産業界における高純度ガスへのニーズの高まりにより、空気分離装置（ASU）は今や必要不可欠なものとなっています。ASUは、必要とされる純度の酸素、窒素、アルゴンを大量に生成する費用効果の高い手段を提供します。ガスを供給する他の方法と比較して、極低温空気分離はより効率的で、ガスの単位あたりのコストが低く、大規模生産に適応します。
しかし、ASUとは何なのか、どのように機能するのか、なぜ様々な分野で関係するのか。この記事では、ASUがどのように機能するのか、ASUは何でできているのか、ASUは業界のどこで使われているのかに焦点を当てます。
空気分離ユニット（ASU）とは？
空気分離ユニット（ASU）は、空気から個々のガスを分離するための工業プラントである。空気は純粋な物質と思われがちだが、実は窒素、酸素、アルゴンを中心とした混合ガスであり、その他にもいくつかのガスが含まれている。
ASUの主な機能は、この混合物をその成分に脱混合することである。これは単に学術的な目的のためだけではなく、窒素、酸素、アルゴンという出力は、幅広い産業用途に不可欠な成分である。窒素は不活性ガスとして化学や電子産業で、酸素は燃焼や医療産業で、アルゴンは溶接や照明産業で使用されている。
したがって、ASUは単なる設備ではなく、現代経済の多くの産業を支える基盤技術なのである。ASUは、製鉄や医療などさまざまな産業にとって基本的な投入物であり、空気を価値ある工業製品に変換する。ASUを理解することは、現在の世界の多くの製造工程のバックボーンを理解する上で重要である。
ASUキーテクノロジーと原則の説明
空気分離ユニットは、主に低温蒸留によって熱力学と材料科学の原理を利用し、ジュール・トムソン効果によって強化された低温サイクルを管理して、ガス分離のために空気を効率的に液化します。
しかし、低温蒸留は、膜分離や吸着プロセスのような他の方法があるにもかかわらず、空気分離の最も一般的な方法である。最も効率的であり、大規模かつ高純度な分離を必要とする場合に広く使用されている。
低温蒸留の原理
低温蒸留はほとんどの空気分離装置で最も一般的な作業プロセスです。この方法は、空気の主成分の沸点の違いを利用しています。
空気が冷却され圧縮された後、蒸留塔に送り込まれる。分留塔は非常に背の高い特殊な構造で、分留目的に使用される。沸点が低いため最初に気化する窒素は塔内を上昇し、他の成分は塔底に留まる。沸点が高い酸素は液体のまま底部に溜まる。アルゴンは存在量が少なく、通常はカラムの中段から回収される。
分離プロセスはワンステップではなく、カラム内での気化と凝縮の過程を含むプロセスである。気相と液相が相互作用し、所望の成分が異なるレベルで濃縮される向流の流れを想定することが可能である。
これらの蒸留塔内の温度と圧力勾配は、分離されたガスの所望の純度を達成するために必要なレベルに制御されなければならない。したがって、低温蒸留は、空気からガスを高純度で分離する、より高度で効率的な方法である。
冷却におけるジュール・トムソン効果
ASU内でのガスの極低温への冷却は、主にジュール・トムソン効果に基づいている。この熱力学的原理は、実際の気体や蒸気がバルブや多孔質プラグを通過し、すべての熱が周囲に伝わらないようにした場合の温度変化を指します。
特に、圧縮された気体を自由に膨張させると、冷却される。この冷却効果は、実際の気体には分子間力が存在するために起こる。気体が膨張する際、これらの引力に対抗する努力が必要であり、このエネルギーは気体の内部エネルギーに由来するため、温度が低下するのである。
ASUシステムでは、冷却サイクルにおいてジュール・トムソン効果が非常に効果的に利用される。圧縮空気は、バルブやタービンなどの膨張装置を通過します。この膨張により、温度が大幅に低下する。冷却されたガスは、熱交換器で流入する圧縮空気を予備冷却し、再生冷却ループを形成するために使用されます。この膨張と熱交換のプロセスは繰り返し行われ、温度は液化が達成されるところまで低下し、最終製品は液体酸素と液体窒素となる。
したがって、ジュール・トムソン効果は、さらなる分離のために空気を液化するために使用される極低温技術の重要な要素である。
ASUシステムの主要コンポーネント
ASUは複数のシステムが統合され、ひとつのユニットとして機能する。圧力を上げるためのエアコンプレッサー、温度を下げるための予冷装置、精製用のモレキュラーシーブなどである。蒸留塔はガスの分離に不可欠であり、液化器はガスを極低温に保つために使用される。
これらの統合され制御されたコンポーネントにより、空気をASUの運転に不可欠な高純度の窒素、酸素、アルゴンに分離することが可能になる。
| コンポーネント | 機能 | 重要性 |
| エアーコンプレッサー | 空気を高圧に圧縮する | 液化に不可欠、多段設計で効率アップ |
| 予冷システム | 液化前の空気温度を下げる | 極低温冷却ステージへの過負荷を防ぐ |
| モレキュラーシーブ精製システム | 水、CO₂ 、炭化水素を除去する。 | 装置を塞ぐ氷や固形物の堆積を防ぐ |
| 低温蒸留塔 | 酸素、窒素、アルゴンを分離 | ASUの中核、最終ガス純度を決定する |
| リキフィエ | 低温を維持して空気を液化する | 極低温状態を維持するための冷凍サイクルを使用 |
エアーコンプレッサー および予冷
エアコンプレッサーは、ASUの最初の、そして最も基本的な部品である。その目的は、環境から空気を吸い込み、極低温液化プロセスに必要な高圧まで圧縮することです。このようなコンプレッサーの多くは多段式の工業用コンプレッサーで、常に効果的に使用できるように設計されています。しかし、圧縮プロセス中に熱が発生するため、圧縮プロセス自体が空気の温度を上昇させる。この高温の圧縮空気は、材料の極低温処理には不向きです。従って、予冷段階は避けられない。
予冷システムは、極低温セクションで冷却する前に、機械式冷凍機と熱交換器を使用して圧縮空気を低温に冷却するために使用されます。予冷にはいくつかの重要な機能があります。それは、極低温冷凍システムの冷却負荷を減らし、その後の液化プロセスの効率を高めること、そして最も重要なことは、吸気に含まれる水蒸気の大部分を除去することです。この段階で水蒸気を除去することは、ASUの極低温部に氷が形成され、閉塞や運転に支障をきたすことを避けるために重要である。エアコンプレッサーと予冷システムは連動して、この後に続くデリケートでエネルギー集約的な極低温分離段階に向けて空気の流れを準備します。
モレキュラーシーブ精製システム
極低温で効果的な空気分離を行うには、流入する空気の流れを入念に浄化する必要がある。窒素、酸素、アルゴンの供給源である空気には、有用な成分だけでなく、水蒸気、二酸化炭素、炭化水素などの不要な混入物も含まれています。これらの汚染物質が除去されないと、極低温で沈殿し、装置内の閉塞、熱伝導の低下、製品の品質低下といった運転上の問題を引き起こす。
モレキュラーシーブ精製システムは、この重要なニーズを満たすように設計されている。特定の モレキュラーシーブ これらの不純物を選択的に吸着する吸着剤（4A、5A、13Xなど）。これらの材料は、分子レベルで選択的に濾過することができる明確な孔径のために選択される。これにより、水分子、二酸化炭素、炭化水素を捕捉する一方で、空気の他の成分は自由に通過させることができる。
ASU精製システムは通常、周期的に作動する多数の吸着剤床を有し、これは圧力スイング吸着（PSAまたはVPSA）または温度スイング吸着（TSA）を用いて行われる。この循環運転により、汚染物質を常に高効率で除去することが可能になります。モレキュラーシーブ精製システムは、ASUの長期運転と分離されたガスの要求される純度を達成するために非常に重要であり、その結果、高純度ガスが得られます。したがって、ASUの信頼性の高い性能を最大限に発揮するためには、適切で効果的なモレキュラーシーブ精製システムを設置する必要があります。
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蒸留塔と液化機
蒸留塔はASUの中核であり、液化空気の実際の分離がここで行われるからである。これらのカラムは単なる流路ではなく、複雑な工学的設計が施されており、気相と液相が分離のために効果的に接触するよう、トレイや構造化されたパッキングが含まれていることもあります。
液化機は蒸留塔と一体となって作動する統合装置の一部である。その主な目的は、蒸留に必要な低温を維持し、空気を常に液体の状態に保つことである。液化器は冷媒と膨張サイクルを用いてシステムから熱を除去し、蒸留塔が適切な低温に保たれるようにする。これらのカラムでは、カラム内で維持される温度と圧力の勾配によって分離プロセスが制御される。揮発性の高い窒素は蒸発してカラムを上昇し、沸点の高い酸素とアルゴンは凝縮して下降する。
蒸留塔と液化器の仕様は、分離プロセスの効率と分離されたガスの純度を決定する上で非常に重要です。これらは、液化空気を貴重な高純度工業ガスに変換する重要な技術です。
ASUの多様な産業利用
ASUから発生するガスはニッチな製品ではなく、幅広い産業における基本的な必要条件であり、現代世界のほとんどすべての側面に関与している。その用途は数多く、不可欠であり、その多くは相当量の酸素の使用を必要とする。
鉄鋼業では、ASUからの酸素が炉の燃焼効率の向上に役立っている。化学産業では、ASU由来の窒素を不活性雰囲気やアンモニア製造などの反応剤として利用している。医療分野では、患者の治療やケアに医療用酸素が必要である。これら以外にも、ASUは電子機器製造、食品加工、酸素が燃焼効率を向上させ、ガス化のような一部の技術で排出ガスを減少させる発電所のような多くの産業で有用である。
大規模な製造業からヘルスケア分野の複雑なオペレーションまで、ASUのテクノロジーは現代の産業界にとって不可欠である。
鉄鋼業界におけるASU
鉄鋼業は現代世界で最も重要な産業のひとつであり、空気分離ユニット製品の最大消費者のひとつである。製鋼用の主要なASU製品である酸素は、高炉や塩基性酸素炉の効率向上に役立つ。これらの炉に高純度酸素を供給することで、燃焼速度が向上し、その結果、鉄鋼生産量が増加し、鉄鋼トンあたりの燃料使用量が減少します。これは製鋼プロセスをスピードアップさせるだけでなく、生産コストを低下させ、より経済的で環境に優しいものにする。
加えて、ASUから発生する窒素は、製鉄業において、製鉄や鉄鋼の取り扱い過程での酸化を避けるための不活性化やパージ目的で使用されている。ASUと鉄鋼業は相互に依存している：ASUは効率的な製鉄に必要な酸素を供給し、一方では製鉄業の規模が大きいため、ASU技術の開発に対する需要とニーズが生まれる。
実際、ASUは、この重要なエンジニアリング材料の製造を可能にする、現代の鉄鋼業界にとっての戦略的資産である。
化学産業におけるASU
化学産業は多くの化学反応を伴う非常に繊細な産業であるため、空気分離装置によって生成されるガスの不活性化および反応特性を必要とします。ASUによって分離される最も一般的なガスである窒素は、化学製造業における安全性とプロセス制御の重要な要素です。貯蔵タンク、パイプライン、化学反応器内で酸素や水分との反応を避けるための不活性ブランケットガスとして使用されます。この不活性雰囲気は、可燃性、爆発性、または酸素の影響を受けやすい化学物質の取り扱いにおいて特に重要であり、安全な生産および貯蔵条件を提供します。
不活性化とは別に、ASUからの酸素は、大規模化学生産における酸化反応や、ファインケミカルおよび製薬産業における酸化ステップなど、さまざまな化学合成プロセスで試薬として使用されます。化学産業では、わずかな不純物でも化学平衡を乱し、最終製品の品質に影響を及ぼす可能性があるため、ASUからのガス供給の純度と信頼性は非常に高くなければならないからです。
安全対策の向上から複雑な化学反応の促進まで、ASUガスは化学エンジニアや化学産業にとって不可欠な万能機器です。
ヘルスケアにおけるASU
ヘルスケア分野では、ASUはもはや単なる工業用具ではなく、患者の治療や人工呼吸に必要な医療グレードの酸素を供給する、生命を維持するための設備である。病院や診療所などの医療施設では、さまざまな用途のために常に高純度の酸素が必要とされます。肺疾患患者の呼吸療法、手術時の麻酔、新生児の酸素保育器、心肺蘇生などです。
ASUで生成された医療用酸素はさらに精製され、通常99.5%以上である人間の呼吸に必要な純酸素の基準を満たすよう検査され、患者の安全性と酸素が治療プロセスに有効であることを保証する。
酸素以外にも、ASUからの窒素は血液や組織などの生物学的標本の保存や、外科手術の一部で使用されている。医療施設では、ASUから生産される医療用酸素の継続的かつ安定的な供給が必須であり、中断されると患者の状態に悪影響を及ぼす可能性がある。医療用ASUは通常、世界中の医療施設で呼吸器の健康を守る目に見えない存在として、1年365日、24時間稼働するバックアップシステムを備えています。
ASUのパフォーマンスの最適化：主な要因
ASUの最適なパフォーマンスは、いくつかの重要な要素にかかっている。それらには以下が含まれる：純度と流量要求、エネルギー効率とコスト、モレキュラーシーブの選択です。ASUの有効性と経済的価値を高めるためには、これらの要因を最適に管理する必要があります。
純度と流量の要求
空気分離ユニットの運転条件と設計特性は、主にそのユニットが使用されるアプリケーションの純度レベルと流量によって決定されます。例えば、医療用酸素の用途では、多くの場合99.999%以上の非常に高い純度レベルの酸素が要求され、許容される不純物に関する特定の規制制限があります。このような高純度要件を満たすためには、ASUにおいて、より多くのエネルギーを消費する精製段階と蒸留段階を追加する必要があり、最適な性能を得るために熱交換器を非常に緊密に統合する必要があります。
一方、産業用途の中には、例えば不活性ブランケット用の窒素のように、より低いレベルの純度が要求される場合もあり、その場合は、より単純でエネルギー集約度の低い分離技術を使用できる可能性がある。同様に、流量要件も最終用途の規模によって異なる。大規模な総合製鉄所では大量の安定した酸素が必要となるため、大容量のASUが必要となりますが、小規模な研究所では少量の高純度窒素しか必要としない場合もあります。
したがって、ASUの設計と運転の開始時に、純度と流量の要件を明確に定義することが重要です。これは、ASUの出力がエンドユーザーのニーズに合わせて微調整されることを意味し、過剰なエンジニアリングや性能上の問題が発生する可能性を排除します。
エネルギー効率 コスト
ASUはその設計上、圧縮プロセスを駆動するために大量の電気エネルギーを必要とする。空気の液化と蒸留のプロセスには低温が必要で、これは空気の圧縮と冷凍に大量のエネルギーを使うことで達成される。このように、エネルギー効率はASU事業者にとって単なる環境要因ではなく、収益に影響するビジネス上の必要性なのである。エネルギー消費の削減は、コスト削減と企業の競争力向上に等しい。
ASUのエネルギー効率を高めるために、多くのエンジニアリング・ソリューションが用いられている。これには、エアコンプレッサーの特性を改善すること、熱回収システムを使用してさまざまなプロセスから廃熱を回収して再利用すること、より優れた効率的な冷凍サイクルを使用すること、ASUプラントでエネルギー効率の高い部品を使用することなどが含まれる。
さらに、プロセスステップの結合や蒸留塔設計の最適化など、ASUプロセス設計における新たな開発は、全体的なエネルギー消費の最小化に役立っている。ASU技術におけるエネルギー効率の改善に対する絶え間ない要求は、経済的利益と環境への関心の高まり、そして産業におけるエネルギー消費を規制する基準の厳格化によるものである。将来的な生産コストの削減を目指し、ASU技術の効率を向上させることは、継続的な改善プロセスである。
モレキュラーシーブの選択
空気分離ユニットの浄化システムに適切なモレキュラーシーブ吸着剤を選択することは、ASUの性能、運転信頼性、および全体的な運転コストに重大な影響を与える決定である。モレキュラーシーブの種類によって、吸着容量、特定の汚染物質（水蒸気、二酸化炭素、炭化水素）に対する選択性、再生特性が異なります。
特定のASU設置に最適なモレキュラーシーブの種類とグレードを選択するには、吸入空気の組成、分離されるガスの希望純度仕様、精製システムの特定の運転条件などの要因を慎重に考慮する必要があります。
モレキュラーシーブを適切に選択することで、対象汚染物質を効率的かつ確実に除去し、システムのファウリングを防ぎ、製品ガスの純度を維持するだけでなく、吸着剤の寿命延長や再生サイクル中のエネルギー消費量の削減にも貢献する。
逆に、モレキュラーシーブの選定が最適でないと、精製効率の低下、ファウリングによる運転停止時間の増加、再生頻度の増加に伴うエネルギーコストの上昇、そして最終的には製品ガスの品質低下につながります。したがって、モレキュラーシーブの選定は、日常的な決定事項ではなく、ASU施設の長期的な操業の成功と経済的パフォーマンスに直接影響する、戦略的なエンジニアリングの検討事項です。
ASUテクノロジーの進歩と未来
空気分離ユニット(ASU)技術の分野は、効率性、持続可能性、新しい用途に対する要求の高まりにより、急速に進化しています。将来のASUシステムは、エネルギー消費量を最小化し、ガス回収量を最大化するために、高度な材料、最適化されたプロセス設計、インテリジェントな制御システムを統合した、よりエネルギー効率の高いものになるでしょう。
モジュール式で小型のASUは、小規模アプリケーションや遠隔地でのオンサイトガス生産を可能にし、人気を集めている。さらに、デジタル化とAI主導のASU運用は、スマートセンサー、データ分析、予知保全システムにより、最適なパフォーマンスとダウンタイムの削減を保証し、効率を高めている。
モレキュラーシーブ技術の継続的な向上もASUの進歩に寄与している。モレキュラーシーブはASU精製において重要な役割を果たし、汚染物質を効果的に除去することで高いガス純度を確保する。現在、研究者たちは、吸着能力の向上、寿命の延長、エネルギーコストの削減を目指し、より選択的で効率的なモレキュラーシーブの開発に積極的に取り組んでいます。ASU精製におけるイノベーションを推進したいのであれば、Jalonと提携することで、次世代モレキュラーシーブの開発をサポートし、性能と持続可能性を高めることができます。
従来の用途にとどまらず、ASU技術は水素エネルギー生産と炭素回収・利用・貯蔵（CCUS）へと拡大しており、脱炭素化とより持続可能なエネルギーの未来への移行において重要な役割を果たしています。世界中の産業界が高純度産業ガスに依存し続ける中、ASU技術の未来は、急速に進化する世界により効率的で汎用性が高く、インパクトのあるソリューションを提供する明るいものであり続ける。
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