(57)【要約】      （修正有）【課題】アンモニア増産システム及び方法の提供。【解決手段】パージガスを加熱する様に構成された第１熱交換器１０と、第１熱交換器１０で加熱したパージガスからアンモニアを合成し、直列に配置した複数の反応手段と、複数の反応手段の間の中間生成ガスを冷却する中間冷却手段と、パージガス又は生成ガスを昇温するスタートアップ用反応器３０と、複数の反応手段で得られた生成ガスからアンモニアを分離する気液分離器４０とを備え、第１熱交換器１０が、パージガスと生成ガスとを熱交換して、パージガスを昇温し、スタートアップ用反応器３０が、第１熱交換器１０の前流のパージガスを昇温し、第１熱交換器１０の後流のパージガス又は第１熱交換器１０の前流の生成ガスを昇温し、熱交換する為の生成ガスに送る、又は第１熱交換器１０の前流のパージガスを昇温し、熱交換する為のパージガスに送る、アンモニア増産システム１Ａ及び方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニア製造プラントからパージされるパージガスを使用してアンモニアを更に製造するために、前記アンモニア製造プラントに追設されるアンモニア増産システムであって、
前記アンモニア製造プラントからパージされたパージガスを加熱する第１熱交換器と、
前記第１熱交換器で加熱されたパージガス中のアンモニア合成を進めて生成ガスとする、直列に配置された複数の反応手段と、
前記複数の反応手段の間で得られた中間生成ガスを冷却する中間冷却手段と、
前記パージガス又は前記生成ガスを昇温するスタートアップ用反応器と、
前記複数の反応手段で得られた生成ガスからアンモニアを分離する気液分離器と
を備え、
前記第１熱交換器が、前記パージガスと前記生成ガスとを熱交換することにより、前記パージガスを昇温するように構成され、
前記スタートアップ用反応器が、前記第１熱交換器の前流のパージガスを昇温し、前記第１熱交換器の後流のパージガス若しくは前記熱交換するための生成ガスに送る、前記第１熱交換器の前流の生成ガスを昇温し、前記熱交換するための生成ガスに送る、又は前記第１熱交換器の前流のパージガスを昇温し、前記熱交換するためのパージガスに送るように構成された、アンモニア増産システム。
【請求項２】
前記スタートアップ用反応器が、前記パージガス又は前記生成ガスを３００℃以上まで昇温するように構成された反応器である、請求項１に記載のアンモニア増産システム。
【請求項３】
前記複数の反応手段が、一つ以上の反応塔内に設けられた複数の反応部、互いに別個の複数の反応器内に設けられた複数の反応部又はこれらの組み合わせである、請求項１又は２に記載のアンモニア増産システム。
【請求項４】
前記中間冷却手段が、前記中間生成ガスを冷却材と混合する混合器、前記中間生成ガスと冷却材との間で熱交換を行う冷却器又はこれらの組み合わせであり、
前記冷却材は、前記中間冷却手段が混合器である場合は前記パージガスの一部であり、前記中間冷却手段が前記冷却器である場合は、前記パージガスの一部、水、空気、循環冷媒、又はこれらの組み合わせである、請求項１〜３のいずれか一項に記載のアンモニア増産システム。  
【請求項５】
アンモニア製造プラントからパージされるパージガスを使用してアンモニアを更に製造するために、前記アンモニア製造プラントに追設されるアンモニア増産システムであって、
前記アンモニア製造プラントからパージされたパージガスを加熱する第１熱交換器と、
前記第１熱交換器で加熱されたパージガス中のアンモニア合成を進めて生成ガスとする、直列に配置された複数の反応手段と、
前記複数の反応手段の間で得られた中間生成ガスを冷却する中間冷却手段と、
前記第１熱交換器の前流のパージガスの一部を燃焼するスタートアップ用反応器と、
前記燃焼したパージガスと残部のパージガスとを熱交換する第２熱交換器と、
前記複数の反応手段で得られた生成ガスからアンモニアを分離する気液分離器と
を備え、
前記第１熱交換器が、前記パージガスと前記生成ガスとを熱交換することにより、前記パージガスを昇温するように構成され、
前記第２熱交換器の前流のパージガスを昇温し、前記第１熱交換器の後流のパージガス若しくは前記熱交換するための生成ガスに送るように構成された、アンモニア増産システム。
【請求項６】
前記スタートアップ用反応器及び前記第２熱交換器が、前記パージガスを３００℃以上まで昇温するように構成された反応器及び熱交換器である、請求項５に記載のアンモニア増産システム。
【請求項７】
前記複数の反応手段が、一つ以上の反応塔内に設けられた複数の反応部、互いに別個の複数の反応器内に設けられた複数の反応部又はこれらの組み合わせである、請求項５又は６に記載のアンモニア増産システム。
【請求項８】
前記中間冷却手段が、前記中間生成ガスを冷却材と混合する混合器、前記中間生成ガスと冷却材との間で熱交換を行う冷却器又はこれらの組み合わせであり、
前記冷却材は、前記中間冷却手段が前記混合器である場合は前記パージガスの一部であり、前記中間冷却手段が前記冷却器である場合は、前記パージガスの一部、水、空気、循環冷媒、又はこれらの組み合わせである、請求項５〜７のいずれか一項に記載のアンモニア増産システム。
【請求項９】
請求項５〜８のいずれか一項に記載の前記第２熱交換器にて熱交換後のパージガスの供給及びその流量を制御するように構成された、アンモニア増産システム。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載のアンモニア増産システムをモジュールとして複数備え、
前記複数のモジュールのうちの前流のモジュールの前記気液分離器で前記アンモニアを分離したオフガスが、前記第１熱交換器の前流、後流のモジュール又は前記アンモニア製造プラントのアンモニア回収ユニットへ送られる構成である、アンモニア増産システム。
【請求項１１】
前記第１熱交換器の前流のパージガスを、前記気液分離器の後流に送るように構成された流路を更に備え、
前記複数の反応手段が、前記一つ以上の反応塔に設けられた複数の反応部であり、
前記流路のパージガスの流量を制御することにより、前記一つの反応塔へのパージガス流量を一定にするように構成された、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のアンモニア増産システム。
【請求項１２】
前記分離されたアンモニアの量を計測する流量計を更に備える、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のアンモニア増産システム。
【請求項１３】
アンモニア製造プラントからパージされるパージガスを使用してアンモニアをさらに製造するためのアンモニア増産方法であって、
第１熱交換器を用いて、前記アンモニア製造プラントからパージされたパージガスを加熱する加熱ステップと、
直列に配置された複数の反応手段を用いて、前記加熱されたパージガス中のアンモニア合成を進めて生成ガスとするステップと、
前記複数の反応手段の間で得られた中間生成ガスを冷却する中間冷却ステップと、
前記パージガス又は前記生成ガスを所定の温度まで昇温するスタートアップステップと、
前記複数の反応手段で得られた生成ガスからアンモニアを分離するステップと
を含み、
前記加熱ステップでは、前記パージガスと前記生成ガスとを熱交換することにより、前記パージガスを昇温し、
前記スタートアップステップでは、前記加熱ステップ前のパージガスを昇温し、前記第１熱交換器の後流のパージガス若しくは前記熱交換するための生成ガスに送る、前記熱交換前の生成ガスを昇温し、前記第１熱交換器にて熱交換するための生成ガスに送る、又は前記加熱ステップ前のパージガスを昇温し、前記第１熱交換器にて前記熱交換するためのパージガスに送る、アンモニア増産方法。
【請求項１４】
前記スタートアップステップでは、前記パージガス又は前記生成ガスを３００℃以上まで昇温するように構成された反応器である、請求項１３に記載のアンモニア増産方法。
【請求項１５】
前記複数の反応手段が、一つ以上の反応塔内に設けられた複数の反応部、互いに別個の複数の反応器内に設けられた複数の反応部又はこれらの組み合わせである、請求項１３又は１４に記載のアンモニア増産方法。
【請求項１６】
前記中間冷却ステップが、前記中間生成ガスを冷却材と混合して冷却すること、冷却器を用いて前記中間生成ガスと冷却材との間で熱交換を行い冷却すること、又はこれらの組み合わせを含み、
前記冷却材は、前記中間冷却ステップが前記中間生成ガスを冷却材と混合して冷却することである場合は前記パージガスの一部であり、冷却器を用いて前記中間生成ガスと冷却材との間で熱交換を行い冷却することである場合は、前記パージガスの一部、水、空気、循環冷媒、又はこれらの組み合わせである、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載のアンモニア増産システム。
【請求項１７】
アンモニア製造プラントからパージされるパージガスを使用してアンモニアを更に製造するためのアンモニア増産方法であって、
第１熱交換器を用いて、前記アンモニア製造プラントからパージされたパージガスを加熱する加熱ステップと、
直列に配置された複数の反応手段を用いて、前記第１熱交換ステップで加熱されたパージガス中のアンモニア合成を進めて生成ガスとするステップと、
前記複数の反応手段の間で得られた中間生成ガスを冷却する中間冷却ステップと、
前記第１熱交換器の前流のパージガスの一部を燃焼するスタートアップステップと、
第２熱交換器を用いて、前記燃焼したパージガスと残部のパージガスとを熱交換する熱交換ステップと、
前記複数の反応手段で得られた生成ガスからアンモニアを分離する気液分離ステップと
を含み、
前記加熱ステップでは、前記パージガスと前記生成ガスとを熱交換することにより、前記パージガスを昇温し、
前記スタートアップステップでは、前記第２熱交換器の前流のパージガスを昇温し、前記第１熱交換器の後流のパージガス又は前記熱交換するための生成ガスに送る、アンモニア増産システム。
【請求項１８】
前記スタートアップ用反応器及び前記第２熱交換器が、前記パージガスを３００℃以上まで昇温するように構成された反応器及び熱交換器である、請求項１７に記載のアンモニア増産方法。
【請求項１９】
前記複数の反応手段が、一つ以上の反応塔内に設けられた複数の反応部、互いに別個の複数の反応器内に設けられた複数の反応部又はこれらの組み合わせである、請求項１７又は１８に記載のアンモニア増産方法。
【請求項２０】
前記１７〜１９のいずれか一項に記載の前記第２熱交換器での熱交換により昇温したパージガスの供給及びその流量を制御する、アンモニア増産方法。
【請求項２１】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載のアンモニア増産システムをモジュールとして複数備え、
前記複数のモジュールのうちの前流のモジュールで生じたオフガスを、前記前流のモジュールにて前記スタートアップステップに用いるパージガス、後流のモジュールにて加熱ステップに用いるパージガス又は前記アンモニア製造プラントのアンモニア回収ユニットへ送る、アンモニア増産方法。
【請求項２２】
前記スタートアップステップ後に、前記加熱ステップ前のパージガスを前記気液分離器の後流に送る流量調整ステップを更に備え、
前記複数の反応手段が、前記一つ以上の反応塔内に設けられた複数の反応部であり、
前記流量調整ステップでは、前記流路のパージガスの流量を制御することにより、前記一つの反応塔へのパージガスの流量を一定にする、請求項１３〜２１のいずれか一項に記載のアンモニア増産方法。
【請求項２３】
前記分離されたアンモニアの量を計測する流量計測ステップを更に備える、請求項１３〜２２のいずれか一項に記載のアンモニア増産方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンモニア増産システム及び方法に関し、特に、アンモニア製造プラントのパージガスからアンモニアを増産するためのアンモニア増産システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、アンモニア製造プラント等の化学プラントでは、アンモニアを合成するために、例えば天然ガス等を用いて、水蒸気改質反応等により得られた水素(Ｈ2)と窒素(Ｎ2)を所定の割合で含む合成ガスからアンモニア(ＮＨ3)を合成している。
【０００３】
このようなプロセスでは、反応器でアンモニアを含む生成ガスを得た後、生成ガスを冷却し、アンモニアを液化して回収すると共に、未反応の水素と窒素などを含むガス混合物を分離する。分離したガス混合物を圧縮機等を介して前述の反応器へ戻すことにより、再度アンモニアを含む生成ガスを得る構成が用いられている（以降、アンモニア合成ループともいう。）。ガス混合物は、水素と窒素の他に、メタン(ＣＨ4)及びアルゴン(Ａｒ)等の不活性成分を含有しているため、アンモニア合成ループ内に不活性物質が過度に蓄積する。このため、アンモニア合成ループからガス（以降、パージガスともいう。）が通常抜き出される。パージガスは、アンモニア回収ユニット(ＡＲＵ：Ammonia Recovery Unit)で処理され、パージガス中のアンモニアが回収されると共に、残りのオフガスは、プラント内の燃料系統で直接使用されたりしている（特許文献１）。
【０００４】
このようなアンモニア合成ループを設置した既設のアンモニア製造プラントでは、アンモニアを更に増産するための試みが数多くなされている。例えば、アンモニア合成ループのパージガスを転化して追加的なアンモニアを生成する直立型でシェルアンドチューブ型の等温アンモニア転化器が知られている（特許文献２）。前記文献には、等温アンモニア転化器が、垂直に延びるシェル側で加圧水を沸騰させることで、アンモニア転化器内を等温にて操作でき、パージガスをアンモニア転化器に１回通過させるだけで、アンモニアの製造量を大きくすることができることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６１−１０６４０３号公報
【特許文献２】特開２０００−１４３２３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した方法の他にも、アンモニアを増産するためにいくつかの方法が考えられる。例えば、ＡＲＵにおいて、パージガス中のアンモニアが分離された後のオフガスは、水素を未だに含有している。水素回収ユニット(ＨＲＵ：Hydrogen recovery unit)をＡＲＵの後流に新たに設置し、ＨＲＵで回収した水素をアンモニア合成ループに送る合成ガスに加えることにより、アンモニア合成反応に再利用することが考えられる。また、アンモニア合成ループの前流の工程である水蒸気改質工程の一次改質の直前に、プレリフォーマを設置し、これにより改質容量を増加させることも考えられる。
しかしながら、ＨＲＵをＡＲＵの後流に設置する方法は、合成ガス中の水素の増加に伴い不足する窒素を送る必要があり、水蒸気改質工程中の二次改質にて、空気供給量を増加させる必要がある。加えて、二次改質以降の既存設備全体を改造（処理量能力増強のため）する必要がある。
また、プレリフォーマを設置する方法は、天然ガスの処理量の増加に伴って、一次改質以降の既存設備全体を改造（処理量能力増強のため）する必要がある。また、増産量が少ないにもかかわらず、運転が複雑化し反応の調整が難しいという問題がある。
更に、アンモニアを増産するために増設設備は、起動の際に、既設のプラントに影響を与えるという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記問題に照らして、アンモニア合成ループを備えたアンモニア製造プラントにおいて、既存設備全体の大幅な改造を要することなく、必要なアンモニア増産システムを追設することで、容易にアンモニアの増産量を変更可能であり、かつ既存のプラントの運転に大きく影響を与えることなくアンモニアの増産を開始できるアンモニア増産システム及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、その一側面にて、アンモニア増産システムである。前記アンモニア増産システムは、アンモニア製造プラントからパージされるパージガスを使用してアンモニアを更に製造するために、前記アンモニア製造プラントに追設されるアンモニア増産システムであって、前記アンモニア製造プラントからパージされたパージガスを加熱する第１熱交換器と、前記第１熱交換器で加熱されたパージガスからアンモニア合成を進めて生成ガスとする、直列に配置された複数の反応手段と、前記複数の反応手段の間で得られた中間生成ガスを冷却する中間冷却手段と、前記パージガス又は前記生成ガスを昇温するスタートアップ用反応器と、前記複数の反応手段で得られた生成ガスからアンモニアを分離する気液分離器とを備え、前記第１熱交換器が、前記パージガスと前記生成ガスとを熱交換することにより、前記パージガスを昇温するように構成され、前記スタートアップ用反応器が、前記第１熱交換器の前流のパージガスを昇温し、前記第１熱交換器の後流のパージガス若しくは前記熱交換するための生成ガスに送る、前記第１熱交換器の前流の生成ガスを昇温し、前記熱交換するための生成ガスに送る、又は前記第１熱交換器の前流のパージガスを昇温し、前記熱交換するためのパージガスに送ることとしている。
本発明に係るアンモニア増産システムは、前記アンモニア増産システムをモジュールとして複数備える形態とすることができる。
【０００９】
前記スタートアップ用反応器は、前記パージガス又は前記生成ガスを３００℃以上まで昇温するように構成された反応器であることが好ましい。
【００１０】
前記複数の反応手段は、一つ以上の反応塔内に設けられた複数の反応部、互いに別個の複数の反応器内に設けられた複数の反応部又はこれらの組み合わせの形態とすることができる。また、前記中間冷却手段は、前記中間生成ガスを冷却材と混合する混合器、前記中間生成ガスと冷却材との間で熱交換を行う冷却器又はこれらの組み合わせた形態とすることができる。また、前記冷却材は、前記混合器の形態では前記パージガスの一部、前記熱交換を行う冷却器の形態では、前記パージガスの一部、水、空気、循環冷媒、又はこれらを組み合わせた形態とすることができる。
【００１１】
また、前記スタートアップ用反応器は、前記第１熱交換器の前流のパージガスの一部を燃焼すると共に、前記燃焼したパージガスと残部のパージガスとを第２熱交換器にて熱交換することにより前記残部のパージガスを昇温し、前記第１熱交換器の前流、後流のパージガス又は前記熱交換するための生成ガスに送るように構成される。
【００１２】
前記アンモニア増産システムは、その一形態として、前記スタートアップ用反応器及びラインを使用して、前記複数の反応手段へ供給するパージガスの温度制御を行うように構成される。前記アンモニア増産システムは、その一形態として、前記スタートアップ反応器で燃焼するパージガスの流通を閉止し、低温のパージガスを第２熱交換器を経由して第１熱交換器の後流へ送るように構成できる。
【００１３】
前記アンモニア増産システムでは、その一形態として、前記第１熱交換器の前流のパージガスを、前記気液分離器の後流に送るように構成された流路を更に備え、前記複数の反応手段が、前記一つ以上の反応塔に設けられた複数の反応部であり、前記流路のパージガスの流量を制御することにより、前記一つの反応塔へのパージガス流量を一定にするように構成することができる。
【００１４】
前記アンモニア増産システムは、前記分離されたアンモニアの量を計測する流量計を更に備えることが好ましい。
【００１５】
また、本発明は、その一側面にて、アンモニア増産方法である。前記アンモニア増産方法は、アンモニア製造プラントからパージされるパージガスを使用してアンモニアをさらに製造するためのアンモニア増産方法であって、第１熱交換器を用いて、前記アンモニア製造プラントからパージされたパージガスを加熱する加熱ステップと、直列に配置された複数の反応手段を用いて、前記加熱されたパージガスからアンモニア合成を進めて生成ガスとするステップと、前記複数の反応手段の間で得られた中間生成ガスを冷却する中間冷却ステップと、前記パージガス又は前記生成ガスを所定の温度まで昇温するスタートアップステップと、前記複数の反応手段で得られた生成ガスからアンモニアを分離するステップとを含み、前記加熱ステップでは、前記パージガスと前記生成ガスとを熱交換することにより、前記パージガスを昇温し、前記スタートアップステップでは、前記加熱ステップ前のパージガスを昇温し、前記第１熱交換器の後流のパージガス若しくは前記熱交換するための生成ガスに送る、前記熱交換前の生成ガスを昇温し、前記第１熱交換器にて熱交換するための生成ガスに送る、又は前記加熱ステップ前のパージガスを昇温し、前記第１熱交換器にて前記熱交換するためのパージガスに送ることとしている。
本発明に係るアンモニア増産方法は、前記アンモニア増産システムをモジュールとして複数備えたアンモニア増産システムとすることができる。
【００１６】
前記スタートアップステップでは、前記パージガス又は前記生成ガスを３００℃以上まで昇温するように構成された反応器であることが好ましい。
【００１７】
前記複数の反応手段は、一つ以上の反応塔内に設けられた複数の反応部、互いに別個の複数の反応器内に設けられた複数の反応部又はこれらの組み合わせとすることができる。また、前記中間冷却ステップは、前記中間生成ガスを冷却材と混合して冷却すること、第２冷却器を用いて前記中間生成ガスと冷却材との間で熱交換を行い冷却すること、又はこれらを組み合わせた形態とすることができる。また、前記冷却材は、前記混合器の形態では前記パージガスの一部、前記熱交換を行う冷却器の形態では、前記パージガスの一部、水、空気、循環冷媒、又はこれらを組み合わせた形態とすることができる。
【００１８】
また、前記スタートアップステップにて、前記加熱ステップ前のパージガスの一部を燃焼すると共に、前記第２熱交換器を用いて燃焼したパージガスと残部のパージガスとを熱交換することにより前記残部のパージガスを昇温し、前記第１熱交換器の前流、後流のパージガス又は前記熱交換するための生成ガスに送る形態とすることができる。
【００１９】
前記アンモニア増産方法では、その一形態にて、前記スタートアップ用反応器及びラインを使用して、前記複数の反応手段へ供給するパージガスの温度制御を行う。前記アンモニア増産方法では、その一形態にて、前記スタートアップ反応器で燃焼するパージガスの流通を閉止し、低温のパージガスを第２熱交換器を経由して第１熱交換器の後流へ送る。
【００２０】
前記アンモニア増産方法は、その一形態として、前記スタートアップステップ後に、前記加熱ステップ前のパージガスを前記気液分離器の後流に送る流量調整ステップを更に備え、前記複数の反応手段が、前記一つ以上の反応塔内に設けられた複数の反応部であり、前記流量調整ステップでは、前記流路のパージガスの流量を制御することにより、前記一つの反応塔へのパージガスの流量を一定にすることができる。
【００２１】
前記アンモニア増産方法は、前記分離されたアンモニアの量を計測する流量計測ステップを更に備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、アンモニア合成ループを備えたアンモニア製造プラントにおいて、既存設備全体の大幅な改造を要することなく、必要なアンモニア増産システムを追設することで、容易にアンモニアの増産量を変更可能であり、かつ既存のプラントの運転に大きく影響を与えることなくアンモニアの増産を開始できるアンモニア増産システム及び方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明に係るアンモニア増産システムの第一実施の形態を示す、クエンチタイプのアンモニア増産システムを説明する模式図である。
【図２】図２は、本発明に係るアンモニア増産システムの第二実施の形態を示す、クエンチタイプのアンモニア増産システムを説明する模式図である。
【図３】図３は、本発明に係るアンモニア増産システムの第三実施の形態を示す、クエンチタイプのアンモニア増産システムを説明する模式図である。
【図４】図４は、本発明に係るアンモニア増産システムの第四実施の形態を示す、中間冷却タイプとクエンチタイプを組合せたアンモニア増産システムを説明する模式図である。
【図５】図５は、本発明に係るアンモニア増産システムの第五実施の形態を示す、中間冷却タイプのアンモニア増産システムを説明する模式図である。
【図６】図６は、本発明に係るアンモニア増産システムの第六実施の形態を示す、中間冷却タイプのアンモニア増産システムを説明する模式図である。
【図７】図７は、本発明に係るアンモニア増産システムの第七実施の形態を説明するための模式図である。
【図８】図８は、本発明に係るアンモニア増産システムの第八実施の形態を説明するための模式図である。
【図９】図９は、本発明に係るアンモニア増産システムが追設するのに好適なアンモニア製造プロセスプラントの構造を示す、概要図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付図面を参照して、本発明に係るアンモニア増産システム及び方法について、その実施の形態を説明する。本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されない。また、添付図面は、本実施の形態の概要を説明するための図であり、付属する機器を一部省略している。
【００２５】
［アンモニア製造プラント］
本発明に係るアンモニア増産システム及び方法については、図１〜図８を参照して、第一〜第八実施の形態を説明する。これに先立って、図９を参照して、本発明に係るアンモニア増産システムを増設するのに好適なアンモニア製造プラント１２２０の概要について簡単に説明する。
アンモニア製造プラント１２２０では、天然ガスが、水蒸気改質装置(一次改質、二次改質を含む)１２２１、一酸化炭素転化装置１２２２、二酸化炭素除去装置・一酸化炭素除去装置１２２３等を経ることにより、水素(Ｈ2)及び窒素(Ｎ2)を所定の割合で含む合成ガスを得る。合成ガスからアンモニア合成ループ１２３０にてアンモニア(ＮＨ3)を合成する。
アンモニア合成ループ１２３０内では、水素及び窒素を所定の割合で含む合成ガスをアンモニア合成塔１２３１に導入し、触媒の存在下で反応させアンモニアを得る。得られたアンモニア含有ガスは、複数の冷却器を備える冷却システム１２３２へ送られ、冷却される。その後、気液分離器１２３３より流路１２３４を経て、液体アンモニアが得られる。液体アンモニアから分離されたオフガスは、オフガス戻し流路１２３５を介して、アンモニア合成塔１２３１に戻され、オフガスに含まれる未反応の水素及び窒素をアンモニア合成反応に再利用される。オフガス戻し流路１２３５は、オフガスが冷却システム１２３２の一部の冷却器の冷媒として利用されるように構成されており、冷却器１２３２ｃの冷媒として利用された後、圧縮機１２３６で昇圧し、アンモニア含有ガスの流れ方向に対して前記冷却器１２３２ｃの上流側に隣接する冷却器１２３２ｂの冷媒として利用される。
【００２６】
一方で、アンモニア合成ループ１２３０を循環するガス中には、未反応の水素、窒素や、生成するアンモニアの他、メタン(ＣＨ4)及びアルゴン(Ａｒ)等の不活性成分が蓄積することから、パージガス流路１２２５を介して、循環するガスの一部をパージする。パージガスは、パージガス流路１２２５に設けた冷却器１２２６で冷却された後、気液分離器１２２７で液体アンモニアを分離した後、本発明に係るアンモニア増産システム１へ送られる。そして、詳しくは後述するが、本発明に係るアンモニア増産方法が実施された後、オフガスは、流路４１を介してアンモニア回収ユニット(ＡＲＵ：Ammonia Recovery Unit)１２２８に送られる。なお、パージガス流路１２２５は、図中、冷却システム１２３２の後流に設けられているものの、特にこの位置に限定されない。また、合成ガスの供給流路１２２４も同様の位置に設けられているものの、特にこの位置に限定されない。
【００２７】
アンモニア増産システム１は、アンモニア合成ループ１２３０とＡＲＵ１２２８との間に設けられることが特に好ましい。一方で、前述したように、アンモニア増産システム１はアンモニア製造プロセス中に様々な箇所に適宜に設置又は離脱することが可能である。このため、必要に応じてアンモニア合成ループ１２３０とＡＲＵ１２２８との間以外の箇所に設けることもできる。アンモニア増産システム１を、アンモニア合成ループ１２３０とＡＲＵ１２２８との間に設けることにより、既存設備の改造部分が極めて少なくできる。また、製造状況に臨機応変に、継続的かつ低コストで、運転することが可能となる。また、アンモニア合成に必要な高圧条件を保持でき、アンモニア増産システムで分離収集できなかったアンモニアは後流の既存のＡＲＵで補足される。このため、完全な分離収集を行う必要がないといった利点もある。
以上のような構成を備えるアンモニア製造プラント１２２０のアンモニア増産システム１及びアンモニア増産方法について、以下に、図１〜図８を参照して説明する。
【００２８】
[１．第一実施の形態]
先ず、図１を参照して、本発明に係るアンモニア増産システムの一実施の形態について説明する。図１に示すアンモニア増産システム１Ａは、第１熱交換器１０と、反応塔２０と、スタートアップ用反応器３０と、気液分離器４０とを備える。また、本明細書では、処理対象となるパージガスの流れ方向を基準として、「前流」、「後流」のように表現している。
【００２９】
第１熱交換器１０は、アンモニア合成ループとパージガス流路１１を介して連結し、反応塔２０の塔頂部（以降、入口ともいう。）と流路１２を介して連結し、反応塔２０の塔底部（以降、出口ともいう。）と生成ガス流路１７を介して連結し、気液分離器４０と流路１８、１９を介して連結している。第１熱交換器１０は、パージガス流路１１のパージガスと生成ガス流路１７の生成ガスとを熱交換することにより、パージガス流路１１のパージガスを昇温し、流路１２を介して反応塔２０に送ると共に、生成ガス流路１７の生成ガスを冷却し、流路１８に送る。第１熱交換器１０は、温度の低いパージガスと高温の生成ガスとを熱交換することにより、反応塔２０の前流のパージガスをアンモニア合成反応に適した温度に加熱する。これにより、アンモニア増産システム及びそれを備えたアンモニア製造プラントのエネルギー効率を向上させる。
【００３０】
反応塔２０は、複数の反応部２１ａ〜２１ｃが直列的に配置された反応器であり、その内部に供給した窒素と水素とを少なくとも含むパージガスからアンモニアを生成し、アンモニア濃度を高めた生成ガスを第１熱交換器１０に生成ガス流路１７を介して送る。
複数の反応部２１ａ〜２１ｃは、それぞれ、その内部にアンモニア合成触媒を充填し、アンモニアを少なくとも含有する中間生成ガスを生成する。
アンモニア合成触媒としては、特に制約は無く、鉄系触媒やルテニウム系触媒などを用いることができる。
【００３１】
また、反応塔２０は、複数の反応部２１ａ〜２１ｃとの間に設けられた複数の混合器２２ａ及び２２ｂを更に備えている。反応塔２０には、その塔頂部から塔底部へ向かって、第１反応部２１ａ、第１混合器２２ａ、第２反応部２１ｂ、第２混合器２２ｂ、第３反応部２１ｃが順に配置されている(本明細書にて、このような構成を「クエンチタイプ」と呼ぶ）。
混合器２２ａ、２２ｂは、アンモニア合成ループと連通したパージガス流路１１と流路２６ａ、２６ｂを介してそれぞれ直接的に連結している。混合器２２ａ、２２ｂでは、それぞれ、反応部２１ａ、２１ｂからの温度の高い中間生成ガスとパージガス流路１１からの温度の低いパージガスとが混合することにより、中間生成ガスを冷却する。すなわち、混合器２２ａ、２２ｂは、パージガス流路１１からの温度の低いパージガスの一部が送られることにより、中間生成ガスを冷却するための冷却器としてそれぞれ機能する。混合器２２ａ、２２ｂでは、複数の反応部２１ａ〜２１ｃでのアンモニア合成反応が発熱反応であることから、その温度が上昇した中間生成ガスを次の反応部に送るために、適切な温度に冷却することができる。なお、反応塔２０内の複数の反応部及び複数の混合器の段数、及びそれに対応した流路の支管の設置数は、同様に適宜変更することができる。
【００３２】
スタートアップ用反応器３０は、流路３０ａを介して第１熱交換器１０の前流のパージガス流路１１に連結し、流路３０ｂを介して第１熱交換器１０の後流かつ反応塔２０の前流の生成ガス流路１７に連結している。スタートアップ用反応器３０は、図示しない電気ヒータ等の加熱手段を備え、例えば３００℃以上まで加熱する。なお、流路３０ａ及び／又はパージガス流路１１には、スタートアップ用反応器３０へのパージガスの供給及びその流量を制御するために、図示しない流量調整弁等の開閉弁を設けることができる。
スタートアップ用反応器３０にて、ガスを昇温するための加熱手段としては、電気ヒータ、熱媒ヒータ等を用いることができる。
【００３３】
気液分離器４０は、流路１８を介して冷却器５０で冷却された生成ガスの流路１９と、気液分離して得られた液体アンモニアの流路４２と、気液分離して得られた液体アンモニア以外のガスを例えばＡＲＵに送るためのオフガス流路４１とに連結している。気液分離器４０は、生成ガス中のアンモニアよりも低い沸点を有するガス成分を液体アンモニアから分離できる構成を有するものであればよく、その構成は特に限定されない。冷却器５０は、その後流に配置された気液分離器４０にてアンモニアが液化する温度まで生成ガスと冷却材とを熱交換することにより、生成ガスを冷却する。なお、冷却器５０は、所望の温度に調節するために複数台設けることができる。
【００３４】
次いで、以上の構成を有するアンモニア増産システム１Ａの作動機能を説明することにより、本発明に係るアンモニア増産方法の第一実施の形態について説明する。
【００３５】
アンモニア増産システム１Ａの起動の際は、アンモニア製造プラントのアンモニア合成ループからパージされたパージガスを、流路３０ａ及び／又はパージガス流路１１に設けた図示しない開閉弁の開閉制御により、パージガス流路１１からスタートアップ用反応器３０に流入する。スタートアップ用反応器３０では、電気ヒータ等の加熱手段により、パージガスを所定の温度(例えば約２００〜６００℃)まで昇温する。所定の温度は、アンモニア合成触媒の活性の観点から、３００℃以上が好ましい。スタートアップ用反応器３０は、昇温したパージガスを第１熱交換器１０の後流、すなわち反応塔２０の入口に直接的に送る。反応塔２０に昇温されたパージガスが流入することにより、アンモニアが生成する。このような起動により、既設のアンモニア製造プラントのユーティリティ系統に大きく影響を与えずに、アンモニア増産システムを起動することができる。
【００３６】
アンモニア増産システム１Ａの起動後、低温のパージガスをパージガス流路１１から第１熱交換器１０に供給し、反応塔２０で最終的に得られた生成ガスとの熱交換により、所定の温度まで昇温する。昇温されたパージガスを反応塔２０に供給してアンモニアを生成する。具体的には、昇温されたパージガスを反応塔２０の入口から第１反応部２１ａに送る。第１反応部２１ａでのアンモニア合成反応により得られた中間生成ガスは、発熱反応によって温度が上昇している。このため、第１混合器２２ａで、流路２６ａからの低温のパージガスを混合することにより、所定の温度に冷却する。中間生成ガスとパージガスとの混合ガスは、第２反応部２１ｂでアンモニア合成反応を行う。発熱反応により温度が上昇した中間生成ガスは、第２混合器２２ｂで流路２６ｂからの低温のパージガスを混合することで、再び所定の温度に冷却する。第３反応部２１ｃでアンモニア合成反応を行い、最終的に得られたアンモニア濃度の高い生成ガスを、反応塔２０の出口から生成ガス流路１７を経て冷却器５０、気液分離器４０に送る。気液分離器４０の流路４２から液体アンモニアを得ることで、アンモニア増産が達成される。液体アンモニアが分離されたガスについて、オフガス流路４１を経てＡＲＵにて処理するか、又は後述するように、パージガス流路１１に還流する若しくはその後流に別途モジュールとして設置したアンモニア増産システムに送り、アンモニアの生産を行う。本実施の形態に示すクエンチタイプの反応器では、冷却材としてパージガスを中間生成ガスに混合して使用しているため、冷媒を使用することなく反応塔２０にてアンモニアを生成することができる。その結果、運転コストを抑制できる。
【００３７】
[２．第二実施の形態]
図２を参照して、本発明に係るアンモニア増産システム及びアンモニア増産方法の第二実施の形態について説明する。図２に示すアンモニア増産システム１Ｂは、スタートアップ用反応器１３０を備える点において第一実施の形態と主に相違する。第一実施の形態と同様の構成については、同じ符号を付すと共に、説明を省略する。
【００３８】
スタートアップ用反応器１３０は、加熱手段を備え、流路１３０ａを介してパージガス流路１１に連結し、流路１３０ｂを介して第１熱交換器１０の前流かつ反応塔２０の後流の生成ガス流路１７に連結している。加熱手段については、第一実施の形態と同様の構成を採用することができる。すなわち、スタートアップ用反応器１３０は、パージガス流路１１のパージガスを加熱手段により例えば３００℃まで加熱して昇温し、流路１７を流通して熱交換器１０にて熱交換するための生成ガスに送る。第１熱交換器１０では、パージガス流路１１からの低温のパージガスと高温まで昇温させた生成ガスとを熱交換させることにより、パージガス流路１１のパージガスを昇温して、反応塔２０に送る。
【００３９】
次いで、以上の構成を有するアンモニア増産システム１Ｂの作動機能を説明することにより、本発明に係るアンモニア増産方法の第二実施の形態について説明する。第一実施の形態と同様のものについては、その説明を省略する。
【００４０】
アンモニア増産プラント１Ｂの起動の際は、アンモニア製造プラントのアンモニア合成ループからパージされたパージガスを、流路１３０ａ及び／又はパージガス流路１１に設けた図示しない開閉弁の開閉制御により、スタートアップ用反応器１３０に流入する。スタートアップ用反応器１３０では、電気ヒータ等の加熱手段により、生成ガスを所定の温度(例えば約２００〜６００℃)まで昇温する。所定の温度は、アンモニア合成触媒の活性の観点から、３００℃以上が好ましい。昇温した生成ガスを流路１７に送り、第１熱交換器１０にてパージガスと熱交換するための生成ガスに合流させる。反応塔２０には、高温の生成ガスとの熱交換により昇温されたパージガスが流入することにより、アンモニアが生成する。このような起動により、既設のアンモニア製造プラントのユーティリティ系統に大きく影響を与えずに、アンモニア増産システムを起動することができる。
【００４１】
[３．第三実施の形態]
図３を参照して、本発明に係るアンモニア増産システム及びアンモニア増産方法の第三実施の形態について説明する。図３に示すアンモニア増産システム１Ｃは、スタートアップ用反応器２３０を備える。前述した実施の形態と同様のものについては、同様の符号を付すと共に、その説明を省略する。
【００４２】
スタートアップ用反応器２３０は、加熱手段を備え、流路２３０ａを介して第１熱交換器１０の前流かつ反応塔２０の後流の生成ガス流路１７に連結し、流路２３０ｂを介して流路２３０ａとの接続箇所の後流の生成ガス流路１７に連結している。流路２３０ａ上には、スタートアップ用反応器２３０への生成ガスの供給及びその流量を制御するための流量調整弁等の開閉弁２３２が設けられている。加熱手段については、前述した実施の形態と同様の構成を採用することができる。すなわち、スタートアップ用反応器２３０は、生成ガス流路１７の生成ガスを加熱手段により例えば３００℃まで加熱して昇温し、高温の生成ガスとして第１熱交換器１０に送る。第１熱交換器１０では、パージガス流路１１からのパージガスと高温まで昇温した生成ガスとを熱交換させることにより、パージガス流路１１のパージガスを昇温して、反応塔２０に送る。これにより、アンモニア増産システム１Ｃを起動させる。
【００４３】
流路２６ａ、２６ｂは、それぞれ、その一端にてパージガス流路１１に連結し、その他端にて反応塔２０の混合器２２ａ、２２ｂに連結している。流路２６ａ、２６ｂには、それぞれ、混合器２２ａ、２２ｂへのパージガスの流入を調整するための流量調整弁等の開閉弁２７ａ、２７ｂが設けられている。流路２６ａ、２６ｂは、それぞれ、パージガス流路１１と流路２１１との接続箇所の後流にてパージガス流路１１と連結している。
パージガス流路１１には、システムの起動の際に、パージガス流路１１のパージガスをオフガス流路４１へ直接的に送るための流路２１１が連結している。流路２１１には、その開閉制御により、流路２１１又はパージガス流路１１へのパージガスの供給及びその流量を制御するための流量調整弁等の開閉弁２１１ａが設けられている。
【００４４】
次いで、以上の構成を有するアンモニア増産システム１Ｃの作動機能を説明することにより、本発明に係るアンモニア増産方法の第三実施の形態について説明する。前述した実施の形態と同様のものについては、同様の符号を付すと共に、その説明を省略する。
【００４５】
アンモニア増産システム１Ｃの起動の際は、流路２３０に設けた開閉弁２３２の開閉制御により、生成ガス流路１７の生成ガスをスタートアップ用反応器２３０に流入する。スタートアップ用反応器２３０では、電気ヒータ等の加熱手段により、生成ガスを所定の温度(例えば約２００〜６００℃)まで昇温する。所定の温度は、アンモニア合成触媒の活性の観点から、３００℃以上が好ましい。昇温した生成ガスを流路１７に送り、第１熱交換器１０にてパージガスと熱交換するための生成ガスに合流させる。第１熱交換器１０では、高温まで昇温された生成ガスと低温のパージガスとを熱交換することにより、パージガスを昇温する。反応塔２０には、高温の生成ガスとの熱交換により昇温されたパージガスが流入することにより、アンモニアが生成する。このような起動により、既設のアンモニア製造プラントのユーティリティ系統に大きく影響を与えずに、アンモニア増産システム１Ｃを起動できる。
【００４６】
アンモニア増産システム１Ｃの起動の際に、アンモニア合成ループのパージガスをパージガス流路１１から流路２２１を介してオフガス流路４１に直接的に送ることにより、第１熱交換器１０へのパージガスの流入又は流入量を調整することができる。この調整は、流路２１１に設けた開閉弁２１１ａの開閉制御により行う。更に、アンモニア増産システム１Ｃの起動の際又は運転中に、流路２６ａ、２６ｂに設けた開閉弁２７ａ、２７ｂをそれぞれ開閉制御することにより、混合器２２ａ、２２ｂにて冷却するために用いるパージガスの流入及び流入量を制御する。
【００４７】
[４．第四実施の形態]
図４を参照して、本発明に係るアンモニア増産システム及びアンモニア増産方法の第四実施の形態について説明する。図４に示すアンモニア増産システム１Ｄは、第１熱交換器１０で昇温されたパージガスからアンモニアを合成する複数の反応器１２０ａ、１２０ｂと、反応器１２０ａと反応器１２０ｂの間で中間生成ガスを冷却するための第１冷却器１２４ａを備える。前述した実施の形態と同様のものについては、同様の符号を付すと共に、その説明を省略する。
【００４８】
複数の反応器１２０ａ、１２０ｂは、ガスの流れ方向に沿って、第１反応器１２０ａ、第２反応器１２０ｂが直列に配置されてなる。また、第１反応器１２０ａと第２反応器１２０ｂの間には、第１冷却器１２４ａが設けられている(本明細書では、このような配置を、「中間冷却タイプ」と呼ぶ）。また、第１反応器１２０ａには、第１熱交換器１０により昇温されたパージガスが送られる流路１２と、第１反応器１２０ａで得られた中間生成ガスを第１冷却器１２４ａに送るための流路１３とが設けられている。第２反応器１２０ｂには、第１冷却器１２４ａで冷却された中間生成ガスを第２反応器１２０ｂに送るための流路１４と、第２反応器１２０ｂで得られた最終的な生成ガスを第１熱交換器１０へ送る生成ガス流路１７が設けられている。なお、図中では、第１冷却器１２４ａのみを例示しているものの、反応器が３つ以上である場合は、冷却器は２つ以上設置することができる。
【００４９】
また、複数の反応器１２０ａ、１２０ｂの各々は、複数の反応部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ａｂ、１２１ｂｂを備えている。具体的には、第１反応器１２０ａには、複数の反応部１２１ａ、１２１ｂが直列に配置され、第２反応器１２０ｂには、複数の反応部１２１ａｂ、１２１ｂｂが直列に配置されている。また、複数の反応器１２０ａ、１２０ｂの各々は、複数の反応部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ａｂ、１２１ｂｂとの間に設けられた混合器１２２ａ、１２２ａｂを更に備えている。具体的には、第１反応器１２０ａの複数の反応部１２１ａ、１２１ｂとの間に混合器１２２ａが設けられ、第２反応器１２０ｂの複数の反応部１２１ａｂ、１２１ｂｂとの間に混合器１２２ａｂが設けられている。
【００５０】
混合器１２２ａ、１２２ａｂは、アンモニア合成ループと連通したパージガス流路１１と流路１２６ａ、１２６ｂを介してそれぞれ直接的に連結している。混合器１２２ａ、１２２ａｂでは、それぞれ、反応部１２１ａ、１２１ａｂからの温度の高い中間生成ガスとパージガス流路１１からの温度の低いパージガスとが混合することにより、中間生成ガスを冷却する。すなわち、混合器１２２ａ、１２２ａｂは、パージガス流路１１からの温度の低いパージガスの一部が送られることにより、中間生成ガスを冷却するための冷却器としてそれぞれ機能する。混合器１２２ａ、１２２ａｂでは、複数の反応部１２１ａ、１２１ａｂでのアンモニア合成反応が発熱反応であることから、その温度が上昇した中間生成ガスを次の反応部に送るために、適切な温度に冷却することができる。
【００５１】
複数の反応部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ａｂ、１２１ｂｂには、それぞれ、水素及び窒素からアンモニアを合成する反応を促進するアンモニア合成触媒が充填されている。アンモニア合成触媒については、前述したアンモニア合成触媒を好適に採用することができる。また、第１冷却器１２４ａは、複数の反応器１２０ａ、１２０ｂのアンモニア合成反応が発熱反応であることから、温度が上昇した中間生成ガスを次の反応器に送るために、適切な温度に冷却するものである。なお、第１冷却器１２４ａは、所望の温度に調節するために複数台設けることができる。
【００５２】
流路１２６ａは、その一端にてパージガス流路１１に連結し、その他端にて第１反応器１２０ａの混合器１２２ａに連結し、流路１２６ｂは、その一端にてパージガス流路１１に連結し、その他端にて第２反応器１２０ｂの混合器１２２ａｂに連結している。流路１２６ａ、１２６ｂには、それぞれ、混合器１２２ａ、１２２ａｂへのパージガスの流入を調整するための流量調整弁等の開閉弁１２７ａ、１２７ｂが設けられている。流路１２６ａ、１２６ｂは、それぞれ、パージガス流路１１と流路２１１との接続箇所の後流にてパージガス流路１１と連結している。
【００５３】
次いで、以上の構成を有するアンモニア増産システム１Ｄの作動機能を説明することにより、本発明に係るアンモニア増産方法の第四実施の形態について説明する。
【００５４】
アンモニア増産システム１Ｄの起動の際は、流路２３０に設けた開閉弁２３２の開閉制御により、生成ガス流路１７の生成ガスをスタートアップ用反応器２３０に流入する。スタートアップ用反応器２３０では、電気ヒータ等の加熱手段により、生成ガスを所定の温度(例えば約２００〜６００℃)まで昇温する。所定の温度は、アンモニア合成触媒の活性の観点から、３００℃以上が好ましい。昇温した生成ガスを流路１７に送り、第１熱交換器１０にてパージガスと熱交換するための生成ガスに合流させる。反応器１２０ａには、高温の生成ガスとの熱交換により昇温されたパージガスが流入することにより、アンモニアが生成する。このような起動により、既設のアンモニア製造プラントのユーティリティ系統に大きく影響を与えずに、アンモニア増産システム１Ｄを起動できる。
【００５５】
アンモニア増産システム１Ｄの起動の際に、アンモニア合成ループのパージガスをパージガス流路１１と流路２１１を介してオフガス流路４１に直接的に送ることにより、第１熱交換器１０へのパージガスの流入又は流入量を調整することができる。このような制御は、流路２１１に設けた開閉弁２１１ａの開閉制御により行う。また、アンモニア増産システム１Ｄの起動の際又は運転中に、流路１２６ａ、１２６ｂに設けた開閉弁１２７ａ、１２７ｂをそれぞれ開閉制御することにより、混合器１２２ａ、１２２ａｂにて冷却するために用いるパージガスの流入及び流入量を制御する。
【００５６】
アンモニア増産システム１Ｄの起動後、パージガス流路１１から第１熱交換器１０にパージガスを供給し、複数の反応器１２０ａ、１２０ｂを経て最終的に得られた生成ガスで、所定の温度（例えば約２００〜６００℃）まで昇温する。昇温されたパージガスを第１反応器１２０ａに供給してアンモニア合成反応を行う。第１反応器１２０ａで得られた中間生成ガスは、発熱反応によって温度が上昇しているため、第１冷却器１２４ａで再び所定の温度まで冷却する。このようにアンモニア合成反応と冷却を繰り返し、パージガスに含まれる水素および窒素からアンモニアを合成する。最終的に得られた生成ガスは、冷却器５０で所定の温度(１０℃以下)まで冷却し、気液分離器４０にて、液体アンモニアと液体アンモニア以外のガスに分離する。アンモニア製造プラントに加えて、このアンモニア増産システム１Ｄで追加のアンモニアを合成することができる結果、アンモニア増産が達成される。
【００５７】
本実施の形態によれば、複数の反応器１２０ａ、１２０ｂを直列に設置することで、反応器の数の増減は比較的容易に行えるため、アンモニアの増産率を調節することができる。また、直立型の等温アンモニア転化器を１塔設ける構成及び方法を採用する場合、ユーティリティ系統を含めて運転が複雑化するが、本実施の形態のように、直列に配置された複数の反応器１２０ａ、１２０ｂの間に中間生成ガスを冷却する第１冷却器１２４ａを設置することで、各反応器１２０ａ、１２０ｂのアンモニア合成反応の温度制御や、第１冷却器１２４ａの冷却温度の制御が容易となる。これにより、効率よくパージガスからアンモニアを増産することができる。
【００５８】
[５．第五実施の形態]
図５を参照して、本発明に係るアンモニア増産システム及びアンモニア増産方法の第五実施の形態について説明する。図５に示すアンモニア増産システムは、前述したアンモニア増産システムの構成を第１モジュール２２０Ａ、第２モジュール２２０Ｂとして採用して複数備え、スタートアップ用反応器３３０を更に備える。前述した実施の形態と同様のものについては、同様の符号を付すと共に、その説明を省略する。
【００５９】
第１モジュール２２０Ａ及び第２モジュール２２０Ｂには、前述した第一〜第四実施の形態のアンモニア増産システムを好適に採用することができる。
第１モジュール２２０Ａは、アンモニア合成ループとパージガス流路１１Ａを介して連結し、ＡＲＵ１２２８とオフガス流路１４１Ａを介して連結し、スタートアップ用反応器３３０と流路１４２を介して連結し、第２モジュール２２０Ｂとパージガス流路１１Ｂを介して連結している。
【００６０】
パージガス流路１１Ａには、温度指示調節計(TIC: Temperature Indicating Controller)と電気的に連結した開閉弁１１１ａが設けられている。オフガス流路１４１Ａには、第１モジュール２２０Ａで液体アンモニアを分離したパージガス（オフガス）をＡＲＵ１２２８へ送るための流量調整弁等の開閉弁１４１ａが設けられている。流路１４２には、第１モジュール２２０Ａで液体アンモニアを分離したパージガスを、スタートアップ用反応器３３０に送るための流量調整弁等の開閉弁１４２ａが設けられている。また、パージガス流路１１Ｂには、第１モジュール２２０Ａで液体アンモニアを分離したパージガスを、オフガス流路１４１Ａのみに送るための開閉弁１４１ｂと、温度指示調節計(TIC)と電気的に連結した開閉弁１１１ｂとが設けられている。
【００６１】
スタートアップ用反応器３３０は、燃焼手段を備え、流路３３０ａ及び流路３３０ａｃを介して第１熱交換器１０の前流に連結し、流路３３０ｂを介して第１モジュール２２０Ａ内の第１熱交換器１０の後流に連結し、流路３３０ｃを介して第２モジュール２２０Ｂ内の第１熱交換器１０の後流に連結している。流路３３０ａには、スタートアップ用反応器３３０へのパージガスの供給及びその流量を制御するための流量調整弁等の開閉弁３３２が設けられている。
【００６２】
流路３３０ａは、流路３３０ａｂと流路３３０ａｃとに分岐しており、流路３３０ａｂを介して第２熱交換器３１０に連結し、流路３３０ａｃを介してスタートアップ反応器３３０に連結している。スタートアップ反応器３３０では、流路３３０ａｃからのパージガスを流路３３０ａｄから圧縮器３３１により圧縮された空気に混合して後、燃焼される。燃焼されたパージガスは、流路３３０ａｅを介して第２熱交換器３１０に送られ、第２熱交換器３１０にて流路３３０ａｂのパージガスと熱交換することにより、流路３３０ａｂのパージガスを昇温する。熱交換後の熱媒体は排ガスとして流路３３０ａｅから系外へ排出する。
流路３３０ａｂのパージガスは、第２熱交換器３１０にて、スタートアップ反応器３３０により昇温したガスとの熱交換により昇温される。昇温されたパージガスは、流路３３０ａｆからそれぞれ分岐した流路３３０ｂ、３３０ｃを介して昇温したパージガスをモジュール２２０Ａ、２２０Ｂに送る。流路３３０ｂ、３３０ｃには、それぞれ、昇温したパージガスをモジュール２２０Ａ、２００２２０Ｂに送るための流量調整弁等の開閉弁が設けられている。
【００６３】
スタートアップ用反応器３３０が備える燃焼手段は、ファーネスによる直接燃焼又は燃焼触媒を用いた燃焼等である。すなわち、スタートアップ用反応器３３０は、パージガス流路１１Ａのパージガスの一部を燃焼手段により燃焼させ、燃焼させたガスと残部のパージガスとを熱交換することにより、残部のパージガスを例えば２００〜６００℃に昇温させて、各モジュール２２０Ａ、２２０Ｂに送る。燃焼触媒は、パージガスを燃焼できる触媒であればよい。
【００６４】
次いで、以上の構成を有するアンモニア増産システム１Ｅの作動機能を説明することにより、本発明に係るアンモニア増産方法の第五実施の形態について説明する。
【００６５】
第１モジュール２２０Ａの起動の際は、開閉弁３３２を開けた状態とすることにより、流路３３０ａにパージガスを送り、パージガスを一部のパージガスと残部のパージガスとに分岐する。パージガスの一部をスタートアップ用反応器３３０により燃焼させた後、残部のパージガスと熱交換することにより、残部のパージガスを例えば３００℃に昇温する。流路３３０ａｆと流路３３０ｂを介して残部のパージガスを第１モジュール２２０Ａ内の第１熱交換器１０の後流に送る。これにより、第１モジュール２２０Ａ内のアンモニア合成用の反応器に昇温したパージガスを送り、第１モジュール２２０Ａを起動させる。第１モジュール２２０Ａを起動の際は、流路３３０ｂの開閉弁を開き、流路３３０ｃの開閉弁を開けた状態とすることにより、昇温したパージガスの熱量を第１モジュール２２０Ａの起動のみに使用する。また、第１モジュール２２０Ａの起動の際は、開閉弁１１１ａを開いた状態とすることにより、第１モジュール２２０Ａの熱交換器１０にパージガスを流入させてもよく、開閉弁１１１ａを閉じた状態とすることにより、第１モジュール２２０Ａの熱交換器１０へのパージガスの流入を止めてもよい。
また、第２モジュール２２０Ｂの起動の際は、流路３３０ｃの開閉弁を閉じた状態とし、流路３３０ａｆと流路３３０ｃを介して残部のパージガスを第２モジュール２２０Ｂ内の第１熱交換器１０の後流に送る。これにより、第２モジュール２２０Ｂ内のアンモニア合成用の反応器に昇温したパージガスを送り、第２モジュール２２０Ｂを起動させる。
【００６６】
第１モジュール２２０Ａの起動の際は、第１モジュール２２０Ａの第１熱交換器１０の後流のパージガスの温度を監視する。パージガスが例えば３００℃以上まで昇温された際に開閉弁１１１ａを開閉制御することにより、パージガス流路１１Ａの第１モジュール２２０Ａへのパージガスの流量を制御することができる。パージガスの流量を制御しながら、最終的に開閉弁１１１ａを完全に開き、第１モジュール２２０Ａの通常運転に移行する。
第１モジュール２２０Ａの運転中は、第１モジュール２２０Ａにてアンモニアを増産すると共に、オフガスが後流に送られる。第１モジュール２２０Ａの運転中及び／又は第２モジュール２２０Ｂの起動の際若しくは運転中は、開閉弁１４１ｂを閉じ、開閉弁１４１ａを開く状態とし、オフガス流路１４１Ａを介してオフガスをＡＲＵ１２２８に送り、処理してもよい。
【００６７】
第２モジュール２２０Ｂの起動の際は、第２モジュール２２０Ｂの第１熱交換器１０の後流のパージガスの温度を監視する。パージガスが例えば３００℃以上まで昇温された際に開閉弁１１１ｂを開閉制御することにより、パージガス流路１１Ｂの第２モジュール２２０Ｂへのパージガスの流量を制御する。パージガスの流量を制御しながら、最終的に開閉弁１１１ｂを完全に開き、第２モジュール２２０Ｂの通常運転に移行する。
第２モジュール２２０Ｂの運転中は、第２モジュール２２０Ｂにてアンモニアを増産すると共に、オフガスがオフガス流路１４１Ｂを介してＡＲＵ１２２８に送られる。
第２モジュール２２０Ｂの起動の際は、開閉弁１４１ｂを開き、開閉弁１４２ｂを開く状態とし、流路１４２を介して第１モジュール２２０Ａのパージガス（オフガス）をスタートアップ用反応器３３０に送ってもよい。
【００６８】
本実施の形態よれば、例えば、前述した実施の形態に係るアンモニア増産システムをモジュールとして複数追設する場合に、１つのスタートアップ用反応器で昇温したパージガスを、各モジュールの反応塔又は反応器に送り、複数のモジュールを前流から順に起動することができる。また、モジュール単位に区分けした複数のアンモニア増産システムを起動することができる。
【００６９】
なお、本実施の形態では、第１モジュール２２０Ａの起動後に、第２モジュール２２０Ｂを起動する構成及び方法を例示した。本発明は、これに限定されない。流路３３０ｃ、３３０ｂに設けた開閉弁の開閉制御により、第２熱交換器３１０にて熱交換したパージガスの温度が十分に昇温するまで、第１モジュール２２０Ａへのパージガスの流入及びその流入量を制御することもできる。また、第１モジュール２２０Ａの起動の際に昇温したパージガスが第２モジュール２２０Ｂに流入することを制御することもでき、第１モジュール２２０Ａの起動後に昇温したパージガスが第１モジュール２２０Ａに流入することを制御することもできる。
【００７０】
また、本実施の形態では、スタートアップ用反応器３３０にて昇温したパージガスを、流路３３０ｂを介して第１モジュール２２０Ａの第１熱交換器１０の後流に送り、流路３３０ｃを介して第２モジュール２２０Ｂの第１熱交換器１０の後流に送る構成を例示した。本発明は、これに限定されない。本実施の形態によれば、モジュール２２０Ａ、２２０Ｂに送る前のパージガスを昇温することができるため、第二〜第四実施の形態と同様に、スタートアップ用反応器３３０にて昇温したパージガスを、流路３３０ｂを介して第１モジュール２２０Ａの第１熱交換器１０にて熱交換するための生成ガスに送り、流路３３０ｃを介して第２モジュール２２０Ｂの第１熱交換器１０にて熱交換するための生成ガスに送る構成を採用することができる。また、同様の趣旨により、スタートアップ用反応器３３０にて昇温したパージガスを、流路３３０ｂ、３３０ｃを介してパージガス流路１１Ａ、１１Ｂにそれぞれ送る構成を採用することができる。この場合、起動に要する時間を短縮することができる。
【００７１】
また、本実施の形態では、複数のモジュールとして、２つのモジュールを備えた構成を例示した。本発明は、これに限定されない。１つのスタートアップ用反応器３３０により複数のモジュールを起動できるため、３つ以上のモジュールを備えた構成を採用することができる。
【００７２】
[６．第六実施の形態]
図６を参照して、本発明に係るアンモニア増産システム及びアンモニア増産方法の第六実施の形態について説明する。図６に示すアンモニア増産システム１Ｆは、モジュール数を一つとし、複数の反応器１２０ａ〜１２０ｃを備える点において、第五実施の形態と主に異なる。前述した実施の形態と同様のものについては、同様の符号を付すと共に、その説明を省略する。
【００７３】
複数の反応器１２０ａ〜１２０ｃは、ガスの流れ方向に沿って、第１反応器１２０ａ、第２反応器１２０ｂ、第３反応器１２０ｃが直列に配置されてなる。第１反応器１２０ａには、反応部１２１ａが設けられ、第２反応器１２０ｂには、反応部１２１ａｂが設けられ、第３反応器１２０ｃには、反応部１２１ａｃが設けられている。反応部１２１ａ、１２１ａｂ、１２１ａｃに備える触媒には、それぞれ、前述したアンモニア合成触媒を好適に採用できる。
【００７４】
また、第１反応器１２０ａと第２反応器１２０ｂの間には、第１冷却器１２４ａが設けられ、第２反応器１２０ｂと第３反応器１２０ｃの間には、第２冷却器１２４ｂが設けられている。第１反応器１２０ａには、第１熱交換器１０により昇温されたパージガスが送られる流路１２と、第１反応器１２０ａで得られた中間生成ガスを第１冷却器１２４ａに送るための流路１３とが設けられている。第２反応器１２０ｂには、第１冷却器１２４ａで冷却された中間生成ガスを第２反応器１２０ｂに送るための流路１４と、第２反応器１２０ｂで得られた中間生成ガスを第２冷却器１２４ｂに送るための流路１５が設けられている。第３反応器１２０ｃには、第２冷却器１２４ｂで冷却された中間生成ガスを第３反応器１２０ｃに送るための流路１６と、第３反応器１２０ｃで得られた生成ガスを第１熱交換器１０に送るための流路１７が設けられている。すなわち、複数の反応器１２０ａ〜１２０ｃは、図４に示す形態の反応器１２０ａ、１２０ｂの各反応部を一つとし、その数を３つとしたものである。
【００７５】
次いで、以上の構成を有するアンモニア増産システム１Ｆの作動機能を説明することにより、本発明に係るアンモニア増産方法の第六実施の形態について説明する。
【００７６】
アンモニア増産システム１Ｆの起動の際は、開閉弁３３２と開閉弁３３５を開いた状態とし、流路３３０ａにパージガスを送り、パージガスを一部のパージガスと残部のパージガスとに分岐する。パージガスの一部をスタートアップ用反応器３３０により燃焼させる。パージガスの燃焼中又は燃焼後に、残部のパージガスと熱交換することにより、残部のパージガスの温度を例えば３００℃に昇温する。流路３３０ａｆを介して残部のパージガスを第１熱交換器１０の後流に送ることにより、第１反応器１２０ａに昇温したパージガスを送り、アンモニア増産システム１Ｆを起動させる。
【００７７】
アンモニア増産システム１Ｆの起動の際は、第１熱交換器１０の後流かつ第１反応器１２０ａの前流のパージガスの温度を監視する。このように第１反応器１２０ａの入口温度を監視しながら、パージガスが例えば３００℃以上まで昇温された際に開閉弁１１１ａを開閉制御することにより、残部のパージガス流路３３０ａｆから第１反応器１２０ａへの残部のパージガスの供給及びその流量を制御する。パージガスの流量を制御しながら、最終的に開閉弁１１１ａを完全に閉じ、アンモニア増産システム１Ｆの通常運転に移行する。
【００７８】
アンモニア増産システム１Ｆの運転中は、開閉弁３３２を開き、かつ開閉弁３３５を閉じた状態とし、開閉弁１１１ａに電気的に接続したＴＩＣの設定温度を変更することにより、第１反応器１２０ａの入口温度を制御する。
【００７９】
[７．第七実施の形態]
図７を参照して、本発明に係るアンモニア増産システム及びアンモニア増産方法の第七実施の形態について説明する。図７に示すアンモニア増産システム１Ｇは、流路３１１を更に備える。前述した実施の形態と同様のものについては、同様の符号を付すと共に、その説明を省略する。
【００８０】
流路３１１は、その一端にてパージガス流路１１の第１熱交換器１０の前流に連結し、その他端にてオフガス流路４１に連結している。
このような構成によれば、アンモニア増産システム１Ｇの運転中に、流路３１１を介して所定量のパージガスをオフガス流路４１に直接的に送ることにより、反応塔２０へのパージガスの供給及びその流量を制御する。クエンチタイプの反応器を備えるアンモニア増産システムでは、反応塔２０の温度制御のためにクエンチ用ガス流路２６ａ、２６ｂのガスの流量を制御するものの、そのクエンチ用ガス流量が変化すると反応塔２０へのパージガス流量が変化して反応塔２０の温度分布が変化する。このため、安定した制御ができないことがある。したがって、パージガス流路１１のパージガスからクエンチ用ガス流量の制御範囲分のパージガスを流路３１１から除き、一定の流量のパージガスを反応塔２０に送ることにより、反応塔２０の制御を容易にすることができる。
【００８１】
[８．第八実施の形態]
図８を参照して、本発明に係るアンモニア増産システム及びアンモニア増産方法の第八実施の形態について説明する。図８に示すアンモニア増産システム１Ｈは、液体アンモニアの積算流量を測定する流量計１４３を更に備える。前述した実施の形態と同様のものについては、同様の符号を付すと共に、その説明を省略する。
このような構成によれば、例えば、既設のプラントに前述した形態のアンモニア増産システムをモジュールとして追設した場合、追設した設備に応じたアンモニア増産量を測定することができる。これにより、例えば、モジュール単位のアンモニア増産量の把握や、アンモニア増産システムの増産量に応じた課金サービスに用いることができる。
【００８２】
なお、本明細書において、天然ガスとは、ガス田から産出される天然ガスのみならず、油田から石油に随伴して産出される随伴ガスや、シェールガス等の非在来型天然ガスを広く含むものである。原料ガスとしての天然ガスには、製品ガスとしての天然ガスの主成分であるメタンの他、Ｃ２以上の炭化水素が含まれている。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明に係るアンモニア増産システム及び方法によれば、アンモニア合成ループを備えたアンモニア製造プラントにおいて、既存設備全体の大幅な改造を要することなく、必要なアンモニア増産システムを追設することで、容易にアンモニアの増産量を変更可能であり、かつ既存のプラントの運転に影響を与えることなくアンモニアの増産を開始できる。
【符号の説明】
【００８４】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ、１Ｈ：アンモニア増産システム
１０：第１熱交換器
１１、１１Ａ、１１Ｂ：パージガス流路
２０：反応塔
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、１２１ａ、１２１ｂ、１２１ａｂ、１２１ｂｂ、１２１ａｃ：反応部
２２ａ、２２ｂ、１２２ａ、１２２ａｂ：混合器（冷却器）
３０、１３０、２３０、３３０：スタートアップ用反応器
４０：気液分離器
４１、１４１Ａ、１４１Ｂ：オフガス流路
５０：冷却器
１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ：反応器
１２４ａ、１２４ｂ：冷却器
２２０Ａ：第１モジュール
２２０Ｂ：第２モジュール
３１０：第２熱交換器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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