窒素シリーズ (II) 窒素の調製

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窒素は空気の主成分であり、空気の約 78% を占めます。窒素元素 N2 は、通常の状態では無色無臭の気体です。標準状態でのガス密度は1.25g/Lです。融点は-210℃、沸点は-196℃です。液体窒素は低温（-196℃）の冷媒です。

今日は、国内外で窒素を製造するためのいくつかの主な方法を紹介します。

一般的な工業規模の窒素製造方法には、深冷空気分離窒素製造、圧力スイング吸着窒素製造、膜分離窒素製造の 3 つがあります。

第一回：深冷空気分離窒素製造法

極低温空気分離窒素製造は、数十年近くの歴史を持つ伝統的な窒素製造方法です。空気を原料として圧縮・精製し、熱交換により空気を液化して液体空気にします。液体空気は主に液体酸素と液体窒素の混合物です。液体酸素と液体窒素の沸点の違いを利用して、液体空気を蒸留して分離し、窒素を取得します。

利点: 大量のガス生産と高純度の製品窒素。極低温窒素の製造では、窒素だけでなく、液体窒素のプロセス要件を満たし、液体窒素貯蔵タンクに保管できる液体窒素も製造できます。断続的な窒素負荷または空気分離装置の軽度の修理がある場合、貯蔵タンク内の液体窒素は気化器に入り加熱され、プロセス装置の窒素需要を満たすために製品窒素パイプラインに送られます。極低温窒素製造の運転サイクル (2 回の大規模加熱の間の間隔を指します) は通常 1 年以上であるため、極低温窒素製造は一般にスタンバイとはみなされません。

短所: 極低温窒素製造では、99.999%以上の純度の窒素を製造できますが、窒素の純度は窒素負荷、トレイの数、トレイの効率、液体空気中の酸素純度によって制限され、調整範囲が非常に狭いです。したがって、一連の極低温窒素製造装置では、製品の純度は基本的に確実であり、調整が不便です。極低温法は極低温で実行されるため、装置は通常の運転を開始する前に予冷始動プロセスを実行する必要があります。始動時間、つまり膨張機の始動から窒素純度が要件に達するまでの時間は、通常 12 時間以上です。機器がオーバーホールに入る前に、通常 24 時間の加熱と解凍の時間が必要です。したがって、極低温窒素製造装置は頻繁に起動・停止を行わず、長時間連続運転することが望ましい。

さらに、極低温プロセスは複雑で、広い面積を占め、インフラコストが高く、特別なメンテナンス部隊が必要で、多数のオペレーターが必要で、ガスの生成はゆっくりと（18 ～ 24 時間）行われます。大規模な工業用窒素生産に適しています。

第二回：圧力変動吸着（PSA）窒素製造法

圧力スイング吸着 (PSA) ガス分離技術は、非極低温ガス分離技術の重要な分野です。これは、極低温法よりも簡単な空気分離法を見つけようとする人々の長期的な努力の結果です。

1970 年代、西ドイツのエッセン鉱業会社は炭素モレキュラーシーブの開発に成功し、PSA 空気分離窒素生産の工業化への道を切り開きました。過去 30 年間にわたり、このテクノロジーは急速に発展し、成熟してきました。これは、中小規模の窒素生産分野における極低温空気分離の強力な競争相手となっています。

圧力スイング吸着窒素製造では、原料として空気を使用し、吸着剤として炭素モレキュラーシーブを使用します。カーボンモレキュラーシーブが空気中の酸素と窒素を選択的に吸着する特性を利用し、圧力スイング吸着（加圧吸着、減圧脱離、モレキュラーシーブ再生）の原理を利用して、室温で酸素と窒素を分離して窒素を製造します。

極低温空気分離窒素製造と比較して、圧力スイング吸着窒素製造には大きな利点があります。吸着分離は室温で実行され、プロセスが簡単で、装置がコンパクトで、設置面積が小さく、開始と停止が簡単です。始動が早い、ガス生成が早い（通常約 30 分）、エネルギー消費量が少ない、運転コストが低い、自動化度が高い、運転とメンテナンスが便利、スキッドの取り付けが便利、特別な基礎が不要が必要な場合、製品の窒素純度は特定の範囲内で調整でき、窒素生成量は≤3000Nm3/hです。したがって、圧力スイング吸着窒素生成は、断続運転に特に適しています。

しかし、これまでのところ、国内外の対応企業は、PSA 窒素製造技術を使用して純度 99.9% (つまり、O2 ≤ 0.1%) の窒素しか製造できません。一部の企業は、99.99% の純窒素 (O2≤0.01%) を生産できます。 PSA窒素の製造技術的にはさらに高純度化も可能ですが、製造コストが高くなり、ユーザーに受け入れられにくいと考えられます。したがって、PSA 窒素製造技術を使用して高純度窒素を製造するには、後段の精製装置も追加する必要があります。

窒素精製方法（工業規模）

（１）水素化脱酸素法。

触媒の作用により、窒素中の残留酸素が添加された水素と反応して水が生成され、反応式は 2H2 + O2 = 2H2O となります。その後、高圧窒素圧縮機ブースターで水分を除去し、後乾燥により主成分がN2≧99.999%、O2≦5×10-6、H2≦1500×の高純度窒素が得られます。 10-6、H2O≦10.7×10-6。窒素の生産コストは約 0.5 元/m3 です。

(2) 水素化・脱酸素法。

この方法は 3 段階に分かれており、第 1 段階は水素化と脱酸素、第 2 段階は脱水素、第 3 段階は水分の除去です。次の組成の高純度窒素が得られます: N2 ≥ 99.999%、O2 ≤ 5 × 10-6、H2 ≤ 5 × 10-6、H2O ≤ 10.7 × 10-6。窒素生産コストは約 0.6 元/m3 です。

（３）炭素脱酸素法。

炭素担持触媒の作用下（一定の温度）で、通常の窒素中の残留酸素が触媒自体から供給される炭素と反応してCO2を生成します。反応式：C + O2 = CO2。 CO2 と H2O を除去する次の段階を経ると、N2 ≧ 99.999%、O2 ≤ 5 × 10-6、CO2 ≤ 5 × 10-6、H2O ≤ 10.7 × 10-6 の組成を有する高純度窒素が得られます。窒素生産コストは約 0.6 元/m3 です。

第三：膜分離と空気分離による窒素製造

膜分離および空気分離窒素製造も、非極低温窒素製造技術の新しい分野です。 1980年代に海外で急速に発展した新しい窒素製造法です。近年、中国でも推進され、応用されています。

膜分離窒素製造は空気を原料とします。一定の圧力下で、中空糸膜内の酸素と窒素の透過速度の違いを利用して酸素と窒素を分離し、窒素を生成します。上記2つの窒素製造法と比較して、装置構造がシンプル、容積が小さく、切替バルブが不要、操作・メンテナンスが容易、ガス製造が迅速（3分以内）、容量拡張が容易などの特徴があります。

ただし、中空糸膜には圧縮空気の清浄度に関する要件がさらに厳しくなります。膜は老化して破損しやすく、修復が困難です。新しいメンブレンを交換する必要があります。

膜分離窒素生産は、窒素純度要件が 98% 以下の中小規模のユーザーに適しており、現時点で最高の機能と価格の比率を備えています。窒素純度98%以上が要求される場合、同仕様の圧力スイング吸着式窒素製造装置と比較して約30%高くなります。そのため、膜分離窒素製造装置と窒素精製装置を組み合わせて高純度窒素を製造する場合、一般的な窒素の純度は98%程度となり、精製装置の製造コストや運転コストが増加してしまいます。