圧力スイング吸着

圧力スイング吸着（PSA）は、圧力をかけた状態でガス混合物（通常は空気）からガス種を分子特性と吸着剤に対する親和性に応じて分離する技術です。この技術は室温近くで動作し、ガスの分離に一般的に使用される極低温蒸留とは大きく異なります。選択的吸着剤（ゼオライト（別名モレキュラーシーブ）、活性炭など）が捕捉材として使用され、高圧で対象ガス種を優先的に吸着します。次に、このプロセスでは低圧にスイングして吸着ガスを脱着します。

圧力スイング吸着 (PSA) プロセスは、高圧下ではガスが固体表面に捕捉される、つまり「吸着」される傾向があるという現象に基づいています。圧力が高いほど、より多くのガスが吸着されます。圧力が低下すると、ガスは解放、つまり脱着されます。PSA は、さまざまなガスが特定の固体表面に多かれ少なかれ強く吸着されるため、混合物中のガスを分離するために使用できます。たとえば、空気などのガス混合物を、酸素よりも窒素を強く引き付けるゼオライトの吸着床を含む容器に加圧下で通すと、窒素の一部が床に留まり、容器から出るガスは、容器に入る混合物よりも酸素に富みます。床が窒素を吸着する能力の限界に達すると、圧力を下げて吸着された窒素を放出することで再生できます。その後、酸素濃縮空気を生成する次のサイクルの準備が整います。

2 つの吸着容器を使用すると、対象ガスをほぼ連続的に生成できます。また、減圧された容器から出たガスを使用して 2 番目の容器を部分的に加圧する圧力均等化も可能になります。これにより、大幅なエネルギー節約が実現し、一般的な産業慣行となっています。

異なるガスを区別する能力とは別に、PSA システム用の吸着剤は、通常、比表面積が大きいという理由で非常に多孔質の材料が選ばれます。一般的な吸着剤は、ゼオライト、活性炭、シリカゲル、アルミナ、または合成樹脂です。これらの表面に吸着されたガスは、わずか 1 分子または最大でも数分子の厚さの層で構成されますが、1 グラムあたり数百平方メートルの表面積により、吸着剤の重量の大部分のガスを吸着できます。さまざまなガスに対する親和性に加えて、ゼオライトと一部のタイプの活性炭は、分子のサイズと形状に基づいて一部のガス分子を構造から排除する分子ふるい特性を利用して、より大きな分子の吸着能力を制限する場合があります。

PSA は、医療用酸素の供給や、あらゆる病院の主な酸素源であるバルク極低温貯蔵または圧縮シリンダー貯蔵の代替として使用されるほかにも、数多くの用途があります。PSA の主な用途の 1 つは、石油精製所やアンモニア (NH 3 ) の生産で使用する_ための大規模な商業用水素(H ₂ )合成の最終段階で二酸化炭素(CO _{2 ) を除去することです。精製所では、水素化処理ユニットと水素}化分解ユニットの水素供給およびリサイクル ストリームから硫化水素(H ₂ S)を除去するために PSA 技術がよく使用されます。PSA のもう 1 つの用途は、メタン(CH ₄ ) 比率を高めるためにバイオガスから二酸化炭素を分離することです。

PSAを通じて、バイオガスは天然ガスと同等の品質にアップグレードできます。これには、埋立地ガスをユーティリティグレードの高純度メタンガスにアップグレードして天然ガスとして販売する埋立地ガス利用プロセスが含まれます。 ^[1]

PSAは次の用途にも使用されます:

• 酸素含有量の少ない空気を生成する低酸素空気防火システム。
• プロパン脱水素化によるプロピレンプラント。これらは、水素よりもメタンとエタンを優先的に吸着する選択媒体で構成されています。^[2]
• PSA プロセスに基づく工業用窒素生成ユニットは、圧縮空気から高純度窒素ガス (最大 99.9995%) を生成できます。ただし、このような生成器は、中間範囲の純度と流量を供給するのに適しています。このようなユニットの容量は、 Nm ^{3 /h} (通常立方メートル/時) で示され、1 Nm ³ /h は、温度、圧力、湿度のいくつかの標準条件下で 1000 リットル/時と同等です。
  • 窒素の場合：純度99.9%で100 Nm ^{3 /hから純度97%で9000 Nm 3} /hまで。
  • 酸素の場合：純度88%～93%で最大1500 Nm ^{3 /h。[3 ]}

炭素回収・貯留（CCS）の枠組みでは、石炭火力発電所からの温室効果ガス排出を削減するために、地中隔離の前に石炭火力発電所から大量の_CO2を回収する研究も現在進行中である。^{[4] [5]}

PSAは、宇宙服の 一次生命維持システムで使用されている非再生可能な吸着剤技術の将来の代替手段としても議論されており、重量を軽減し、宇宙服の動作時間を延ばすことを目的としています。^[6]

これは、肺気腫やCOVID-19患者、呼吸に酸素濃縮空気を必要とするその他の人々が使用する医療用酸素濃縮器で使用されているプロセスです。 ^[要出典]

(DS-PSA、デュアル ステップ PSA とも呼ばれる)
実験室の窒素発生器用に開発されたこの PSA のバリエーションでは、窒素ガスが 2 段階で生成されます。最初の段階では、圧縮空気が炭素分子ふるいを通過させられ、純度約 98% の窒素が生成されます。2 番目の段階では、この窒素が 2 番目の炭素分子ふるいに通過させられ、窒素ガスの最終純度は最大 99.999% に達します。2 番目の段階でのパージ ガスはリサイクルされ、最初の段階で供給ガスとして部分的に使用されます。

さらに、パージ プロセスはアクティブ排気によってサポートされ、次のサイクルでのパフォーマンスが向上します。これら 2 つの変更の目的は、従来の PSA プロセスよりも効率を向上させることです。

DS-PSA は酸素濃度を高めるためにも適用できます。この場合、第一段階ではアルミニウムシリカベースのゼオライトが窒素を吸着し、出口の酸素濃度を 95% にまで高め、第二段階では炭素ベースの分子ふるいが逆サイクルで残留窒素を吸着し、酸素を最大 99% まで濃縮します。

急速圧力スイング吸着（RPSA）は、携帯型酸素濃縮器でよく使用されます。高純度が必須ではなく、供給ガス（空気）を廃棄できる場合は、吸着剤ベッドのサイズを大幅に縮小できます。^[7]この方法は、圧力を素早く循環させながら、カラムの反対側の端を交互に同じ速度で排気することで機能します。つまり、吸着されていないガスはカラムに沿ってはるかに速く進み、遠位端で排気されますが、吸着されたガスは進む機会がなく、近位端で排気されます。^[8]

真空スイング吸着 (VSA) は、ほぼ常圧でガス混合物から特定のガスを分離します。その後、プロセスは真空にスイングして吸着材を再生します。VSA は、ほぼ常温および常圧で動作する点で、他の PSA 技術とは異なります。VSA は通常、真空を使用してガスを分離プロセスに引き込みます。酸素および窒素 VSA システムの場合、真空は通常、ブロワーによって生成されます。ハイブリッド真空圧力スイング吸着 (VPSA) システムも存在します。VPSA システムは、分離プロセスに加圧ガスを適用し、パージ ガスにも真空を適用します。ポータブル酸素濃縮器の 1 つと同様に、VPSA システムは、回収率 (製品ガス出力/製品ガス入力) や生産性 (製品ガス出力/ふるい材の質量) などの慣習的な業界指標で測定すると、最も効率的なシステムの 1 つです。一般に、回収率が高いほど、コンプレッサー、ブロワー、またはその他の圧縮ガスまたは真空源が小さくなり、消費電力が低くなります。生産性が高いほど、ふるい床が小さくなります。消費者は、システムの重量とサイズで割った生成ガスの量、システムの初期コストとメンテナンス コスト、システムの電力消費量やその他の運用コスト、信頼性など、システム全体でより直接的に測定可能な違いがある指標を考慮する可能性が高くなります。

• 吸着 – 表面接着現象
• 圧縮空気乾燥機 – 圧縮空気の湿度を下げるフィルターシステム
• ガス分離 – 複数の製品を提供したり、製品を精製したりする技術
• 水素ピンチ – 石油化学プロセス最適化手法
• 水素精製装置 – 水素を精製する技術リダイレクト先の簡単な説明を表示するページ
• 低酸素装置– 酸素含有量を減らした呼吸用空気を供給する装置
• 産業ガス – 産業で使用するために生産されるガス状物質
• 酸素濃縮器 – 空気中の窒素を除去する装置
• パーベーパレーション - 非多孔性または多孔性の膜を通して部分的に蒸発させることにより液体の混合物を分離する処理方法フォールバックとしてウィキデータの説明を表示するページ

• Hutson, Nick D.、Rege, Salil U.、Yang, Ralph T. (2001) 「優れた吸収剤を使用した圧力スイング吸収による空気分離」、国立エネルギー技術研究所、エネルギー省、2001 年 3 月。
• ルースベン、ダグラス M. (2004) 吸収の原理と吸収プロセス、Wiley-InterScience、ホーボーケン、ニュージャージー、p. 1
• Yang, Ralph T. (1997)「吸収プロセスによるガス分離」、化学工学シリーズ、第 1 巻、World Scientific Publishing Co.、シンガポール。
• ルースベン、ダグラス M.; シャムズズマン ファルーク、ケント S. クネーベル (1993)。圧力スイング吸着。Wiley- VCH。ISBN 9780471188186。
• サントス、ジョアン C.マガリャンイス、フェルナン D.およびメンデス、アデリオ、「酸素生成のための圧力スイング吸収とゼオライト」、ポルト大学、ポルトガル、ポルトの分離プロセス