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Nov 08, 2023

圧力変動吸着技術

16 aprile 2019 | Tobias Keller, Linde Engineering.e Gautam

2019年4月16日 | リンデ・エンジニアリング社、トビアス・ケラー著。 と Goutam Shahani、Shure-Line Construction

圧力スイング吸着技術は H2 精製用途でよく知られていますが、この技術は石油精製施設の他のガス分離プロセスにも使用できます。

圧力スイング吸着 (PSA) は、幅広い産業用ガスの分離と精製のための十分に確立されたプロセスです。 PSA は一般に安全で信頼性が高く、コスト効率が優れています。 石油精製産業では、PSA システムは、水蒸気メタン改質 (SMR)、部分酸化 (POX)、またはガス化によって生成される合成ガスから水素を生成するために使用されます。

PSA 技術は H2 精製でよく知られていますが、他のガス分離タスクにも使用できます。 PSA システムは、製油所オフガスから H2 を回収し、CO2 を捕捉し、O2 および N2 ガスを生成するために使用できます。 この記事では、PSA システムの設計上の考慮事項とともに、PSA テクノロジーの動作方法を決定する科学的原理など、PSA テクノロジーの概要を説明します。 さらに、この記事では、H2 精製以外のいくつかの石油精製アプリケーションで PSA テクノロジーをどのように使用できるか、およびこのアプローチで実現できる潜在的な経済的利点についても要約しています。

特定のガス分離問題に対して最適な技術を選択するには、SMR、POX、ガス化などの利用可能な製造技術と、膜、極低温、吸収、吸着などの利用可能な分離技術を完全に理解する必要があります。 最適なソリューションを特定し、PSA テクノロジーがメリットとなるかどうかを判断するには、関連するプロセスの資本コストと運用コストに関する詳細な知識も必要です。

PSA 技術は、ガス分子と固体吸着材の物理的結合に基づいています。 吸着材には、活性炭、シリカゲル、カーボンモレキュラーシーブ、ゼオライトを組み合わせたものを使用できます。 ガス分子と吸着材の間の引力は、ガス成分、吸着材の種類、ガス成分の分圧、動作温度によって異なります。 H2 や He などの極性が低く揮発性の高い化合物は、CO2、CO、N2、炭化水素などの分子と比べて、基本的にはまったく吸着されません。 さまざまなガス分子と典型的な吸着材との相対引力を図 1 に示します。

図 1. 極性の低い揮発性の高い化合物は、PSA システムの吸着材には吸着されません

PSA プロセスは基本的に一定の温度で動作し、交互の圧力と分圧の効果を利用して吸着と脱着を実行します。 加熱や冷却が必要ないため、サイクルタイムは数分程度と短くなります。 さらに、吸着剤の再生に熱は必要ありません。 温度の変化は、吸着熱と脱着熱、および減圧によってのみ引き起こされます。 これにより、吸着材の寿命が非常に長くなります。

PSA プロセスは 2 つの圧力レベルの間で機能します。 不純物の吸着は、望ましくないガスの分圧を増加させるために高圧で実行され、その結果、吸着材料への不純物の負荷が増加します。 脱着または再生は、不純物の残留負荷を可能な限り減らすために低圧で行われます。

ほとんどの PSA システムは平衡を考慮したものに基づいています。 典型的な平衡等温線を図 2 に示します。吸着等温線は、所定の温度におけるガス分子の分圧と吸着材にかかる平衡負荷との関係を示します。

図 2. 吸着等温線は、所定の温度におけるガス分子の分圧と吸着材にかかる平衡負荷との関係を示します。

吸着は、平衡負荷に達するまで高圧 (通常は 10 ～ 40 bar) で実行されます。 この時点で、不純物が製品に侵入するのを避けるために、吸着材を再生する必要があります。 この再生は、圧力を大気圧よりわずかに上回るまで下げることによって行われ、それに応じて平衡荷重が減少します。 これにより、吸着材上の不純物が脱着され、吸着材が再生される。 1 サイクルでガス流から除去される不純物の量は、吸着と脱着の負荷の差に対応します。

H2 PSA システムの簡略化した概略図を図 3 に示します。実際の PSA 操作を図 4 に示します。吸着、脱着、均圧などの PSA 操作の主なプロセス ステップを以下に説明します。 吸着。 供給ガスは吸着容器を通って上方に供給されます。 水、重質炭化水素、軽質炭化水素、CO、N2などの不純物は、容器の底部から上部に向かって選択的に吸着されます。 高純度のH2が製品ラインに流れます。

図 3. 吸着、脱着、均圧など、一般的な PSA システムの主なプロセス ステップをここに示します。

図 4. ここに示すようなほとんどの PSA システムは、ガス混合物から水素を分離するために使用されます (写真提供: BASF SE)

吸着サイクルでは、吸着容器が交互のサイクルに配置され、供給ガス流の組成、温度、圧力の変動の影響を受けない柔軟性の高い精製ユニットが実現します。

PSA システムは、吸着サイクルの終了時に吸着器に貯蔵された H2 を最大限に活用することにより、高いパフォーマンスを実現します。 貯蔵された H2 は、均圧化、再加圧、および他の吸着体のパージに使用できます。

再生。 吸着ステップが完了すると、吸着容器は次の 4 つのステップによって再生されます。

圧力の均一化。 吸着ステップの終了時に吸着器に貯蔵された H2 の大部分を回収するために、ガスの再生を開始する前に数回の均圧化が実行されます。

再生ステップの終了後、圧力が上昇して吸着圧力レベルに戻り、プロセスが最初から再開されます。

一般的な PSA ユニットには、次の主要コンポーネントが含まれています。

PSA システムの範囲は、特定のニーズに合わせて変更できます。 たとえば、フィードガス コンプレッサーやテールガス コンプレッサーを統合ソリューションとして含めることができます。

PSA システムの重要な要件の 1 つはプロセス制御システムです。 主な推奨機能を以下に示します。

洗練されたソフトウェア プログラムはすべてのスイッチングを安全に制御でき、制御バルブは非常に効率的なプロセス サイクルを提供します。

図 5. ここに描かれているプラ​​ントのシーンは、H2 PSA システムの排ガスから CO2 を回収するシステムを示しています (写真: Linde Engineering)

次のセクションでは、石油精製所における PSA システムのいくつかの用途 (H2 分離など) と、それほど広く使用されていないその他のいくつかの用途を要約します。

水素の分離。 製油所における PSA の主な用途は、水蒸気改質、POX、ガス化からの合成ガスなどのガス流からの H2 の回収と精製、および製油所オフガスからの H2 の回収と精製です。 H2 製品は、最大 99.9999% の高純度で、最大 90% の高い回収率で得られます。

CO2の分離。 PSA システムおよび真空再生圧力スイング吸着システム (VPSA) は、CO2 の大量除去に使用できます。 PSA/VPSA プラントは、液化のための CO2 の回収と精製にも使用できます。 H2 PSA システムの排ガスから CO2 を回収するために使用される PSA システムの最近の例を図 5 に示します。H2 PSA は 10 ベッド システムで、CO2 PSA は 5 ベッド システムです。 示されているプラ​​ントは、48,000 Nm3/h (標準立方メートル/h) の H2 と 8,000 Nm3/h の CO2 の処理能力があります。

C2+分離。 通常、H2、C1、C2、およびより重質 (C2+) 炭化水素を含む製油所オフガス (ROG) ストリームが製油所で入手可能です。 これらの流れは燃料としてよく使用されます。 より多くの価値の C2+ を捕捉する方法として、これらのガス流を処理し、PSA または VPSA によって C2+ を回収することが可能であり、化学原料として使用できます。 この場合、C2+ 留分は低圧で回収されますが、H2 とメタンは高圧側に残ります。 いくつかのユニットが商業運転され、効果を上げています。

O2 と N2 の生成。 石油精製所では、低純度の O2 を使用して、流動接触分解 (FCC) および硫黄回収装置 (SRU) の操作で燃焼用空気を濃縮することができます。 最大 10,000 Nm3/h の容量および 90 ～ 94% の純度でのガス状酸素の生成は、VPSA プロセスによって最も効果的に達成できます。 この方法は、比エネルギー消費量が低く、簡単な起動および停止機能などの操作の簡素化を実現します。

窒素は製油所で不活性化とブランケット処理のために使用されます。 PSA システムは、最大 5,000 Nm3/h の容量および 98 ～ 99.9% (またはそれ以上) の純度で N2 を生成するために使用することもできます。

H2 PSA、CO2 PSA、O2 VPSA システムとは異なり、N2 PSA システムは炭素モレキュラーシーブへの O2 の吸着速度の違いに基づいています。

CO2 の除去と回収、または精製、および C2+ 回収の分野で、現在市場で最もよく知られている技術は吸収ユニットと極低温ユニットです。 しかし、最近の開発により、PSA 技術を使用した CO2 または C2+ の回収が技術的に実現可能になり、経済的に実行可能になりました。 それぞれのリファレンスプラントはすでに商業運転されており、そのコンセプトが産業規模で実証されています。

他の技術と比較した場合、これらのタスクに PSA を使用する利点は、エネルギー消費が低く、純度が高く、柔軟性が高く、投資とメンテナンスのコストが比較的低いことです。 最も適切な PSA テクノロジーを選択すると、コストが削減され、信頼性、柔軟性、環境パフォーマンスが向上するため、石油精製所の全体的な収益性が向上します。

PSA システムの主な要件と潜在的な利点は次のとおりです。

品質。 PSA ユニットの高いスイッチング サイクルには、高度な耐久性を特徴とする特別な装置が必要です。 これらの要求を完全に満たし、長年の経験で証明されている、認定されたコンポーネントのみを使用することが重要です。

信頼性。 適切な部品、特に高性能切り替えバルブの使用により、高い信頼性が得られます。

可用性。 H2 の高い利用可能性は、ほとんどの製油所アプリケーションにとって不可欠です。 吸着器の数を減らして動作する機能、吸着器グループの分離、冗長制御システムなどの特別な機能により、PSA ユニットは事実上 100% のオンストリーム性能と可用性を達成できます。

柔軟性。 供給ガス条件の変化や H2 需要の変化に対応する優れた柔軟性。

モジュール設計とプレハブ装置。 PSA システムは通常、最大限まで組み立てられています。 スイッチングバルブとコントロールバルブを含むバルブスキッド、計器類、相互接続配管は完全に事前に製造され、事前に組み立てられ、納品前にテストされます。 この設計理念により、現場での建設と試運転に必要な時間とコストが削減され、最小限に抑えられます。

メンテナンスが簡単。 メンテナンスは、現場のオペレーターが実行できる簡単かつ迅速な日常的な作業に限定されます。 バルブスキッド内のすべてのバルブと機器に適切にアクセスできるように注意が払われています。

PSA テクノロジーは、H2 を回収するだけではなく、それ以上の用途にも使用できます。 CO2 または C2+ ストリームの回収などの一部の用途では、PSA 技術には、より一般的に使用される極低温プロセスまたは洗浄プロセスと比較して、特定の明確な利点があります。

他の技術と比較した PSA の利点は、エネルギー消費が低いこと、純度が高いこと、柔軟性が高いこと、投資とメンテナンスのコストが比較的低いことです。 最も適切な PSA テクノロジーを選択すると、コストが削減され、信頼性、柔軟性、環境パフォーマンスが向上するため、製油所全体の収益性が向上します。 専門家は、プラントのパフォーマンスと投資コストの最適な比率の観点から、特定の精製タ​​スクに最適な PSA システムの選択を支援します。

スコット・ジェンキンス編集

Shahani, GH および Kandziora, C.、水素プラントからの CO2 排出: オプションの理解。 2014 年 3 月 23 ～ 25 日にフロリダ州オーランドで開催された 2014 AFPM 年次総会で行われた講演。

Adsorption Plants、Linde Engineering、Web ページ (www.linde-engineering.com)、2015 年 11 月にアクセス。

Tobias Keller は、Linde Engineering (Carl von Linde Strasse, 6-14, 82049, Pullach, Germany; 電話: +49 89 7445 0; 電子メール: [email protected]) の吸着および膜プラント担当副社長です。 彼はリンデ エンジニアリングの世界中での吸着および膜活動の責任者です。 ケラーは Dipl を取得しています。 イング。 ドイツのコットブス大学でプロセス工学の学位を取得しており、化学および石油精製業界で 15 年の経験があります。

Goutam Shahani は、Shure-Line Construction (281 West Commerce Street, Kenton, DE、電話: 302-653-4610、電子メール: [email protected]) の販売およびマーケティング担当副社長です。 以前は、Linde Engineering North America でビジネス開発マネージャーを務めていました。 30 年以上の業界経験を持つ Shahani は、エネルギー、石油精製、化学産業向けの産業ガスを専門としています。 彼は BSCh.E を取得しています。 およびMSCh.E. MBAだけでなく学位も取得しています。