窒素発生装置の原理と特徴

A 窒素発生装置空気を原料として、酸素と窒素を物理的方法により分離し、窒素ガスを得る装置です。産業用窒素発生装置は、分離方法の違いにより、極低温空気分離、モレキュラーシーブ空気分離 (PSA)、膜空気分離の 3 つのタイプに分類できます。

窒素発生装置は、圧力変動吸着 (PSA) 技術に基づいて設計および製造されています。吸着剤として輸入された高品質のカーボンモレキュラーシーブ（CMS）を使用し、常温で圧力スイング吸着の原理を採用して空気中の酸素から窒素を分離し、高純度の窒素を生成します。通常、吸着塔は２基並列に接続されます。導入された PLC システムによって制御される空気圧バルブは自動的に動作し、加圧吸着と減圧再生を交互に実行し、酸素と窒素の分離を完了し、必要な純度の窒素を取得します。

窒素発生装置の動作原理

PSA 圧力スイング吸着窒素生成原理

カーボンモレキュラーシーブは空気中の酸素と窒素の両方を吸着します。その吸着能力は圧力の増加とともに増加します。同じ圧力下では、酸素と窒素の平衡吸着能力に明らかな違いはありません。したがって、圧力変化だけで効果的な酸素と窒素の分離を達成することは困難です。

吸着速度の違いを考慮することで、酸素と窒素の吸着特性を効果的に区別することができます。酸素の分子径は窒素よりも小さいため、その拡散速度は窒素の数百倍です。したがって、カーボンモレキュラーシーブは酸素をより速く吸着します。約1分間の吸着では、酸素は90％以上吸着できますが、窒素は5％程度しか吸着できません。

この段階での吸着ガスは主に酸素、残りのガスは主に窒素となります。吸着時間を1分以内に制御することで、酸素と窒素を初期分離することができます。言い換えれば、吸着と脱着は圧力差によって行われます。圧力が上昇すると吸着が発生し、圧力が低下すると脱着が発生します。

酸素と窒素の分離は、2 つのガス間の吸着速度の違いによって決まります。吸着時間を制御することで、窒素の吸着時間が足りない間に酸素を十分に吸着し、吸着を停止して効率よく窒素を製造します。

極低温空気分離窒素発生原理

極低温窒素の生成では、窒素ガスだけでなく液体窒素も生成でき、液体窒素が必要なプロセス要件を満たします。液体窒素は液体窒素貯蔵タンクに貯蔵できます。窒素の供給が中断された場合、または空気分離ユニットのメンテナンスが必要な場合、保管されている液体窒素が気化器に入り、加熱されてから、プロセス装置の窒素要件を満たすために窒素パイプラインに供給されます。

極低温窒素生成の運転サイクル (2 回の主要な温暖化運転の間の間隔) は、通常 1 年以上です。したがって、バックアップ装置は通常、極低温窒素生成システムでは考慮されません。ただし、PSA 窒素発生装置は、バックアップ貯蔵能力がなければ窒素ガスしか生成できず、単一ユニットでは長期の連続運転を保証できません。

膜空気分離窒素発生原理

空気はエアコンプレッサーで圧縮・ろ過された後、高分子膜セパレーターに入ります。膜内のさまざまなガスの溶解度および拡散係数の違いにより、ガスが異なれば透過速度も異なります。

この特性に基づいて、ガスは「速いガス」と「遅いガス」に分類できます。

膜の両側の圧力差により、水蒸気、水素、ヘリウム、硫化水素、二酸化炭素などの透過速度の速いガスが膜を通過し、透過側で濃縮されます。

一方、メタン、窒素、一酸化炭素、アルゴンなどの透過速度が遅いガスは供給側に保持され濃縮され、混合ガスの分離が実現されます。

窒素発生装置の特長

便利で早い

高度な技術と独自の気流分配システムにより、ガス流分布がより均一になり、カーボンモレキュラーシーブを効率的に利用できるようになります。約20分以内に適格窒素を生成できます。

簡単操作

この装置は、コンパクトな構造と統合されたスキッドマウント設計を特徴としており、必要な設置スペースが少なく、土木建設への投資が不要です。初期投資が少なく、現場で電源を接続するだけで窒素製造を開始できます。

経済的な運用

PSA技術は、空気を原料とするシンプルで効率的な窒素生成方法です。エネルギー消費は主にエアコンプレッサーによる電力消費です。低い運用コスト、低エネルギー消費、高効率が特徴です。