杭州諾卓テクノロジーグループ株式会社

深冷空気分離技術は、空気中の主要成分（窒素、酸素、アルゴン）を低温で分離する方法です。鉄鋼、化学、製薬、電子産業などの業界で広く利用されています。ガス需要の増加に伴い、深冷空気分離技術の応用もますます広がっています。本稿では、深冷空気分離の生産プロセス、その動作原理、主要設備、操作手順、そして様々な産業への応用について徹底的に解説します。

極低温空気分離技術の概要

極低温空気分離の基本原理は、空気を極低温（通常-150℃以下）まで冷却し、空気中の成分を沸点の違いに応じて分離することです。通常、極低温空気分離ユニットは空気を原料とし、圧縮、冷却、膨張などのプロセスを経て、最終的に空気から窒素、酸素、アルゴンを分離します。この技術は高純度ガスを生成し、プロセスパラメータを正確に制御することで、様々な産業分野における厳しいガス品質要件を満たすことができます。

極低温空気分離ユニットは、空気圧縮機、空気予冷器、コールドボックスの3つの主要部分に分かれています。空気圧縮機は空気を高圧（通常5～6MPa）に圧縮するために使用され、予冷器は冷却によって空気の温度を下げます。コールドボックスは、ガス分離を実現する分留塔を含む、極低温空気分離プロセス全体の中核部分です。

空気圧縮と冷却

空気圧縮は極低温空気分離の最初のステップであり、主に大気圧の空気をより高い圧力（通常5～6MPa）に圧縮することを目的としています。空気がコンプレッサーを通ってシステムに入ると、圧縮プロセスにより温度が大幅に上昇します。そのため、圧縮空気の温度を下げるために、一連の冷却ステップを実行する必要があります。一般的な冷却方法には水冷と空冷があり、良好な冷却効果により、圧縮空気が後続の処理中に機器に不要な負担をかけないようにすることができます。

空気は予備冷却された後、次の段階である予冷段階に入ります。予冷段階では通常、窒素または液体窒素を冷媒として用い、熱交換装置を通して圧縮空気の温度をさらに下げ、次の極低温プロセスに備えます。予冷により、空気の温度は液化温度近くまで下げられ、空気中の成分の分離に必要な条件が整います。

低温膨張とガス分離

空気を圧縮し、予冷した後、次の重要なステップは低温膨張とガス分離です。低温膨張は、圧縮空気を膨張弁を通して常圧まで急速に膨張させることで実現されます。膨張プロセス中、空気の温度は大幅に低下し、液化温度に達します。空気中の窒素と酸素は、沸点の違いにより、異なる温度で液化し始めます。

極低温空気分離装置では、液化空気がコールドボックスに入り、そこでガス分離の鍵となるのが分留塔です。分留塔の核心原理は、コールドボックス内でのガスの上昇と下降を通じて、空気中の各成分の沸点差を利用してガスを分離することです。窒素の沸点は-195.8℃、酸素の沸点は-183℃、アルゴンの沸点は-185.7℃です。塔内の温度と圧力を調整することで、効率的なガス分離を実現します。

精留塔におけるガス分離プロセスは非常に精密です。通常、窒素、酸素、アルゴンを抽出するために二段精留塔システムが用いられます。まず、精留塔の上部で窒素を分離し、下部で液体酸素とアルゴンを濃縮します。分離効率を向上させるために、塔内に冷却器と再蒸発器を追加することで、ガス分離プロセスをさらに精密に制御できます。

抽出された窒素は通常、高純度（99.99%以上）であり、冶金、化学工業、電子工学などで広く使用されています。酸素は、医療、鉄鋼業、その他酸素を必要とする高エネルギー消費産業で使用されています。希ガスであるアルゴンは、通常、ガス分離プロセスによって高純度で抽出され、溶接、製錬、レーザー切断などのハイテク分野で広く使用されています。自動制御システムは、実際のニーズに応じてさまざまなプロセスパラメータを調整し、生産効率を最適化し、エネルギー消費を削減します。

さらに、深冷空気分離システムの最適化には、省エネ技術と排出抑制技術も含まれます。例えば、システム内の低温エネルギーを回収することで、エネルギーの無駄を削減し、全体的なエネルギー利用効率を向上させることができます。さらに、環境規制がますます厳しくなる中、現代の深冷空気分離装置は、有害ガスの排出削減と生産プロセスの環境配慮性の向上にもより重点を置いています。

深冷空気分離の応用

深冷空気分離技術は、産業ガスの生産に重要な用途を持つだけでなく、様々な分野で重要な役割を果たしています。鉄鋼、肥料、石油化学業界では、深冷空気分離技術を用いて酸素や窒素などの高純度ガスを供給し、効率的な生産プロセスを確保しています。電子業界では、深冷空気分離によって得られる窒素が半導体製造における雰囲気制御に利用されています。医療業界では、高純度酸素が患者の呼吸補助に不可欠です。

さらに、深冷空気分離技術は、液体酸素や液体窒素の貯蔵・輸送においても重要な役割を果たします。高圧ガスを輸送できない状況では、液体酸素や液体窒素を使用することで、容積を効果的に削減し、輸送コストを削減することができます。

結論

深冷空気分離技術は、その高効率かつ高精度なガス分離能力により、様々な産業分野に広く応用されています。技術の進歩に伴い、深冷空気分離プロセスはよりインテリジェント化、省エネ化が進み、ガス分離純度と生産効率も向上します。将来的には、環境保護と資源回収の観点からの深冷空気分離技術の革新も、産業発展の重要な方向性となるでしょう。

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