VPSAおよびPSA酸素生成の技術原理と支援システムの詳細解説

1. VPSA酸素生成技術

真空圧力スイング吸着（VPSA）は、空気から酸素を分離するための高度な技術である。これは、吸着剤に対する空気成分の吸着容量の差を利用する。吸着剤は圧力が上昇すると選択的にガスを吸着し、真空状態に減圧すると脱着して再生する。

VPSA酸素生成装置は、 電力を動力源とし、空気を原料として使用する。これは、正圧下での窒素の吸着容量を増加させ、負圧下で減少させるというモレキュラーシーブの特性を活用する。2つの吸着槽を交互に運転することで、正圧吸着と真空脱着のサイクルプロセスを実現し、空気から酸素と窒素を分離し、工業用酸素を連続的に生成する。

VPSA酸素生成プロセスは物理吸着プロセスであり、化学反応や環境汚染を伴わないため、理想的な酸素供給方法である。従来の極低温酸素製造と比較して、VPSAプロセスは構成とプロセスがよりシンプルで、操作が容易で、起動が迅速、常温・低圧での安全で信頼性の高い運転、エネルギー消費の低減、そして酸素製造コストの大幅な削減という顕著な利点を提供する。

1.1 二槽式VPSA酸素生成装置のプロセス

VPSA酸素生成装置は空気を原料として使用する。空気はまずエアフィルターを通過し、ルーツブロワーに入り圧縮された後、再生を完了し運転中の吸着器に入る。

吸着器内では、空気中の水分、二酸化炭素、その他の分子ガスが優先的に吸着される。乾燥した空気は次に、酸素生成用の特殊なモレキュラーシーブを通過し、そこで窒素が吸着され、出口で酸素が濃縮される。酸素富化ガスは制御弁を通じて圧力調整され、バッファタンクに入る。バッファタンク出口で、酸素は酸素圧縮機によってさらに圧縮され、必要な圧力に達する。高圧酸素は冷却され、酸素貯蔵タンクに貯蔵され、そこから最終ユーザーに供給される。

連続的で安定した酸素供給を確保するために、VPSA酸素生成プラントは交互に運転する2つの吸着塔で設計されている。一方の塔が酸素を生成している間、他方の塔は真空再生中である。再生中、吸着された濃縮窒素は脱着され、騒音低減処理の後に屋外に排出される。

1.2 適用シナリオ

VPSA酸素装置は、様々な規模の工業用酸素生成に適しており、約80％～93％の純度の酸素を提供する。

2. VPSA酸素プラントの基本構成要素

VPSA酸素ユニットは、ラジアル吸着器システム、動力システム（ブロワーおよび真空ポンプ）、計装および電気システム、酸素バッファタンク、酸素圧縮システム（オプション）、電気制御システム、および水システムを含む7つの主要コンポーネントで構成される。

VPSA酸素生成プロセスフロー図

2.1 ラジアル吸着器システム

酸素-窒素分離ユニットは、酸素生成装置の中核部品である。これは主に、交互に作動する2つの吸着塔と、空気圧式切替バタフライバルブ、空気圧式調整バタフライバルブ、手動バタフライバルブで構成される。酸素と窒素の分離は、正圧吸着および負圧脱着プロセス中に、高効率で特殊な酸素用モレキュラーシーブに対する窒素分子と酸素分子の吸着容量の差に基づいて達成される。

プログラマブルロジックコントローラ（PLC）が電磁弁を制御し、設定されたシーケンスに従って空気圧バルブを調整する。これにより、酸素システムの自動運転が可能になり、連続的な酸素生成が確保される。一方、真空ポンプは窒素やその他のガス成分を吸引し排出する。

2.1.1 吸着槽

2基の吸着塔による構造で、連続的なガス供給を実現し顧客の需要を満たします。吸着塔内部には脱水用モレキュラーシーブとLiXモレキュラーシーブが充填され、空気成分を効果的に分離し、酸素製造要件を満たします。

2.1.2 空気圧切替バタフライバルブ

電磁弁は制御システムにより制御され、2基の吸着塔間でガス流を定期的に切り替え、酸素設備の安定運転を確保します。

2.1.3 空気圧調節バタフライバルブ

均圧およびパージ工程において、空気圧制御バタフライバルブが設置され、均圧およびパージ効果を最適化します。本バルブは等百分比調節性、ゼロ漏洩、長寿命などの特長を備えています。

2.2 動力システム – ブロワ

システム全体の空気吸気動力部品として、ブロワは酸素・窒素分離系に適切な正圧ガス源を供給し、システムの安定かつ高効率な運転を保証する上で重要な役割を果たします。ブロワシステムは、吸気フィルター、ブロワ本体とそれに適合するモーター、バイパス空気圧切替バタフライバルブ、手動バタフライバルブ、熱交換器、ベローズコネクター（またはフレキシブルジョイント）、その他の付属機器一式を含みます。

2.2.1 ブロワユニットと適合モーター

ルーツブロワは容積式ガスブロワです。ハウジング内部では、2つのインペラーが特定の噛み合い隙間を保ち、同期歯車によって等速で逆方向に回転します。この機構により、吸い込まれたガスを吸気口から排気口へ押し出し、排気側の高圧ガスの抵抗に打ち勝って強制排気を実現します。

ハウジング内には、2つの8の字形状のローターが一対の平行シャフトに垂直に取り付けられています。ローターは1:1の伝達比を持つ一対の歯車により、逆方向に同期回転します。ローター間、およびローターとポンプハウジング内壁との間には、一定の隙間が維持されます。

ルーツブロワの主要部品はローターであり、ローターの中核はその歯形にあります。インペラーは新たに設計された特殊歯形を採用し、2つのローター間の噛み合い隙間を均一に保ち、内部漏洩を低減し、体積効率を向上させます。また、同期歯車、軸受、PTFEシールなどの高精度・高性能部品により、低振動で安定した運転を実現します。

適合モーターは三相非同期モーターで、保護等級IP23～IP54、絶縁クラスFを備えています。高効率、省エネ、低騒音、低振動、軽量設計、信頼性の高い性能、そして容易な設置とメンテナンスが特長です。

2.2.2 バイパス空気圧切替バタフライバルブ & 手動バタフライバルブ

VPSAおよびPSAプロセスにおける製品ガスの回収率を向上させるため、2基の吸着塔は一定時間均圧工程を行います。この均圧段階では、ブロワはバイパスして余剰ガスを排出します。また、ブロワ停止時の逆流を防ぐため、バイパス減圧保護機構が必要です。そのため、バイパスシステムが設置され、空気圧切替バタフライバルブがプログラム制御により外部へ排出します。さらに、手動バタフライバルブを設け、ブロワの出口圧力を効果的に調整します。

本バルブは2偏心ハードシール空気圧バタフライバルブで、短周期の頻繁な切替え用に設計されています。ゼロ漏洩、長寿命、短い切替時間が特長です。

2.2.3 熱交換器

ブロワによる加圧後、出口空気温度は約65℃に達しますが、モレキュラーシーブの最適動作条件は30～40℃です。モレキュラーシーブの効率的な利用を確保するため、加熱された空気を冷却する熱交換器が必要です。

2.2.4 ベローズコネクター

ルーツブロワの運転中、大きな振動は避けられません。振動が後続設備に与える影響を最小限に抑え、振動による騒音を低減するため、ブロワの吸気口と排気口には対になったフレキシブルコネクターとベローズコネクターが設置されています。

2.3 動力システム – 真空ポンプ

吸着中にモレキュラーシーブが動的飽和に達した後は、脱着と再生が必要です。研究により、モレキュラーシーブの再生は負圧（真空）条件下でより効果的であることが示されています。真空ポンプシステムはシステム全体に不可欠な構成要素です。真空ポンプユニットとそれに適合するモーター、バイパス空気圧切替バタフライバルブ、手動バタフライバルブ、ベローズコネクター（またはフレキシブルコネクター）、その他の補助設備から構成されます。

2.3.1 真空ポンプユニット & モーター

ルーツ真空ポンプは回転容積式真空ポンプであり、構造的にはルーツブロワに由来します。その動作原理はルーツブロワと同一です。

2.3.2 バイパス空気圧切替バタフライバルブ & 手動バタフライバルブ

真空ポンプ停止時の逆流を防ぐため、バイパスを設置して事前に圧力を解放し、ゼロ圧での起動と停止を実現します。この目的のためにバイパスバルブが設置されています。また、手動バタフライバルブは真空ポンプの吸引圧力の微調整に使用されます。

本バルブはソフトシール切替バタフライバルブで、長期切替条件下でのゼロ漏洩要件を満たすように設計されています。

2.3.3 ベローズコネクター

ルーツ真空ポンプの運転中、大きな振動は避けられません。振動が後続設備に与える影響を最小限に抑え、振動による騒音を低減するため、真空ポンプの吸気口と排気口にはフレキシブルコネクターまたはベローズコネクターが設置されています。

2.4 計装空気システム

空気圧バタフライバルブと空気圧調節バタフライバルブは、自動制御切り替え時にアクチュエータの駆動力として約0.5～0.7 MPaの計装用エア源を必要とします。システムは、エア源処理フィルターやエア貯蔵タンクなどのコンポーネントで構成されています。稼働率を確保するため、頻繁なメンテナンスと整備が必要なろ過ユニットにバイパスバルブが追加されています。

2.5 酸素バッファータンク

酸素バッファータンクシステムは主に、酸素バッファータンク、オリフィス流量計、酸素純度分析計、制御弁、圧力センサーで構成されています。

酸素バッファータンクは、吸着器内の過度な圧力変動を緩和し、製品酸素の圧力と純度を安定させるための重要な手段です。

2.6 酸素圧縮システム（オプション）

酸素圧縮システムは、酸素専用バタフライバルブ、酸素圧縮機、その他のコンポーネントで構成されています。主な機能は、製品酸素の圧力をユーザーの要求圧力に高め、酸素貯蔵タンクに送り届けることです。

酸素貯蔵タンクシステムは、酸素貯蔵タンク、バルブ、圧力計、安全弁、その他のコンポーネントで構成されています。主な機能は、製品酸素の一部を貯蔵し、安定した酸素出力を確保することです。さらに、予期せぬ停止時に一時的な酸素供給を提供し、酸素供給システムの故障を防ぎます。

2.7 電気計装制御システム

電気計装制御システムは、産業用コンピュータ、電気制御盤、計装盤、プログラマブルロジックコントローラ（PLC）、電磁弁、表示灯、操作ボタン、その他のコンポーネントで構成されています。

システムはPLCに編集されたプログラムに従って自動運転し、電磁弁の通電と非通電を制御し、それにより空気圧制御システムを介して空気圧バルブを開閉します。各種信号を収集・処理し、酸素設備の運転状態を表示します。ユーザーは産業用コンピュータで制御パラメータ

2.8 水システム

水システムは通常、循環水システムとシール水システムの2つの部分から構成されます。循環水システムは主に冷却塔、水ポンプ、フィルター、給排水配管、および関連するバルブを含み、酸素システム全体に冷却用の循環水を供給します。シール水システムは主に真空ポンプのインペラに水を供給してシール性を高め、脱着プロセス中により高い真空度を達成するために使用されます。この用途には通常、軟水または脱塩水が使用され、その生産システムは専門メーカーによって提供されます。

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