA）和膜技术。PSA氮气发生器使用碳分子筛（CMS）和吸附过程去除不需要的气体分子，通常可提供高达99.999%的纯度。膜发生器使用中空纤维膜管和选择性渗透去除不需要的气体分子，通常可提供高达99.9%的纯度。应用哪种技术的选择完全取决于应用、环境和纯度要求。无论是使用PSA还是膜设备，我们建议使用能够随着生产需求的增长而增长的技术，而不会使原始安装过时。
如本节前面所述，系统的效率是由其压缩空气与氮气的比例来定义的。制造的实际情况是，在设计氮发电系统时，可能会有需求变化的时期，不需要系统的全部容量，必须满足最大需求，同时能够有效地满足平均需求。通过选择模块化技术和适当的控制策略，该系统可以减少气体生产任务，并在低需求时期隔离不需要的模块，持续管理压缩空气与氮气的比例。随着产量的增加，该系统将扩大规模，从经济节能模式唤醒模块，确保高峰需求得到满足。这种控制策略创造了一个模块只在需要时运行的环境，避免了宝贵的压缩空气的不必要损失，并稳定了效率测量:压缩空气与氮气的比例。
现有的氮生成系统使用过时的技术，缺乏控制纪律。现有系统采用节能设备及新控制策略进行了改造。这导致将压缩空气稳定到氮气比并显着降低了系统的运行成本。
下一个自给自足的步骤
具有周到和勤奋的设计的氮生成系统可以是氮素用户降低成本，碳排放和贡献金融和运营目标的好方法。但是，它不是每个应用程序都是捕获 - 所有解决方案。我们始终建议以太多时间在太多时间，能源和资本浪费之前开始的初步评估;这都是关于效率的。甚至在到达审计或详细评估阶段之前，我们通常会迅速指导客户无法对其现有供应进行任何更改。有时，业务案例不支持对系统的投资。合格的解决方案团队将能够建模详细的资本成本恢复报告，并将节省的储蓄定位为便士。如果可行的解决方案可用，则可以快速地通知的发现和评估可以迅速导致自给自足，并将插头拉到永无止境的液氮供应。
关于作者
Alan Hopkins是纯粹天然气公司的联合创始人兼董事总经理，电子邮件：ahopkins@puritygas.ca.,电话:905.335.6040
关于Purity Gas Inc.
纯度气体是高效氮气发电设计和实施的行业领导者。我们的使命是为工程师和提供世界级解决方案，赋予氮素用户能够产生自己的无尽供应氮气，同时有助于其经济，安全和可持续性举措。万博足球网站有关更多信息访问Puriitygas.ca.
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