PSA酸素発生器の物語

圧力スイング吸着 (PSA) は新しいプロセスではなく、ほとんどの優れた発明と同様に、後知恵でその原理は明らかです。すべての吸着分離プロセスにおいて、混合された供給物から 1 つの成分 (または 1 つの関連成分群) を優先的に吸着する吸着剤が必須です。この選択性は、吸着平衡の差または吸着速度の差 (動的選択性) によって決まります。場合によっては、速度の差が非常に大きいため、拡散の遅い種は事実上吸着剤から完全に排除され (サイズ選択ふるい分け)、この状況では非常に効率的な分離が達成できることは明らかです。

すべての吸着分離プロセスには、次の 2 つの主要なステップが含まれます。

（１）吸着工程、その間に優先的に吸着された粒子が供給物から摘み取られる。
（２）再生または脱着。この間にこれらの種は吸着剤から除去され、こうして次のサイクルで使用するために吸着剤が「再生」される。吸着または再生のステップ、あるいは両方のステップから有用な生成物が生成される。吸着ステップ中の流出物は、優先的に吸着された種が除去された精製された「ラフィネート」製品である。再生ステップ中に回収された脱着物には、（供給物と比較して）より強く吸着された種が濃縮された形で含まれており、「抽出」製品と呼ばれることもある。

PSAプロセスの本質的な特徴は、再生工程において、温度を上昇させたり、置換ガスでパージするのではなく、全圧を下げることによって優先的に吸着された種を除去することである。

PSA プロセスの概念。(a) 圧力による平衡負荷の変化。(b) 単純な 2 床 PSA プロセスにおける、特に強く吸着された種の吸着相生成プロファイルの変化を示す模式的スケッチ。

（低圧パージステップはサイクルに通常含まれていますが）プロセスはほぼ等温条件下で動作するため、有効容量は、同じ等温線上の供給圧力と再生圧力に対応する2つのポイント間の負荷の差になります[図1.1（a）l。図1.1（b）は、高圧供給ステップと低圧再生ステップ中の濃度プロファイルの動きを模式的に示しています。供給ステップは通常、より強く吸着された成分がベッドを突き抜ける前に終了し、再生ステップは通常、ベッドが完全に脱着する前に終了します。したがって、周期的な定常状態では、プロファイルはベッドの平均位置を中心に振動します。

 

Psa酸素ガス発生器

Psa 医療用酸素発生器

PSA医療用酸素プラント

熱スイングなどの他のタイプの吸着プロセスと比較した PSA の主な利点は、圧力を温度よりもはるかに速く変更できるため、PSA プロセスをはるかに高速なサイクルで操作し、吸着剤ベッドの単位容積あたりのスループットを向上できることです。主な制限は、PSA プロセスが、あまり強く吸着されていない成分に限定されることです。優先的に吸着される種が強く吸着されすぎると、再生ステップ中に脱着を行うために不経済なほど高い真空が必要になります。したがって、非常に強く吸着される成分の場合、温度の適度な変化によって、一般にガス - 固体吸着係数定数が比較的大きく変化するため、熱スイングが一般に好ましい選択肢です。

PSA プロセスは、従来の分離プロセスのほとんどよりも複雑ではありませんが、1 つの重要な特徴が異なります。PTOCess は過渡条件下で動作しますが、吸収、抽出、蒸留などのほとんどのプロセスは定常状態で動作します。

その結果、概念フレームワークと設計手順はどちらもかなり異なります。この違いは、数学的な用語で最もよく説明できます。定常プロセスは、常微分方程式 (または常微分方程式のセット) によって数学的に記述でき、動作変数とプロセス パフォーマンスの関係を取得するには、この方程式のセットを積分するだけで済みます。対照的に、過渡プロセスは偏微分方程式のセットによって記述され、より複雑な解決手順が必要です。その結果、プロセス パフォーマンスと動作変数の関係は、一般的にはそれほど明らかではありません。PSA ユニットの設計と計算の手順は、大部分が公開文献で入手できます。ただし、それらは通常の化学工学カリキュラムの一部としてまだ一般的に受け入れられておらず、その結果、ある種の謎めいた雰囲気が残っています。

PSA プロセスは、その初期の開始にもかかわらず、実際に広く商業的に受け入れられたのは 1980 年代になってからでした。これは、PSA プロセスに関連する出版物と米国特許の年間数を年ごとにプロットした図 1.2 に示されています。このようなプロセスの発明から商業化までの間に異常に長い遅延があった理由は完全には明らかではありませんが、おそらく、極低温ガス業界の既得権益の反対と、実務技術者が基本原理をよく理解していなかったことが大きな要因であったと思われます。1970 年代には、原油価格の上昇に伴うエネルギー コストの高騰により、代替分離プロセスへの関心が高まりました。1980 年代にはエネルギー コストが低下しましたが、代替プロセスを検討し、技術を製品仕様に適合させる動きは続いています。