Bài viết này dành cho bạn nếu công ty của bạn đang mua khí nitơ ở độ tinh khiết 99,999% và bạn không chắc tại sao. Trong khi có nhiều ứng dụng yêu cầu khí nitơ tập trung đến 99,999%, chúng vượt trội hơn đáng kể so với các ứng dụng không. Thay vì dựa vào việc cung cấp các xi lanh có áp suất hoặc chất lỏng số lượng lớn, nhiều người sử dụng nitơ đang chọn sản xuất nguồn cung cấp nitơ tùy chỉnh trong cơ sở của họ và họ đang làm việc đó với chi phí rất thấp. Trong thập kỷ qua, chúng ta đã chứng kiến ​​một sự thay đổi hàng loạt của ngành công nghiệp từ nguồn cung cấp nitơ được phân phối sang sản xuất nitơ.

Với lượng nitơ là khí dồi dào nhất trong không khí với 78%, quá trình tách nitơ khỏi không khí rất hiệu quả, so với việc tách các khí khác chỉ chiếm 22%, trong đó phần lớn là oxy. Khả năng điều chỉnh độ tinh khiết của nitơ, áp suất và tốc độ dòng chảy cho một ngành hoặc ứng dụng cụ thể là những gì dẫn đến tiết kiệm đáng kể so với nguồn cung cấp truyền thống. 

Thực tế (và cả vấn đề) là cho dù một hệ thống được thiết kế kém hiệu quả đến đâu, việc tạo khí nitơ thường sẽ ít tốn kém hơn so với việc mua khí từ bên thứ ba. Điều này chắc chắn sẽ đưa các hệ thống tạo nitơ lãng phí và cồng kềnh vào thị trường. Bài viết này sẽ tập trung vào những lưu ý chính khi thiết kế hệ thống tạo khí nitơ.

Hệ thống tạo nitơ hiệu suất cao Purity Gas với dự phòng mô-đun.

Tại sao nhu cầu cao lại tạo ra nitơ?

Hầu hết các dự án của chúng tôi được thúc đẩy bởi người dùng cuối, những người có động cơ giảm chi phí và lượng khí thải carbon của họ. Khi sử dụng nitơ ở dạng cung cấp truyền thống (chất lỏng hoặc xi lanh), khí được sản xuất tại một nhà máy tách khí bằng cách sử dụng một quá trình thâm dụng điện được gọi là chưng cất phân đoạn. Quá trình chưng cất phân đoạn không khí hóa lỏng là một quá trình trong đó không khí phải được làm lạnh trên -200 ° C và sau đó được làm nóng lại để chiết xuất các nguyên tố khác nhau dựa trên điểm sôi của chúng. Quá trình này đòi hỏi một lượng lớn năng lượng và chỉ có thể thực hiện trên quy mô lớn mới có hiệu quả kinh tế. 

Khi nitơ đã được 'sản xuất', nó được gạn lọc vào các xe tải vận chuyển lớn và vận chuyển từ nhà máy tách không khí, cuối cùng hạ cánh đến điểm đến cuối cùng, nơi nó được lưu trữ và tiêu thụ bởi người dùng cuối. Nitơ được phân tích tại nhà máy tách không khí và đăng ký ở độ tinh khiết đặc biệt cao, thường là 99,998 +%.

Giải pháp thay thế để cung cấp là sản xuất nitơ. Tạo khí nitơ là cách tiếp cận hiệu quả để cung cấp cho các quy trình sản xuất loại khí mà họ yêu cầu. Nitơ được chiết xuất và cô đặc từ nguồn cung cấp khí nén bằng cách sử dụng rây phân tử cacbon, hoặc các ống màng sợi rỗng. Độ tinh khiết của nitơ được xác định bằng thời gian tiếp xúc giữa không khí nén và môi trường tách đã chọn; tiếp xúc lâu hơn dẫn đến độ tinh khiết cao hơn. Do đó, nitơ có độ tinh khiết cao hơn đòi hỏi nhiều lưu lượng khí đầu vào hơn và tốn nhiều chi phí hơn để tạo ra. 

Mỗi ứng dụng và quy trình sử dụng nitơ sẽ có khả năng chịu oxy tối đa cho phép. Ứng dụng 'độ tinh khiết thấp' như ngăn cháy có thể chỉ yêu cầu độ tinh khiết 95 +%, trong khi ứng dụng có độ tinh khiết cao như hàn chọn lọc thường yêu cầu 99,995 +%. Sản xuất thực phẩm và đồ uống rơi vào khoảng giữa, với hầu hết các ứng dụng nằm trong khoảng từ 98% đến 99,5% (hoặc 2% đến 0,50% hàm lượng oxy còn lại). Chi phí để tạo ra nitơ ở mức 95% cần ít năng lượng và thiết bị hơn đáng kể để tạo ra cùng một thể tích ở mức 99,999%. Lựa chọn độ tinh khiết là một thành phần quan trọng của thiết kế hệ thống hiệu quả. 

Khi độ tinh khiết của nitơ tăng lên, yêu cầu về năng lượng và khí nén đầu vào cũng tăng theo. Sử dụng tỷ lệ điện trung bình của quốc gia (Canada) là 12 cent / kWh, chi phí điện hàng năm để sản xuất nitơ ở độ tinh khiết 95% sẽ vào khoảng $ 20,957 so với $ 71,256 khi được sản xuất ở mức 99,999%. Nhấn vào đây để phóng to.

Nếu quá trình không nhận được thêm lợi ích nào sau một độ tinh khiết nhất định, thì kết quả lọc quá mức là lãng phí. Một hệ thống tạo nitơ tiêu thụ quá mức sẽ sử dụng nhiều khí nén và thiết bị hơn yêu cầu. Thật không may, người ta nhắm mắt làm ngơ trước nguồn vốn lãng phí và tiêu thụ quá nhiều năng lượng vì nó vẫn rẻ hơn so với việc mua nitơ từ bên thứ ba. Nhiều năm tối ưu hóa hệ thống khí nén và giảm năng lượng có thể bị mất trong nháy mắt với một hệ thống tạo khí nitơ đói. 

Đánh giá hệ thống nitơ đặt cơ sở để đo lường cơ hội

Điều quan trọng là phải hiểu các sắc thái của nguồn cung cấp nitơ hiện có và cách nó được sử dụng, trước khi thiết kế một hệ thống mới. Thu thập dữ liệu về lưu lượng, áp suất và độ tinh khiết từ nguồn cung cấp hiện có có thể giúp tạo đường cơ sở để cải thiện có thể đo lường được. Chúng tôi là những người tin tưởng vào câu ngạn ngữ " bạn không thể quản lý những gì bạn không thể đo lường ". Khi có thể, các yêu cầu về lưu lượng và áp suất nitơ có thể được ghi lại bằng cách sử dụng đồng hồ đo lưu lượng và đầu dò áp suất đã được hiệu chuẩn (hạ lưu của thiết bị bay hơi nếu sử dụng nguồn cung cấp chất lỏng). 

Nếu một quy trình sử dụng một lượng nitơ rất lớn không liên tục, việc tạo nitơ có thể không phải là lựa chọn tốt nhất, vì hệ thống sẽ cần phải đủ lớn để đáp ứng nhu cầu đỉnh cao của cây, nhưng chỉ trong một khoảng thời gian ngắn. Máy tạo khí nitơ tự thanh toán nhanh chóng khi đi vào hoạt động, không phải ngồi nghỉ. Cơ sở vật chất và quy trình với nhu cầu lưu lượng nhất quán và nhiều ca thay đổi, thường tạo ra các trường hợp kinh doanh mạnh nhất.

Thu thập dữ liệu về độ tinh khiết tại thời điểm sử dụng có thể giúp thiết lập lại kỳ vọng mà chứng chỉ phân tích từ nhà máy tách không khí cung cấp. Khi mua nitơ ở dạng lỏng hoặc xi lanh số lượng lớn, độ tinh khiết được phân tích tại nhà máy tách khí trước khi vận chuyển, lưu trữ, bay hơi và sử dụng trong quá trình. Nhiều khách hàng của chúng tôi rất ngạc nhiên về độ tinh khiết được đo tại thời điểm sử dụng, hoặc trong thành phẩm của họ sau một loạt tổn thất. Là một phần của đánh giá nitơ chi tiết của chúng tôi, chúng tôi khuyên bạn nên thu thập dữ liệu độ tinh khiết tại thời điểm sử dụng bằng máy phân tích oxy đã hiệu chuẩn để đo hàm lượng oxy còn lại theo PPM hoặc%. Chúng tôi thường được hướng dẫn rằng nhà máy cần 99,999% để hỗ trợ một quy trình, đơn giản vì những gì chứng chỉ phân tích đương nhiệm ghi. Thường xuyên hơn không,

Thu thập dữ liệu về độ tinh khiết, tại thời điểm sử dụng, có thể giúp xác định thông số kỹ thuật về độ tinh khiết của nitơ. Máy tạo khí nitơ sẽ tạo ra khí nitơ ở độ tinh khiết xác định, hiển thị lượng oxy còn lại trên HMI theo thời gian thực. Khi không cần sử dụng khí, máy phát điện sẽ chuyển sang chế độ tiết kiệm năng lượng để bảo toàn khí nén có giá trị.  
 

Hộp đựng khí thải carbon của nhà máy bia thủ công

Nhiều công ty đang nỗ lực đóng góp vào các sáng kiến ​​bền vững toàn cầu và giảm lượng khí thải carbon của họ, bao gồm cả Purity Gas. Khi mua nitơ ở dạng lỏng hoặc xi lanh áp suất số lượng lớn, điều quan trọng là phải tìm hiểu nơi sản xuất nitơ (vị trí của nhà máy tách khí) và cách nó được vận chuyển đến đích cuối cùng. Nguồn gốc sản xuất thường sẽ được ghi trên giấy chứng nhận phân tích. Ngoài lượng khí nhà kính (ghg) phát ra từ quá trình chưng cất phân đoạn sử dụng nhiều điện, việc vận chuyển đến điểm đến cuối cùng cũng cần được xem xét. Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ công bố một công thức tiêu chuẩn để tính ghg gần đúng được thải ra do vận chuyển hàng hóa, thông qua một xe tải vận chuyển điển hình: Khoảng cách x Trọng lượng x Hệ số phát thải. Theo EPA, xe tải vận chuyển trung bình thải ra 161,8 gam CO2 trên mỗi tấn dặm. Tùy thuộc vào cách khu vực của bạn sản xuất điện, sự cân bằng giữa lượng khí thải liên quan đến giao thông và lượng điện năng cần thiết để sản xuất nitơ có thể giúp xác định lợi ích môi trường có được thông qua chuyển đổi.

Một nhà máy bia thủ công ở vùng xa xôi, miền bắc Quebec đang tìm kiếm các cơ hội giảm chi phí và bền vững môi trường cho hoạt động kinh doanh của họ. Nhà máy bia đang sử dụng một gói nitơ lớn hai tuần một lần và muốn tìm hiểu cách chuyển đổi thành nguồn cung cấp nitơ tự tạo sẽ hỗ trợ các mục tiêu môi trường của họ như thế nào. 

• Sử dụng tính toán của EPA cho lượng khí thải vận chuyển hàng hóa, chúng tôi đã nhân khoảng cách đã đi (120 dặm) x trọng lượng (1,26 tấn) x hệ số phát thải (161,8 gam trên mỗi dặm-tấn). Do đó, mỗi gói hàng số lượng lớn được giao đến địa điểm chịu trách nhiệm phát thải khoảng 24.464 gam CO2. Nhân với 26 lần giao hàng mỗi năm, lượng khí thải carbon của nhà máy bia liên quan đến việc vận chuyển hàng gói số lượng lớn là 636,064 gam CO2 mỗi năm.
• Sau đó, chúng tôi tính toán lượng phát thải carbon liên quan đến việc tạo ra nitơ. Theo Ủy ban Năng lượng Quốc gia Canada, Quebec (hầu hết là thủy điện) có lượng phát thải CO2 trên mỗi kWh thấp nhất ở Canada, chỉ 1,2 gam CO2 trên mỗi kWh. Hệ thống sản xuất nitơ được đề xuất sẽ tiêu thụ 4.480 kWh hàng năm (chủ yếu từ khí nén), với tổng tác động là 5.376 gam CO2.
• Bằng cách thực hiện một hệ thống tạo nitơ hiệu suất cao, nhà máy bia đã có thể giảm lượng khí thải carbon hàng năm là 630,688 gam CO2; giảm 99% lượng khí thải carbon liên quan đến các gói nitơ khối lượng lớn được phân phối.

Thiết kế Hệ thống Tạo Nitơ Tối ưu

Hiệu quả của một hệ thống được xác định bằng tỷ lệ khí nén trên nitơ; Cần bao nhiêu đơn vị khí nén để tạo ra một đơn vị nitơ. Nitơ tinh khiết 95% có thể chỉ cần hai đơn vị khí nén để tạo ra một đơn vị nitơ, trong khi nitơ tinh khiết 99,999% có thể yêu cầu gần bảy đơn vị khí nén để tạo ra cùng một thể tích. Điều rất quan trọng cần nhấn mạnh là máy phát điện nitơ không tạo ra nitơ tốt hơn, hoặc kém hơn; nó chỉ ít tốn kém hơn bởi vì nó cung cấp một giải pháp tinh khiết tùy chỉnh, theo ứng dụng. Thông thường, độ tinh khiết càng thấp, cơ hội tiết kiệm càng lớn. Hệ thống nitơ hoạt động ở độ tinh khiết 95% có thể tạo ra lượng nitơ nhiều hơn 7,5 lần so với hệ thống chạy ở độ tinh khiết 99,999%.

Khi độ tinh khiết tăng lên, tốc độ dòng ra của bộ tạo nitơ giảm. Một hệ thống có thể trở nên quá khổ đáng kể nếu giả định độ tinh khiết 'trường hợp xấu nhất' (99,999%) và thiết bị bổ sung có thể được yêu cầu để đáp ứng tốc độ dòng mục tiêu.

Sử dụng dữ liệu độ tinh khiết cơ bản từ đánh giá hệ thống nitơ, người ta có thể bắt đầu làm việc ngược lại với độ tinh khiết tối ưu. Bộ phận đảm bảo chất lượng thường có thể hướng dẫn yêu cầu về độ tinh khiết vì thử nghiệm nội bộ có thể đã được hoàn thành. Tuy nhiên, nếu chưa biết độ tinh khiết, chúng tôi thường đề xuất sử dụng hỗn hợp nitơ & oxy được chứng nhận trong môi trường được kiểm soát để xác định điểm giảm dần trở lại, thay vì giả định trường hợp xấu nhất (99,999%). Việc giả định độ tinh khiết sẽ làm tăng đáng kể vốn và chi phí vận hành của hệ thống. Có một điểm trong mỗi ứng dụng mà việc tăng độ tinh khiết nitơ không mang lại lợi ích bổ sung cho quá trình hoặc kết quả, mà hoàn toàn sẽ tốn nhiều chi phí hơn để tạo ra. Khi nói đến độ tinh khiết, điều quan trọng là xác định điểm thu hồi vốn giảm dần.

Hiệu quả của hệ thống tạo khí nitơ có thể được tinh chỉnh bằng cách tối ưu hóa thiết bị phụ trợ, điểm đặt vận hành và áp dụng công nghệ thích hợp. Mặc dù bài viết này không nhằm mục đích chỉ rõ các hệ thống khí nén, nhưng cần cân nhắc sử dụng công nghệ hỗ trợ để sở hữu và vận hành hiệu quả về chi phí. Máy phát nitơ chứa rất ít thành phần cơ học và phần lớn là thụ động trong hoạt động của nó, liên quan đến sự phức tạp và sự tham gia của máy nén khí. Điều này thường làm cho máy nén khí trở thành điểm dễ bị hư hỏng nhất trong hệ thống. Chi phí điện để chạy máy nén khí, cùng với bảo trì hệ thống là yếu tố quyết định giá khí nitơ do hệ thống sản xuất. Bất kể công nghệ nào, điều bắt buộc là phải hiểu chi phí bảo trì trong giai đoạn đánh giá.

Ví dụ - Một số máy phát điện nitơ sẽ sử dụng cảm biến ôxy zirconi oxit để đo độ tinh khiết, trong khi những máy khác sẽ sử dụng cảm biến ôxy điện hóa với tế bào điện. Cảm biến zirconium đắt hơn nhưng cũng không cần bảo trì và hiệu chuẩn, với tuổi thọ từ 5 đến 10 năm trở lên. Tế bào galvanic sẽ cạn kiệt khi có oxy và yêu cầu hiệu chuẩn hàng quý và thay thế hàng năm tốn kém. Chi phí bảo trì đóng một vai trò quan trọng khi xác định chi phí để sản xuất một đơn vị nitơ. Khi đánh giá các lựa chọn công nghệ, bắt buộc phải minh bạch hoàn toàn và tiết lộ trước tất cả các chi phí hoạt động để đưa ra quyết định có căn cứ.

Khi chọn máy tạo nitơ, người ta có sự lựa chọn giữa hấp phụ xoay áp (PSA) và công nghệ màng. Máy tạo nitơ PSA sử dụng sàng phân tử cacbon (CMS) và quá trình hấp phụ để loại bỏ các phân tử khí không mong muốn và thường có thể mang lại độ tinh khiết lên đến 99,999%. Máy tạo màng sử dụng ống màng sợi rỗng và thẩm thấu chọn lọc để loại bỏ các phân tử khí không mong muốn, và thường có thể mang lại độ tinh khiết lên đến 99,9%. Việc lựa chọn công nghệ nào để áp dụng hoàn toàn phụ thuộc vào yêu cầu về ứng dụng, môi trường và độ tinh khiết. Cho dù sử dụng PSA hay thiết bị màng, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng công nghệ có thể phát triển với nhu cầu sản xuất ngày càng cao, mà không cần cài đặt ban đầu trở nên lỗi thời.

Như đã trình bày trước đó trong phần này, hiệu suất của một hệ thống được xác định bằng tỷ lệ khí nén trên nitơ của nó. Thực tế sản xuất thực tế là sẽ có những giai đoạn nhu cầu thay đổi và công suất đầy đủ của hệ thống sẽ không được yêu cầu khi thiết kế hệ thống tạo nitơ, bắt buộc phải đáp ứng nhu cầu tối đa trong khi vẫn có thể đáp ứng nhu cầu trung bình. một cách hiệu quả. Lựa chọn công nghệ mô-đun với chiến lược kiểm soát thích hợp sẽ cho phép hệ thống giảm quy mô nhiệm vụ sản xuất khí và cô lập các mô-đun không cần thiết trong thời gian nhu cầu thấp, liên tục quản lý tỷ lệ khí nén trên nitơ. Khi sản xuất tăng lên, hệ thống sẽ mở rộng quy mô bằng cách đánh thức các mô-đun từ chế độ tiết kiệm năng lượng nền kinh tế, đảm bảo rằng nhu cầu cao điểm được đáp ứng.

Một hệ thống tạo nitơ hiện có đang sử dụng công nghệ cổ và thiếu kỷ luật kiểm soát. Hệ thống hiện có đã được trang bị thêm thiết bị tiết kiệm năng lượng và một chiến lược kiểm soát mới. Điều này dẫn đến việc ổn định tỷ lệ khí nén trên nitơ và giảm đáng kể chi phí vận hành của hệ thống.

Các bước tiếp theo để tự túc

Một hệ thống tạo nitơ với thiết kế chu đáo và cần mẫn có thể là một cách tuyệt vời để người sử dụng nitơ giảm chi phí, lượng khí thải carbon và đóng góp vào các mục tiêu tài chính và hoạt động của họ. Tuy nhiên, nó không phải là một giải pháp toàn diện cho mọi ứng dụng. Chúng tôi luôn đề nghị bắt đầu với một đánh giá sơ bộ cô đọng trước khi lãng phí quá nhiều thời gian, năng lượng và vốn; đó là tất cả về hiệu quả. Đôi khi, chúng tôi nhanh chóng hướng dẫn khách hàng không thực hiện bất kỳ thay đổi nào đối với nguồn cung cấp hiện có của họ, ngay cả trước khi đến giai đoạn đánh giá hoặc đánh giá chi tiết. Đôi khi trường hợp kinh doanh không hỗ trợ việc đầu tư vào một hệ thống. Một nhóm giải pháp đủ năng lực sẽ có thể lập mô hình báo cáo thu hồi chi phí vốn chi tiết và xác định khoản tiết kiệm đến từng xu. Nếu có một giải pháp khả thi.