设计高效PSA制氮系统用于食品饮料生产
这篇文章是为你的公司购买99.999%纯度的氮气，你不确定为什么。虽然有许多应用程序确实需要氮气浓度达到99.999%，但它们明显超过了不需要的应用程序。许多氮气用户选择在他们的设施内定制供应氮气，而不是依赖散装液体或加压瓶的输送，而且他们这样做的成本只是成本的一小部分。在过去的十年里，我们已经看到了一个大规模的工业从输送氮的供应，转向氮的生产。
氮气是最丰富的空气气体，其含量为78%，与其他仅占22%的空气气体（其中大部分为氧气）的提取相比，从空气中分离氮气的过程非常有效。根据特定行业或应用调整氮气纯度、压力和流量的能力是导致产生低成本的原因与传统供应相比，这是一种不必要的节约。
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。
为什么氮的生成是高需求的?
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。
一旦氮气被“生产”出来，它就会被倒进大型运输卡车，从空分工厂运送出去，最终降落在最终目的地，在那里它被储存并被最终用户消耗。氮气在空分装置进行分析，其纯度异常高，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。
每一个应用和使用氮气的过程都会有一个最大允许的氧气耐受量，一个低纯度的应用，例如灭火，可能只需要95 +%的纯度，而高纯度的应用，例如选择性的焊接，通常需要99.995个百分点。从98%到99.5%（或剩余氧含量的2%到0.50%）不等。在95%的条件下生产氮气所需的能源和设备显著减少，以99.999%的速度生产相同体积的氮气。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。点击在这里扩大。
如果该过程在超过一定纯度后没有收到额外的好处，过度净化的结果就是浪费。一个消耗过多的氮气产生系统将使用比所需更多的压缩空气和设备。不幸的是，人们对浪费资本和过度消耗能源视而不见，因为这仍然比从第三方购买氮便宜。多年来压缩空气系统的优化和节能可以在一眨眼的功夫就失去了一个饥饿的氮气生成系统。
氮系统评估设置基线来衡量机会
在设计新系统之前，了解现有氮气供应的细微差别及其使用方式至关重要。从现有供应中收集流量、压力和纯度数据有助于创建可测量改进的基线。我们坚信这句格言“哟你无法管理你无法衡量的东西”。如果可能，可以使用校准的流量计和压力传感器(如果使用液体供应，则位于蒸发器的下游)来捕获氮气流量和压力要求。
如果工艺间歇使用大量氮气，制氮可能不是最佳选择，因为系统需要足够大，以满足电厂的峰值需求，但只能在短时间内。氮气发生器在运行时很快就能自行支付费用，而不是闲置。具有一致的流程需求和多个班次的设施和流程通常会产生最强的业务案例。
在使用点收集纯度数据有助于重新设定空分设备的分析证书所提供的预期。当购买散装液体或圆筒状氮气时，在运输、储存、蒸发和工艺使用之前，纯度在空分设备进行分析。我们的许多客户对在使用点测量的纯度，或在一系列损失后在其成品内测量的纯度。作为我们详细氮气评估的一部分，我们建议使用经校准的氧气分析仪收集使用点的纯度数据，该分析仪测量剩余氧气含量（PPM或%）。我们经常被指示，工厂需要99.999%来支持ort是一个过程，仅仅是因为现行分析证书上的内容。通常情况下，我们会记录整个管道分配网络和使用点的大量纯度损失，这客观上改变了纯度需求的基线。
在使用点收集纯度数据有助于确定氮气纯度规格。氮气发生器将以规定的纯度产生氮气，并在HMI上实时显示剩余氧气。当不需要气体时，发生器将进入节能模式，保存有价值的压缩空气。
手工酿酒厂碳排放案例
许多公司都在努力为全球可持续发展行动做出贡献，减少他们的碳足迹，pure Gas也包括在内。万博足球网站当购买散装液体或加压瓶中的氮气时，重要的是了解氮气是在哪里产生的(空分工厂的位置)以及它被运输到最终目的地的距离。产地通常会在分析证书上注明。除了电力密集型分馏过程排放的温室气体(ghg)外，运输到最终目的地也需要考虑。美国环境保护署公布了一个标准公式，用于计算通过典型运输卡车运输的近似温室气体排放量:距离x重量x排放因子。根据美国环保署(EPA)的数据，运输卡车平均每吨英里排放161.8克二氧化碳。根据你所在地区的发电方式，与运输相关的排放和生产氮所需的电力之间的三角洲可以帮助确定通过转换可获得的环境收益。
魁北克省北部偏远地区的一家手工酿酒厂正在为其业务寻求降低成本和环境可持续性的机会。该酿酒厂每两周使用一包散装氮气，并希望了解向自产氮气供应的转化将如何支持其环境目标。万博足球网站
- 使用EPA计算的货运排放量，我们将旅行距离(120英里)×重量(1.26吨)×排放因子(161.8克/英里吨)相乘。因此，每个运到现场的散装包装大约排放24464克二氧化碳。乘以每年26次的运输，啤酒厂与散装包装运输相关的碳足迹是每年636064克二氧化碳。
- 然后我们计算了与氮生成相关的碳排放。根据加拿大国家能源委员会的数据，魁北克(大部分是水力发电)每千瓦时的二氧化碳排放量在加拿大最低，每千瓦时只有1.2克二氧化碳。拟议中的氮发电系统每年将消耗4480千瓦时(主要来自压缩空气)，总影响为5376克二氧化碳。
- 通过实施高效制氮系统，该啤酒厂每年可净减少630688克二氧化碳的碳足迹；与交付的氮气散装包装相关的碳排放量相比，减少了99%。
食品加工和包装中氮的使用-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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最佳制氮系统设计
系统的效率是由压缩空气与氮气的比例来确定的;需要多少单位的压缩空气才能产生一单位的氮气。95%的纯氮可能只需要两个单位的压缩空气就能产生一个单位的氮气，而99.999%的纯氮可能需要接近七个单位的压缩空气才能产生相同的体积。很重要的一点是，氮发生器产生的氮不会更好，也不会更差;它只是更便宜，因为它提供了一个定制的纯度解决方案，根据应用。通常，纯度越低，节省的机会就越大。运行在95%纯度的氮气系统比运行在99.999%纯度的氮气系统多产生7.5倍的氮气。
随着纯度的增加，氮气发生器的出口流量减小。如果假设“最坏情况”的纯度为99.999%，并且可能需要额外的设备来满足目标流速，那么系统可能会变得非常大。
使用来自氮气系统评估的基线纯度数据，可以开始逆向计算最佳纯度。纯度要求通常可以由质量保证部门指示，因为内部测试可能已经完成。然而，如果纯度未知，我们通常建议在受控环境中使用经过认证的氮气和氧气混合物来确定收益递减点，而不是假设最坏的情况(99.999%)。过高的纯度会大大增加系统的资本和运营成本。在每一种应用中，氮气纯度的提高并不会给工艺或结果带来额外的好处，但绝对会增加生产成本。当谈到纯度时，确定收益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。
例如:一些氮气发生器将使用氧化锆氧传感器来测量纯度，而其他的将使用带有原电池的电化学氧传感器。锆传感器比较贵，但也免维护和校准，使用寿命5 - 10年以上。的原电池将在氧气存在下耗尽，需要昂贵的季度校准和每年更换。在决定生产一单位氮的成本时，维护成本起着重要作用。在评估技术选择时，为了做出明智的决定，必须完全透明并提前披露所有运营成本。
在选择氮气发生器时，可以在变压吸附(PSA)和膜技术之间进行选择。PSA氮气发生器使用碳分子筛(CMS)和吸附过程来去除不需要的气体分子，通常可以提供高达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，通常可以提供高达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，我们都建议使用能够随着生产需求的增长而增长的技术，而不需要原有的设备。
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。
现有的制氮系统技术陈旧，缺乏控制纪律。现有系统通过节能设备和新的控制策略进行了改造。这使得压缩空气与氮气的比例稳定下来，大大降低了系统的运行成本。
自给自足的下一步
一个经过深思熟虑和精心设计的氮气生成系统，可以为氮气用户减少成本和碳排放，并为他们的财务和运营目标做出贡献。然而，它并不是适用于所有应用程序的万能解决方案。我们总是建议在过多的时间、精力和资本被浪费之前，先进行一个简明的初步评估;这都是效率的问题。很多时候，即使在审计或详细评估阶段之前，我们也会迅速指示客户不要对现有的供应进行任何更改。有时业务案例不支持对系统的投资。一个合格的解决方案团队将能够建立一个详细的资本成本回收报告模型，并精确地指出节约的成本。如果有可行的解决方案，充分了解情况的发现和评估可以迅速实现液氮的自给自足，并停止源源不断的液氮供应。
关于作者
Alan Hopkins是Purity Gas Inc.的联合创始人兼董事总经理，电子邮件：ahopkins@puritygas.ca,电话:905.335.6040
关于纯净气体公司。
纯度气体是高效氮气生产设计和实施领域的行业领导者。我们的使命是设计和提供世界一流的解决方案，使氮气用户能够生产他们自己的无休止的氮气供应，同时为他们的经济、安全和可持续性计划做出贡献。有关更多信息，请访问万博足球网站puritygas.ca
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