本地制氮解决啤酒厂二氧化碳供应问题

近年来，供应链问题迫使许多公司重新考虑他们的整个商业模式。更优先的是保持所需资源的稳定流入。

最近的二氧化碳供应短缺给全国各地的企业带来了额外的压力，尤其是酿酒业。这种短缺可归因于几个因素的结合，包括一般供应链问题的持续，夏季对二氧化碳的高需求，以及2022年9月Jackson Dome(美国最大的天然气来源之一)的二氧化碳中碳氢化合物含量升高。

消除供应链中某些不确定性的一个策略是减少业务中涉及的第三方供应商的数量。例如，如果可能的话，公司从供应商那里购买商品并在本地生产这些商品可能是值得的。

本文旨在为面临与二氧化碳相关的延迟交付和价格上涨的啤酒厂提供一个潜在的解决方案:使用本地制氮作为部分或完全替代购买液态二氧化碳的某些过程。

有限公司₂和N的使用

二氧化碳和氮气在酿酒厂中有不同的用途。它们被用作工艺气体(主要用于液体的运动，同时保持惰性环境)，并赋予饮料独特的味道和视觉特征。

碳酸化使啤酒具有起泡的外观，并防止变质。大多数啤酒厂生产的啤酒都是通过引导二氧化碳流过饮料来碳酸化的。这将所需的过程时间从几周(通过自然碳化)减少到几天。在美国商业生产的啤酒通常是高度碳酸和清淡的。

在酿造过程的发酵过程中，当酵母消化糖时，二氧化碳作为副产品被释放出来。现有的技术可以捕获和再利用酿造过程中释放的一部分二氧化碳，这减少了需要购买的气体体积。

然而，由于成本和生产限制，许多较小的啤酒厂无法购买这些技术，因为它们在大规模应用中通常更实用。

取代有限公司₂N

二氧化碳和氮气在酿造过程中起到类似的作用。用氮气代替二氧化碳是一种可行的解决方案，用于覆盖、净化、移动液体等，在这些地方可能不一定需要特定的气体。二氧化碳和氮气都被认为是惰性气体，因为它们不容易与其他物质发生反应。例如，氮气可以用作过程气体，而不会改变饮料的碳酸化特性，通常添加到桶中加压。

South-Tek Systems的工业销售经理比利·切斯纳特(Billy Chestnutt)解释说，由于全国范围内的二氧化碳短缺，酿酒商开始研究将一些二氧化碳加工过程改为使用氮气的可行性。制造商的啤酒爆炸氮气发生器使用氮气将啤酒推到水龙头。

他指出:“我们在酿造过程中看到的氮的应用包括清洗/覆盖罐，将产品从一个罐推到另一个罐，在罐装生产线上预清洗，运行桶洗机，给啤酒加氮，以及在质量保证实验室进行测试。”

此外，许多啤酒厂最近开始生产“氮化啤酒”，这种啤酒在酿造过程中只使用氮气，而不是二氧化碳和氮气的混合物。

相比之下，酿造啤酒和窖藏啤酒通常使用70%的二氧化碳和30%的氮气混合，而黑啤酒和波特啤酒则倾向于使用25%的二氧化碳和75%的氮气混合。含氮啤酒往往口感顺滑，泡沫持久。啤酒通常是通过在高压下将氮气加到饮料中来加氮的，因为氮气不像二氧化碳那样自然地与它结合。

生成氮

氮气从空气中的氧气和其他物质中分离出来的三个主要过程如下:

• 低温蒸馏;
• 膜系统;
• 变压吸附(PSA)。

这些工艺中的每一个都有一系列的产品氮流量和纯度，它们比其他工艺更适合操作。

低温蒸馏是这些过程中最早被开发出来的，可以追溯到1895年。这是获得液氮的过程。

它包括将输入气流冷却到其成分的沸点以下。这些成分沸点的不同使它们能够分离。在这个过程中，液化空气成分所需的温度是极端的;在常压下，氮和氧的沸点分别约为-320华氏度和-297华氏度。

在三种制氮工艺中，深冷蒸馏提供的氮气纯度最高(大于99.9995%)。然而，与膜或PSA系统相比，它更耗能，成本更高，因此只有在大规模系统中才具有经济可行性。

直到20世纪80年代，膜和PSA技术才广泛用于氮分离，被推荐用于啤酒厂应用的内部氮气生成。让我们仔细看看这两个:

•膜分离。膜系统通过选择性渗透工作，其中气体分子通过中空纤维填充容器的扩散速率的差异驱动分离。中空纤维选择性地从压缩空气的输入流中渗透氧气、水蒸气和其他杂质，留下氮气作为产物。

膜系统通常可以提供纯度为99.5%的氮气，推荐用于流速小于1000标准立方英尺/小时(SCFH)的应用，尽管根据膜尺寸可以实现更大的流速。

图1显示了用于从压缩空气输入中分离氮气的膜过滤装置的示例。

•变压吸附。典型的PSA工艺包括两个充满碳分子筛(CMS)的压力容器(称为筛床)。这种材料可以选择性地将气体分子吸附在其表面的孔隙中。这些孔的大小以埃为单位，埃是一个等于0.1纳米的测量单位。

受压时，气体分子开始填满孔隙。氧和氮的分子大小分别为2.99埃和3.05埃。由于氧分子比氮分子小，所以更多的氧分子被吸附在CMS的孔处。

在PSA过程中，只有一个筛床从压缩空气输入中主动分离氮气。当一个筛床处于活动状态时，另一个筛床排出前一个循环中储存在CMS中的气体。活性筛床CMS的吸附速率随着时间的推移而降低，因为CMS只能容纳有限数量的气体分子。

最终，从活性筛床输出的氮纯度将开始下降(一个点称为突破)。然后将输入气流切换到另一个筛床，并重复循环。

PSA制氮系统的一些示例如图2所示。

PSA系统可以提供广泛的氮纯度和流量;氮的纯度可以在95%到99.999%之间，典型的流量可以在50到35,000 SCFH之间变化。影响氮气纯度和流量的因素包括输入空气流量、使用CMS的质量、循环时间、吸附压力等。

图3是制氮系统总体布置的基本示意图。两个储罐(一个用于输入空气，一个用于产品氮)推荐用于大多数应用，以稳定系统压力，当PSA循环切换筛床之间的输入气流。

本地生成的好处

设计用于从其他气体中分离二氧化碳的PSA系统是存在的，尽管这些系统最适合在有大量烟道气体输入时使用，这使得它们不适合啤酒厂的设置。液态二氧化碳的平均成本(由于近期供求关系的影响)约为3.50美元/公斤，或约为18美元/CCF(标准条件下气相的代表)。

在液体散装罐、液体杜瓦瓶和高压钢瓶中与氮气相关的成本约为
分别为$1/CCF、$5.50/CCF及$25/CCF。然而，在本地生产氮气的成本可以低至100美元
$0.10/CCF，表示运行系统所需的电力。

氮气生成系统的初始成本可能高于高压钢瓶和液氮容器。尽管如此，大多数公司将在12至18个月内获得投资回报，并根据流程需求适当调整系统规模。

啤酒厂通常会通过切换到本地制氮来节省50%到75%的气体。如果遵循定期维护计划，PSA制氮系统的预期寿命可达15至20年。

大约79%的环境空气是氮气，因此该系统永远不会出现需要处理的气体短缺。内部氮气生成系统提供可靠的工艺气体供应，不需要持续依赖第三方供应商。

Garrett Rinker是South-Tek Systems的高级项目工程师。他拥有机械工程博士学位。给他发邮件至grinker@southteksystems.com。