本文在实际工况下，从纯度、每标准立方千瓦时能耗（kWh/Nm³）与总成本三个维度，比较了PSA与膜分离制氮机。 概要概览。 本技术说明从三个决策因素对PSA与膜分离制氮机进行了基准比较：使用点的氮气纯度、在实际压缩机条件下的每标准立方千瓦时能耗（kWh/Nm³），以及贯穿设备全生命周期的总成本。以下所有数据均为工程范围值，可结合供应商数据与现场测量进行调整。针对美国读者，部分内容附有SCFH/psi及华氏度（°F）等单位换算参考；文中表格集中展示关键参数，便于直接应用于技术规格或内部报告。
1)在实际工厂中 PSA 与膜系统之间有哪些变化
两种技术都以洁净、干燥的压缩空气为起点，最终产出缓冲入集气管的氮气。差异存在于分离核心中，并体现在纯度上限、空气需求量及动态特性上。 PSA 采用碳分子筛吸附床，在高低压之间循环，可实现较高纯度，但需要更大的设备体积、更多的阀门以及精确的再生气体控制。 膜分离装置则依赖聚合物中空纤维——扩散速度快的气体被透过并排出，而较慢的组分（氮气）留在保留侧作为产品气。 这种结构极为紧凑、启动迅速，但在追求超高纯度或大流量时会达到性能极限。
从运行角度来看，两种技术在维护重点上也存在差异。 PSA 系统需要确保阀门密封性、分析仪校准准确，并防止分子筛受到油和水的污染。 膜分离系统则要求持续监控油和碳氢化合物的携带量，以及压力与温度的稳定，以保持纤维的性能。 当将PSA 与膜制氮机的差异转化为全生命周期模型和服务合同时，这些区别显得尤为重要。
2）纯度界限与可用运行范围
在选择任何制氮技术之前，首先要明确工艺实际所需的纯度范围。 下表总结了单级系统通常可达到的纯度区间，以及在何种情况下需要采用多级组合或其他替代方案。 这些数据可作为设备选型与供应商配套设计的初步参考。
表 1 — 实际能力范围（单级系统，典型工业机组）
| 指标 | PSA 制氮机 | 膜制氮机 | 备注 |
|---|---|---|---|
| 实际产品纯度（体积分数 %） | 99.0–99.999 (5N) | 95.0–99.5 | 当膜分离系统纯度要求达到 ≥99.0% 时，通常需降低产气流量或采用多级串联设计。 |
| 纯度稳定性 | 高（配合适当缓冲装置） | 在高调节比下表现中等 | 分析仪与缓冲系统的设计对两种系统都起决定性作用。 |
| 启动至达标时间 | 在高调节比下表现中等 | 数秒至数分钟 | 膜分离系统在频繁启停工况下表现出色。 |
| 典型露点控制策略 | −40 °C 压力露点为基准；必要时可达 −60 °C | 与PSA相同 | 干燥器的选择会直接影响再生气量及辅助能耗。 |
| 占地面积与重量 | 机组体积较大；双塔结构 + 碳分子筛（CMS） | 结构极为紧凑 | 对老旧工厂改造项目具有较高适配性。 |
3）能耗与空气消耗范围
能耗主要由压缩机主导。与其给出公式，下一张表将提供反映不同纯度下回收率或阶段切割比（stage-cut）行为的air-per-nitrogen与unit-energy取值范围。请在前期筛选时用这些范围来圈定可行性。
表 2 — 按目标纯度划分的空气需求和单位能耗（除非另有说明，否则均为单级）
| 目标纯度（体积百分比） | PSA：空气每 N2（Nm3 空气 / Nm3 N2） | PSA：单位能耗（kWh/Nm³） | 膜分离系统：空气消耗量（Nm³ 空气 / Nm³ 氮气） | 膜分离系统：单位能耗（kWh/Nm³） | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|
| 95% | — | — | 1.4–1.7 | 0.30–0.45 | 膜分离系统的最佳适用范围（用于惰性气体保护/覆盖） |
| 98% | — | — | 1.6–2.0 | 0.35–0.50 | 通常是单级膜分离系统的胜者 |
| 99% | 2.2–2.8 | 0.45–0.60 | 2.0–3.2 | 0.60–0.85 | 比较两者；压缩机曲线决定选择 |
| 99.5% | 3.0–4.0 | 0.60–0.85 | 2.5–5.0* | 0.75–1.10* | 膜分离系统的数值假设采用了多级配置或流量权衡。 |
| 99.999% (5N) | 5.7–7.1 | 1.10–1.50 | — | — | 非低温工况下的上限是 PSA 系统。 |
这些范围假设预处理系统已得到合理设计，基准为 −40 °C 的压力露点（PDP），并使用典型的分子筛干燥器再生气量。在高温气候、进气温度较高或管道压力降较大时，系统的上限会有所提高。
4）成本结构：资金的实际流向
电力通常占运营成本（OPEX）的主要部分。资本支出（CAPEX）分配则有所不同，因为“核心分离”单元可以是使用碳分子筛（CMS）的塔体或膜束。下方的份额数字代表中型工业系统，帮助您在与采购部门沟通时阐明不同选择的权衡。
表 3 — 按子系统划分的示意性资本支出（CAPEX）分配
| 子系统 | PSA 占比 (%) | 膜分离占比 (%) | 成本驱动因素 |
|---|---|---|---|
| 空气压缩机与驱动装置 | 35–45 | 35–45 | 特定能耗、进气温度、变频驱动（VFD）策略 |
| 分离核心（塔体 + CMS 与膜面积） | 20–30 | 25–35 | CMS质量和血管尺寸与膜选择性/面积的关系 |
| 预处理（过滤器、干燥器、冷却器） | 8–15 | 8–15 | 油水去除保护核心部件 |
| 控制系统与分析仪器 | 8–12 | 8–12 | 纯度、露点、压力/流量联锁装置 |
| 控制系统与分析仪器 | 8–12 | 6–10 | ΔP 管理、噪音、可接近性 |
| 安装/调试 | 5–10 | 4–8 | 公用设施接入、FAT/SAT 范围 |
对于运营成本（OPEX），预计电力将占年度支出的70–85%，其中 PSA 系统的维护主要由阀门/碳分子筛（CMS）主导，而膜分离系统则侧重于过滤器/膜的维护。这些模式在管理评审中构建PSA 与膜制氮机的总成本叙述时非常有用。
5）以表格形式进行对比（不使用公式）
为了保持实际性，以下案例保持现场条件不变，并严格以数字形式呈现结果。您可以将此结构复制到工厂特定的表格中，并用供应商数据替换其中的数值。
所有案例使用的假设条件： 300 Nm³/h 氮气，连续运行 8,000 小时/年，电力费用 0.10 $/kWh，产品压力由相同压缩机级别匹配，−40 °C 压力露点（PDP）为基准。辅助能源和干燥器再生气量已反映在单位能耗范围内。
表 4 — 等流量下的病例比较（筛查质量）
| 案例 | 技术与纯度 | 空气消耗量（Nm³ 空气 / Nm³ 氮气） | 单位能耗（kWh / Nm³ 氮气） | 年电力消耗（kWh） | 年电力费用（$） | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A | PSA @ 99.0% | 2.2–2.8 | 0.45–0.60 | 1.08–1.44 M | 108k–144k | 稳定纯度；较大机组 |
| B | Membrane @ 98.0% | 1.6–2.0 | 0.35–0.50 | 0.84–1.20 M | 84k–120k | 体积小巧；启动速度极快 |
| C | Membrane @ 99.0% | 2.0–3.2 | 0.60–0.85 | 1.44–2.04 M | 144k–204k | 通常需要分级进料或更高的进料压力 |
区别很明显：在中等纯度下，膜技术可以节省能源和占地面积；在纯度达到 99% 及以上时，PSA 技术在每立方米千瓦时方面具有竞争力或更优，尤其是在 24/7 全天候稳定运行的情况下。
表 5 — 总拥有成本（TCO）组成部分（筛选质量；中型设备）
| 成分 | PSA（典型值） | 膜（典型） | 备注 |
|---|---|---|---|
| 电力在运营成本（OPEX）中的占比 | 70–85% | 70–85% | 压缩机主导两者的成本结构 |
| 年度维护费用 | 2–4% of CAPEX | 2–4% of CAPEX | 不同的备件：阀门/碳分子筛（CMS）与过滤器/膜 |
| 折旧期限 | 8–10 years | 8–10 years | 确保公平比较 |
| 在 98% 纯度下的预计总拥有成本（TCO） | Mid | Low | 膜分离的优势 |
| 在 99%–99.5% 纯度下的预计总拥有成本（TCO） | Mid–Low | Mid–High | PSA 的优势显现 |
| 在 5N 纯度下的预计总拥有成本（TCO） | 最低非低温工况系统 | — | 膜分离不适用 |
6) 您可以粘贴到规范中的用例映射
根据应用场景进行选择有助于将讨论重点集中在实际性能上，而非品牌叙述。下表将典型的工业场景与合理的纯度和露点目标联系起来，并标出了可能的领先者。（参考： OSHA 氧气缺失标准 和 ISO 8573-1 压缩空气纯度等级）
表 6 — 情景到技术的映射
| 场景 | 典型纯度目标 | 露点目标 | 露点目标 | 为什么 |
|---|---|---|---|---|
| 罐体惰性气体保护 / 覆盖 | 95–98% | −40 °C PDP | 膜分离 | 每立方米能耗最低；占地面积小 |
| 食品包装（气调包装，MAP） | 98–99% | −40 °C PDP | 膜分离或 PSA | 根据压缩机曲线和卫生设计进行选择 |
| 激光切割（碳钢） | 99–99.9% | −40 °C PDP | PSA 或多级膜分离 | 压力稳定性 + 纯度保持很重要 |
| 电子 / SMT 回流焊 | 99.9%–5N | −60 °C PDP | PSA | 高纯度 + 低湿度；分析仪驱动 |
| 手套箱 / 实验室（工业规模） | 98–99.5% | −40 °C PDP | 膜分离 | 快速动力；紧凑型滑移 |
| 化学氧化风险区域 | 99–99.9% | −40 °C PDP | PSA | 稳定的纯度和在长时间运行周期中的缓冲 |
这就是PSA与膜制氮机成为现场决策，而非抽象辩论的地方。如果您的工厂频繁启动并且只需要中等纯度，膜制氮机几乎无可匹敌。如果生产线全天候运行，且纯度要求在 99%–99.9% 或更高，PSA 通常更具经济性。
7）实际验收标准和测量计划
无论选择哪种方案，都要制定易于验证的验收标准。将纯度分析仪和露点变送器分别放置在发生器附近和使用点。在多种负载下测量压缩机功率，并记录极端环境条件下的每立方米千瓦时 (kWh/Nm³) 能耗。制定缓冲容量和停机吹扫规程，以防止反向扩散，尤其是在高纯度应用场景下。对于变压吸附 (PSA) 系统，增加阀门循环计数器和筛网健康检查；对于膜分离系统，定义滤芯更换周期和碳氢化合物穿透限值。这些细节有助于长期预测总成本，并在进行搜索引擎优化 (SEO) 内容审核时确保符合标准。
8. 转换参考（适用于美国观众）
表 7 — 快速单位参考
| 数量 | 参考 |
|---|---|
| 1 Nm³/h | ≈ 35.31 SCFH |
| 1 bar | ≈ 14.5 psi |
| −40 °C PDP | ≈ −40 °F PDP（此时近似奇偶性） |
9）结论
简而言之，PSA制氮机与膜制氮机的选择遵循一定的规律。膜制氮机在95%至98%的制氮率范围内占据主导地位，其结构紧凑，且每立方米千瓦时能耗极具吸引力。PSA制氮机在99%至99.9%以上的制氮率范围内更为稳妥，并且是5N制氮的唯一非低温选项。如有疑问，请将两种制氮机的参数与上表进行比对，并结合压缩机曲线和实际环境条件，比较总成本与实际运行时间。这样可以确保参数选择的客观性，并便于在运营、财务和环境健康安全（EHS）等相关人员的讨论中进行论证。
