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工業用ガスは、産業で使用するために製造される気体状物質 です。主な供給ガスは窒素、酸素、二酸化炭素、アルゴン、水素、ヘリウム、アセチレンですが、ガスボンベには他の多くのガスや混合物も供給されています。これらのガスを生産する産業は工業用ガス産業とも呼ばれ、ガスを生産および使用するための設備や技術の供給も含まれると考えられています。[ 1 ]それらの生産は、より広範な化学産業の一部です（工業用ガスはしばしば「特殊化学品」と見なされます）。
工業用ガスは、石油・ガス、石油化学、化学、電力、鉱業、製鉄、金属、環境保護、医療、医薬品、バイオテクノロジー、食品、水、肥料、原子力、電子機器、航空宇宙など、幅広い産業で使用されています。工業用ガスは他の産業企業に販売され、通常は企業顧客からの大規模な注文で構成され、プロセス施設やパイプラインの建設からシリンダーガスの供給まで、規模は多岐にわたります。
卸売業者を通じて、通常は卸売価格で仕入れを行う地元の代理店を通して、一部は卸売規模の取引を行っています。この事業は、ガスボンベおよび関連機器の販売またはレンタルを、業者や場合によっては一般消費者向けに行っています。取り扱い製品には、風船用ヘリウム、ビール樽用ガス、溶接ガスおよび溶接機器、LPG、医療用酸素などがあります。
小規模ガス供給の小売販売は、工業用ガス会社やその代理店だけにとどまりません。シリンダー、ボトル、カートリッジ、カプセル、キャニスターなどと呼ばれる、手持ち式の小型ガス容器は多種多様で、LPG、ブタン、プロパン、二酸化炭素、亜酸化窒素などを供給するために使用されています。例としては、ホイップクリーム用ガスボンベ、パワーレット、キャンピングガス、ソーダストリームなどが挙げられます。
人間が自然環境から最初に利用した気体は、ほぼ間違いなく空気だった。火に息を吹きかけたり扇いだりすると、火がより明るく燃えることが発見されたからだ。人間はまた、火から出る温かいガスを使って食品を燻製にしたり、沸騰したお湯から出る蒸気を使って食品を調理したりもした。
二酸化炭素は、特に飲料の発酵の副産物として古代から知られており、その最初の記録は紀元前7000年から6600年の中国の賈湖遺跡に遡る。[ 2 ]天然ガスは、紀元前500年頃に中国人が、地面から染み出るガスを竹製の粗末なパイプラインで輸送し、海水を沸騰させるのに利用できる可能性を発見した際に使用された。[ 3 ]二酸化硫黄は、空のワイン容器の中で硫黄製のろうそくを燃やすと、ワインが新鮮に保たれ、酢臭がするのを防ぐことが発見されたため、ローマ人がワイン製造に使用した。 [ 4 ] [ 5 ]
初期の理解は経験的証拠と錬金術の原始科学から成り立っていましたが、科学的方法[ 6 ] と化学の科学の出現により、これらのガスは明確に特定され、理解されるようになりました。
化学の歴史を紐解くと、18世紀から19世紀にかけての産業革命期に、著名な化学者たちが研究室で多くの気体を特定し、発見したり、比較的純粋な形で初めて合成したりしたことが分かる。様々なガスの発見時期は、二酸化炭素 (1754 年)、[ 7 ]水素 (1766 年)、[ 8 ] [ 9 ]窒素 (1772 年)、[ 8 ]亜酸化窒素 (1772 年)、[ 10 ]酸素 (1773 年)、[ 8 ] [ 11 ] [ 12 ]アンモニア (1774 年)、[ 13 ] 塩素 (1774 年)、[ 8 ]メタン (1776 年)、[ 14 ] 硫化水素 (1777 年)、[ 15 ]一酸化炭素 (1800 年)、[ 16 ]塩化水素 (1810 年)、[ 17 ]アセチレン (1836 年)、[ 18 ]ヘリウム (1868 年) [ 8 ] [ 19 ]フッ素 (1886 年)、[ 8 ]アルゴン (1894 年)、[ 8 ]クリプトン、ネオン、キセノン (1898) [ 8 ]およびラドン (1899)。[ 8 ]
二酸化炭素、水素、亜酸化窒素、酸素、アンモニア、塩素、二酸化硫黄、製造燃料ガスは19世紀にはすでに使用されており、主に食品、冷蔵、医療、燃料およびガス照明に使用されていました。[ 20 ]例えば、炭酸水は1772年から製造され、1783年から商業的に製造されていました。塩素は1785年に初めて繊維の漂白に使用され[ 21 ]、亜酸化窒素は1844年に初めて歯科麻酔に使用されました。 [ 10 ]この頃は、化学反応によってすぐに使用できるガスが生成されることが多かった。発生器の注目すべき例として、1844年に発明されたキップス装置[ 22 ]があり、単純なガス発生反応によって水素、硫化水素、塩素、アセチレン、二酸化炭素などのガスを生成することができました。アセチレンは1893年から商業的に製造され、1898年頃からはアセチレン発生器がガス調理やガス照明用のガス製造に使用されていましたが、照明には電気の方が実用的になり、1912年からLPGが商業的に生産されるようになると、調理用アセチレンの使用は減少しました。[ 20 ]
ガスが発見され、少量生産されるようになると、工業化の過程が、これらのガスをより大量に生産するための技術革新と発明を促しました。ガスの工業生産における注目すべき発展には、水素（1869年）と酸素（1888年から）を生成するための水の電気分解、 1884年に発明された酸素製造のためのブリン法、 1892年に塩素を製造するためのクロルアルカリ法、 1908年にアンモニアを製造するためのハーバー法などがあります。 [ 23 ]
冷凍用途の開発は、空調やガスの液化の進歩も可能にした。二酸化炭素は1823年に初めて液化された。エーテルを使用した最初の蒸気圧縮冷凍サイクルは1834年にジェイコブ・パーキンスによって発明され、アンモニアを使用した同様のサイクルは1873年に、二酸化硫黄を使用した別のサイクルは1876年に発明された。[ 20 ]液体酸素と液体窒素はどちらも1883年に初めて製造され、液体水素は1898年に、液体ヘリウムは1908年に初めて製造された。LPGは1910年に初めて製造された。LNGの特許は1914年に出願され、最初の商業生産は1917年に行われた。[ 24 ]
産業ガス産業の始まりを決定づける出来事は一つもないが、多くの人は最初の高圧ガスボンベが製造された1880年代をその始まりと考えるだろう。[ 20 ]当初、ボンベは主に炭酸飲料や飲料のディスペンサーに二酸化炭素として使われていた。1895年には、空気の液化を可能にするために冷凍圧縮サイクルがさらに開発され、[ 25 ]特にカール・フォン・リンデ[ 26 ]によって、より多くの酸素を生産できるようになった。また、1896年には、大量のアセチレンをアセトンに溶解して非爆発性にできることが発見され、アセチレンの安全な瓶詰めが可能になった。[ 27 ]
特に重要な用途の一つは、1900年代初頭から酸素やアセチレンを用いた溶接や金属切断が開発されたことである。他のガスの製造プロセスが開発されるにつれて、ガス発生装置を必要とせずにボンベで販売されるガスの種類も増えていった。
空気分離プラントは、分離プロセスで空気を精製し、酸素に加えて窒素とアルゴンを大量生産することを可能にします。これら3つのガスは、極低温液体としても生産されることがよくあります。必要な低い蒸留温度を達成するために、空気分離装置（ASU）はジュール・トムソン効果を利用した冷凍サイクルを使用します。空気分離は、主要な空気ガスに加えて、希少な希ガスであるネオン、クリプトン、キセノンを生産するための唯一の実用的な供給源でもあります。
極低温技術は、天然ガス、水素 、ヘリウム の液化も可能にします。天然ガス処理においては、窒素除去装置で天然ガスから窒素を除去するために極低温技術が使用されます。このプロセスは、天然ガス田に十分な量のヘリウムが含まれている場合、天然ガスからヘリウムを製造するためにも使用できます。大手産業ガス会社は、事業のあらゆる分野、特に極低温分野において、広範な特許ライブラリに投資していることがよくあります。
業界におけるもう一つの主要な生産技術は改質です。水蒸気改質は、天然ガスと水蒸気を水素と一酸化炭素を含む合成ガスに変換する化学プロセスであり、二酸化炭素は副産物として生成されます。部分酸化と自己熱改質は類似のプロセスですが、これらも空気分離装置（ASU）からの酸素を必要とします。合成ガスは、アンモニアやメタノールの化学合成の原料となることがよくあります。生成される二酸化炭素は酸性ガスであり、アミン処理によって除去されるのが一般的です。分離された二酸化炭素は、炭素回収貯留層に隔離したり、石油増進回収に利用したりすることができます。
空気分離および水素改質技術は、工業用ガス産業の基盤であり、多くの燃料ガス化（IGCCを含む）、コジェネレーション、およびフィッシャー・トロプシュガス液化スキームに必要な技術の一部でもあります。水素には多くの製造方法があり、水の電気分解によって製造された場合（電力は、圧倒的に主流である天然ガスの改質ではなく、原子力発電所またはその他の低炭素 フットプリント発電所で生産されると仮定）、ほぼカーボンニュートラルな代替燃料になる可能性があります。炭化水素の使用を置き換える例の1つはオークニー諸島です。[ 28 ]水素の使用の詳細については、 水素経済を参照してください。液体水素は、NASAによってスペースシャトルのロケット燃料として使用されています。
圧力スイング吸着法や真空スイング吸着法で使用される膜分離法や分子ふるい法などのよりシンプルなガス分離技術は、窒素発生装置や酸素プラントで低純度の空気ガスを製造するためにも使用されている。少量のガスを生成するその他の例としては、 化学酸素発生装置や酸素濃縮装置などがある。
空気分離や合成ガス改質によって生成される主要なガスに加え、この業界では他にも多くのガスが供給されています。これらのガスの中には、他の産業の副産物として得られるものもあれば、大手化学メーカーから購入して精製・再包装されるものもあります。ただし、独自の製造プロセスを持つガスもいくつか存在します。例えば、塩素中で水素を燃焼させて生成される塩化水素、硝酸アンモニウムを穏やかに加熱して熱分解することで生成される亜酸化窒素、フッ素、塩素、水素を生成するための電気分解、空気または酸素からオゾンを生成するためのコロナ放電などが挙げられます。
関連サービスや技術としては、病院のガスシステムでよく用いられる真空、精製圧縮空気、冷凍などが挙げられます。また、不活性ガス発生装置という珍しいシステムもあります。一部の産業ガス会社は、臭素、フッ化水素、酸化エチレンなどの液体といった関連化学物質も供給している場合があります。
常温常圧で気体となる物質のほとんどは、圧縮ガスとして供給されます。ガス圧縮機は、配管システムを通してガスを圧縮し、貯蔵圧力容器（ガス缶、ガスシリンダー、チューブトレーラーなど）に充填するために使用されます。ガスシリンダーは、圧倒的に最も一般的なガス貯蔵容器であり[ 29 ] 、 「シリンダー充填」施設で大量に生産されています。
しかし、すべての工業用ガスが気体状態で供給されるわけではありません。一部のガスは常温で圧力のみで液化できる蒸気であるため、適切な容器に液体として供給することもできます。この相変化により、これらのガスは常温冷媒としても有用であり、この特性を持つ最も重要な工業用ガスは、アンモニア(R717)、プロパン(R290)、ブタン(R600)、二酸化硫黄(R764) です。塩素もこの特性を持っていますが、毒性、腐食性、反応性が高すぎるため、冷媒として使用されたことはありません。周囲温度が十分に低い場合、この相変化を示す他のガスもあります。これには、エチレン(R1150)、二酸化炭素(R744)、エタン(R170)、亜酸化窒素(R744A)、六フッ化硫黄が含まれます。ただし、これらは臨界温度(C 2 H 4の場合は 9 °C)以下に保たれている場合にのみ、圧力下で液化できます。CO 2の場合は31 °C 、C 2 H 6の場合は 32 °C 、N 2 Oの場合は 36 °C、 SF 6の場合は45 °C です。[ 30 ]これらの物質はすべて、200 bar の圧力でガスボンベ内のガス (蒸気ではなく) として供給されます。これは、その圧力がそれらの臨界圧力よりも高いためです。[ 30 ]
永久ガス（臨界温度が周囲温度より低いガス）は、冷却されない限り液体として供給することはできません。すべてのガスは、液体となる温度付近で冷媒として使用できる可能性があります。例えば、窒素（R728）やメタン（R50）は極低温で冷媒として使用されています。[ 25 ]
例外的に、二酸化炭素はドライアイスと呼ばれる冷たい固体として生成され、常温で温まると昇華するが、二酸化炭素の性質上、5.1バールの三重点以下の圧力では液体にはなり得ない。 [ 30 ]
アセチレンの供給方法も異なります。非常に不安定で爆発性があるため、アセチレンはシリンダー内の充填材にアセトンに溶解したガスとして供給されます。アセチレンは、大気圧で昇華する唯一の一般的な工業用ガスでもあります。[ 30 ]
主要な工業用ガスは大量生産してパイプラインで顧客に供給できるが、包装して輸送することもできる。
ほとんどのガスはガスボンベで販売され、一部は適切な容器（デュワー瓶など）に液体として、またはトラックで配送される液体として販売されます。ガス業界は当初、現地でのガス生成の必要性をなくすためにガスをボンベで供給していましたが、製鉄所や石油精製所などの大口顧客の場合、多数のボンベを連結して使用するのを避けるため、近くに大規模なガス生産プラント（一般的に「オンサイト」施設と呼ばれる）を建設することがあります。あるいは、産業ガス会社はガス自体ではなく、ガスを生産するためのプラントと設備を提供することもあります。産業ガス会社は、通常、自社でガスの生産や取り扱いを行う施設を運営した経験があるため、顧客向けにガス施設の運転・保守契約に基づき、プラントオペレーターとして活動することを提案することもあります。
ガスとして使用すると危険な物質もあります。例えば、フッ素は反応性が非常に高いため、フッ素を必要とする工業化学では、代わりにフッ化水素（またはフッ化水素酸）が用いられることがよくあります。ガスの反応性を克服するもう一つの方法は、必要に応じてガスを生成することです。これは、例えばオゾンを用いて行われます。
したがって、供給オプションとしては、現地でのガス生成、パイプライン、バルク輸送（トラック、鉄道、船舶）、ガスボンベやその他の容器に充填されたパッケージガスなどがあります。 [ 1 ]
大量の液化ガスは、多くの場合、最終使用者の貯蔵タンクに移送されます。ガスボンベ（および液化ガスを収容する容器）は、最終使用者が自社の小規模な配送システムで使用することがよくあります。有毒ガスや可燃性ガスのボンベは、外部からの火災や漏洩から保護するために、最終使用者によってガスキャビネットに保管されることがよくあります。
使用者と緊急対応者の安全性を高めるための標準化の試みにもかかわらず、工業用ガスボンベには統一されたコードが存在しないため、複数のカラーコード規格が使用されている。世界のほとんどの先進国、特に欧州連合加盟国と英国ではEN 1089-3が使用されているが、液化石油ガスボンベは例外である。
アメリカ合衆国では、ガスボンベの色分けに関する公式な規制は存在せず、施行もされていません。[ 31 ]
工業用ガスとは、産業用途向けに特別に製造され、常温常圧で気体状態にある物質群のことです。これらは元素ガス、あるいは有機化合物または無機化合物であり、一般的に低分子量の分子です。また、複数のガスの混合物である場合もあります。工業用ガスは、原料、プロセス改善、有用な最終製品、あるいは特定の用途など、化学物質としての価値を持ちます。「単純な」燃料としての価値とは異なります。
「工業用ガス」 [ 32 ]という用語は、販売されている主要なガス、すなわち窒素、酸素、二酸化炭素、アルゴン、水素、アセチレン、ヘリウムのみを指す狭義の定義となる場合がある。[ 33 ] この主要なリスト以外のガスには、さまざまな工業用ガス会社によって多くの名称が付けられているが、一般的にガスは「特殊ガス」、「医療用ガス」、「燃料ガス」、「冷媒ガス」のカテゴリーに分類される。しかし、ガスは用途や使用される産業によっても知られることがあり、例えば「溶接ガス」や「呼吸ガス」などである。また、その供給源によって「空気ガス」と呼ばれることもあれば、供給形態によって「包装ガス」と呼ばれることもある。主要なガスは「バルクガス」または「トンナージュガス」と呼ばれることもある。
原則として、「工業ガス産業」が販売するガスまたはガス混合物は、何らかの工業用途があり、「工業ガス」と呼ばれる可能性があります。実際には、「工業ガス」とは、純粋な化合物、または正確な化学組成を持つ混合物であり、少量ずつ包装されているものの、高純度であったり、特定の用途に合わせて調整されていたりします（例：オキシアセチレン）。主要なガスの一覧は、下記の「ガス」に記載されています。
ガスが「工業用ガス」と通常呼ばれない場合もある。主に、ガスが化学物質や製剤として使用するために製造されるのではなく、そのエネルギーを後で使用するために処理される場合である。
石油・ガス産業は、他の産業とは区別されるものと見なされています。確かに天然ガスは「産業」で使用される「ガス」であり、燃料として、時には原料として使用され、この一般的な意味では「工業用ガス」と言えます。しかし、この用語は、石油産業が天然資源から直接、あるいは石油精製所で生産する炭化水素に対して、一般的に産業企業によって使用されるものではありません。LPGやLNGなどの物質は複雑な混合物であり、正確な化学組成が不明瞭な場合が多く、貯蔵中に組成が変化することもよくあります。
石油化学産業もまた、他の産業とは区別される。そのため、エチレンなどの石油化学製品（石油由来の化学物質）は、一般的に「工業用ガス」とは呼ばれない。
化学工業は工業用ガスとは区別される場合もあるため、アンモニアや塩素などの物質は、（特に液体として供給される場合）「工業用ガス」の代わりに、あるいは場合によっては「工業用ガス」と併せて「化学物質」とみなされることがある。
手持ち容器による小規模なガス供給は、その使用が産業用ではなく個人用とみなされるため、産業用ガスとはみなされない場合がある。また、供給業者が必ずしもガスの専門家であるとは限らない。
これらの区分は、これらの産業の認識上の境界に基づいており（実際には多少の重複があるものの）、正確な科学的定義は困難である。産業間の「重複」を例示するために、以下を述べる。
都市ガスなどの製造燃料ガスは、歴史的には工業用ガスとみなされてきた。合成ガスは石油化学製品とみなされることが多いが、その製造は工業用ガスの中核技術である。同様に、埋立地ガスやバイオガスの利用、廃棄物発電、水素製造といったプロジェクトも、いずれも重複する技術を示している。
ヘリウムは、天然ガスの処理から得られるものの、工業用ガスである。
ガスボンベに充填されたガスは、燃料として使用される場合を除き、工業用ガスとみなされる可能性が高い。
プロパンは、冷媒として使用される場合は工業用ガスとみなされるが、LNG生産における冷媒として使用される場合は、たとえ両者の技術が重複しているとしても、工業用ガスとはみなされない。
既知の化学元素で、天然資源から得られる（核変換なし）気体元素は、水素、窒素、酸素、フッ素、塩素、および希ガスであり、化学者はこれらをまとめて「元素ガス」と呼ぶ。[ 34 ]これらの元素はすべて、天然に存在する微量の放射性同位体である希ガスのラドンを除いて、原始的な元素である。すべての同位体は放射性崩壊による放射性核種である。これらの元素はすべて非金属である。
（合成元素は工業用ガス産業とは無関係ですが、科学的な完全性を期すために、金属元素112（コペルニシウム）と114（フレロビウム）は気体であると示唆されていますが、科学的に証明されていません。[ 35 ]）
標準温度圧力（STP）において安定な2原子同核分子である元素は、水素（H₂ ）、窒素（N₂ ） 、酸素（O₂ ）に加え、ハロゲン元素であるフッ素（F₂ ）と塩素（Cl₂ ）である。希ガスはすべて単原子分子である。
工業用ガス業界では、「元素ガス」（あるいは、より不正確な表現ではあるが「分子ガス」）という用語は、これらのガスを化学化合物でもある分子と区別するために使用されます。
ラドンは化学的には安定していますが、放射性物質であり、安定同位体を持っていません。最も安定な同位体である222Rnの半減期は3.8日です。ラドンの用途は化学的性質ではなく放射能によるものであり、工業ガス業界の基準とは異なる専門的な取り扱いが必要です。ただし、ウラン鉱石の処理の副産物として生成されることがあります。ラドンは、空気分離装置（ASU）で処理される空気中に存在する微量の天然放射性物質（NORM）です。
塩素は、標準状態（STP）では臨界温度を下回るため、厳密には蒸気である唯一の元素ガスです。一方、 臭素と水銀は標準状態では液体であるため、それらの蒸気は標準状態では液体と平衡状態にあります。
このリストは、工業用ガス会社が販売するその他の最も一般的なガスを示しています。[ 1 ]
このリストは最も重要な液化ガスを示しています: [ 1 ]
工業用ガスの用途は多岐にわたる。
以下は、その利用分野の一例です。
ウィキメディア・コモンズにある工業用ガス関連のメディア