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Nov 07, 2023

すぐに分かる事実: 物理ガス

1 maggio 2022 | Di Scott Jenkins, rivista di ingegneria chimica

2022 年 5 月 1 日 | スコット・ジェンキンス著、ケミカル・エンジニアリング・マガジン

工業用ガスは、化学プロセス産業 (CPI) の幅広い用途にとって重要です。 これらのガスの多くは、膜分離、触媒および吸着プロセス、極低温蒸留などの技術を含む物理的なガス分離技術を使用して、空気からの窒素や天然ガスからの水素など、他のガスから分離する必要があります。 ここでは、いくつかの一般的な方法について説明します。

膜分離では、中空糸膜を使用して窒素と酸素を分離します (図 1)。 メンブレン技術は、純度要件が厳しくない場合によく使用されます。 膜システム内では、何千本もの中空糸がハウジング内に配置され、一端に圧縮空気が供給されます。 繊維壁はガスを透過しますが、繊維壁全体の拡散速度はガスの種類によって異なります。 空気の場合、酸素、二酸化炭素、アルゴン、その他の微量汚染物質は窒素よりも速い速度で壁を通過し、排出されます。 窒素は、通常 95% 以上の純度で膜システムから排出されます。 ユーザーはシステム内の流量を調整して、膜ベースのシステムによって達成される純度を変えることができます。 膜ベースのシステムの利点は、可動部品がないことですが、出口の純度は流量によって変化する可能性があります。

図 1. 膜分離法は、純度要件が特に厳しくない用途で使用されます

圧力スイング吸着 (PSA) および真空圧力スイング吸着 (VPSA) は、より高い純度が必要な状況で使用されます。 不純物をパーセンテージレベルで分離するのではなく、高い百万分率 (ppm) レベルでの不純物の分離が必要な場合は、PSA がオプションとなります (図 2)。 PSA システムは通常、極低温プロセスに入るガスの前精製や水素の精製に使用されます。 VPSA テクノロジーは、現場でのフロートガラス生産と医療グレードの酸素に使用されています。

図 2. 不純物の分離が百万分率の高いレベルに達する必要がある場合は、圧力スイング吸着がオプションとなります

PSA システムは、並行して動作する容器のペアで構成されます。または、複数の容器を直列にした構成で設計することもできます。 各容器には、炭素モレキュラーシーブ、ゼオライト、木炭などの吸着媒体が充填されています。 精製される供給ガスは、通常 100 psig を超える圧力で動作する 1 つまたは複数の容器を通過します。 フィードガス流内の不純物は、ファンデルワールス力（分子双極子間の短距離静電相互作用によって生成される弱い結合）によって媒体の表面に物理的に吸着されます（物理吸着）。 PSA システムは、異なる圧力と温度での異なる吸着挙動を利用して機能します。 吸着サイトは不純物分子によって占有されますが、目的のガスは媒体を通過します。 各不純物の容量は媒体の選択によって異なり、多くの場合、細孔サイズによって決まります。 不純物分子が PSA 容器を突き破ると、吸着した不純物を除去するために媒体を再生する必要があります。 PSA システム内では、容器が隔離され、ガスが急速に大気圧まで排出され、捕捉された不純物が放出されます。 その後、容器は再加圧され、さらに供給ガスを受け入れる準備が整います。 この再生は、数分から数時間のサイクル時間で完了する場合があります。 空気から窒素または酸素を分離する場合、サイクルは通常短いです。

低 PPM レベルのガス純度が必要な場合は、通常、極低温蒸留が使用されます。 極低温プロセスは、沸点に応じたガスの物理的分離に基づいています。 多くのガスは極低温で分離できますが、ここでは空気の分離について説明します。 圧縮空気は冷却され、蒸留塔に入る前にモレキュラーシーブベッドを通過して水分、炭化水素、二酸化炭素が除去されます。 カラムに入るガスは、流出するガスに対して極低温まで冷却されます。 プロセスを維持するために必要な冷却のバランスを維持するために、膨張タービンがよく使用されます。 空気は、カラムを流れ落ちる還流液に対抗して、一連のトレイを通ってカラムを上っていきます。 ガスの分離は沸騰温度の違いにより起こります。 純度 99.999% 以上の窒素は、蒸気として直接供給することも、極低温で供給するために液化することもできます。 窒素内の不純物には通常、一酸化炭素と水素が含まれており、これらは沸点が同等かそれより低くなります。

1. Warrick, B. および Spohn, D.、工業用ガス精製に関する考慮事項、Chem. Eng.、2019 年 8 月、42 ～ 46 ページ。

2. Keller, T. および Shahani, G.、PSA テクノロジー: Beyond Hydrogen Purification、Chem. Eng.、2016 年 1 月、50 ～ 53 ページ。