VCM変圧吸着の動作原理。

圧力変動吸着の基本原理　圧力変動吸着（Pressure Swing Adsorption、略称PSA）というガス分離技術は、工程が簡単で、一度の処理で多種類の不純物を除去でき、製品の純度が高く、運用の柔軟性に優れ、自動化の程度が高く、運用コストが低く、吸着剤の寿命が長く、投資額が少なく、メンテナンスも容易といった利点があるため、急速に発展してきました。現在では、空気の乾燥、水素の精製、中小規模の空気分離、その他の混合ガスの分離・精製における主要な技術の一つとなっています。いわゆる圧力変化吸着法（PSA）とは、実際には減圧による脱着を利用して吸着剤を再生する吸着法であり、循環は常温で行うことができる。圧力の変化が非常に速いため、循環には通常数分から数秒しかかからず、迅速に完了する。吸着容量はそれほど高くないものの、吸着剤の利用率が高く、処理量は大きくなる。 変圧吸着吸着剤の再生には外部からの加熱が不要であり、さらに吸着剤の熱伝導率は通常非常に小さいため、プロセスはほぼ断熱操作となる。また、変圧吸着のサイクル時間は非常に短く、吸着熱が逃げる間もなく脱着に利用できる。吸着熱と脱着熱によって生じる層内温度の変化は一般的に大きくなく、等温過程と見なすことができる。 一般的な吸着剤の空隙率は非常に高く、また変圧吸着では圧力下で吸着が行われるため、層内の吸着剤粒子間の空隙（通常は層のデッドスペースと呼ばれる）に含まれるガス量は無視できない。減圧脱着時には、強く吸着された成分が脱着するにつれて、層内の死空間にある弱く吸着された成分が層外に排出され、軽質な製品が失われる。 変圧吸着プロセスのサイクル工程は、通常、吸着、順方向減圧、逆方向減圧、洗浄または排気、均圧充填、および最終充填といったステップで構成されます。ここでは、非吸着相から製品を得る簡易な変圧吸着プロセスを例に、プロセスの主要なステップの役割について説明する。 1) 吸着ステップ：原料ガスは循環の最高圧力下で吸着層に入り、強く吸着される成分は吸着剤に吸着され、弱く吸着される成分は製品として出力される。一部の製品ガスは別の層での最終的な昇圧に使用される。吸着ステップは、吸着フロントが製品出口端からある程度の距離にある時点で停止され、製品出口端付近に未使用の吸着剤を残しておく。これは、順方向に圧力を下げる際に吸着フロントが前進するために利用される。 2) 従順圧降下ステップ：吸着ステップを終えた層において順次圧力を下げ、排出ガスを既に洗浄が完了しより低い圧力にある別の層に導入する。これにより両層の出口端が連通し、圧力平衡が達成されると両層の圧力は等しくなり、より高い中間圧力状態となる。これは圧力平衡化のステップである。それは、吸着が完了した層内の圧力と生成ガスを回収する役割を果たし、その結果、生成ガスの回収率が向上する。均圧ステップでは吸着フロントが製品出口側に進行するものの、不純物成分はまだ浸透していないため、均圧ステップでの排気ガスは基本的に純粋な製品ガスとなる。 3) 逆方向減圧ステップ：製品出口側のバルブを閉じ、供給側のバルブを開くことで、層内のガスが供給とは反対方向に層外へ排出される。これにより層内の圧力は、比較的低い中間圧力から循環系の最低圧力、通常は大気圧または負圧まで下がる。このステップでは、吸着剤に吸着されていた不純物成分が脱着して層から排出される。また、製品出口付近のデッドスペースに残っている、濃度の高い製品成分を含むガスが逆流することで層を洗浄し、その結果、供給口付近の不純物成分もこのステップで層から排出される。 4) 冲洗または排気ステップ：層は、循環の最低圧力下で、別の順流ステップを行っている層からの排出ガスによって逆流洗浄される。洗浄過程において不純物成分の分圧が低下し、吸着剤から脱着して層外に洗い流されることで、吸着フロントが供給側へと押しやられる。したがって、洗浄が終了する頃には吸着剤の再生がほぼ完了している。または、真空ポンプを用いて吸着床を排気し負圧状態にして、吸着剤の再生を促進することもできる。 5) 均圧充圧ステップ：再生は完了したが循環圧力が低い状態にある層には、次の吸着操作を行うために吸着圧力まで圧力を上げる必要がある。この充圧には、現在圧力解放ステップを行っている別の層からの排出ガスを利用し、2つの層の出口端を互いに接続することで、層の圧力を循環圧力の最低値からやや高い中間圧力まで上昇させる。逆流充圧により、吸着フロントを供給側に押しやることで、製品側をより清潔に保つことができる。 6) 最終充圧ステップ：層内圧力をより低い中間圧力から吸着圧力まで上げるには、原料ガスを順流で充圧する方法も、製品ガスを逆流で充圧する方法も用いられる。製品ガスを逆方向に圧入することで、不純物の吸着フロントを層の供給端側に押しやり、その濃度フロントをできるだけ平らにすることができる。これは次の吸着操作に有利だが、多くの製品ガスを消費する必要がある。充圧方法としては、原料ガスでより高い中間圧力まで充圧した後、製品ガスを用いて逆方向に吸着圧力まで充圧する方法や、層の両端から同時に原料ガスと製品ガスを用いて最終的に充圧する方法などがある。 7) 床層は最終的な充圧ステップ後に1サイクルの操作を完了し、次のサイクルの吸着操作に備えている。

この装置の浄化工程の主要なプロセスは5-1-3&V/VPプロセスであり、各浄化器は1回のサイクルにおいて、吸着(A)、圧力平衡1降下(E1D)、圧力平衡2降下(E2D)、圧力平衡3降下(E3D)、逆方向の減圧(D)、排気(V)、圧力平衡3上昇(E3R)、圧力平衡2上昇(E2R)、圧力平衡1上昇(E1R)、そして最終的な加圧(FR)といった工程ステップを経る必要がある。