先進極低温空気分離：窒素・酸素効率的抽出技術

空気は様々ガスで構成、窒素（N₂）と酸素（O₂）合わせて全サンプル体積約99.03%占有。乾燥空気体積比：窒素約78.08%、酸素約20.95%、アルゴン約0.93%、水素・ネオン・ヘリウム・クリプトン・キセノン・二酸化炭素等微量ガス含有。環境空気は湿度依存変動水蒸気、自然プロセス・人為活動由来ガス含有。酸素・窒素は空気分離プロセスで空気構成成分分離により生産。アルゴン・クリプトン等希ガスは空気分離副産物として回収可能。

空気分離技術概観

空気構成ガス分離は特定空気分離技術実装で実現。現在利用可能な異なる空気分離技術複数あり、それぞれ空気構成ガス間物理的特性差異属性活用目指す。すなわち、空気分離技術は空気構成ガス各々異なる物理的特性持つ事実ベース、以下物理的特性活用で空気分離実現：(1)構成ガス分子サイズ区別、(2)特定材料通過拡散速度差区別、(3)特定ガス向特殊材料吸着選好性、(4)沸点差異等。

今日使用技術：極低温、吸着、化学プロセス、ポリマー膜、イオン輸送膜（ITM）。これら中、極低温空気分離技術はライフサイクル成熟段階、現在利用可能技術中、酸素・窒素・アルゴン等空気製品大量生産唯一実現可能手段。

空気分離技術は酸素・窒素ガス生産用、場合により液体製品生産。一部プラントアルゴンガス・液体・両方生産。すべて空気分離プロセス空気圧縮開始。すべて空気分離プラント非極低温ベースまたは極低温ベース技術採用。非極低温空気分離技術採用プラントは常温付近分離プロセスで気体酸素・窒素製品生産。酸素典型90〜95.5%純度、窒素典型95.5〜99.5%酸素フリー生産。空気分離プラント酸素3倍超窒素生産可能、通常窒素/酸素製品比1:1〜1.5:1維持。

極低温空気分離歴史と特徴

極低温プロセス1895年カール・フォン・リンデ初開発、1900年代ジョージ・クロード改良、溶接・切断・医療ガス等各種工業プロセス要件向け小規模酸素生産。

産業規模極低温空気分離20世紀初頭開始、冶金・酸素・窒素・最終アルゴン可用性高依存他産業分野発展促進。極低温空気分離プラント（ASP）特徴：製品品質極良、大容量、高信頼性。他新興空気分離技術存在しても、極低温空気分離技術は酸素生産基本技術維持。極低温空気分離プラント最一般的に高純度気体製品生産用使用。ただし通常数百トン/日以上分離ガス大量必要用途限定使用。気体・液体両製品生産可能。

極低温空気分離技術はガス沸点差利用分離。空気構成ガス各々異なる沸点持ち、温度圧力即時環境操作で空気成分分離可能ベース。1気圧0℃酸素沸点-182.9℃、6気圧0℃-160.7℃。対応窒素沸点-195.8℃と-176.6℃、アルゴン-185.8℃と-164.6℃。

以下3基準いずれか必要時極低温分離最効果的：(1)高純度酸素必要（99.5%超）、(2)大量酸素必要（100トン/日超）、(3)高圧酸素必要。極低温空気分離機起動1時間超必要。さらに極低温で高純度酸素生産可能なため、廃窒素流利用品質確保、極低温空気分離プラント統合プロセスへ相当財務メリット付加可能。

極低温空気分離基本プロセス

空気構成ガス極低温分離には様々プロセス関与。極低温空気分離プラント必要基本プロセス組合せ：(1)空気圧縮、(2)空気精製、(3)熱交換、(4)蒸留、(5)製品圧縮。図1にこれらプロセス示す。

図1 極低温空気分離関与基本プロセス

極低温空気分離プラントは極低温空気分離プロセスベース。基本プロセスは20世紀初頭商業化以来、産業プロセスとして継続開発。特定ガス製品・製品ミックス効率的生産、要求純度・圧力レベル達成願望駆動で多数プロセス構成変種出現。空気分離プロセスサイクルは圧縮機械、熱交換器、蒸留技術、ガス膨張機技術進歩と並行進化。

蒸留プロセスが全体プロセス核心で、空気構成成分実際分離実行。空気製品特定純度生産、純度定義：100%純粋空気製品量/出力総空気製品量比。

蒸留プロセスでトレイ使用。トレイ基本機能：下降液体・上昇ガス効率的接触実現。トレイは(1)上昇ガス冷却・部分凝縮、(2)下降液体加熱・部分気化ステージ設定。図2に典型蒸留塔・分留トレイ示す。この蒸留塔は気化器1基・凝縮器1基のみ。蒸留は効率的液体・ガス接触で可能、下降液体・上昇ガス適切接触で実現。最揮発性・低揮発性元素各トレイ純度異なり、蒸留塔下側・上側が両極端、純粋元素取得箇所。

図2 酸素・窒素生産用分留トレイ付典型蒸留塔

図2示す通りトレイ上昇ガスに抵抗与え圧力降下生成。圧力降下最小化必要、空気コンプレッサーエネルギー消費重大影響、トレイ技術開発重要パラメータ。蒸留充填材別技術使用、分留トレイ対比極めて小総圧力降下、液体・ガス接触改善確保。

酸素生産には酸素・窒素液体混合物、底部気化器装備塔必要。窒素生産には酸素・窒素気体混合物、頂部凝縮器装備塔必要、副産物酸素豊富品も生成。これら2塔タイプ積み重ね、窒素塔底部取得酸素豊富液体を酸素塔頂部へルーティングで、凝縮器1基のみ使用し酸素・窒素生産可能。図2示す通り。

酸素豊富液体上部蒸留塔頂部流入、蒸留経て同塔底部液体酸素（LOX）生成。気体窒素（GAN）下部塔頂部と液体酸素（LOX）上部塔底部熱交換発生でLOX気化気体酸素（GOX）実現。上部塔頂部で窒素・酸素ガス混合物廃棄物も生成。

実践では凝縮器機能熱交換器果たし、GANからLOXへ、逆方向へ適切熱伝達確保、LOX気化とGAN凝縮実現、蒸留塔連続運転必要。このモデル塔積み重ねだが、実践では並列配置も時々実施。

極低温空気分離プロセスはエネルギー集約型低温プロセス、空気構成ガス分離。酸素分離エネルギー消費は酸素純度増大関数。電力コスト空気分離プラント最大単一運転コスト、通常ガス・液体製品生産関連運転コスト1/3〜2/3範囲。製鉄業界酸素・窒素・アルゴンガス大量使用のため、これらガス価格鉄鋼・鉄鋼製品製造コスト影響。ASPエネルギー効率は酸素・窒素生産比大幅影響、要件により変動可能。

空気から酸素分離熱力学的最小仕事53.1kWh/トン酸素。現在最良構築極低温ASP、熱力学的最小約3倍超過エネルギー消費特徴。

極低温空気分離プロセス複雑性、装置物理サイズ、プロセス運転必要エネルギーは気体・液体製品数、要求製品純度、要求供給圧力で変動。窒素ガスのみ生産プラントは酸素ガスのみ生産プラント比低複雑・低動力。両ガス共産生で資本コスト増・エネルギー効率向上。液体形態製造は追加装置必要、単位供給ガス当たり必要動力2倍超。

アルゴン生産経済的なのは酸素共産品時のみ。高純度生産で空気分離プラント物理サイズ・複雑性増大。典型極低温空気分離プラントフロー図図3示す。フロー図プラント各構成要素典型相互関係示す。ただし実際関係は要求充足向け変動可能な空気分離プラント設計依存。

図3 典型極低温空気分離プラントフロー図

極低温空気分離プロセスステップ

極低温空気分離プロセスには複数ステップ存在。第1ステップ：流入空気ろ過・圧縮・冷却。多く場合製品ミックス・必要製品圧力依存5〜8MPa間圧縮。このステップ圧縮空気冷却、流入空気中水蒸気大半凝縮除去、段間クーラー系列+最終段後アフタークーラー通過時。

第2ステップ：不純物除去、特に残留水蒸気+二酸化炭素（CO₂）限定せず。製品品質仕様充足、蒸留部門流入前実施。水蒸気・CO₂除去2基本アプローチ：(1)分子ふるいユニット、(2)反転熱交換器。新設空気分離プラント多く分子ふるい前精製ユニット採用、流入空気水蒸気・CO₂除去。反転熱交換器水蒸気・CO₂除去小規模プラントコスト効率的。反転熱交換器使用プラントでは圧縮空気供給冷却2セットろう付けアルミ熱交換器実施。反転熱交換器使用時、炭化水素除去用低温吸収ユニット設置。

第3ステップ：製品・廃ガス流対向更熱伝達、空気流極低温（-185℃）到達。ろう付けアルミ熱交換器で流入空気原料と分離プロセス流出冷製品・廃ガス流熱交換実施。熱交換中流出ガス流環境空気温度近似値まで加温。気体製品流・廃流冷凍回収でプラント生成必要冷凍量最小化。極低温蒸留必要極低温は、1つ以上高圧プロセス流膨張含む冷凍プロセス生成。

第4ステップ：空気所望製品分離蒸留プロセス。酸素生産には直列2蒸留塔使用、通常高圧・低圧塔称。窒素プラント1塔のみ可能、多く2塔。窒素各蒸留塔頂部流出、酸素底部流出。初期（高圧）塔生成不純酸素第2低圧塔で更精製。アルゴン沸点酸素類似、優先的に酸素残留。高純度酸素必要時アルゴン除去必要。アルゴン除去低圧塔アルゴン濃度最高点実施。除去アルゴン通常低圧塔アルゴン精製設備統合追加「ドロー」粗アルゴン蒸留塔処理。冷気体製品・粗アルゴンベント、現場更処理、液体回収、気化ガスアルゴン生産可能。

空気分離塔流出廃流フロントエンド熱交換器逆通過ルーティング。環境温度近似値まで加温時流入空気冷却。供給・製品流熱交換でプラント正味冷凍負荷最小化、エネルギー消費最小化。

冷凍極低温レベル生成、冷却装置熱リーク補償、流入・流出気体流不完全熱交換補償。空気分離プラント冷凍サイクルで、1つ以上高圧流（プラントタイプ依存：取入空気、窒素、廃ガス、供給ガス、製品ガス）減圧、流冷却。冷却最大化・プラントエネルギー効率最大化 위해、減圧（膨張）エキスパンダー（タービン形態）内部実施。ガス流エネルギー除去で温度低下、単純バルブ膨張比大幅。エキスパンダー生成エネルギープロセスコンプレッサー駆動、発電機、他エネルギー消費装置活用。

気体製品典型コールドボックス（蒸留塔・極低温運転他装置含有断熱容器）出口比較的低圧力、頻繁1気圧超（絶対）。一般に供給圧力低いほど分離精製プロセス効率高。製品ガスコンプレッサー圧縮、製品ガス用途必要圧力へ。

極低温運転プロセス部分（蒸留塔、熱交換器、冷連結配管等）十分断熱必要。これらアイテム密封（窒素パージ）「コールドボックス」内配置、比較的高構造、断面矩形・円形。コールドボックスロックウール充填、断熱・対流電流最小化。プラントタイプ・容量依存、コールドボックス片側2〜4m、高さ15〜60m。

アルゴン生産

純粋アルゴン通常粗アルゴンから多段階プロセス生産。伝統的アプローチ：粗アルゴン含有2〜3%酸素「デオキソ」ユニット除去。小型ユニット触媒含有容器で酸素・水素化学結合。生成水冷却後分子ふるい乾燥機容易除去。酸素フリーアルゴン流「純粋アルゴン」蒸留塔処理、残留窒素・未反応水素除去。

充填塔蒸留技術進歩で第2アルゴン生産選択肢創出：完全極低温アルゴン回収、非常に高い（小径）蒸留塔で困難アルゴン/酸素分離実現。プラント生産可能アルゴン量蒸留システム処理酸素量+回収率影響他変数制限。含む：液体酸素生産量、プラント運転条件安定性。大気天然ガス比率由来、アルゴン生産体積比酸素供給率4.4%超不可、重量比5.5%超不可。

液体製品生産

極低温空気分離プラント液体製品生産時、通常基本空気分離プラント追加・統合補助冷凍ユニット追加。このユニット液化器称、窒素主作動流体使用。液化器容量空気分離プラント容量小部分〜酸素+窒素+アルゴン最大生産能力範囲。

液化器使用基本プロセスサイクル数十年不変。典型液化器：常温常圧窒素取入、圧縮、冷却、高圧流膨張冷凍生成。新旧液化器主差異：極低温熱交換器最大運転圧力定格、極低温熱交換器製造技術改善で上昇。典型新液化器、より高ピークサイクル圧力・高効率エキスパンダー採用時古い30年前液化器比高エネルギー効率可能。