酸素プラント

酸素プラントは、酸素を生成するために設計された工業システムです。通常、酸素プラントでは空気を原料として使用し、圧力スイング吸着法または膜分離法を使用して空気の他の成分から酸素を分離します。このようなプラントは、空気のすべての成分を分離して捕捉する極低温分離プラントとは異なります。

酸素は、さまざまな技術プロセスやほぼすべての産業分野で幅広く使用されています。酸素の主な用途は、燃焼プロセスを維持する能力と強力な酸化特性に関連しています。

そのため、酸素は金属加工、溶接、切断、ろう付けの工程で広く使用されるようになりました。化学・石油化学産業、石油・ガス部門では、酸素は化学反応の酸化剤として商業的に大量に使用されています。

• 金属ガス溶接、切断、ろう付け - 金属溶接、切断、ろう付けなどのガス炎作業における酸素の使用は、このガスの最も重要かつ一般的な用途の 1 つです。酸素を使用すると、溶接トーチで高温の炎を生成できるため、作業の高品質と高速化が保証されます。

• 金属産業 - 酸素は金属産業で多用されており、鉄および非鉄金属の生産時に燃焼温度を上昇させ、全体的なプロセス効率を大幅に向上させます。

• 化学および石油化学産業 - 化学および石油化学産業では、酸素は硝酸、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、塩化ビニル、その他の重要な化合物の回収のために原料化学物質の酸化に広く使用されています。

• 石油・ガス産業 - 石油・ガス産業では、酸素は粘度改善や石油・ガスの流動特性の向上の手段として利用されています。酸素は、石油分解プラントの生産能力の向上、高オクタン価成分処理の効率化、製油所の硫黄堆積物の削減にも使用されています。

• 魚の養殖 -魚の養殖で酸素を使用すると、生存率と繁殖率が向上し、孵化期間が短縮されます。魚の養殖とともに、エビ、カニ、ムール貝の養殖にも酸素が使用されています。

• ガラス製造 - ガラス炉では、燃焼温度の上昇と燃焼プロセスの改善のために酸素が効果的に使用されます。

• 廃棄物管理 - 焼却炉で酸素を使用すると、炎の温度が大幅に上昇し、最終的にはコスト効率と焼却炉の生産能力が向上します。

• 医療 - 医療用酸素療法は、酸素飽和度の低下や呼吸困難の緩和など、さまざまな理由で患者に実施されることがあります。

吸着システムによるガス分離は、ガス混合物の成分が固体吸着剤に吸着される速度の違いに基づいています。

吸着技術を使用して空気から気体酸素を生成する現在の手段は、その出力として高い割合の酸素を生成します。現代の酸素吸着プラントの動作メカニズムは、ガスの 温度と分圧が変化すると、吸着剤による特定のガス成分の吸収が変化するという変化に基づいています。

したがって、ガス吸着および吸着剤再生プロセスは、圧力と温度のパラメータを変化させることによって制御できます。

酸素プラントのフロープロセスは、吸収性の高いガス混合物の成分が吸着剤によって取り込まれ、吸収性の低い成分と非吸収性の成分がプラントを通過するように構成されています。現在、スイング技術を使用して吸着ベースの空気分離プロセスを構成するには、圧力 (PSA)、真空 (VSA)、および混合 (VPSA) の 3 つの方法があります。圧力スイング吸着フロープロセスでは、酸素は大気圧より高い圧力で回収され、再生は大気圧で達成されます。真空スイング吸着フロープロセスでは、酸素は大気圧で回収され、再生は負圧で達成されます。混合システム操作は、正圧から負圧までの圧力変化を組み合わせます。

吸着酸素プラントは、純度 93 ～ 95% の酸素を1 時間あたり 5 ～ 5,000 標準立方メートル生成します。屋内での使用を目的としたこれらのシステムは、大気から気体酸素を効率的に生成するように設定されています。

吸着ベースの酸素プラントの明白な利点は、生成物の酸素純度に厳格な要件がない場合に、生産される酸素のコストが低いことです。

構造的には、吸着酸素プラントは、複数の吸着器、圧縮機ユニット、前精製ユニット、バルブ システム、およびプラント制御システムで構成されています。

単純吸着器は、特別に選択された吸着剤（ガス混合物の吸着性の高い成分を優先的に吸着する粒状物質）の層で満たされたカラムです。

ガス酸素の純度が 90 ～ 95% レベルで、処理能力が最大 5,000 Nm ³ / 時間必要な場合は、吸着酸素プラントが最適です。この酸素純度は、極低温技術に基づくシステムを使用しても得られますが、極低温プラントは操作が煩雑で複雑です。

いくつかの企業は、膜技術を利用して大気中の空気から酸素を生成する高効率システムを製造しています。

膜システムを使用したガス媒体分離の基本は、さまざまなガス混合物成分が膜物質を透過する速度の差です。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。

GRASYS が使用する最新のガス分離膜は、平板ではなく、中空繊維で形成されています。膜は、ガス分離層が外面に適用された多孔質ポリマー繊維で構成されています。構造的には、中空繊維膜は、特別に巻かれたポリマー繊維のスプールを表す円筒形のカートリッジとして構成されています。

膜材料は窒素に比べて酸素に対して透過性が高いため、膜酸素複合体の設計には特別なアプローチが必要です。基本的に、膜ベースの酸素製造技術には、コンプレッサー式と真空式の 2 種類があります。

コンプレッサー技術の場合、空気は過剰圧力下で繊維空間に供給され、酸素はわずかに過剰圧力下で膜から排出され、必要に応じてブースターコンプレッサーによって必要な圧力レベルまで加圧されます。真空技術を使用すると、部分圧差を実現するために真空ポンプが使用されます。

屋内での使用向けに設計された膜酸素プラントは、最大30～45%の濃度まで酸素を効率的に空気に濃縮することができます。この複合施設は、5～5,000 nm3/時の酸素化空気を供給できると評価されています。^[1]

膜酸素プラントでは、中空糸膜で構成されたガス分離モジュールでガス分離が行われ、プラントの重要なハイテクユニットとなります。ガス分離ユニットの他に、ブースターコンプレッサーまたは真空ポンプ、プレピュリファイアユニット、プラント制御システムなどの重要な技術コンポーネントがあります。

空気濃縮の目的で膜システムを採用すると、30～45%の酸素濃度でプロセスのニーズを満たすのに十分な場合、複数の酸素節約が期待できます^[要出典]。顧客の製品酸素コストの節約に加えて、非常に低い運用コストに基づく付随的な経済効果があります。

膜技術の導入により、酸素プラントは優れた技術的特性を備えています。膜酸素プラントは、ガス分離モジュールに 可動部品がないため、信頼性が高くなります。

システムの操作は非常に簡単で、すべての動作パラメータの制御は自動的に実行されます^[要出典]。プラントの自動化度が高いため、操作中に人員による監視は必要ありません。

膜酸素プラントは、世界中のさまざまな産業でますます幅広く利用されています。製品の酸素純度に対する要件が中程度（最大 30 ～ 45%）であるため、膜システムは一般に、吸着システムや極低温システムよりも経済的です。さらに、膜プラントは操作がはるかに簡単で、信頼性も高くなります^[要出典]。

• 完全な自動化と操作のシンプルさ。
• 運用中に人員による監視は必要ありません。
• 障害安全性と信頼性の向上。
• 素早いスタートと停止。
• 適度な大きさと軽量。
• 低騒音レベル;
• 運用寿命の延長。
• 運用コストが低い
• 特別なワークショップの要件はありません。
• 既存の空気システムへの簡単な設置と統合。

• 相対的に低い酸素純度 - 吸着の場合は 93 ～ 95%、膜プラントの場合は 30 ～ 45%。
• 容量に限りがあります。
• 消費電力が高い。