PSA窒素ガス発生器ガスクロマトグラフ食品包装窒素充填

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原理の紹介

変圧吸着ガス分離技術は非低温ガス分離技術の重要な分岐であり、人々が長期にわたって深冷法よりも簡単な空分方法を探しに努力した結果である。70年代に西ドイツのエッセン鉱業会社は炭素分子ふるいの開発に成功し、PSA空分制窒素工業化のための道を開いた。30年来、この技術は急速に発展し、技術は成熟しつつあり、中小型窒素製造分野ではすでに深冷空分の強力な競争相手となっている。

変圧吸着による窒素製造は空気を原料とし、炭素分子篩を吸着剤とし、炭素分子篩を用いて空気中の酸素と窒素を選択吸着する特性を利用し、変圧吸着原理（加圧吸着、減圧脱着及び分子篩再生）を用いて常温で酸素と窒素を分離して窒素ガスを製造する。

変圧吸着による窒素の製造は深冷空分による窒素の製造と比較して、顕著な特徴がある：吸着分離は常温で行われ、技術が簡単で、設備がコンパクトで、敷地面積が小さく、運転停止が便利で、起動が迅速で、ガスの生産が速く（一般的に30 min前後）、エネルギー消費が小さく、運行コストが低く、自動化程度が高く、操作メンテナンスが便利で、こじ開けが便利で、専門的な基礎が必要なく、製品の窒素純度は範囲内で調節でき、窒素生産量≦2000 Nm/hである。しかし、これまで、米国の空気用品会社がPSAで窒素を製造する技術を用いて、後段の精製エネルギーを必要とせずに工業化して純度≧99.999%の高純度窒素を生産するほか（輸入価格が高い）、国内外の同業者は一般的にPSAで窒素を製造する技術を用いて窒素純度99.9%の普窒素（すなわちO 2≦0.1%）、個別企業は99.99%の純窒素（O 2≦0.01%）を製造することができ、純度がより高くPSAで窒素を製造する技術から可能であるが、製造コストが高すぎて、ユーザーも受け入れにくいため、非低温で窒素を製造する技術で高純度窒素を製造する

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3種類の窒素製造方法及びその特徴

現代の工業用窒素の製造方法はすべて空気を原料とし、その中の酸素と窒素を分離して得られる。現在、主に3種類、すなわち深冷空分法、モレキュラーシーブ空分法（PSA）と膜空分法がある。

1深冷空分窒素

深冷空分窒素製造は伝統的な窒素製造方法であり、90年近くの歴史がある。空気を原料とし、圧縮、浄化を経て、熱交換を再利用して空気を液化して液空にする。液空は主に液体酸素と液体窒素の混合物であり、液体酸素と液体窒素の沸点が異なる（1大気圧では、前者の沸点は−183℃、後者のは−196℃）ことを利用して、液空の精留により、それらを分離させて窒素ガスを得る。深冷空分製窒素設備は複雑で、敷地面積が大きく、基礎建設費用が高く、設備の一次投資が多く、運行コストが高く、ガス生産が遅く（12～24 h）、設置要求が高く、周期が長い。設備、設置及び基礎建設の諸要素を総合して、3500 Nm 3／h以下の設備で、同じ規格のPSA装置の投資規模は深冷空分装置より20%〜50%低い。深冷空分窒素製造装置は大規模な工業製窒素に適しているが、中・小規模の窒素製造は経済的ではないように見える。

2モレキュラーシーブ空分窒素

モレキュラーシーブ空分製窒素は空気を原料とし、炭素モレキュラーシーブを吸着剤とし、変圧吸着原理を用い、炭素モレキュラーシーブによる酸素と窒素の選択的吸着により窒素と酸素を分離する方法、通称PSA（Pressure Swing Adsorption）により窒素を製造する。この方法は70年代に急速に発展した新しい窒素製造技術である。伝統的な窒素製造法と比べて、それはプロセスが簡単で、自動化の程度が高く、ガス生産が速く（15〜30分）、エネルギー消費が低く、製品の純度は広い範囲でユーザーの需要に応じて調節でき、操作・メンテナンスが便利で、運行コストが低く、装置の適応性が強いなどの特徴があるため、1000 Nm 3／h以下の窒素製造設備の中で競争力があり、ますます中、小型窒素ユーザーの歓迎を得て、PSA窒素製造はすでに中、小型窒素ユーザーの方法になった。

3膜空分窒素

膜空分窒素製造は80年代に国外で急速に発展したもう一つの新型窒素製造技術であり、国内で普及応用されたのはここ3、4年のことである。膜空分による窒素の製造の基本原理は空気を原料とし、圧力条件下で酸素と窒素などの異質なガスを利用して膜中に異なる浸透速度を持って酸素と窒素を分離することである。他の窒素製造設備と比べて、構造がより簡単で、体積がより小さく、切替バルブがなく、メンテナンス量がより少なく、ガス生産がより速く（≦3分）、増容が便利などの利点があり、窒素純度≦98%の中、小型窒素ユーザーに適しており、優れた機能価格比がある。一方、窒素純度が98%以上の場合、同じ規格のPSA製窒素機に比べて15%以上高い。以上から、MnZnフェライト生産企業は、どのガス供給方式とどのガス供給技術を採用し、企業の状況に応じて技術経済論証を行い、良いガス供給方案を選択した。