PSAとは、Pressure Swing Adsorptionの略称です。つまりガスの圧力を変化させて吸着と脱着を繰り返すことにより、目的のガスを分離精製する方法のことです。窒素や酸素、アルゴン、水素といった様々な製品の精製に使われています。この記事ではPSAの原理や特徴、運転管理における注意ポイントについて、水素プラントを例に紹介します。
PSAって何？
PSAでは、プロセスガスから製品ガスを分離するため、吸着塔にプロセスガスを通して吸着剤に不純ガスを吸着させ、製品ガスのみを取り出します。その後、圧力を下げて吸着剤に吸着している不純物を除去して、吸着剤を再生します。
吸着と再生を繰り返すため、下の図にあるように吸着塔は1つではなく複数あって、まとめて1つのユニットとなります。また、水素プラントでは製品水素の一部と不純物をwaste gasとして改質炉に送り、燃焼させます。つまり、水素以外は燃焼排ガスとして系外に排出されます。
運転上のポイント
PSAの運転上でのポイントですが、まず一つは入口流量と吸着時間です。製品の品質を担保するため、流量の変動に合わせて吸着時間を適切に設定する必要があります。吸着時間が長い場合は製品の回収率が高くなり、原単位は向上します。しかし、長くなりすぎると、吸着剤の能力をオーバーするため製品へ不純物が入り込んでしまい、オフスペックとなります。また、当然ですがプロセスガスに含まれる物質と、吸着剤の相性を良いものを設計する必要があります。一般的に、吸着剤としてゼオライトや活性炭、シリカ、アルミナ等が使われます。
吸着剤層で吸着ガスが層の最下部より順次吸着しながら吸着帯となって吸着槽出口側へと上昇し、最後には吸着剤層上部で破過していく状態を分りやすく下の図に表しました。この吸着帯の位置を調整し破過の程度を変えることによって取得したいガスの濃度やその回収率を随意に変えることができます。
もう一つのポイントは、PSAに流入する原料ガスの温度です。下の図にあるように、圧力が一定であれば温度が低い状態の方が、多く吸着できます。そのため、PSAの入口には温度計がついていることが多く、ある温度を超えたらアラームが鳴るよう設定されているはずです。同様に、ある温度を下回ると、アラームが鳴るように設定がされています。それは、ガスの温度が露点以下になると原料ガスに含まれる水分が凝縮し、液体がPSA内部に運ばれてしまうのを防ぐためです。PSAに充填されている吸着剤は濡れてしまうと使えなくなってしまうため、ドレンの流入は絶対に防がなければなりません。
最後に
今回はガスの吸着分離操作でポピュラーなPSAについて紹介しました。結構汎用性が高く、色んなプラントで使われてるみたいですね。運転の参考になれば幸いです。
ご安全に！
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