窒素製造のためのPSA（圧力スイング吸着）入門

1. PSA（圧力スイング吸着）窒素製造入門

1.1 圧力スイング吸着

PSA（圧力スイング吸着）法はガス分離技術です。1960年に米国でCW SKARSTROMが分子ふるい式酸素製造のPSA特許を初めて取得しました。その後、英国、ドイツ、日本などの国々で広範な実験的研究が行われました。1970年に米国UCC（Union Carbide Corporation）が初めて工業化に成功し、PSA技術の開発と応用において長らく主導的な地位を占めてきました。従来の分離方法との競争の中で、PSA法は継続的に改善・完成され、急速な発展を遂げています。

1.2 動作原理

PSA窒素製造システムは、空気を原料とし、高効率で選択性の高い固体吸着剤（カーボン分子ふるい）を利用して、窒素と酸素を選択的に吸着し、空気から分離します。カーボン分子ふるいによる窒素と酸素の分離は、主にカーボン分子ふるい内でのこれらの2つのガス分子の拡散速度の違いに基づいています。直径の小さいガス分子（酸素）はより速く拡散し、分子ふるいの固体相により多く取り込まれます。このようにして、気相で窒素富化を得ることができます。約2分後、分子ふるいによる酸素の吸着は平衡に達します。異なる圧力下でカーボン分子ふるいの吸着容量が変化するという特性に基づいて、圧力を低下させてカーボン分子ふるいから酸素分子を脱着させます。このプロセスを再生と呼びます。圧力スイング吸着（PSA）は通常、2つの塔を並列に使用し、加圧吸着と減圧再生を交互に行うことで、連続的な窒素供給を得ます。

1.3 プロセス概要

完全な窒素製造システムには、空気圧縮機（セット）→圧縮空気浄化部品→空気貯蔵タンク→PSA窒素発生器→窒素バッファタンク→窒素貯蔵タンク（低圧）→窒素ブースターシステム→窒素貯蔵タンク（高圧）が含まれます。

2 装置紹介

2.1 窒素発生器の選定

窒素発生器の選定には多くの問題が伴います。まず、特定のモデルと仕様（窒素製造能力、窒素純度、出口圧力、露点など）を決定するために徹底的な市場調査が必要です。窒素発生器の性能と特性の包括的な比較分析を行い、現地の作業環境に基づいて正しい選定を行う必要があります。

3. 窒素発生器の製造および運転電気制御システム

特定のプログラムに従ってタイミングを制御し、加圧吸着と減圧再生を交互に行い、ガス製造プロセスは自動的に実行されます。窒素流量、圧力、純度は調整可能で、連続的に表示されます。

3.1 人員検査と要点

窒素発生器を検査する際、オペレーターは以下の点に注意する必要があります。（1）まず、窒素純度と露点が要件を満たしているかを確認し、次に吸着と再生が正常に行えるかを確認します。（2）機械に必要な電源、ガス源、水源、温度条件が正常か確認します。（3）空気貯蔵タンクの圧力を監視し、空気貯蔵タンクの圧力を0.7〜0.75 MPaの間に保ちます。定格値以下にしないでください。（4）排水機能を失うことを避けるために、自動ドレン装置を毎回チェックします。（5）冷凍乾燥機の放熱器を定期的にチェックし、放熱不良による乾燥機の効率と寿命に影響を与えないようにします。（6）精密フィルターの定期メンテナンスは、主にフィルターの使用状況に基づいて行われ、フィルターエレメントは定期的に交換されます。フィルターメーカーが推奨する定期メンテナンス方法と対策を参照してフィルターをメンテナンスできます。（7）酸素分析計を校正し、毎月チェックします。酸素含有量が定格値を超えている場合は、酸素プローブの寿命が尽きたかどうかを検討し、酸素プローブを適時に交換する必要があります。交換サイクルは1年を推奨します。（8）電磁弁と空気圧弁の感度、圧力調整弁の圧力範囲、ガス分析計の精度、吸着塔の圧着状態、サイレンサーの排気状態、流量計の内部チューブの清浄度などを定期的にチェックし、問題があれば対処して装置の正常な運転を確保します。

4. 窒素発生器のメンテナンスと保守

4.1 空気圧縮機（スクリュー式）

空気圧縮機（セット）は、PSA圧力スイング吸着窒素発生器に必要な圧縮空気を供給します。その流量、圧力などの要件は、PSA圧力スイング吸着窒素発生器の空気消費量に応じて決定されます。PSA圧力スイング吸着ユニットの効率（消費量）は、主に分子ふるいの性能、プロセスフロー、吸着器の構造によって決まります。空気圧縮機は以下の要件を満たす必要があります：（1）空気出力≥16.5 m3/min；（2）空気出力圧力0.8〜0.98 MPa；（3）油分≤3 ppm；（4）温度≤45℃。

実際の使用では、空気圧縮機の日常点検には、運転温度（≤105℃）、作動圧力（0.8〜1.0MPa）、水圧（0.3〜0.6MPa）などが含まれます。月次点検には、油レベル、配管接続部の漏れの有無などが含まれます。四半期ごとのメンテナンスには、吸気フィルターの清掃、エアフィルターエレメントの清掃、コネクタのチェックなどが含まれます。年次メンテナンスは、INGERSOLL RANDの専門エンジニアがIngersoll RAND製品「メンテナンスマニュアル」に従って実施します。日常使用では、マニュアルのメンテナンス推奨事項と優先順位に従う必要があります：（1）コントローラーの表示に従ってメンテナンスを実行します；（2）年に1回メンテナンスを実行します。装置に一般的な故障が発生した場合、装置の担当者はマニュアルのトラブルシューティングガイダンスに従ってトラブルシューティングを行う必要があります。トラブルシューティングができない場合は、INGESOLL RANDの専門エンジニアに連絡して支援を求めてください。

空気圧縮機の性能に影響を与える主な要因は温度であり、温度に影響を与える主な要因（一定の圧力と流量下）には、季節、水温、水質が含まれます。この装置の冷却水管は、入口と出口の直径が40mmの水道水を使用するように設計されており、水消費量は直接排出で約9t/hです。水をリサイクルしない場合、これはかなりの無駄になります。冷却水をリサイクルして二次使用するには、かなりの財政投資が必要になります（地域の水硬度は380〜410 mg/Lです）。夏は空気圧縮機にとって最も困難な時期であり、クーラータイプの初期選択の適合性をテストする時期でもあります。PSA（圧力スイング吸着）窒素発生器では、空気圧縮機は装置のメンテナンスと保守に最も多くの投資を必要とします。このタイプの窒素製造方法を選択する前に、徹底的な市場調査と計画が不可欠です。

4.2 冷凍乾燥機

（モデル/仕様：IDS -150AC；20Nm3/min）日常点検には、冷凍乾燥機から排出される凝縮水と廃水が詰まっていないことを確認します。冷却剤圧力（0.3〜0.6 MPa）と圧縮空気圧力（<1.0MPa）が正常であることを確認します。メンテナンスには、ラジエーターの定期的なブロー（特に春と夏に放熱問題を防止するため）、ドレン出口の清掃、および3つのフィルター（モデル：3段フィルターXF3-44、7段フィルターXF7-44、9段フィルターXF9-44）の定期的な交換（通常12ヶ月ごと）が含まれます。冷凍乾燥機の選定、設置方法、設置場所、季節は、その油除去および脱水性能に一定の影響を与えます。

4.3 活性炭吸着器

吸着器内の活性炭とアルミナの活性は、圧縮機の空気質と冷凍乾燥機の油除去および脱水性能に直接関係しています。一般的に、装置の使用状況に応じて、活性炭とアルミナは3〜5年ごとに交換する必要があります。

4.4 酸素・窒素分離ユニット—分子ふるい吸着塔：

カーボン分子ふるいは、圧力スイング吸着窒素発生器のコアです。その性能指標には、硬度、窒素製造量（Nm3/Th）、回収率（N2/Air）%、充填密度が含まれます。使用中は、過熱が吸着効果に影響を与えるのを防ぎ、強い気流が分子ふるいの粉砕を引き起こすのを防ぎます。

4.5 ガス検知器

：（1）窒素純度分析計（一般窒素）：0〜1000 ppm P860 4N Changai；（2）酸素純度分析計（高純度）：0〜100ppm O2 GNL-9100 Changai。取扱説明書に従って、センサープローブのテストと校正のために、毎年製造元に機器を返却します。日常メンテナンス中に発見された異常をチェックし、調査します。

4.6 ガス貯蔵タンク：

製品の貯蔵装置として、毎月の自己点検と年次の自己点検を実施します。技術監督局による非破壊検査は3年ごとに外部委託します。6年後、設計耐用年数に達したら、検査結果に基づいてタンクの使用継続または廃棄を決定します。

5. 結論

メンテナンスと保守は、PSA窒素発生器の正常な運転を確保するために不可欠です。公共設備として、PSA窒素発生器の安定した運転は、ユニットの産業実験の前​​提条件および保証です。各ユニットの装置のタイムリーなメンテナンスと保守は、誤動作を防ぎ、装置の耐用年数を延ばし、エネルギー効率を向上させることができます。