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空気分離プラントは、大気中の空気をその主成分、通常は窒素と酸素に分離し、場合によってはアルゴンやその他の希な不活性ガスにも分離します。
空気分離の最も一般的な方法は分留である。極低温空気分離装置（ASU）は窒素または酸素を供給するために構築され、しばしばアルゴンを同時生成する。膜、圧力スイング吸着（PSA）、真空圧力スイング吸着（VPSA）などの他の方法は、通常の空気から単一の成分を分離するために商業的に使用されている。半導体デバイスの製造に使用される高純度の酸素、窒素、およびアルゴンには、極低温蒸留が必要である。同様に、希ガスのネオン、クリプトン、 キセノンの唯一の実行可能な供給源は、少なくとも2つの蒸留塔を使用した空気の蒸留である。ヘリウムも高度な空気分離プロセスで回収される。[1]
極低温蒸留プロセス
純粋なガスは、まず空気を冷却して液化し、次に各成分をそれぞれの沸点に応じて選択的に蒸留することで空気から分離できます。このプロセスでは高純度のガスを生成できますが、エネルギーを大量に消費します。このプロセスは、20 世紀初頭にカール フォン リンデによって開発され、今日でも高純度ガスを生成するために使用されています。彼は 1895 年にこのプロセスを開発しましたが、7 年間は純粋に学術的な研究に留まり、その後初めて産業用途に使用されました (1902 年)。[3]
極低温分離プロセス[4] [5] [6]では、良好な効率を得るために熱交換器と分離カラムの非常に緊密な統合が必要であり、冷却のためのすべてのエネルギーはユニットの入口での空気の圧縮によって提供されます。
低い蒸留温度を達成するために、空気分離ユニットにはジュール・トムソン効果によって動作する冷凍サイクルが必要であり、冷たい装置は断熱された筐体（一般に「コールドボックス」と呼ばれる）内に保管する必要があります。ガスの冷却には、この冷凍サイクルを機能させるために大量のエネルギーが必要であり、空気圧縮機によって供給されます。現代のASUは、冷却に膨張タービンを使用しています。膨張機の出力は、効率を向上させるために空気圧縮機の駆動に役立ちます。このプロセスは、次の主要なステップで構成されています。[7]
- 圧縮前に空気から塵埃が事前に除去されます。
- 空気は圧縮され、最終的な吐出圧力は回収率と製品の流体状態 (ガスまたは液体) によって決まります。一般的な圧力は 5 ～ 10 バール ゲージです。空気流は、ASU の効率を高めるために、さまざまな圧力に圧縮されることもあります。圧縮中、水は中間段の冷却器で凝縮されます。
- プロセス空気は一般に分子ふるい床を通過し、残留水蒸気と二酸化炭素が除去される。二酸化炭素は凍結して極低温装置を詰まらせる可能性がある。分子ふるいは、空気中のガス状炭化水素を除去するように設計されることが多い。これは、ガス状炭化水素がその後の空気蒸留で問題となり、爆発につながる可能性があるためである。 [8]分子ふるい床は再生する必要がある。これは、交互モードで動作する複数のユニットを設置し、同時に生成される乾燥した廃ガスを使用して水を脱着させることによって行われる。
- プロセス空気は、統合された熱交換器（通常はプレートフィン熱交換器）を通過し、製品（および廃棄物）の極低温ストリームに対して冷却されます。空気の一部は液化して、酸素が豊富な液体を形成します。残りのガスは窒素が豊富で、高圧（HP）蒸留塔でほぼ純粋な窒素（通常 1ppm 未満）に蒸留されます。この塔の凝縮器には、酸素が豊富なストリームをバルブを介してさらに膨張させるか、膨張機（逆圧縮機）を介して膨張させることによって得られる冷却が必要です。
- あるいは、ASU が純酸素を生産しているときに、低圧 (LP) 蒸留塔 (1.2～1.3 bar abs で動作) 内のリボイラーと熱を交換することによってコンデンサーを冷却することもできます。圧縮コストを最小限に抑えるには、HP/LP 塔の複合コンデンサー/リボイラーは、わずか 1～2 K の温度差で動作する必要があるため、プレートフィンろう付けアルミニウム熱交換器が必要です。一般的な酸素純度は 97.5% ～ 99.5% の範囲で、酸素の最大回収率に影響します。液体製品の製造に必要な冷却は、圧縮空気を低圧塔に直接供給するエキスパンダーのジュール・トムソン効果を使用して得られます。したがって、空気の一定部分は分離されず、上部からの廃棄物として低圧塔から排出されます。
- アルゴンの沸点（標準状態で 87.3 K）は酸素の沸点（90.2 K）と窒素の沸点（77.4 K）の間にあるため、アルゴンは低圧塔の下部に蓄積されます。アルゴンが生成される際、アルゴン濃度が最も高い低圧塔から蒸気サイドドローが取り出されます。これは別の塔に送られ、アルゴンを所望の純度に精留した後、液体を LP 塔の同じ場所に戻します。圧力降下が非常に少ない最新の構造化パッキングを使用することで、不純物が 1 ppm 未満のアルゴンを実現できます。アルゴンは流入するガスの 1% 未満に存在しますが、アルゴン塔で必要な高い還流比（約 30）のために、空気アルゴン塔では大量のエネルギーが必要になります。アルゴン塔の冷却は、冷膨張した高濃度液体または液体窒素によって供給できます。
- 最後に、ガスの形で生成された製品は、入ってくる空気によって周囲温度まで温められます。これには、外乱（分子ふるい床の切り替えによる）に対する堅牢性を考慮した、慎重に設計された熱統合が必要です。[9]また、起動時に追加の外部冷却が必要になる場合もあります。
分離された製品は、パイプラインで製造工場近くの大規模な産業ユーザーに供給されることもあります。製品の長距離輸送は、大量の場合は液体製品を船で輸送し、少量の場合は デュワー瓶またはガスシリンダーで輸送します。
非極低温プロセス
圧力スイング吸着は、液化せずに空気から酸素または窒素を分離します。このプロセスは常温付近で動作します。ゼオライト(分子スポンジ) を高圧空気にさらし、空気を解放すると、目的のガスの吸着膜が放出されます。液化プラントに比べてコンプレッサーのサイズが大幅に縮小され、医療目的で酸素を豊富に含む空気を供給するために、この方法でポータブル酸素濃縮器が製造されています。真空スイング吸着は同様のプロセスであり、生成ガスは大気圧以下の圧力でゼオライトから発生します。
膜技術は、空気分離に代わる、より低エネルギーのアプローチを提供することができます。たとえば、酸素生成にはさまざまなアプローチが検討されています。たとえば、常温または温暖な温度で動作するポリマー膜は、酸素を多く含む空気 (酸素 25～50%) を生成できる可能性があります。セラミック膜は高純度酸素 (90% 以上) を供給できますが、動作にはより高温 (800～900 ℃) が必要です。これらのセラミック膜には、イオン輸送膜 (ITM) と酸素輸送膜 (OTM) があります。Air Products and Chemicals Inc と Praxair は、フラット ITM と管状 OTM システムを開発しています。[引用が必要]
膜ガス分離は、ジェット旅客機の燃料タンクに空気の代わりに酸素が少なく窒素が豊富なガスを供給するために使用され、これにより偶発的な火災や爆発の可能性が大幅に減少します。逆に、膜ガス分離は現在、与圧キャビンのない航空機で高高度を飛行するパイロットに酸素を豊富に含む空気を供給するために使用されています。
酸素と窒素の溶解度の違いを利用して酸素を多く含んだ空気を得ることができます。酸素は窒素よりも水に溶けやすいので、空気を水から脱気すると35%の酸素の流れが得られます。[10]
アプリケーション
ロケット工学
SpaceXなどの企業向けの液体酸素。[11]
医学
純酸素は患者に使用するために大規模な病院に配送されます。
鋼鉄
製鋼においては、酸素は酸素製鋼プロセスに必要である。現代の酸素製鋼では、鋼鉄1トンあたり約2トンの酸素が使用される。[12]
アンモニア
ハーバー法でアンモニアを製造する際に使用される窒素。[13]
石炭ガス
石炭ガス化プロジェクトには大量の酸素が必要であり、一部のプロジェクトでは1日3000トンを生産する極低温プラントが設置されている。[14]
不活性ガス
船舶の貯蔵タンクや石油製品タンクを窒素で不活性化したり、食用油製品を酸化から保護したりする。[要出典]
参照
参考文献
- ^ Chrz, Vaclav. 「ヘリウム回収」（PDF） . CERN . CERN . 2022年11月30日閲覧。
- ^ NASA 地球ファクトシート (2007 年 11 月更新)
- ^ 「Cool Inventions」（PDF） 。Institution of Chemical Engineers。2010年9月。 2014年1月13日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。2014年1月12日閲覧。
- ^ Latimer, RE (1967). 「空気の蒸留」.化学工学進歩. 63 (2): 35–59.
- ^ Agrawal, R. (1996). 「多成分分離のための蒸留塔構成の合成」. Industrial & Engineering Chemistry Research . 35 (4): 1059–1071. doi :10.1021/ie950323h.
- ^ Castle, WF (2002). 「空気分離と液化: 新世紀初頭の最近の開発と展望」. International Journal of Refrigeration . 25 : 158–172. doi :10.1016/S0140-7007(01)00003-2.
- ^ 「空気分離の仕組み」メッサー。 2022年11月9日閲覧。
- ^森林火災による粒子状物質が ガス液体プラントの空気分離装置で爆発を引き起こした。Fainshtein , VI (2007)を参照。「現代の状況下での防爆空気分離装置の提供」。化学および石油工学。43 (1–2): 96–101。doi :10.1007/s10556-007-0018-8。S2CID 110001679 。
- ^ Vinson, DR (2006). 「空気分離制御技術」.コンピューター＆化学工学. 30 (10–12): 1436–1446. doi :10.1016/j.compchemeng.2006.05.038.
- ^ Galli, F; Comazzi, A; Previtali, D; Manenti, F; Bozzano, G; Bianchi, CL; Pirola, C (2017). 「水からの脱着による酸素濃縮空気の生成: 実験データ、シミュレーション、経済的評価」. Computers & Chemical Engineering . 102 : 11–16. doi :10.1016/j.compchemeng.2016.07.031.
- ^ コープランド、マイク。「メッサーがマクレガーに5000万ドルのガスプラントを建設へ」。ウェーコ・トリビューン・ヘラルド。ウェーコ・トリビューン・ヘラルド。 2022年11月30日閲覧。
- ^ フランク、ウィリアム H.、アブラハム、マーティン A.、マシューズ、マイケル A. (2009)。工業化学と工学化学のイノベーション: 1 世紀の成果と新世紀への展望。アメリカ化学会。ISBN 9780841269637。
- ^ ウィンゲート、フィリッパ、ギフォード、クライヴ、トレイス、レベッカ (1992)。エッセンシャルサイエンス。アズボーン。ISBN 9780746010112
ハーバー法でアンモニアを製造する際に使用される液体窒素
。 - ^ クリストファー・ヒグマン;ファン・デル・ブルクト、マールテン（2008）。ガス化(第 2 版)。エルゼビア。 p. 324.
外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、空気分離に関連するメディアがあります。
- 空気分離プラントのシミュレーション