【毎週のテーマ】{2011年11月20日} PSAプロセスに影響を与える主な要因は何か？

PSAプロセスに影響を与える要因は以下の通りです：(1)供給ガス中の水分：供給ガス中の液体分が層内に入ると、吸着剤のガス中の不純物を吸着する能力に深刻な影響を及ぼし、また再生も困難になります。そのため、供給ガスに対して厳格な脱水処理や保温処理を行う必要があります。(2)供給ガスの組成：水素の含有量が設計値を下回る場合（不純物が増加）、吸着時間を短縮する必要があり、その結果、水素の生成量や収率が低下します。また、供給ガスの組成が設計範囲外であると、吸着剤が損傷を受け、その使用寿命にも影響を与えます。- (3)供給流速：流速が低い場合は、より高い水素収率を得るために吸着時間を長くする必要があり、流速が高い場合は製品の純度を保つために吸着時間を適宜短くする必要がある。PSAは操作の柔軟性が高く、設計能力の110～30％の範囲内のどの流速でも運転可能であり、製品の水素純度も確保できる。 (4)吸着圧力：PSAの操作圧力は高ければ高いほど良いわけではなく、ある圧力範囲内では不純物の吸着量が増加し水素の回収率も向上するが、より高い圧力下では水素の吸着量もそれに応じて増加し、逆に回収率が低下する。すべての圧力は1.28MPa前後である。 (5)供給温度：供給温度が低すぎるか高すぎると、水素収率が低下する。温度が高すぎると吸着に悪影響を及ぼし、吸着剤の寿命にも影響する。温度が低すぎると再生が困難になり、水分が混入する可能性もあって、これも吸着剤にとって好ましくない。

1、吸着剤の活性：吸着剤の活性が高く、不純物を強力に吸着できるため、製品の純度が高い。変圧によって吸着剤が再生されるため、逆圧が低いほど再生効果は高くなる；真空ポンプがある場合、真空度が高いほど再生効果は良くなります。中毒の影響にも注意が必要で、硫黄中毒と液体中毒に分かれます。原料の硫黄含有量を制御する必要がある；真空ポンプを停止する前には、まず入口バルブを閉じて作業液の逆流を防がなければならない。分子ふるいが水分を吸収すると、再生が困難になるからだ。 2、吸着剤の強度：強度が高く、破砕しにくく、吸着効果が優れている。 3、吸着圧力：上の意見には同意しません。吸着圧力が2.0MPaを超えるものも多くあることを知っています。
4、プログラム制御バルブ：プログラム制御バルブは密封性が高く、ガスの内部漏れがなく、製品の純度が高く、生産量も多いです。

変圧吸着ガス分離技術は、化学プロセスの一要素として、吸着分離工学という独立した学問分野として急速に発展しており、石油、化学、冶金、電子、国防、軽工業、農業、医薬品、食品、環境保護など、さまざまな分野でますます広く応用されている。実践により、変圧吸着技術は効果的なガス分離精製法であることが証明されている。 圧力変動吸着（Pressure Swing Adsorption、略称PSA）は、吸着分離技術の中でガス混合物を分離するために用いられる高度な技術です。1960年代に世界がエネルギー危機に直面していた際、アメリカのユナイテッド・カーボニッド社（UCC）が最初に変圧吸着技術を用いて、水素を含む工業排ガスから高純度の水素を回収しました。1966年には、水素を回収するための初のPSA式工業装置が稼働を開始しました。1999年まで。世界中で少なくとも1000基以上のPSA水素製造装置が稼働しており、その水素生産能力は20～100000Nm3/hと幅があります。 中国西南化工研究設計院は1972年に変圧吸着ガス分離技術の研究を開始し、1982年に上海でアンモニア工場から排出されるガスから純水素を回収する最初の変圧吸着型工業装置を建設した。長年にわたり、吸着剤やプロセス、計装制御、工事実施などの分野における研究が深まるにつれて、変圧吸着技術はガス分離・精製の分野での適用範囲がますます広がってきている。すでに開発が成功した圧力変化吸着式ガス分離技術は、合成アンモニアの放出ガスから水素を回収する用途から、一酸化炭素を含む混合ガスから一酸化炭素を精製すること、合成アンモニア変換ガスの脱炭、天然ガスの精製、空気分離による高濃度酸素の製造、空気分離による純窒素の製造、石炭鉱山のガスからメタンを濃縮すること、エチレンを多く含む混合ガスからエチレンを濃縮すること、二酸化炭素を含む混合ガスから二酸化炭素を精製することなど、9つの分野に応用されている。中国西南化工研究設計院は、UOP社やリンデ社と並び、世界で圧力変化吸着システムの研究開発を専門とする3大研究機関の一つとなっている。 2.2 PSA技術の応用　変圧吸着式ガス分離装置の動作方式は、大まかに以下のように分類できる。減圧・洗浄解析型、等圧型、平衡分離型、減圧・排気解析型、変圧吸着型、非等圧型、急速変圧吸着型、速度分離型である。平衡分離型は、吸着剤上でのガスの平衡吸着特性に基づいて選択的に吸着させる原理によってガス混合物を分離するものであり、速度分離型は、吸着剤が各成分を吸着する速度の違いに基づいてガス混合物を分離するものである。 平衡分離型では、等圧型の吸着操作は等圧下で行われ、吸着層の圧力損失は運転圧力下で小さい。現在、工業的に使用されている変圧吸着装置のほとんどは、平衡分離型のうちの等圧型である。非等圧型の急速変圧吸着は、システム内の流体抵抗を適切に配分することによって実現される。吸着操作では吸着層内に一定の圧力勾配が保たれる必要があり、吸着剤の粒径は40～60メッシュと小さい（等圧型変圧吸着装置で使用される吸着剤の直径は1～4mm）ため、圧力損失が大きくなる。急速変圧吸着の特徴は、装置が非常にシンプルで、通常は吸着層が1つしかなく、また急速なサイクルにより単位吸着剤あたりの生産能力が高いことです。その欠点は、高純度の製品を得られないこと、同じ製品純度での回収率が低いこと、小規模な生産装置にしか適用できないことであり、現在このタイプの工業化装置は少ない。速度分離型の吸着操作は、異なるガス分子が吸着剤の微小孔内で拡散する速度の違いによって実現されるため、吸着過程を非常に短い時間で完了させなければならない。炭素分子ふるいによる空気の吸着分離は、このタイプに属します。 3、変圧吸着プロセスの技術的要点 3.1 吸着剤の選定　吸着剤の各種ガス成分に対する吸着性能は、実験によって静的な等温吸着線および動的な流出曲線を測定することで評価される。優れた吸着性能を持つ吸着剤こそが、吸着分離プロセスにおける基本的条件となる。変圧吸着過程において吸着剤の選択は、吸着と脱着の間の矛盾を考慮する必要がある。一般的に、吸着しやすい成分ほど脱着しにくく、逆に、吸着しにくい成分ほど脱着しやすい。例えば、ベンゼンやトルエンといった強力な吸着質の場合は、その吸着能力が弱いシリカゲルのような吸着剤を使用し、適切な吸着容量を確保するとともに、脱着を容易にする必要がある；一方、CO、CH4、N2などの弱い吸着質に対しては、ゼオライトのような吸着能力が高い吸着剤を選択する必要がある。吸着剤を選択するもう一つの鍵は、成分間の分離係数をできるだけ大きくすることです。 いわゆる分離係数とは、あるガス成分の吸着層内における総量が2つの部分から成ることを指す。一部はデッドスペースにあり、もう一部は吸着剤に吸着され、その合計が吸着層内におけるあるガス成分の吸着量と呼ばれる；弱吸着成分と強吸着成分がそれぞれデッドスペース内に含まれる量の、カラム内残留量に対する割合の比を分離係数と呼ぶ。変圧吸着過程で分離される2つの成分の分離係数は2以上でなければならない。表3-2には、一般的な吸着剤における気体成分の、大気圧および20℃の条件下での分離係数が示されている。さらに、吸着床の運転中には床内圧力が周期的に変化するため、ガスが短時間で吸着床に流入または排出され、吸着剤は頻繁な気流の衝撃にさらされる。これにより、破壊や摩耗を減少させるために、使用する吸着剤には十分な強度が求められる。 表3-2 一般的に使用される吸着剤における気体成分の分離係数（20℃、1atm）
気体成分　吸着剤　CH4/CO2　CO/CH4　N2/CH4　N2/CO　H2/CH4　H2/CO　H2/N2
シリカゲル　6.4　1.34　1.86　1.42　2.90　2.05　3.8
活性炭　2.0　2.07　2.84　1.37　6.97　5.10　14.4
5A分子篩　1.79　3.15　1.4　2.50　9.65　17.2　6.9
ミルラーゼオライト　1.18　2.23　1.39　1.65　15.0　18.5　11.2
13X分子篩　1.58　4.7　1.52　2.40　8.0　12.6　5.25
注：1atm＝101.325kPa。 表3-2には、変圧吸着法によってさまざまなガス混合物を分離する際に一般的に使用される吸着剤が記載されている。成分が複雑で種類の多いガス混合物を分離する場合、複数の吸着剤を使用する必要があることが多く、これらの吸着剤は吸着分離性能に応じて順番に同じ吸着床内に層状に充填して複合床を構成することも、状況に応じて別々の吸着床に設置することもできる。 3.2 プログラム制御バルブは、PSAプロセスが円滑に稼働するための鍵となるものです。高品質なプログラム制御バルブがあれば、装置が長期にわたって安定して稼働し続けることが保証されます。実際、プログラム制御バルブ技術は、変圧吸着装置における重要な技術であり、PSAの動作は、装置内の数十個ものプログラム制御バルブが頻繁に開閉されることによって、吸着床の吸着状態と再生状態を切り替えていくことによって実現されています。これらのプログラム制御バルブは、1年間に数万回から数十万回も開閉されます。統計によると、PSA装置の故障の90％はプログラム制御バルブに起因しています。したがって、PSAプログラム制御バルブの操作指標および要求事項は、優れた密封性能、迅速な開閉速度、そして調整能力に加えて、一般的なバルブよりも高くなっている。頻繁な動作のもとでも長期にわたって信頼性を持って動作できる必要があり、主な特徴は以下の通りです：⑴動作寿命が長く、密封性能を保つために50万回以上の開閉が求められ、中にはプログラム制御バルブとして100万回開閉しても漏れがないことが要求されるものもあります。 ⑵開閉速度が速く、バルブの通径によって異なりますが、その開閉時間は1～3秒未満であるべきです。 ⑶一部のバルブには、双方向の流れが可能な特性が求められます。 ⑷一部のバルブは、上記の開閉特性に加えて、調節機能も備えている。 ⑸バルブの内外のシール性能については、50万回動作した後でもAN～SIBl6.04のシール基準を満たすことが求められ、特にCO装置で使用されるプログラム制御バルブでは、外部へのシール性能にさらに厳しい要求が課せられる。 ⑹バルブ位置の現場表示および遠隔信号送信機能を備え、動作寿命はプログラム制御バルブに匹敵し、II区分の防爆要件を満たしている。 ⑺調節機能を備えたプログラム制御バルブに搭載される電気・空気式バルブポジショナーは、プログラム制御バルブと同じ寿命を持ち、かつII区分の防爆要件も満たします。 初期のPSAガス分離装置は主に空気駆動式ボールバルブを使用していたが、この技術が発展するにつれて、ボールバルブだけでは変圧吸着技術が多層化・大型化していく要求に対応することが難しくなった。現在、国内の各変圧吸着専門の研究機関はそれぞれ独自のバルブ研究・製造部門を有しており、変圧吸着プロセスに適した新型の自己補償型耐衝撃空気駆動平板バルブ、論理誘導バルブ、波形バルブ、真空ダイヤフラムバルブ、組合せバルブなど、7つのカテゴリーにわたる数十種類のバルブを開発に成功している。また、バルブの最大口径は500mmに達している。一般的に、小型の装置ではボールバルブ、ロジックガイドバルブ、コンビネーションバルブ、小口径の平板バルブが多く使用されます。一方、大型の装置では真空バタフライバルブや大口径の平板バルブが用いられます。漏れ率が特に厳しく求められる、変圧吸着法によるCO精製用のPSA装置の場合は、非常に優れた密封性能を持つリブ付きバルブのみが使用可能です。現在、国内で独自に開発されている変圧吸着用のプログラム制御バルブは、高い密封性能、比較的少ないメンテナンス作業、速い開閉速度、長い使用寿命といった特徴を持っています。また、漏れのない状態での開閉回数は最大で100万回にも達します。 3.3 吸着装置の疲労設計による安全性の確保　非標準機器である変圧吸着装置の吸着装置は、その機能や圧力レベルに基づき第2種圧力容器に分類される。しかし、使用期間中に40万回もの全振幅の交流圧力の変動にさらされるため、疲労圧力容器に該当する。そのため、設計時には第2種圧力容器として扱うだけでは不十分であり、交流圧力の要件に応じて専用の試験を経て設計を行う必要がある。現在、我が国における疲労圧力容器の設計規格はまだ完備していないため、吸着器の設計にあたっては、国内外の関連規程や規格を参照するほか、主に長期にわたる圧力容器の疲労試験に関するデータに基づいて行われる。 吸着装置の設計においては、疲労問題のほかに、その気流分布器の構造にも特別な要求がある。気流分配器の構造設計が不十分だと、気流の分布が均一でなくなり、気流の逆流が起こりやすくなる。その結果、吸着剤の利用率が低下し、吸着効率に直接的な影響を与えるだけでなく、吸着剤が粉状になって機能しなくなることもある。特に直径が大きい（3mを超える）吸着器においては、装置が正常に動作するために、気流分配器の設計が正しいかどうかが一層重要となる。 3.4 コンピュータによる変圧吸着の新たな水準への向上　制御システム　変圧吸着装置は、連続運転であり、プログラム制御バルブの切り替えが頻繁に行われ、制御調節バルブの数も多く、順序制御の量も特に大きいため、高度な自動化が求められる。装置の製造過程において、計測器や制御システムは効果的に監視されるべきであり、これによって安定かつ信頼性の高い運転が確保される。 国内のPSA技術に特化した研究機関では、各装置の特性やユーザーが求める自動制御レベルに応じて、空気圧式III型、電動式III型、SPEC–200、YS-800、1151、ST3000といった国産および輸入製の計器をはじめ、FX2、C200HSシリーズ、SYSTEM-3シリーズ、T1535、R150、UXLシリーズ、S9000E、ROSEMOUNT、TDC-3000、Centumといった、さまざまな機能や性能を持つプログラマブルコントローラーや分散制御システムを導入することができる。

(1)給料中の水分：給料中の水分が層内に入ると、吸着剤のガス中の不純物を吸着する能力に深刻な影響を与え、また再生も困難になるため、給料ガスに対して厳格な脱水処理および保温処理を行う必要がある。 (2)供給原料の組成：水素含有量が設計値を下回る場合（不純物が増加）、吸着時間を適宜短縮し、水素生成量と水素回収率を低下させる必要がある。また、供給原料の組成が設計範囲外であると、吸着剤に損傷を与え、その使用寿命に影響を及ぼす。 (3)供給流速：流速が低い場合は、より高い水素収率を得るために吸着時間を長くする必要があり、流速が高い場合は製品の純度を保つために吸着時間を適宜短くする必要がある。PSAは操作の柔軟性が高く、設計能力の110～30％の範囲内のどの流速でも運転可能であり、製品の水素純度も確保できる。 (4)吸着圧力：PSAの操作圧力は高ければ高いほど良いわけではなく、ある圧力範囲内では不純物の吸着量が増加し水素の回収率も向上するが、より高い圧力下では水素の吸着量もそれに応じて増加し、逆に回収率が低下する。すべての圧力は1.28MPa前後である。 (5)供給温度：供給温度が低すぎるか高すぎると、水素収率が低下する。温度が高すぎると吸着に悪影響を及ぼし、吸着剤の寿命にも影響する。温度が低すぎると再生が困難になり、水分が混入する可能性もあって、これも吸着剤にとって好ましくない。

PSAプロセスに影響を与える主な要因：1、設計上の影響因子：吸着剤の性質、原料ガスの組成、塔の容量、均圧回数、製品の純度。2、運転設定および状態の影響：プログラム制御バルブの状態、吸着圧力の設定、逆放圧力の高さ、真空度の大きさ、各タイミングの設定など。 したがって、変圧吸着操作においては、吸着圧力を高め、逆放圧力を下げ、吸着時間を延長し、解析効率を向上させるなどの手法を可能な限り講じて、ガス回収率を最大限に高めるべきである。

PSAプロセスに影響を与える要因には、供給温度、吸着圧力、吸着剤、原料ガスの組成、均圧回数、脱着方法があります

1. 入料中の水分：入料に含まれる水分が層内に入ると、吸着剤のガス中の不純物吸着性能に深刻な影響を与え、また再生も困難になるため、入力ガスに対して厳格な脱水処理および保温処理を行う必要がある。 2. 入料組成：水素含有量が設計値を下回る場合（不純物が増加）、吸着時間を適宜短縮し、水素生成量と水素回収率を低下させる必要がある。また、入料組成の規格が設計範囲外であると、吸着剤に損傷を与え、その使用寿命に影響を及ぼす。 3. 入料流速：流速が低い場合は、より高い水素収率を得るために吸着時間を長くする必要があります。一方、流速が高い場合は、製品の純度を保つために吸着時間を適宜短くする必要があります。PSAは操作範囲が広く、設計能力の110～30％のあらゆる流速で運転可能であり、製品の水素純度も確保できます。 4. 吸着圧力：PSAの操作圧力は高ければ高いほど良いわけではない。ある一定の圧力範囲内では、不純物の吸着量が増えて水素の回収率が向上するが、圧力が高くなると水素の吸着量も増加し、逆に回収率が低下する。すべての圧力は1.28MPa前後である。

5. 入料温度：入料温度が低すぎるか高すぎると、水素の回収率が低下する。温度が高すぎると吸着が妨げられ、吸着剤の寿命に影響を与える。温度が低すぎると再生が困難になり、水分が混入する可能性もあり、これも吸着剤にとって不利である

(1)給料中の水分：給料中の水分が層内に入ると、吸着剤のガス中の不純物を吸着する能力に深刻な影響を与え、また再生も困難になるため、給料ガスに対して厳格な脱水処理および保温処理を行う必要がある。 $ Y7 h: y$ g0 Y7 N: E, H(2) 入料組成：水素含有量が設計値を下回る場合（不純物が増加）、吸着時間を適宜短縮し、水素生成量と水素回収率を低下させる必要がある。また、入料組成の仕様が設計範囲外であると、吸着剤に損傷を与え、その使用寿命に影響を及ぼす。 (3)供給流速：流速が低い場合は、より高い水素収率を得るために吸着時間を長くする必要があり、流速が高い場合は製品の純度を保つために吸着時間を適宜短くする必要がある。PSAは操作の柔軟性が高く、設計能力の110～30％の範囲内のどの流速でも運転可能であり、製品の水素純度も確保できる。 7 U' c- v1 I- J# s1 P8 k6 F (4) 吸着圧力：PSAの操作圧力は高ければ高いほど良いわけではない。ある一定の圧力範囲内では、不純物の吸着量が増加し水素の回収率も向上するが、より高い圧力下では水素の吸着量もそれに応じて増加し、かえって回収率が低下する。すべての圧力は1.28MPa前後である。(B! c) ?9 T1 V; g: S (5) 入料温度：入料温度が低すぎるか高すぎると、水素の収率が低下する。温度が高すぎると吸着に悪影響を及ぼし、吸着剤の寿命にも影響する。温度が低すぎると再生が困難になり、水分が混入する可能性もあり、これも吸着剤にとって好ましくない。

この問題は少し広範囲にわたりますが、製品の純度、収率、そして装置の経済性を指標とするならば、主な影響要因は2つあると思います。1つ目は吸着剤で、2つ目は工程条件です。吸着剤についてはその選択性が重要であり、工程条件には吸着圧力、均圧回数、置換洗浄や逆流といった工程の有無、排気圧力、排気時間などが含まれます