効率的な非極低温空気分離技術

乾燥大気は体積比で窒素78.08%、酸素20.95%、アルゴン0.93%、その他微量ガスを含みます（図1）。大気は湿度により変動する水蒸気と、自然プロセス・人為活動由来ガスも含有します。空気構成ガス分離には2つ主要技術があります。(1)極低温蒸留、(2)非極低温分離プロセス。非極低温プロセスは通常、大気から単一成分分離に使用されます。

図1 大気組成

非極低温空気分離の特徴

非極低温空気分離プロセスは常温付近分離プロセスで、窒素または酸素ガス生産に使用されます。ガス需要が比較的小さく、極めて高純度ガス不要な場合にコスト効率的選択肢となります。非極低温空気分離プラントはコンパクトで、酸素フリー通常95.5〜99.5%窒素ガス、または純度90〜95.5%酸素ガスを生産します。

非極低温プラントは極低温プラント比でエネルギー効率劣ります（同等製品純度条件下）が、建設コスト低廉。要求純度低下に伴いプラント物理サイズ縮小可能、運転動力も削減。非極低温プラントは比較的迅速・容易に起動可能、30分未満でオンライン可能。製品フルタイム不要時に有用。極低温プラント同様、非極低温空気分離も空気圧縮から開始。

極低温プラントが窒素・酸素沸点差利用で分離精製するのに対し、非極低温プラントは分子構造、サイズ、質量等物理的特性差利用で窒素・酸素生産。非極低温プロセスは選択吸着または膜透過ベースです。

主要非極低温空気分離技術

非極低温空気分離プラントで最も一般的技術は：(1)吸着プロセス技術、(2)化学プロセス技術、(3)膜分離技術、(4)イオン輸送膜（ITM）技術。

吸着プロセス技術

吸着プロセス技術は、天然・合成材料が窒素または酸素を選択的に吸着する能力に基づきます。数気圧圧縮空気を吸着材充填容器通過させ、窒素または酸素生産。吸着材は吸着特性基準選定。特殊吸着材を分子ふるいとして使用、標的ガス種優先吸着。望ましい吸着材は非製品分子に対し製品ガス（窒素または酸素）よりはるかに高い親和性持ち、製品ガス分子大半が層通過し製品流へ、他空気成分が吸着材捕捉。

吸着技術酸素製造プラントは通常ゼオライト分子ふるい使用、窒素・二酸化炭素・残留水蒸気・他ガス吸着。典型酸素供給圧力1〜3気圧。酸素純度典型93〜95%、主にアルゴン含有量（典型4.5〜5%）で制限。

吸着技術窒素製造プラントは活性炭分子ふるい材料使用、酸素・他不要成分吸着除去。または「デオキソ」ユニット追加で、吸着プロセス後窒素製品中酸素を水素と触媒反応させ水生成、冷却・追加吸着で除去。窒素典型供給圧力6〜8気圧、純度95〜99.5%。より高純度必要時は装置サイズと空気原料/製品比上昇。窒素製造プラント廃流は酸素濃厚、頻繁に約40%酸素。この流れプラント内燃焼強化や廃棄物処理装置運転利用されることあり。

ゼオライト場合、材料空隙内非均一電場存在、より分極しやすい分子（静電四重極モーメント高い分子）優先吸着。したがって空気分離で窒素分子が酸素・アルゴン分子より強く吸着。空気をゼオライト材料層通過させると窒素保持、酸素豊富流出。ゼオライトが窒素選択的なため。

炭素分子ふるい場合、空気分子同オーダー細孔サイズ持ち、酸素分子が窒素分子よりわずか小さいため吸着材空洞へより速く拡散。したがって炭素分子ふるいは酸素選択的。

吸着プロセスは基本的にバッチプロセスで、吸着層定期脱着必要。したがってこの技術ベース生産プラントは通常操作継続性確保のため最低2吸着容器装備。常時、一方容器で不要成分吸着し製品製造、他方容器で大気圧減圧再生実施。吸着容器飽和接近時、バルブセットで流れ他容器へ切替。吸着器下流サージベッセル（バッファー容器）で製品ガス連続供給確保。2容器システム最一般的だが、単容器や3容器構成も使用されることあり。単容器システム資本コスト削減、3容器システム生産継続性向上。吸着技術ベース空気分離典型フローシートを図2に示します。

図2 吸着技術ベース空気分離プロセス

加圧空気が吸着層充填容器流入。窒素/酸素吸着、酸素/窒素豊富流出流生成、吸着層が窒素/酸素飽和まで。この時点で原料空気を新規容器へ切替、第1容器吸着層再生開始。再生は吸着層加熱または吸着層圧力低減で実施、平衡窒素/酸素保持容量低減。

加熱一般に温度スイング吸着（TSA）、減圧を圧力/真空スイング吸着（PSA/VSA）と呼ぶ。真空使用空気分離プラントはVPSA（真空圧力スイング吸着）、VSA（真空スイング吸着）、PVSA（圧力真空スイング吸着）プラントと呼ばれる。酸素生産用。プロセスサイクルPSAプラント類似だが、真空ポンプで脱着圧力低減。低脱着圧力で流入圧力低減。減圧伴う高速サイクルタイムと簡易操作が通常空気分離プロセス選択肢。

VPSAプラントは約0.2気圧（ゲージ）酸素生産。より高酸素供給圧力必要時は酸素ブースターコンプレッサー追加。全体的にVPSAプラントは同一製品流量・圧力・純度条件下でPSAプラントより高コストだが高エネルギー効率。

VPSAユニットは真空条件下でふるい材料再生。より完全再生分子ふるい材料結果、PSAプラント再生プロセス材料より選択性高い。結果として利用可能酸素高率回収、処理空気量削減。低空気流量と低コンプレッサー吐出圧力（通常0.5気圧ゲージ未満）で空気コンプレッサー動力大幅削減。ただし真空ポンプ動力必要で空気圧縮動力節約オフセット。

VPSAユニットは通常、希望生産速度20トン/日超でPSAユニットよりコスト効率的。高純度酸素不要条件下で60トン/日まで最もコスト効率的酸素生産選択肢。60トン/日超では通常極低温プラントが酸素生産技術選択肢、ただし大幅段階的需要変動対応で2基VPSAプラントが優位な場合あり。

運転効率影響プロセス変動：水・二酸化炭素除去別途空気前処理、圧力エネルギー回収用複数容器、減圧時真空操作。システム最適化基準：製品流量・純度・圧力、エネルギーコスト、期待運転寿命。吸着プロセス循環性質上、吸着層サイズが資本コスト制御要因。生産量吸着層体積比例のため、資本コスト生産速度関数として極低温プラントより急増。

化学プロセス技術

複数材料が特定圧力温度条件で酸素吸収、異条件で酸素脱離能力持つ。1990年代初期調査プロセスMOLTOXeプロセス、溶融塩化学プロセス。プロセス図3に示す。

図3 空気分離化学プロセス

示すプロセス変動は、循環溶融塩流酸素吸収、塩流熱・減圧組合せ脱離ベース。空気1.4〜12.5気圧圧縮、吸着ベースシステムで水・二酸化炭素除外。両者除去されないと塩劣化。

空気吸着層通過、層飽和到達。吸着層切替、飽和層ドライ窒素（プロセス由来）再生。清浄乾燥空気メイン熱交換器で還流製品流対向480〜650℃加熱。高温空気吸収塔底部流入、溶融液体塩接触。空気中酸素塩と化学反応、吸収塔底部流出液体塩と共に除去。酸素担持塩酸素フリー塩と熱交換、更加熱後減圧、脱離塔流入。気体酸素脱離塔頂部流出、酸素リーン塩脱離塔底部除去、熱交換後吸収塔頂部送還しループ閉鎖。

高温酸素・高温窒素流メイン熱交換器流入、供給空気対向冷却。酸素供給圧力圧縮、窒素一部空気前処理システム再生使用。TSAベースシステム主プロセス利点：空気圧縮は空気前処理・熱交換圧力損失克服圧力のみ必要、極低温プラント比空気圧縮動力削減。塩加熱解離用熱エネルギー源必要。小規模パイロットユニット運転でプロセス条件検証（期待塩負荷で99.9%酸素純度）、しかし塩/酸素二相領域腐食が経済問題と判明。

膜分離技術

膜分離技術ベースプロセスは、空気ガスがポリマー膜通過拡散速度差利用。ポリマー材料膜プロセスは、高圧・低圧プロセス流分離膜通過酸素・窒素拡散速度差ベース。膜分離技術は特殊ポリマー製チューブバンドル使用、頻繁にシェルアンドチューブ熱交換器類似構成。空気分離原理：異なるガスがポリマー膜通過透過率異なる。ポリマー膜プロセス空気分離概略図4に示す。

図4 空気分離ポリマープロセス

フラックスと選択性が膜システム経済性決定2特性、両者特定膜材料関数。フラックス膜表面積決定、圧力差/膜厚関数。膜タイプ変動比例定数を透過率と呼ぶ。選択性は分離対象ガス透過率比。酸素分子小さいため、ほとんど膜材料で酸素透過率窒素超。

空気分離原理：異なるガスがポリマーフィルム通過透過率異なる。酸素・水蒸気・二酸化炭素「速ガス」で、アルゴン・窒素「遅ガス」よりチューブ壁急速透過。これにより乾燥空気を窒素・アルゴン主体不活性混合物製品、低圧「透過」または廃ガス（酸素・水蒸気・二酸化炭素豊富）へ変換、シェルからベント。

大気ろ過、所要圧力圧縮、乾燥後膜モジュール通過。高拡散率成分（O₂、CO₂）ポリマー繊維急速透過、窒素豊富流一次製品生成。N₂ガス流純度膜モジュール通過流量依存、効率運転で93〜99.5%以上達成。

窒素製品膜ユニットから圧縮空気供給圧力近似値で出現。分離プロセス可動部なし、膜ユニット必要時迅速活性化、不要時停止可能。

膜分離プラント通常標準サイズモジュール製造、窒素生産定格は希望窒素純度依存。与え標準モジュールで流入空気流量増加と共に窒素生産率上昇、同時に窒素純度低下。必要生産能力（指定純度レベル）最大標準モジュール超時、通常複数小型ユニットマニフォールド結合並列運転。

膜プラント比較的低需要用途コスト効率的。大容量プラント通常複数小容量モジュール構成、膜プラント生産能力単位当たりコスト幅広生産率範囲でほぼ一定。これはPSA窒素プラントと極低温空気分離窒素プラント典型的限界能力逓減コストと対照的。

希望製品酸素時、膜システム通常酸素濃縮空気（25〜50%酸素）生産限定。活性/促進輸送膜、酸素錯形成剤組込み酸素選択性向上、酸素適合膜材料利用可能前提で膜システム酸素純度向上潜在手段。

酸素繊維（中空繊維タイプ）またはシート（渦巻き巻きタイプ）透過、製品として引出。真空ポンプ典型的膜跨ぎ圧力差維持、所要圧力酸素供給。二酸化炭素・水通常酸素濃縮空気製品出現、ほとんど膜材料で酸素より透過性高いため。

膜分離主要メリット：常温付近条件運転シンプル連続プロセス。エアブロワーフィルター・膜チューブ・配管圧力損失克服十分ヘッド圧供給。膜材料通常円筒モジュール組立、マニフォールド結合必要生産能力確保。

吸着システム同様、資本コスト本質的に生産速度線形関数、別途液体酸素貯蔵タンク・供給サポートシステムなしで製品バックアップ通常不可。膜システム20トン/日迄用途容易適合、水・二酸化炭素汚染許容酸素濃縮純度用途。この技術吸着・極低温より新しく、材料改善でやや大酸素要求へ魅力的になる可能性。常温付近運転による高速起動時間、不連続使用パターン酸素使用システム特に魅力的。プロセス受動性も魅力。

膜プラント比較的低需要用途コスト効率的。大容量プラント通常複数小容量モジュール構成、膜プラント生産能力単位当たりコスト幅広生産率範囲でほぼ一定。

イオン輸送膜（ITM）技術

ITMは固体無機酸化物セラミック材料で、セラミック結晶構造通過酸素イオン通過で酸素生産。通常600℃以上高温運転。酸素分子膜表面で酸素イオン変換、印加電圧または酸素分圧差で膜通過輸送、膜材料通過後酸素分子再形成。膜材料平板・チューブ加工可能。図5にイオン輸送膜空気分離プロセスシンプル概略図示す。

図5 イオン輸送膜空気分離プロセス

大規模エネルギー変換プロセスでは圧力差輸送駆動力が選択肢。圧力差駆動膜は酸素イオン・電子両方伝導するため混合伝導膜と呼ばれる。酸素イオンITM極高流量通過、膜透過側ほぼ純粋酸素生成。酸素純粋製品分離可能、または透過側他ガススイープで低純度製品生成可能。反応性スイープガス使用時、酸化製品直接生成可能、例：天然ガスメタンスイープで合成ガス製造、GTL（ガス・ツー・リキッド）変換用。

空気圧縮後、熱プロセス流（非透過・酸素製品）対向熱交換、補助加熱で運転温度加熱。一般に空気加熱は間接熱交換および/または燃料直接燃焼で実施。酸素流供給圧力圧縮。加圧窒素豊富非透過流エネルギー変換プロセス他部位利用、例：統合ガスタービンサイクル膨張発電。

ITM酸素プロセスは、燃焼・ガス化原料酸素必要、または動力必要酸素ベース用途と統合適合。