窒素発生装置の仕組みとは？完全ガイド

窒素発生装置とは？概要

工業プロセスにおいて、窒素は有用な不活性ガスであり、食品保存、化学プラントの安全性など、多くの用途で使用されている。以前は、窒素は極低温タンクやボンベで注文し、重い荷物を運ぶことで入手していました。しかし、窒素ジェネレーターは、現代のビジネスがこの重要な要素を入手する方法を変えました。

ご承知のように、大気中の空気は約78%の窒素分子、21%の酸素分子、および二酸化炭素のような他の気体で構成されている。これは、従来の供給方法の代わりとして機能し、より連続的で、安価で信頼性の高い窒素発生装置によって、大気から分離される。このユニットは、特定の流量と純度の要件に合わせて調整されるため、専用の生産ユニットとして機能する。このオンデマンド可用性により、発生しうるロジスティクスの問題やサプライチェーンの問題が軽減され、企業は窒素供給を管理することができる。

窒素発生装置の種類

これらのジェネレーターは、同じ最終結果、すなわち窒素の不断の供給を達成するが、異なる方法を使用し、それぞれが独自の利点と適切な用途を持っている。工業用バルクを構成する2つの主要なタイプは次のとおりである：

膜式窒素発生装置

メンブレン窒素ジェネレーターは、圧縮空気中の他の元素から窒素を抽出するために窒素メンブレンを利用します。この技術は、大きな分子と小さな分子を分離する選択透過性と呼ばれる動作原理を採用している。酸素分子と水蒸気は膜を透過し、窒素分子はサイズが大きいため保持される。この分離方法では、不純物をほとんど含まない95%～99%の窒素富化ガス流が得られる。

膜式窒素発生装置は、操作の利便性と簡便性から有利である。また、可動部品が少ないため、振動、腐食、磨耗に強くなっています。これらのジェネレーターは、防火スプリンクラーシステム、一部の産業用アプリケーション、さらには中程度の窒素純度を必要とする製薬業界の一部の分野での使用にも最適です。

メンブレン窒素生成システムの効率は、圧縮空気流の品質、孔径、流量に依存する。この方法には、複雑な吸着段階での酸素分離工程がないため、高いメンテナンス要件を必要とせず、中断のない窒素供給を必要とする用途に利用することができます。

圧力スイング吸着(PSA)

圧力スイング吸着(PSA)システムを使用したガス発生器は、従来の窒素発生器の設計と比較すると、より精度の高い、新しく洗練された窒素発生器です。PSAの核心は、圧縮空気中の窒素を他のガス（主に酸素）からろ過するためにモレキュラーシーブを使用することです。このプロセスでは、圧力サイクルを使用して酸素を捕捉し、窒素を通過させます。

PSAプロセスはサイクリックプロセスであり、一般的にモレキュラーシーブ材料で満たされた2つの吸着容器を使用する。最初の容器には圧縮空気が高圧で通され、モレキュラーシーブが酸素、水蒸気、二酸化炭素を吸着し、純度99.9%以上の窒素が回収される。第一容器のモレキュラーシーブが満杯になると、システムは再生された新鮮なモレキュラーシーブが入った第二容器に移行する。同時に、第1ベッセルは減圧され、捕捉されたガスは放出され、モレキュラーシーブは次のサイクルに備えます。容器を連続的に交換することで、窒素は間断なく供給されます。

PSA窒素発生装置は、ガスクロマトグラフィー、医薬品、防火など、高純度の窒素が必要とされる用途に特に適している。PSAシステムのコストはメンブレンベースのシステムより若干高いが、99.999%以上（通常99.5%から99.999%）の非常に高い純度で窒素を生成できるため、前者が好まれる。

PSAシステムで生成される窒素の最終的な純度は、使用されるモレキュラーシーブの品質と種類に依存する。ジャロンの専門メーカーです。モレキュラーシーブ吸着剤ジャロン社は、20年以上にわたる経験と品質重視の姿勢に裏打ちされた、先進的なモレキュラーシーブの研究・製造に特化した企業である。112件の特許を有するジャロンは、高い圧縮強度、高い嵩密度、卓越した吸着性能を提供する先進的なモレキュラーシーブの研究と製造に特化しています。これにより、当社のモレキュラーシーブは、様々な用途において、常に安定した窒素の供給を保証しています。

窒素発生装置の主要部品

コンポーネント	説明
エアーコンプレッサー	窒素分離に必要な圧力まで環境空気を圧縮する最も重要なコンポーネント。コンプレッサーのサイズとタイプによって、発電機の効率と出力が決まる。
プレフィルター	圧縮空気から大きな粒子、ほこり、オイルエアロゾルを除去するろ過の第一段階。これにより、下流のコンポーネントを保護し、窒素の品質を保証します。
エアードライヤー	冷凍式または乾燥式ドライヤーを使用して、圧縮空気から水蒸気を除去します。これにより、PSAシステムの吸着材を保護し、メンブレンシステムの効率を向上させます。
分離ユニット	窒素生成のためのコアユニットで、メンブレン窒素生成装置、または吸着にモレキュラーシーブを使用するPSA窒素生成装置がある。
制御システム	PSAシステムの圧力、流量、吸着容器の切り替えを管理する中央制御装置。高度な自動化機能を含むこともある。
窒素貯蔵タンク	オプションだが、生産された窒素を貯蔵し、使用量の変動にもかかわらず安定した供給を確保するために不可欠なコンポーネント。
ポストフィルター	残った微粒子や不純物を取り除く最終ろ過段階で、窒素が要求される品質基準を満たすことを保証する。

窒素発生装置の仕組みステップ・バイ・ステップ

窒素発生装置の種類（膜式、PSA式）によって手順は多少異なりますが、環境から空気を取り込み、そこから窒素を分離して、さまざまな産業に必要な純度と流量の窒素を供給するというプロセスは同じです。では、次のように順を追って見ていきましょう：

ステップ1：空気圧縮

このプロセスは、周囲の環境から空気を吸い込み、一定の圧力まで圧縮するエアコンプレッサーから始まる。必要な圧力は、ジェネレーターの種類と要求される純度レベルによって異なり、ほとんどのPSAシステムでは通常5～10バールである。一方、メンブレンシステムは比較的低い圧力で作動し、通常は4～7 barの範囲である。

ステップ2：空気の前処理

分離される空気はまず、存在する可能性のある不要な物質を取り除くために前処理される。これには、空気をろ過してほこり、粒子、油分を除去し、空気乾燥機を使って水分を除去することが含まれる。PSAと膜分離の性能に影響するあらゆる要因の中で、水分は重要な問題であり、管理が最も難しいもののひとつである。

ステップ3：ガス分離プロセス

メンブレン式窒素生成装置では、圧縮空気をメンブレンシステムに通し、酸素分子、水蒸気、その他の不純物を窒素から分離する。

PSA窒素発生装置では、吸着段階の酸素プロセスが行われ、窒素分子がモレキュラーシーブを通過する間に、酸素がモレキュラーシーブに選択的に吸着される。

ステップ4：窒素貯蔵（オプション）

窒素が継続的に必要な場合、発生した窒素はタンクに貯蔵される。この貯蔵により、一時的に流量が増加しても安定した流量を維持することができる。

ステップ5：窒素後処理（オプション）

場合によっては、窒素は最終処理に付され、特定の用途のために一定レベルの純度を達成するために、残留不純物を除去するためのさらなる精製を伴うことがある。

従来の供給方法に対する窒素発生装置使用の利点

シリンダーや液体窒素供給など、他の窒素供給方法と比較して、オンサイト窒素発生装置を使用することには多くの利点があります。最も重要な利点は、コスト削減、信頼性の向上、安全性の向上です。

コスト削減と効率化

窒素ジェネレーターを使用することで得られる大きなメリットは、ランニングコストが比較的安いことである。窒素ボンベは、配送料やボンベのレンタル料、その他の管理費など、維持費がかかるのに対し、窒素発生装置は必要に応じて窒素を供給する。そのため、このような経常的なコストがかからず、長期的にはコスト削減につながります。窒素を大量に使用する業界では、窒素を大量に注文したりボンベをレンタルしたりするよりも安いため、長期的に見れば、発生装置を所有するコストは回収できるだろう。

信頼性と利便性

オンサイトの窒素生成装置は、常に安定した窒素の供給を保証し、第三者に依存する危険から解放されます。企業は、ボンベの在庫や配送、窒素の不足を心配する必要がありません。つまり、必要なときにいつでも窒素が供給され、業務が円滑かつ効率的に行われるのです。

安全性 シンプルな操作性

窒素ボンベには、窒素の漏れ、圧力のリスク、適切な保管と換気といったリスクがあります。しかし、窒素発生装置を使用すれば、窒素は施設内で生成されるため、高圧ボンベを取り扱う必要がなく、これらのリスクは解消される。その結果、ボンベの輸送や取り扱いの過程で発生する可能性のある事故の数を減らすことができる。

純度管理

窒素ジェネレーターは、ユーザーがアプリケーションに必要な純度の窒素を生成することを可能にします。制御性が低い他の方法とは対照的に、オンサイト生成では、パフォーマンスと品質を向上させるための適切な純度の窒素が保証されます。

環境面でのメリット

現場での窒素生成には、環境面でも多くの利点がある。なぜなら、企業は窒素ボンベや液体窒素を輸送する必要がなく、二酸化炭素排出量の削減に役立つからである。さらに、貯蔵中や使用中に蒸発損失があることが知られている液体窒素と比較すると、オンサイト生成は窒素の無駄が少ない。

こうしたコスト、信頼性、安全性、環境面での利点から、窒素発生装置は一定した高品質の窒素供給を必要とする産業に適している。

様々な産業における窒素発生装置の一般的な用途

窒素発生装置は、高純度の窒素を常時供給できる利便性から、さまざまな分野で欠かせないものとなっている。窒素発生装置の用途の一部を紹介する：

製薬業界

窒素ガスは、医薬品の包装、医薬品の保管、実験室での使用など、製薬業界で様々な用途に使用されています。高純度の窒素は、製品の酸化や水分、微生物の繁殖を防ぎ、製品の安定性と安全性を高めます。

防火産業

防火業界では、窒素ガスは防火スプリンクラーシステムの腐食の影響を軽減するために使用されます。酸素が豊富な空気がスプリンクラー配管内で窒素分子と置換されると、腐食の可能性が大幅に減少するため、システムの寿命が延びるからです。

食品・飲料業界

食品包装において、窒素ガスは酸化や微生物の活動を抑える環境を作り出し、食品の保存期間を延ばすために使用される。以前は窒素ボンベが使用されていましたが、現在の膜式窒素発生システムは安価で、包装ラインに窒素を連続的に供給することができます。

エレクトロニクスと製造業

窒素を使用する産業には、電子機器製造、レーザー切断、ガスクロマトグラフィーなどがあり、汚染や酸化を最小限に抑えるために窒素が使用されます。窒素ジェネレーターシステムは、窒素の温度を一定に保ち、窒素の流量をコントロールすることで、生産プロセスを向上させます。

石油・ガス産業

PSA窒素発生装置は、石油・ガス産業において、貯蔵タンクやパイプラインを確実に不活性ガスで満たすために使用されます。酸素が純粋な窒素に置き換わると、燃焼や酸化の可能性が大幅に低くなるからです。

ニーズに合った発電機の選択

適切な窒素発生装置を選択することは、適切な機能、費用対効果、プロセスに必要な窒素出力のために非常に重要です。以下は、選択を容易にするためのガイドです：

テクノロジーの選択肢を理解する

まず、PSAとメンブレンという2つの主な窒素生成方式を区別する必要がある。PSAジェネレーターは、分離にモレキュラーシーブを使用することで、特に高純度窒素（99.9%以上）の生成に適しています。処理する流体の純度を高く維持する必要がある場合に最適ですが、定期的に再生する必要があるため、エネルギー消費量が多くなります。メンブレンシステムはエネルギー効率が高く、複雑ではないため、高純度が要求されない用途に適している（99.5%まで）。

純度の条件を知る

次に、必要とされる純度レベルを特定する。製薬や半導体などの業界では、99.9%以上の純度が要求されることが多く、PSA窒素発生装置が重宝されます。一方、食品包装のような用途では、99.5%までの純度の窒素が必要な場合があり、メンブレン式窒素生成器が適しています。

必要な流量を計算する

次に、窒素の使用量を流量で評価します。流量は通常、リットル毎分（LPM）または立方メートル毎時（Nm³/h）で表されます。現在の要件と将来の要件の両方を考慮する必要があります。PSAシステムは高純度ガスと大流量を必要とするアプリケーションに最適であり、メンブレンシステムは低流量で安定した流量を必要とするアプリケーションに最適です。

設置・運用を考える 環境

メンブレンジェネレーターはコンパクトなサイズであるため、吸着容器のためのスペースを必要とするPSAシステムよりも占有スペースが小さい。また、施設で使用される圧縮空気の品質と環境の温度は、システムに影響を与えるため、確認してください。

エネルギー効率 そして将来の成長

エネルギーも運転における主要なコスト要因であるため、よりエネルギーに優しいモデルを探す。PSAシステムは一般に、再生プロセスのためにエネルギー集約型であるのに対し、メンブレンシステムは連続プロセスであり、必要なエネルギーは少ない。また、将来の成長に備えて十分な容量の発電機を選ぶか、モジュール式システムを選ぶことが望ましい。

総所有コスト

初期費用とは別に、エネルギー消費、メンテナンス、フィルターなどの部品交換など、製品を使用する上でかかる費用についても考えましょう。高品質の機器を提供し、販売後のカスタマーサービスが良いという評判のメーカーを選びましょう。

このように、これらの要素を考慮することで、性能とコストの面で貴社の業務要件に適した窒素発生装置を選択することができる。

窒素発生装置の性能を最適化するためのメンテナンス

窒素生成装置の信頼性、効率性、長寿命を維持するためには、メンテナンスが非常に重要です。メンテナンスにより、修理に多額の費用がかかる可能性を減らし、操業の中断を回避し、重要な用途の窒素の安定生産を保証します。

レギュラー フィルター 交換

フィルターは窒素ジェネレーターを保護する上で非常に重要です。圧縮空気から水蒸気、ほこり、油分を除去し、高純度の窒素を供給します。これらのフィルターは、時間の経過とともに目詰まりを起こし、システムや内部部品の効率低下につながります。システムが効率的に作動し、窒素が高純度であることを保証するため、プレフィルターとポストフィルターは、メーカーが指定する頻度で交換することをお勧めします。

モレキュラーシーブ再生（PSAシステム）

PSA窒素発生装置では、窒素と酸素を分離する過程でモレキュラーシーブが使用される。これらのふるいは、吸着能力を回復させるために時々再生する必要がある。再生が適切に行われないと、窒素純度が推奨されている99.9%以下に低下する可能性が高い。窒素の生産量を一定に保つためには、再生サイクルを確実に行うことが重要である。

圧力と流量のモニタリング

窒素が適切な速度で生成されるように、圧力と流量を一定に保つ必要がある。エアコンプレッサー、PSAシステム、メンブレンユニットを頻繁に校正し、ガス分離を妨げる圧力変化を避けるようにします。システムをこれらの範囲内に維持することで、故障の可能性を減らし、窒素が適切な品質であることを保証します。

雨漏りと振動への対応

小さな漏水や過度の振動は、ジェネレーターに大きな問題を引き起こす可能性があります。特にジョイント、バルブ、パイプの周りに漏れの兆候がないかチェックし、できるだけ早く修理してください。振動は、システムとその構成部品にとって有害であるため、振動を最小限に抑えることは、システムの寿命にとって有益です。

を維持する。 エアーコンプレッサー ドライヤー

エアーコンプレッサーとエアードライヤーは、窒素生成プロセスにおける2つの重要なコンポーネントである。コンプレッサーは、オイル交換やフィルター交換など、メーカーの推奨に従ってメンテナンスする必要がある。また、湿った空気はPSAとメンブレンシステムの両方に影響を与えるため、エアドライヤもチェックしてください。デシカント式ドライヤーの場合は、湿気の蓄積を避けるため、推奨される再生または交換スケジュールを常に守ってください。

これらの実践は、窒素生成器の性能、耐久性、窒素供給コストの面で、窒素生成器を最大限に活用するのに役立ちます。

結論

まとめると、窒素発生装置は液体窒素のような供給方法よりも有利であり、それにはコスト、信頼性、安全性が含まれる。したがって、PSAとメンブレンという2つの主なタイプのジェネレーターを理解することが極めて重要です。PSAとメンブレンは、ビジネスが求める窒素純度、流量、エネルギー消費量に応じて選択することができます。適切なメンテナンスを行うことで、システムが最適な状態で稼動し、高純度の窒素を供給すると同時に、ダウンタイムの頻度を減らし、システムの稼動コストを削減することができます。

将来については、窒素生成産業は技術と性能の面でさらなる発展が見込まれる。膜材料やPSAシステム用モレキュラーシーブの新たな開発により、窒素純度の向上とエネルギー使用量の減少が期待される。さらに、自動化とIoT統合の進展は、より正確な制御、状態監視、エネルギー管理をもたらす可能性がある。産業界が持続可能性を重視するようになるにつれ、窒素生成装置もまた、オンデマンドで信頼できる窒素源を提供しながら、環境への影響を軽減するような形で変化していくだろう。

言い換えれば、窒素生成装置は、作業を容易にするだけでなく、環境とコストの目標にも貢献する長期的な投資なのである。