窒素発生装置

窒素発生器およびステーションとは、固定式または移動式の空気から窒素を生成する複合施設です。

窒素発生器における吸着ガス分離プロセスは、吸着剤と呼ばれる固体物質によって様々なガス混合物成分が固定される現象に基づいています。この現象は、ガスと吸着剤分子の相互作用によってもたらされます。^[1]

窒素発生器における吸着プロセスを利用した空気から窒素を製造する技術は十分に研究されており、高純度窒素の回収のために産業施設で広く応用されている。^{[2] [3]}

吸着技術を利用した窒素発生器の動作原理は、さまざまなガス混合物の成分によって特徴付けられる吸着率が圧力と温度の要因に依存することに基づいています。さまざまなタイプの窒素吸着プラントの中で、圧力スイング吸着(PSA) プラントは世界中で最も広く使用されています。

システムの設計は、2 つの吸着剤と吸着剤を含む容器内の圧力を変化させることによってガス吸着と吸着剤の再生を制御することに基づいています。このプロセスでは、周囲温度に近い一定の温度が必要です。このプロセスでは、プラントによって大気圧以上の圧力で窒素が生成され、大気圧以下の圧力で吸着剤の再生が行われます。

2つの吸着器のスイング吸着プロセスは、それぞれ数分間実行される2つの段階で構成されています。吸着段階では、酸素、H ₂ O、CO ₂分子が吸着剤の細孔構造に拡散し、窒素分子は吸着器と吸着剤を含む容器を通過します。再生段階では、吸着された成分が吸着剤から大気中に放出されます。このプロセスは複数回繰り返されます。^[4]

• 高窒素純度: PSA 窒素生成プラントでは、膜システムでは提供できない、空気からの高純度窒素(最大 99.9995% の窒素) の生成が可能です。ただし、ほとんどの場合、98.8% を超える窒素は生成されず、残りは通常の PSA プロセスでは窒素から分離されないアルゴンになります。アルゴンは窒素よりも不活性であるため、通常は問題になりません。この窒素純度は極低温システムでも確保できますが、極低温システムはかなり複雑で、消費量が多い場合にのみ正当化されます。窒素生成器は CMS (炭素分子ふるい) 技術を使用して超高純度窒素を継続的に生成し、内部コンプレッサー付きまたはコンプレッサーなしで利用できます。

• 低い運用コスト: 時代遅れの空気分離プラントを置き換えることで、窒素生産の節約は50%を大幅に超えます。^[要出典]窒素発生器によって生成される窒素の純コストは、ボトル入りまたは液化窒素のコストよりも大幅に低くなります。^[5]

• 環境への影響：PSAによる窒素ガスの生成は、純粋でクリーンな乾燥窒素ガスを供給する持続可能で環境に優しく、エネルギー効率の高い方法です。極低温空気分離プラントに必要なエネルギーや、プラントから施設に液体窒素を輸送するために必要なエネルギーと比較すると、生成された窒素はエネルギー消費が少なく、温室効果ガスの発生もはるかに少なくなります。^[6]

膜システムの動作は、さまざまなガス混合物成分が膜物質を透過する際の速度差の原理に基づいています。ガス分離プロセスの原動力は、異なる膜面の部分圧の差です。 ^[7]

構造的には、中空糸膜は、特別に巻かれたポリマー繊維のスプールとして機能する円筒形のカートリッジです。ガス流は、膜繊維の束に圧力をかけられて供給されます。膜の外側と内側の表面の部分圧の差により、ガス流の分離が実現します。

• 経済的メリット：極低温システムや吸着システムへの置き換えにより、窒素生産の節約は一般的に50％を超えます。^[8]窒素複合体によって生産される窒素の純コストは、シリンダーまたは液化窒素のコストよりも大幅に低くなります。^[5]

• モジュール設計: システムのシンプルさに関して、窒素発生器はモジュールに分割できます。これは、分離プロセスの特定の段階に合わせて装置が設計される従来のシステムとは対照的です。モジュール システムを使用すると、既存の装置を選択して生成施設を構築でき、必要に応じて、最小限のコストでプラントの出力容量を増やすことができます。このオプションは、プロジェクトで企業容量のその後の増加が想定されている場合、または既存の装置を使用して窒素を現場で生産するだけでよい場合など、さらに便利です。

• 信頼性: ガス分離ユニットには可動部品がないため、優れた信頼性が保証されます。膜は振動や衝撃に非常に強く、油脂に対して化学的に不活性で、湿気の影響を受けにくく、–40°С ～ +60°С の広い温度範囲で動作できます。^{[引用が必要]}適切なメンテナンスを行えば、膜ユニットの耐用年数は 130,000 ～ 180,000 時間 (連続動作で 15 ～ 20 年) です。^{[引用が必要]}

• 容量制限あり
• PSA ユニットと比較して純度が比較的低い (99.9995% と比較して 95% ～ 99% の純度 - 10L/分以下の低流量では、より高い純度のアプリケーションが利用可能)

• 食品および飲料業界: 食品や飲料が生産された瞬間、あるいは果物や野菜が収穫された瞬間、製品が完全に腐敗するまで老化プロセスが始まります。これは酸素、バクテリア、その他の生物との化学反応によって引き起こされます。ジェネレーターを使用して製品に N2 を注入すると、_酸素が除去され、これらの生物が成長できなくなるため、製品の寿命が大幅に延びます。さらに、酸化による食品の化学的劣化をなくしたり、止めたりすることができます。

• 分析化学: 窒素発生器は、液体クロマトグラフィー-質量分析やガスクロマトグラフィーなど、窒素の安定した継続的な供給が必要なさまざまな分析化学に必要です。

• 航空機および自動車の タイヤ:空気の78% は窒素ですが、ほとんどの航空機のタイヤには純粋な窒素が充填されています。タイヤや自動車のショップには、タイヤを充填するための窒素発生器を備えたところが数多くあります。窒素を使用する利点は、タンクが乾燥していることです。圧縮空気タンクには、空気圧縮機から出た後にタンク内で凝縮した大気中の水蒸気から生じた水が残っていることがよくあります。窒素は乾燥しているため、加熱および冷却時に圧力がより安定しており、分子がO ₂ (152 pm) よりもわずかに大きい(155 pm) ため、タイヤに浸透しにくいです。

• 化学および石油化学産業: 化学および石油化学産業における窒素の主要かつ非常に重要な用途は、プロセス容器の洗浄および保護中に一般的な産業安全を確保することを目的とした不活性環境の提供です。さらに、窒素はパイプラインの圧力テスト、化学薬品の輸送、技術プロセスでの使用済み触媒の再生にも使用されます。

航空機のタイヤには窒素が充填されており、離陸が中止された場合にタイヤの破裂を遅らせ、ブレーキ システムの熱によってタイヤ内部に火災が発生する前に避難時間を確保します。タイヤ内の可溶性プラグは、熱による圧力の変動に対する主な保護手段です。タイヤ内部の火災は、車輪の局所的な高温部分が原因で、最初の停止時に発生することがあります。

• エレクトロニクス: エレクトロニクスでは、窒素は半導体や電気回路の製造、完成品の熱処理、ブローや洗浄において酸素を置換する役割を果たします。エレクトロニクスにおける最も一般的な用途は、はんだ付けプロセスです。具体的には、選択的はんだ付け、リフローはんだ付け、ウェーブはんだ付け装置です。

• 防火: 防火業界では、窒素ガスを消火と腐食防止の2つの異なる用途に使用しています。窒素発生器は、低酸素空気防火システムで使用され、火災を鎮火する低酸素含有量の空気を生成します。腐食を防ぐために、窒素発生器は、ドライパイプおよび事前作動スプリンクラーシステムに空気の代わりに監視用窒素ガスを供給するために、圧縮空気システムの代わりに、または圧縮空気システムと組み合わせて使用​​されます。^[9]

• ガラス産業: ガラス製造において、窒素は電気アーク炉の電極の冷却剤として、またプロセス処理中に酸素を置換する手段として効果的であることが証明されています。

• 冶金学: 金属業界では、一般的に窒素を、鉄および非鉄金属の焼鈍処理中に保護する手段として利用しています。また、窒素は、中性焼戻し、セメント接合、硬ろう付け、応力緩和、シアン化物硬化、金属粉末焼結、押し出しダイの冷却などの標準的な業界プロセスにも役立ちます。

• 塗料およびワニス業界: 塗料およびワニスの生産では、安全性を確保するためにプロセス容器内に不活性環境を作り出すために窒素を使用し、また、乾性油の重合を防ぐために梱包中に酸素を置換するために窒素を使用します。

• 石油産業: 石油産業では、窒素は多くのプロセスで不可欠な要素です。最も一般的には、窒素は爆発防止と火災安全のための不活性環境の作成、および炭化水素の輸送と移送をサポートするために使用されます。さらに、窒素はパイプラインのテストとパージ、技術容器の洗浄、液化ガス運搬船と炭化水素貯蔵施設の洗浄にも使用されます。

• 製薬業界: 製薬業界では、窒素は医薬品の包装に使用され、微細に分散した物質が使用される活動において爆発や火災の安全性を確保します。

• 化学酸素発生器
• 水素製造
• 工業用ガス