圧力スイング吸着（PSA）技術による窒素生成

圧力スイング吸着法はどのように機能するのですか？

窒素を自家生産する際には、達成したい純度レベルを把握し理解することが重要です。タイヤの空気充填や防火など、90～99%程度の低純度で済む用途もあれば、食品・飲料業界やプラスチック成形など、97～99.999%程度の高純度が求められる用途もあります。このような場合、PSA技術は理想的かつ最も簡単な方法です。

本質的に、窒素発生器は圧縮空気中の酸素分子から窒素分子を分離することで機能します。圧力スイング吸着法は、吸着を利用して圧縮空気流から酸素を捕捉することでこれを実現します。吸着は、分子が吸着剤に結合するときに起こります。この場合、酸素分子はカーボン分子ふるい（CMS）に付着します。これは、それぞれCMSが充填された2つの独立した圧力容器内で行われ、分離プロセスと再生プロセスが交互に実行されます。ここでは、これらをタワーAとタワーBと呼びましょう。

まず、清浄で乾燥した圧縮空気がA塔に入り、酸素分子は窒素分子よりも小さいため、炭素ふるいの細孔に入り込みます。一方、窒素分子は細孔に入り込めないため、炭素分子ふるいを通過しません。その結果、所望の純度の窒素が得られます。この段階は吸着段階または分離段階と呼ばれます。

しかし、話はそこで終わりません。タワーAで生成された窒素の大部分はシステムから排出され（直接使用または貯蔵可能）、生成された窒素のごく一部は逆方向（上から下）にタワーBに送られます。この流れは、タワーBの前の吸着段階で捕捉された酸素を押し出すために必要です。タワーBの圧力を解放することで、炭素分子ふるいは酸素分子を保持する能力を失います。酸素分子はふるいから剥がれ落ち、タワーAから来る少量の窒素の流れによって排気口から運び去られます。こうすることで、システムは次の吸着段階で新しい酸素分子がふるいに付着するためのスペースを確保します。酸素が飽和したタワーを「洗浄」するこのプロセスを再生と呼びます。

まず、タンクAは吸着段階にあり、タンクBは再生段階にあります。第2段階では、両方の容器の圧力を均一化して切り替えの準備を行います。切り替え後、タンクAは再生を開始し、タンクBは窒素を生成します。

この時点で、両塔の圧力は均一になり、吸着から再生へ、そして再生から吸着へと相が切り替わります。塔AのCMSは飽和状態になりますが、塔Bは減圧により吸着プロセスを再開できます。このプロセスは「圧力スイング」とも呼ばれ、特定のガスを高圧で捕捉し、低圧で放出することを可能にします。2塔式PSAシステムにより、所望の純度レベルで窒素を連続的に生産できます。