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圧力スイング吸着(PSA)技術による窒素の生成

Industrial Gases Compressed Air Wiki Nitrogen

使用する窒素をつくり出せるということは、N2の供給を完全にコントロールできることを意味します。これは、日常的に窒素を必要としている多くの企業にとって大きなメリットです。あなたの会社にとってどのような意味があるでしょうか。窒素を社内で生成すれば、第三者からの供給に依存する必要がないため、処理、再充填、配送のコストがかかりません。窒素の生成方法の1つが圧力スイング吸着です。

圧力スイング吸着の仕組み

使用する窒素を生産するときは、必要な純度を把握することが重要です。用途の中には、タイヤの膨張といった必要な純度が低いもの(90~99%)と食品飲料業界の用途やプラスチック成型などのように必要な純度が高いもの(97~99.999%)があります。これらの事例では、PSA技術が理想的で、運用も最も簡単です。

基本的に、窒素生成システムは圧縮空気内の酸素分子から窒素分子を分離する仕組みです。圧力スイング吸着は、吸着を用いて圧縮空気の流れから酸素を捕捉することによりこの分離を行います。吸着は、分子が自身を吸着剤に結合させる、この場合は酸素分子が炭素モレキュラーシーブ(CMS)に付着することを言います。これが、CMSで満たされた、分離プロセスと再生プロセスが切り替わる2つの圧力容器内で起こります。とりあえず、これらの容器をタワーAおよびタワーBと呼ぶことにします。

スタータの場合は、清浄で乾燥した圧縮空気がタワーAに入り、酸素分子は窒素分子より小さいので炭素シーブの孔の中に入り込みます。これに対し、窒素分子は孔に入らないので、炭素モレキュラーシーブを迂回します。その結果、必要な純度の窒素が得られます。この段階を吸着または分離と呼びます。

これで終わりではありません。タワーAでつくられた窒素のほとんどはシステムから排出され(直接使用するか貯蔵が可能)、そのうち少量がタワーBへ逆方向に(上から下に)流れ込みます。この流れが、前のタワーBの吸着段階で捕捉された酸素を押し出すために必要となります。タワーB内で圧力を解放することにより、炭素モレキュラーシーブは酸素分子を保持できなくなります。酸素分子がシーブから離れ、タワーAからの窒素の少量のフローにより排気されます。これにより、新しい酸素分子が次の吸着段階でシーブに付着する余地ができます。酸素で飽和したタワーを「クリーニング」するプロセスを再生と呼びます。

窒素の生成プロセスを示す図。まず、タンクAは吸着段階、タンクBは再生です。2番目の段階では、両方の容器の圧力が等しくなり、その後タンクAが再生を開始し、タンクBは窒素を生成します。

まず、タンクAは吸着段階にあり、タンクBは再生です。2番目の段階では、両方の容器の圧力が等しくなり、切り替えの準備が整います。切り替えが行われると、タンクAは再生を開始し、タンクBは窒素を生成します。

この時点では、両方のタワー内の圧力は等しくなり、その段階が吸着から再生へ、そしてその逆に変わります。タワーA内のCMSは飽和し、タワーBは、減圧の結果、吸着段階を再開できるようになります。この段階は「圧力のスイング」とも呼ばれ、特定の気体が高いほうの圧力では捕捉され、低いほうの圧力では解放されることを意味します。2つのタワーPSAシステムを使用することにより、必要な純度の窒素を連続して生産できます。

吸入空気の窒素の純度と要件

使用する窒素を目的に合わせて生成するには、各用途で必要な純度を把握することが重要です。ただし、吸入空気に関する一般的な要件がいくつかあります。圧縮空気は、窒素生成システムに入る前に、すでに清浄で乾燥した状態でなければなりません。なぜなら、これが窒素の質にプラスに働き、湿気によりCMSが損傷することも防止できるからです。さらに、入口の温度と圧力を10℃~25℃に制御するとともに、圧力を4 bar~13 barに保つ必要があります。この空気を適切に処理するには、コンプレッサと生成システムの間にドライヤが必要です。吸入空気をオイル潤滑式コンプレッサにより発生させる場合は、オイル結合型フィルタと炭素フィルタを取り付けて、圧縮空気が窒素生成システムに達する前に不純物を除去する必要もあります。ほとんどの生成システムには圧力、温度および圧力下露点センサがフェールセーフ機能として組み込まれており、汚染した空気がPSAシステムに入り、その部品が損傷するのを防いでいます。


一般的な設備:エアコンプレッサ、ドライヤ、フィルタ、エアレシーバ、窒素生成システム、窒素レシーバ。窒素は、生成システムから直接使用することも、追加バッファタンク(図には示していません)を通して使用することも可能です。

PSA窒素生成システムにおけるもう一つの重要な部分が、空気係数です。これは、特定の窒素フローを得るために必要な圧縮空気を定義するもので、窒素生成システムにおける重要なパラメータの1つです。空気係数は生成システムの効率を表し、空気係数が低いほど効率が高く、当然のことながら全体の運転コストが低くなります。

PSA生成システムまたはメンブレン生成システムのうちから選ぶ

 

PSA

メンブレン

達成可能な純度

最大効率99.999%

最大効率99.9%

効率

より高い

性能と温度の関係

高温ではより低い

高温ではより高い

システムの複雑さ

サービス集約度

非常に低い

圧力安定性

変動する入口/出口

安定

フローの安定性

変動する入口/出口

安定

起動速度

分/時間

水(蒸気)に対する感応度

PDP最高8℃

液体の水なし

オイルに対する感応度

許容されず(< 0,01mg/m³)

許容されず(< 0,01mg/m³)

騒音レベル

高(ブローオフピーク)

非常に低い

重量

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