VPSAとPSAの比較：酸素生成におけるガス分離技術の違い

私たちの身の回りで自然に空気が大気中に存在しているのと同じように、このプロセスもまた、私たちを取り巻く環境を変化させる。各ガスの分離通常の空気であれば、存在する気体を特定するのは容易ではない。同時に、これらの個々のガスは、私たちの日常生活に影響を与える多くの用途にとって非常に重要である。だからこそ最先端技術 VPSAやPSAは、化合物から酸素のような重要なガスを最も純粋な形で抽出するために開発された。

VPSAとPSAとは何なのか、それぞれがどのように動作するのか、それぞれの利点と欠点、そして現代社会で使用されている多くのアプリケーションについて見ていこうと思う。VPSAとPSAがどのように機能するのか、そのメリットとデメリットをご紹介します。

ブイピーエスエー

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VPSAは以下の頭文字をとったものである。真空圧力スイング吸着VPSA技術は、リチウムを主成分とする酸素を製造する技術で、工業レベルの酸素製造装置に使用されている。VPSA技術はリチウムベースのモレキュラーシーブ酸素を蓄積させるために、二酸化炭素、窒素、水分などの不純物を吸着する特殊な乾燥剤を使用しています。純酸素を得るための非常に効率的な方法で、純度レベルは95%にも達する。これは医療用酸素やその他の重要な用途に求められるレベルである。

動作原理

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VPSA酸素製造の基本的なセットアップはそれほど複雑ではない。最終的に製造される酸素が最高品質であることを保証するために、互いに協力し合ういくつかの構造と装置で構成されている。このプロセスに関わるさまざまな構造には、以下のようなものがある。

送風機

真空ポンプに接続された送風機があり、セットアップに以下を提供する。生の空気、システム全体に空気を供給する。システムに空気を供給する圧力は、これを成功させるために、セットアップ全体の要件を満たすように調整されなければならない。真空ポンプの主な機能は、システム全体を確実に分析することであり、同時にセットアップ全体をアイドル真空状態に保ち、VPSAマシンが純酸素を生産しながら他のガスを吸収するための適切な条件を作り出すことである。

クーラー

VPSAプロセスには高温と高圧が伴う。これは最終製品の品質に影響を与える可能性があり、温度と圧力を調整するメカニズムが必要である。これは冷却器という形で提供される。これは水性で、送風機から送られてきた空気を冷却器に通し、温度と圧力を大幅に下げることで、不要なガスやその他の化合物の吸着を促進する。

吸着システム

これはシステム全体の主要部分である。通常、2つのタワーと、ゼオライト分子ふるいと活性アルミナこれが主な吸着剤となる。ここで、低温・高圧の圧縮空気が第一塔に導入される。この空気はパイプライン内の吸着材の上を流れ、水蒸気、窒素、二酸化炭素、その他あらゆる物質が吸着される。

残されたのは主に酸素で、これは吸着塔の最上部にある吸着床を通って回収され、ガスとして排出される。第一吸着塔でこの作業が行なわれている間、第二吸着塔ではモレキュラーシーブの再生が行なわれる。篩が吸着飽和と限界に達しそうになるたびに、低温・高圧の空気の流れが第2塔に注入され、より多くの吸着が行われ、酸素が生成される。

このように、2つのタワーは互いにシームレスに結合し、一方のタワーから不要なガスを取り除き、次のタワーで純粋でクリーンな酸素を回収する。

酸素バッファータンク

このタンクは、全工程を経て最終的に採取された酸素を貯蔵する役割を果たす。窒素や二酸化炭素が混入する恐れがあるため、通常の空気と混ざらないようにしっかりと固定する必要がある。タンクの大きさは事業規模によって異なる。CPSAのセットアップ全体が大きければタンクも大きくなり、その逆もしかりである。

制御システム

これは、このセットアップ全体のあらゆる側面を制御するために特別に作成されたプログラムを実行するコントロールセンターです。これは通常、PLCコントローラーにあらかじめ書き込まれたバルブ制御プログラムで、主にパイプライン全体の空気圧バルブの閉開を調整します。これは、吸着だけでなく、ふるいの再生が中断することなく効率的に行われるために必要です。システムが手動であれば、人為的なミスが発生する可能性が高くなり、生産時間に影響を与えたり、コンタミネーションが発生する可能性が高まるため、このようなことは不可能である。

VPSAのメリット

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VPSAの使用には、他のプロセスや技術にはない多くの利点がある。これらの利点は、VPSAが以下を扱う多くのメーカーに好まれている理由の一部である。空気清浄。このシステムを使用する最も顕著な利点は以下の通りである。

オイルフリーの送風機を使用しているため、オイルのキャリーオーバーの可能性が低くなっている。オイル潤滑の送風機では、処理される酸素を汚染してしまうという、非常に一般的で厄介な欠陥がある。
低圧を利用するため、水の滞留や結露の可能性を大幅に抑えることができる。このため、精製される製品に水分がほとんど含まれない。
バルブやマニホールドの使用が少ないため、1つのタンクから他のタンクへのガスや液体の移動が非常に速くなり、時間とエネルギーの両方を節約できる。
このシステムは、他のシステムと比べて湿度に弱い。そのため、ガスや液体を最高純度で処理したい場合に理想的な選択肢となる。
酸素をあまり無駄にすることなく、最も純粋な酸素のひとつを作り出す。その活性化モレキュラーシーブス VPSAシステムで使用されているものは非常に効率的であり、飽和限界に達した後の再生にも対応しているため、空気の清浄は中断することなく継続される。
運転圧力が低いと、ふるいのダスティングを最小限に抑えることができます。これは空気中の窒素がふるいから取り除かれる現象です。この低圧力は、運転コストを大幅に削減します。
VPSAシステムは、低エネルギー・コストと、互いに効率的に機能する数多くの部品の組み合わせにより、はるかに長持ちする。このため、各コンポーネントへの負担が軽減され、システム全体が柔軟性を持って稼働する余地が生まれ、他の利用可能なシステムと比較して寿命が少し長くなります。
メーカーが望む品質の酸素純度を得るために必要な起動時間は、わずか5分という速さである。特定の時間帯の酸素需要に応じて、スイッチのオン・オフが可能です。

VPSAシステムのアプリケーション

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これほどまでに信頼性の高いプロダクションであること高品質酸素など、VPSAシステムは多くの主要産業で採用され、以下のような様々な用途で使用されている。

化学工業では、酸化反応や焼却炉の運転に使用される。焼却炉は通常、純酸素を供給することで機能を発揮するが、純酸素は何よりも高温で燃焼する。
冶金産業では、非常に高い融点を持つ金属を溶かすのに十分な高温の炉を稼働させるため、高温に依存している。
書籍などに使用されるあらゆる紙製品の製造に関わるパルプ・製紙工場での紙の脱リグニンおよびオキシ漂白用。
水処理と廃棄物処理では、硫化水素のような有毒ガスを除去する必要がある。
世界中のさまざまな製造業で使用されている酸素燃料バーナーやオゾンガス発生用。
鉱業では、金の精製や濃縮や他の用途のためのウランの回収のようなプロセスのために。
ガラス工場や製鉄所では、原料を他の製造工程で作業しやすい可鍛性形状にするために、熱の使用が非常に必要である。

PSA

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PSAとは、Pressure Swing Absorption（圧力スイング吸収）の頭文字をとったもので、新しい技術である。ガス発生技術 VPSAの代替品として開発された。また、ガス分子の大きさに応じて濾過するふるいの役割を果たす吸着材を使用している。

このプロセスは、原料として自然の空気を使用し、必要なガスを吸着して酸素から分離するための高効率と選択性に依存している。このプロセスで使用されるゼオライト・モレキュラーシーブは、VPSAのものとそれほど変わらない。ただし、この場合、モレキュラーシーブは存在する細孔の大きさに応じてガス分子を吸着する。

基本的に、細孔を通るのに十分小さい分子はすべて飾られ、大きい分子ははじかれる。つまり、このプロセスで気体を分離するのは非常に効率的で、最後にエネルギー豊富な酸素を得る方法のひとつなのだ。

VPSAと同様、種子の吸着能力が限界に達すると、再生が開始され、適切な量の純酸素が採取されるまでプロセスが継続される。この再生は、圧力を下げることで窒素の吸着率を上げ、純酸素を残して回収しやすくすることで行われる。

動作原理

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PSAシステムで使用される部品やコンポーネントは多数あり、それらが互いに組み合わされることで、酸素の発生が誤作動やコンタミネーションを起こすことなく行われるようになっている。以下は、PSAシステムを構成する主な部品です。

エアーコンプレッサー

これはシステム全体に原料空気を供給するもので、出力は処理に必要な酸素量によって制御される。システム全体を処理する能力を持つエアコンプレッサーを選ぶ必要がある。より大きなセットアップにはより大きなエアコンプレッサーが必要であり、その逆もまた然りである。バランスが必要なのです。

コールドドライヤー

コンプレッサーが空気を加圧した後、コンプレッサーはその空気をすべてコンプレッサーに送り込む。コールドドライヤーここで高温と高圧が管理可能なレベルまで調整される。このチャンバーでは、空気が冷却、乾燥され、不純物が完全に取り除かれる。これらの工程が組み合わさることで、温度が大幅に下がる一方で圧力が上がり、次の工程に進む準備が整うのだ。

脱脂装置

これは、部品やパイプラインの周囲に時間とともに蓄積する油脂を取り除く装置である。このオイルミストは通常、温度が一定レベルまで下がると蓄積され、何もしないと汚染の原因となる。オイルミストはゼオライト分子ふるいにも悪影響を及ぼし、その寿命に影響するため、通常よりもはるかに早く飽和限界に達してしまう。

吸着システム

これには2つの塔と、ゼオライトふるい吸着剤で固められたバルブのネットワークを持つパイプラインも付属している。圧縮空気が最初の塔に注入されると、吸着剤の層の上を通過し、窒素、水、そしてゼオライトが吸着される。二酸化炭素が吸収され、酸素が残る。

第2の塔では、ゼオライト分子ふるいが限界に達するたびに絶え間なく再生が行われ、これが望ましい量の酸素が採取されるまでプロセスをノンストップで継続させる。この2つがVPSAシステムのようにシームレスに組み合わされることで、酸素の純度が可能な限り高く保たれるのである。

バッファータンク

システム全体から発生する酸素を回収するための専用タンク。また、ガスの発生と分離がすべて終わるまでバックグラウンドで継続されるため、安定させるためにも使用される。

制御システム

これは、あらかじめプログラムされた命令を利用するシステムであり、その命令によって自然な動作が制御される。圧力スイング吸収システムを一点から構築することができる。エンジニアに要求されるのは、プログラムを追加し、すべてをシステム全体に統合することだけで、あとは勝手にやってくれる。これは、汚染のない最も粗悪な酸素を得るために、効率を保証する非常に便利な方法である。

PSAの利点

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気体の発生と分離にPSA技術を使用すると、多くの利点があります。VPSAに代わるシステムとして、多くのメーカーや企業がPSAシステムを採用しています。

オートメーションの利用があり、これによってプロセスがより安全で効率的になる。手作業が直接関わっていれば、このような空間にはならない。高温・高圧であること、そして純酸素が非常に可燃性であることを考慮すると、人間のオペレーターが床面積を埋め尽くすのは得策ではない。
これは非常に信頼性の高いプロセスであり、故障の安全性が強化されている。つまり、太ももがうまくいかなくなる可能性は非常に低く、万が一、太ももがうまくいかなくなった場合でも、その影響への対処は非常に簡単である。
始動も停止も簡単である。このため、制御と精度が高く、必要なときに必要な量の酸素を生産することができる。これによりコストを節約し、モレキュラーシーブのような原材料を無駄にする可能性を減らすことができる。
運転寿命が長いため、非常に長期間使用できるシステムである。このため、大規模なガス分離・生成事業を立ち上げようとする場合、非常に費用対効果の高い方法として採用できる。
PSAシステムは運用コストが低い。これは、各パーツがそれぞれの機能に最適化されているためである。これにより、タイムラグ、時間の浪費、リソースの無駄が削減される。これら3つが組み合わさって、オペレーション全体のコストを引き下げる。
特別なワークショップは必要なく、システムのセットアップも非常に簡単です。規模を拡大しようと思えば、いつでも拡張の余地がある。

PSAシステムの応用

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PSAシステムが製造業や商業産業で使用される用途は数多くある。皆さんも、PSAプロセスで作られた製品を使ったことがあるだろう。以下は、現在最も注目されているアプリケーションの一部である。

金属溶接とガス溶接： 純酸素は非常に可燃性が高く、非常に高い温度で燃焼する。これは、ガス溶接や金属溶接に理想的な熱である。PSAプロセスで採取された酸素のほとんどは、自動車産業など多くの重工業分野で精密な溶接作業に使用されている。
冶金： これは、あらゆる種類と形状の金属を使って構造物を作るプロセスである。金属を成形するためには、金属を融点まで加熱する必要がある。これは電気を使って行うこともできるが、結局は多くの電力を使うことになり、その分コストがかさむ。これを回避するために、金属を扱う多くの製造業者は、純酸素を使って金属を高温に燃焼させ、それを容易にしている。
石油化学産業： 硝酸、プロピレンオキシド、エチレンオキシド、塩化ビニルの回収など、ほとんどの化学薬品や石油化学製品の酸化プロセスは、純粋な酸素に依存している、エタノール乾燥その他、世界中で広く使用されている数多くの化合物がある。
魚の養殖： これは意外なことだが、PSAシステムから発生する酸素は、魚の養殖にもさまざまな工夫を凝らして利用されている。そのひとつが、卵と成魚の成長プロセスを促進する豊富な酸素を水中に供給することで、魚卵の孵化期間を短縮するための酸素利用である。こうして生産量が増加する。
ガラス産業： ガラス製造も、原料を砂からラスへと変化させるために多くの熱を必要とするプロセスである。電気を使うと電気代がかさむが、炉の酸素を使えば溶解が早く、コストもかからず、コントロールもしやすい。
バイオガスの精製 バイオガスエネルギーを採用する最大の欠点のひとつは、必要とされるメタンガスとともに、硫化水素の発生量が非常に多いという事実だ。これは人に有毒であるだけでなく、炎にさらされると深刻な被害をもたらす。PSAシステムは、硫化水素や、バイオガス設備では不要なその他の有毒ガスを除去するために使用される。

最終評決

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では、この2つのシステムは互いにどう比較しているのだろうか？この2つのどちらを選ぶべきか？つ目の質問に対する簡単な答えは、すべては個人の好みによるということだ。どちらのシステムも PSAとVPSA は同じタスクを処理する能力があり、その差はほとんどない。自分のニーズに合ったものを選べばいいのだ。

以下は、この2つのプロセスの比較表である。PSAとVPSAのどちらかを選択する際に、より良い決断をするためにお役立てください。

プロセス	PSA	ブイピーエスエー
*発電所*	エアーコンプレッサー	ブロワー＆真空ポンプ
*空気清浄*	エアドライヤー＆フィルター	不要
*吸着材料*	モレキュラーシーブとアルミナ	モレキュラーシーブとアルミナ
*タワーとバッファータンク*	圧力容器	常用圧力
*水使用*	不要	必須
*電気使用量*	もっと見る	より少ない
楽器	自己完結型工場	必要
*土地の占有*	小さい	大きい
*投資コスト*	より少ない	もっと見る
*オペレーション*	完全自動化	完全自動化
*酸素圧力*	0.2 – 0.4	0.02 – 0.03