空気分離ユニット

空気分離ユニットとは何ですか？

 

空気分離ユニットは産業施設です。最初に空気を冷却して液化することにより機能します。次に、空気中のさまざまな沸点に基づいて極低温蒸留を活用し、主に酸素、窒素、アルゴンを含む大気を主要成分に分離します。生産された純粋なガスは、産業および医療分野で広く使用されています。このプロセスはエネルギーであり、集中的であり、コンプレッサー、蒸留カラム、分子ふるいなどのコンポーネントに依存しています。また、ASUは、大気を窒素、酸素、時にはアルゴンやその他の希少ガスなどの主要な成分に分離することができます。これは、通常、空気圧縮機、空気浄化システム、熱交換器、極低温冷却システム、蒸留カラムなどの元素で構成されています。

空気分離方法

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極低温蒸留

極低温蒸留により、最初に空気を冷却して液化し、次に蒸留による沸点の違いに基づいて成分を選択的に分離します。これにより高純度ガスが生成されますが、多くのエネルギーを消費します。このシステムには、効率を維持するために、密着した熱交換器と分離カラムが必要であり、冷蔵エネルギーがインレットエアコンプレッサーから生まれます。
低温を達成するために、空気分離プラントは2つの冷蔵サイクルを使用します。スロットリング装置を介した等温旋回、またはエキスパンダーを介した等エント​​ロピーの膨張を利用します。冷却損失を最小限に抑えるために、極低温機器を「コールドボックス」（絶縁エンクロージャー）に収容する必要があります。

 

その他の空気分離方法

●膜分離技術：低エネルギー消費と柔軟なパラメーター。室温ポリマー膜は、酸素が豊富な25％〜50％の空気を生成します。セラミック膜（ITMおよびOTM）は800〜900度の温度を必要とし、90％を超える高純度の酸素を生成できます。それらを使用して、乗客航空機の燃料タンク用の酸素枯渇または窒素濃縮ガスをリスクを減らすために使用できます。また、高高度の未処理の航空機のパイロットに酸素濃縮空気を提供することもできます。

●圧力スイング吸着（PSA）：室温で動作し、液化を必要とせずに、PSAは酸素と窒素を分離するために、高圧の吸着と圧力脱着の減少にゼオライト（「分子スポンジ」）を使用します。このコンパクトコンプレッサーは、ポータブル医療酸素濃縮器の製造に使用できます。真空圧力スイング吸着（VPSA）は類似しており、標的ガスのみが亜圏圧で脱着しています

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空気分離ユニットの作業原則（ASU）

空気分離ユニットは、膜分離や圧力スイング吸着などのさまざまな技術を利用できますが、極低温分別（蒸留）は、効率的で高性度分離を達成するための主流のコアテクノロジーのままです。その典型的な動作プロセスは、4つの重要な段階に分けられます。

 

 

圧縮段階

大気空気は最初にASUに引き込まれ、次に加圧のためにマルチステージコンプレッサーシステムに入ります。この段階の核となる目的は、空気圧を上げて、エネルギー消費を減らし、その後の冷却プロセスと分離プロセスの効率を改善することです。空気圧は通常、5〜10件の範囲内で制御され、その後のプロセスの基礎を築きます。

 

浄化段階

加圧された空気は、最初に精製システムを通過して、主に水分、二酸化炭素、微量の油、ほこり、およびその他の汚染物質を除去します。このステップは非常に重要です。最終的な出力ガスの高い純度を保証し、産業および医療用途の要件を満たしています。また、その後の低温環境で不純物が凍結または蓄積するのを防ぎ、熱交換器、パイプライン、およびその他の機器の詰まりを防ぎ、それによりユニットの安定した動作を確保します。

 

冷却段階

精製された圧縮空気は、熱交換器と冷凍サイクル（リンデやクラウトサイクルなど）で構成される冷却システムに入り、徐々に低温まで冷却されます。極低温分別は気体成分間の沸点の違いに基づいているため、冷却プロセスは空気を液化温度に低下させ、気体空気を液体空気に変換し、その後の蒸留分離のために準備します。

 

分離段階

液体空気は、単一段階または多段階の蒸留塔に供給され、その成分は分数蒸留によって分離されます。ガス間の沸点の違いは、分離に不可欠です。窒素は、沸点が最も低い、最初に液体空気から蒸発して上昇し、塔の上部に収集されます。酸素は、沸点が高いため、塔の底に残り、液体またはガスとして排出されます。アルゴンを分離する必要がある場合、その沸点は窒素と酸素の間にあるため、特殊な蒸留セクションを通じてタワーの中央から抽出できます。

空気分離ユニット（ASU）操作プロセスとコアコンポーネント

 

空気圧縮機からの圧縮空気は、最初に空気前冷却システムによって冷却され、その後、水分、二酸化炭素、炭化水素などの不純物を除去するために分子ふるいによって除去されます。次に、精製された空気が2つのパスに分割されます。1つは蒸留塔の上部柱に直接送られ、もう1つはエキスパンダーによって拡張および冷却されてから下の柱に送られます。蒸留塔内では、上昇する蒸気と下降液が熱交換と分離を受け、最終的に上部柱の上部に高純度の窒素と底部に高純度の酸素が生成されます。
 

●圧縮システム:

エアインレットフィルター（ろ過するために）、エアコンプレッサー（空気を圧迫するため）、エアコンプレッサーインターステージクーラー（温度を下げて効率を維持するため）、およびエアコンプレッサーのベントサイレンサー（ノイズを減らすため）を含む。

● 事前冷却システム:
水冷塔、空冷塔（熱を交換して温度を下げるため）、水ポンプ（冷却水を供給する）、チラー（深い冷却を提供する）を含む。

● 浄化システム:
コアは、窒素ベントサイレンサーと相まって（排気騒音を減らすため）、分子ふるい吸着器（不純物を除去するため）です。

● 熱交換システム:

メインの熱交換器（温度を下げるための空気と低温ガス間の熱交換用）とサブクーラー（蒸気損失を減らすための液体製品を冷却するため）が含まれます。

● 蒸留システム:
蒸留塔（ガス液体接触分離用）およびコンデンサーエバポレーター（蒸留サイクルを維持するため）が含まれます。

● 製品配信システム:

圧力調節ステーション（圧力調節用）と計量ステーション（流量測定用）を含む。

● 液体ストレージバックアップシステム:

液体貯蔵タンク（液体酸素と液体窒素を貯蔵するため）、ガス貯蔵タンク（緩衝剤製品）、および液体蒸発器（緊急液体からGAS変換用）が含まれます。

空気分離ユニットアプリケーション

 

 

 

 

 

医療医療
 

工業製造
 

食べ物と飲み物
 

エネルギー生産

 

産業ガスプロセスの空気分離ユニット

空気は主に窒素（約78.1％）、酸素（約20.9％）、アルゴン（約0.9％）、および少量の他のガスで構成されています。現在、産業で最も広く使用されている空気分離法は、極低温蒸留としても知られている極低温分離です。基本的に、これにはガス液化が含まれ、通常はスロットリングの拡張や断熱拡張などの機械的手法を使用します。空気は最初に圧縮され、冷却され、次にガス間の沸点の違いを使用して蒸留してそれらを分離します。

プロセスフローのキーノードと関数

●空気の流れを供給します

ASU生産スケール/容量を直接決定する基本的な入力パラメーター（nm³/hで測定）（例えば、通常の動作中の中規模のASUの場合は68,500nm³/h）。

異常：突然、過負荷コンプレッサー（より高い摩耗/エネルギー消費）が増加し、精製/冷却/蒸留（不均衡なガス液/熱力学、より低い効率/収量）を破壊します。フローが過度に低いため、機器の利用が削減され、単位コストが上昇します。

●圧縮空気の流れ

圧縮後の流量は変化します。アウトレットフローは、システムプロセスに一致し、極低温/蒸留操作に十分な圧力を確保し、安定性を維持する必要があります。

制御：インレットガイドのベーン開口部またはコンプレッサー速度を調整して、正確な流れ/圧力制御を行います。

リスク：過圧は機器の危険を引き起こします。圧力が不十分な制限液化/分離。不安定な流れは、分子ふるい吸着を損ないます（不純物の除去が不十分です）。

●精製空気流量

空気乾燥機を介して湿気/Co₂/炭化水素を除去した後の極低温分離に重要。安定性と設計コンプライアンスが必要です。

衝撃：異常な流れの不均衡分割塔ガス液比（たとえば、過度の流れがガス上昇を速く速く、接触時間/効率と製品の純度を減らします）。標準的な不純物は、極低温機器のアイシング/詰まりを引き起こします。

●蒸留塔のガス液流流量

気相流量：効率のための鍵（例、二重塔の下塔の初期蒸留により、窒素が増加する/下降酸素が豊富な液体が生成されます）。適切なフローにより、十分なガス液体接触（熱/質量交換）が保証されます。過剰は、塔の洪水（液体の蓄積、蒸留の破壊）および低い分離効率を引き起こします。

液相流量：ガスによる反流。流れ（例えば、下部塔から上部タワーまでの酸素が豊富な液体）は、ガスの流れに一致する必要があります。過剰な洪水塔。不足は不純物の洗浄を減らします（純度が悪い）。不安定な流れは、コンデンサーとエバポレーターの熱交換を損ないます（エネルギーバランス/分離に影響します）。

●製品ガスおよび廃ガス流量

製品酸素流量：ユーザーのニーズによって制御されます（例えば、スチール製造のための高い流れ、医療用の高純度）。蒸留パラメーター（逆流、温度、圧力）を介して調整されます。変動は生産に影響を与えます（例えば、不安定な鉄鋼メーキングの効率/品質）。

生成物窒素の流れ：化学物質/電子機器用の正確に制御された（蒸留ガス液分布、還流液窒素を介して）（例えば、チップシールドガスとしての安定した高純度窒素）。逸脱は酸化を引き起こします。

廃棄ガスの流れ：分離されていないガスが含まれています。エクスパンダー冷却後、部品は冷たい分子ふるい、残りの通気孔を再生します。過剰は、分離効率が低く（無駄なガス、高エネルギー）、ふるいの再生が不十分であることを示します（吸着/安定性の低下）。

フロー制御および規制方法

●バルブ規制

スロットルバルブ：スロットルバルブは、バルブの開口部を変化させて流体の流れ領域を変化させることにより、流れを制御する一般的に使用されるフロー制御デバイスです。空気分離ユニットでは、スロットルバルブを使用して、各カラム内の飼料空気、圧縮空気、ガスおよび液体成分の流れを制御するために使用されます。たとえば、空気が蒸留カラムに入る前に、スロットルバルブを使用して流量を調整して、蒸留カラムの飼料要件を満たすことができます。スロットルバルブは、単純な構造や動作の容易さなどの利点を提供しますが、調整プロセス中に特定の圧力低下も生成し、エネルギー損失をもたらします。

バルブの調整：調整バルブは、通常、自動制御システムと組み合わせて使用​​され、設定された流量に応じてバルブ開口を自動的に調整します。制御バルブは、多くの場合、製品酸素や窒素の出力パイプラインなど、空気分離ユニットのキーフロー制御ポイントに設置されます。リアルタイムのフローデータに基づいて、コントローラーはバルブの開口部を自動的に調整して、設定範囲内の流量を維持します。スロットルバルブと比較して、調節バルブはより高い調節精度とより速い応答を提供し、ユニットの動作中にさまざまな動作条件により適応性があります。

●コンプレッサーの調整

インレットガイドベーン調整：遠心空気圧縮機の場合、インレットガイドのベーンの角度を調整して、圧縮された空気流量を制御することにより、吸気空気の体積を変化させることができます。圧縮された空気流量を上げるために、インレットガイドのベーンの開口部が増加し、より多くの空気がコンプレッサーに入ることができます。逆に、吸気ガイドのベーンの開口部が減少して、摂取量の空気量を減らします。インレットガイドベイン調整は、調整中の幅広い調整範囲と比較的最小限のエネルギー消費の利点を提供します。これにより、圧縮された空気流量が効率的なコンプレッサー動作を維持しながら、プロセス要件を満たすことが保証されます。

速度調整：コンプレッサー速度を変えることにより、流量を調整することもできます。可変周波数速度レギュレーションテクノロジーを使用すると、コンプレッサー速度は実際のフロー要件に基づいて柔軟に調整できます。デバイスの圧縮空気流量が低い場合、コンプレッサー速度が低下します。より高い流量が必要な場合、速度が向上します。速度調整は応答時間が速く、プロセスの流量の変化に迅速に適応することができますが、モーターと制御システムに高い需要を置きます。

●逆流規制

逆流レギュレーションは、空気分離ユニットの一般的なフロー制御方法です。たとえば、蒸留カラムでは、カラム内のガス液比は、逆流流量を調整することにより制御され、それによって蒸留効率と製品流量に影響します。製品の純度を改善するために、逆流流量を上げて、柱内の蒸留セクションを可能にして、ガスから不純物をより効果的に分離できます。製品の収量を増やすために、逆流流量を減らすことができます。逆流調節は、さまざまな動作条件下で蒸留カラムの安定した動作を確保するために、他のフロー制御方法と組み合わせて使用​​する必要があります。

フロー監視と安全保証

●フロー監視システム

ASUのキーポイントでフローを正確に監視するために、主にフローセンサー、信号伝送回路、ディスプレイおよび制御機器で構成される高度なフロー監視システムが採用されます。

●フローセンサー：

オリフィスプレートの流れメーター：オリフィスを通過する流体との圧力差を介して流れを測定します。シンプルで低コストですが、精度は限られています。

渦流量計：渦発電機を通過する流体から渦周波数を検出します。高精度、幅の広い測定範囲。

質量流量：温度/圧力/密度の変化の影響を受けない、流体質量の流れを直接測定します。製品ガスフロー測定に最適な超高精度。

●信号送信とディスプレイコントロール：

フローセンサーは、フロー信号を電気/デジタル信号に変換し、ディスプレイおよび制御機器に送信します。これらの機器は、各ポイントでリアルタイムフローを示し、フローが設定範囲を超えた場合にアラームをトリガーし、自動フロー調整のために自動化システムに接続します。

●安全対策

ASUSの異常な流れの変動は、安全リスクを引き起こす可能性があり、効果的な安全対策が必要です。

フローアラームとインターロック：
監視システムには、アラームの上限/低いアラーム制限があります。可聴/視覚アラームは、流れが範囲外になったときにアクティブになります。インターロックデバイスは深刻な事故を防ぎます。たとえば、飼料空気の流れが低すぎる場合（機器の損傷を避けるため）、エアコンプレッサーの自動整備、またはバルブの開口部の自動調整/製品o₂/n₂フローが異常に変動する場合の特定の機器のシャットダウン。

機器のメンテナンスとケア：
フロー監視装置、制御デバイス、およびASU全体を定期的に維持します。フローセンサーを閉塞/損傷（迅速に交換）の検査（迅速に交換）、バルブをチェック/デバッグ（柔軟性/信頼性を確保）、キー機器（たとえば、コンプレッサー）で安定したパフォーマンスを検査します。これにより、機器の故障による流れの異常が減少し、運用上の安全性が向上します。

異なるスケールの空気分離単位の推奨フローパラメーター

●小規模なアサス

研究所や小規模な工場など、ガス需要が低いシナリオに適しています。

Core Parameters: Process air flow rate 50-500 Nm³/h; product oxygen flow rate 10-200 Nm³/h (purity >99.5%), product nitrogen flow rate 20-300 Nm³/h (purity >99.9%).​

特性：各コンポーネントの流量を正確に制御して、小規模生産または実験のために高純度ガスの安定した供給を確保します。

●中規模のASUS

通常のガス需要を満たすために、一般的な産業企業に広くサービスを提供しています。

コアパラメーター：プロセス空気流量3,000〜20,000nm³/h;製品酸素流量1,000-10,000nm³/h（純度≈99.6％）、生成物窒素流量1,500-15,000nm³/h（純度99.99％）。

特性：キーノードでのフロー制御の高い要件（たとえば、供給空気、圧縮空気、蒸留塔のガス液流）;高度な自動システムと精密機器に頼って、効率的で安定した操作と製品の品質を確保してください。

●大規模なASUS

大規模な工業生産シナリオでは、大規模な鉄骨工場や化学プラントなどで使用されています。

コアパラメーター：50,000nm³/hを超える空気流量を処理します（100,000nm³/hを超えるものもあります。製品酸素流量30,000〜50,000nm³/h（鋼製造の厳密な純度要件を満たす）、製品窒素流量40,000-10,000nm³/h。

特性：フロー制御の難易度が高い。高度な荷重の下で安定した効率的な動作を確保するために、より高度で信頼性の高い監視および規制技術が必要であり、大規模生産に継続的な高品質ガスを提供します。

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