工业效率

设计高效的PSA制氮系统用于食品和饮料生产

本文适用于您,如果您的公司正在纯度为99.999%的纯净液,而且您不确定为什么。虽然需要许多需要氮气浓缩至99.999%的应用,但它们的应用程序不会显着超过。许多氮素用户选择在其设施内,许多氮素用户选择在其设施中产生定制的氮气供应,而不是依赖于散装液或加压汽缸的输送,而是在成本的一小部分中进行定制的氮气供应。在过去十年中,我们已经看到了从施用的氮气供应转变为氮气产生的群众。

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(也是问题)是,无论系统设计得多么低效,氮的产生通常比从第三方购买天然气要便宜。这不可避免地将浪费和膨胀的氮生成系统引入市场。本文将重点介绍氮气发生系统设计的要点。

氮气变化

具有模块化冗余的高效率氮气生成系统。

为什么氮气产生高需求?

我们的大多数项目都是由最终用户推动的,他们有动力减少成本和碳足迹。当以传统的供应形式(液体或钢瓶)使用氮气时,气体是在空分工厂使用称为分馏的电力密集型过程产生的。液化空气分馏是将空气冷却到-200°C以上,然后再加热,根据沸点提取不同的元素的过程。这一过程需要大量的能源,只有在经济上可行的情况下才能大规模进行。

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 +%。

提供供应的替代解决方案是氮的产生。氮气生成是供应制造过程所需的气体的有效方法。氮气通过碳分子筛或中空纤维膜管从压缩空气中提取和浓缩。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气流,产生成本更高。

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。

压缩空气使用图表

随着氮气纯度的提高,对输入压缩空气和能量的要求也随之提高。使用国家(加拿大)的平均电价为每千瓦时12美分,生产纯度为95%的氮的年电费约为20,957美元,而生产纯度为99.999%的氮的年电费为71,256美元。点击这里扩大。

如果该过程没有超过一定纯度的额外收益,则过度抑制结果是浪费。过度消耗的氮生成系统将使用比所需的更压缩空气和设备。不幸的是,视盲的眼睛转向浪费的资本和过度收费,因为它仍然比从第三方购买氮的便宜。多年的压缩空气系统优化和能量减少可以用饥饿的氮气产生系统眨眼间丢失。

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“哟你不能管理你不能衡量的东西“。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。

如果一个工艺间歇地使用大量的氮,氮的产生可能不是最好的选择,因为系统将需要足够大,以满足电厂的峰值需求,但只在很短的时间内。氮气发生器在运行时很快就能收回成本,而不是闲置着。具有一致的流程需求和多个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。

氮气数据屏幕

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。

工艺啤酒厂碳排放案例

许多公司正在努力为全球可持续发展举措做出贡献,并减少碳足迹,包括纯净气体。在散装液体或加压汽缸中购买氮时,重要的是要学习产生氮气(空气分离厂的位置)以及将其运输到最终目的地有多远。通常将在分析证书上表明生产起源。除了电力密集型分数蒸馏过程发出的温室气体(温室气体)外,还需要考虑对最终目的地的运输。美国环境保护署通过典型的运输卡车计算出货运的近似温室气体的标准公式出版标准公式:距离X重量x排放因子。平均运输卡车根据环保署每吨散发161.8克二氧化碳。根据您所在地区的发电方式,与运输相关的排放之间的达达和氮生成所需的电力可以帮助确定通过转换可获得的环境收益。

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。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气 - 网络研讨会记录

下载幻灯片和观看免费网络广播的录音来了解:

  • 食品加工和包装中氮的关键应用
  • 在现场氮生成VS递送氮气
  • 安装、操作和维护氮气发生器有多简单
  • 用氮气置换氧气是食品加工过程中最常见的保护方法之一

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设计最佳氮生成系统

系统的效率由其压缩空气定义为氮比;需要有多少单元压缩空气来生产单个氮气。95%纯氮可能仅需要两个单元的压缩空气来生产一个单位的氮气,而99.999%的纯氮可能需要接近七个单元压缩以产生相同的体积。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;它不太昂贵,因为它提供了自定义纯度解决方案,通过应用程序。通常,纯度越低,储蓄的机会越大。在95%纯度下运行的氮体系可以产生7.5倍的氮,而不是在99.999%纯度下运行的系统。

效率表

随着纯度的增加,氮气发生器的出口流速降低。如果假设“最坏情况”纯度(99.999%)和其他设备可能需要达到目标流速,系统会显着超大。

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、运行设定点和应用适当的技术,可以提高氮气发生系统的效率。虽然这篇文章不打算详细说明压缩空气系统,但应该考虑使用具有成本效益的支持技术。氮气发生器含有很少的机械部件,相对于空压机的复杂性和机械参与,其运行在很大程度上是被动的。这通常使空压机成为系统中最脆弱的点。运行空压机所需的电费,以及系统维护费用是决定系统产生的氮气价格的因素。无论采用何种技术,在评估阶段都必须了解维护成本。

实施例 - 一些氮气发生器将使用氧化锆氧传感器来测量纯度,而其他氮气发生器将使用具有电池电池的电化学氧传感器。锆传感器更昂贵,但也是维护和校准,使用寿命为5到10年。电流细胞将要在氧气存在下消耗耗尽,需要昂贵的季度校准和年度替代品。在确定生产氮气单位时,维护成本在确定成本时发挥重要作用。在评估技术选项时,所有运营成本的完整透明度和前期披露是强制性的。

当选择一个氮发生器,一个具有变压吸附(PSA)和膜技术之间进行选择。PSA氮气发生器使用碳分子筛(CMS)和吸附过程去除不需要的气体分子,并且通常可递送高达99.999%的纯度。膜发生器使用中空纤维膜管和选择性渗透以去除不需要的气体分子,通常可以纯度可达99.9%。选择适用技术的选择完全取决于应用程序,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加而增长的技术,而无需原始安装就会变得过时。

如本节前面所述,系统的效率是由其压缩空气与氮气的比率来定义的。制造的实际现实是,在设计氮气生成系统时,很可能存在可变需求期,不需要系统的全部容量,必须在能够有效满足平均需求的同时,满足最大需求。模块化技术的选择与适当的控制策略将允许系统减少其天然气生产任务,并在低需求时期隔离不需要的模块,不断管理压缩空气与氮气的比例。随着产量的增加,系统将从经济节能模式中唤醒模块,以确保满足高峰需求。这种控制策略创造了一个环境,模块只在需要时才运行,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率。

氮素产生效率

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。有关更多信息访问Puriitygas.ca.

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