(57)【要約】  第１コンバータ （合成装置）（１０）と第２コンバータ（合成装置）（１１）とを直列で備えるアンモニア合成ループ（１）を近代化／合理化する方法であって、第１コンバータ （１０）が単数又は複数の触媒層を備えるカートリッジを有し、第２コンバータ（１１）が容器と直接接触する触媒層を有するものにおいて、第２コンバータを取り外す工程と、カートリッジを、複数の断熱性触媒層と相間熱交換器とを備える高効率カートリッジによって置き換え、かつ第１コンバータ内の不活性物の濃度を低下させることによって、第１コンバータを強化する工程と、を有する方法。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニアプラントのアンモニア合成ループ（１）を近代化する方法であって、
前記アンモニア合成ループ（１）は、少なくとも、第１コンバータ（１０）と第２コンバータ（１１）とを直列に備えたコンバータシステム（２）を備え、前記第２コンバータ（１１）は前記第１コンバータ（１０）から処理流を受け取り、
前記第１コンバータ（１０）は、単数又は複数の触媒層を備えるカートリッジを含み、
前記第２コンバータ（１１）は、圧力容器と、この容器に対して直接に取り付けられた流れ分配器に取り囲まれた触媒層とを含み、
前記アンモニア合成ループから不活性ガスを含む浄化率が得られる、方法において、
前記第２コンバータ（１１）は前記アンモニア合成ループ（１）から除去される、
前記第１コンバータ（１０）を、少なくとも、前記カートリッジを複数の断熱性触媒層と層間熱交換器とを含む高効率カートリッジによって置き換える工程によって改造する、或いは、
前記第１コンバータ（１０）を、少なくとも、前記カートリッジを、等温触媒層を含む新しいカートリッジによって置き換える工程によって改造する、そして、
前記アンモニア合成ループ（１）の浄化率を増大させる方法。
【請求項２】
前記高効率カートリッジ（２０）は、冷却および熱交換器の組み合わせによる中間冷却部を備える、複数の軸流／輻流又は輻流触媒層を含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記高効率カートリッジ（２０）は、中間冷却部を備える三つの軸−輻流層と、これらの層の間に設けられる二つの中間熱交換器と、を含む請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記新しいカートリッジは、等温触媒層と、この等温触媒層に浸漬された熱交換器とを有する請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記等温触媒層に浸漬された熱交換器は、チューブ型又はプレート型熱交換器である請求項４に記載の方法。
【請求項６】
不活性物を含む前記浄化率は少なくとも３０％増大される請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
【請求項７】
不活性物を含む前記浄化率は、１０モル％以下の第１コンバータ（１０）内の不活性物濃度を得るために増大される請求項１〜６の何れか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記アンモニア合成ループ（１）の前記第１コンバータ（１０）は、二つの輻流触媒層と、層間熱交換器とを備えるカートリッジを含み、
前記第２コンバータ（１１）は、この第２コンバータ（１１）の容器の内壁に直接取り付けられた流れパネルに取り囲まれた一つの触媒層を含み、
前記高効率カートリッジ（２０）は、層間に二つの中間冷却用熱交換器を備える三層軸−輻流カートリッジである請求項１〜７の何れか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンモニアプラントの改造に関する。より詳しくは、本発明は、アンモニア合成ループが、第１コンバータと、断熱性であり高温で運転される第２コンバータとを備えるコンバータシステムから構成されるアンモニアプラントを改造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アンモニアプラントの合成ループの従来の構成は、二つのコンバータを直列に備えるコンバータシステムである。第１のコンバータは未使用アンモニアメークアップ合成ガスを受け入れるものであって、単数又は複数の触媒層と、場合によっては層間熱交換器とを含む内部カートリッジを有する。第２のコンバータは、遥かに単純で低コストの断熱ユニットであり、そこでは触媒層は圧力容器と直接接触している。
【０００３】
例えば、第１コンバータは、二つの輻流（radial-flow）触媒層と層間熱交換器とを備えるカートリッジとして構成される。第２コンバータは、容器の内壁に直接取り付けられる流れパネルに取り囲まれた一つの触媒層を含む圧力容器であって、カートリッジは無い。
【０００４】
第１コンバータと第２コンバータとの間にはスチーム過熱器などの熱交換器が設けられる。第１コンバータによって供給される製品スチームが、第２コンバータに入る前に、この熱交換器によって冷却される。従って、第２コンバータの運転温度は主としてこの熱交換器によって制御され、それは通常約３５０−５００℃である。
【０００５】
第２コンバータの触媒の質量は第１コンバータの触媒の質量と同程度であって、このことは第２コンバータがループの総触媒の約５０％を含みうるということを意味する。
【０００６】
第２のコンバータを追加することはループの能力を強化し、エネルギ消費を減少させる魅力的な方法であると考えられる。その一例がHaldor Topsoe社から現在入手可能なＳ−２５０システムである。過去において、このようにしてループに第２のコンバータを追加することによっていくつかのプラントが改造されている。
【０００７】
しかしながらいくつかの問題がある。第１コンバータの構造は、未使用の供給合成ガスを、カートリッジの周辺の環状スペースにおいて、コンバータカートリッジに入る前に循環させることによって圧力容器のシェルの適切な冷却を可能にしている。しかしながら、第２コンバータの非常に単純な構造では、シェルの効果的な冷却は不可能である。シェル冷却媒体の不在によって第２コンバータの圧力容器は触媒層の温度とほぼ同じ温度で常に運転されることになり、このことは、３５０℃、場合によっては５００℃近くの温度を意味する。高圧と高温と腐食性環境との組み合わせによって、圧力容器に対して大きなストレスがかかる。特に、このような条件下においては、圧力容器が水素とアンモニアとの攻撃による腐食に遥かに大きく晒されるということが報告されている。水素とアンモニア腐食によって、容器のスチールが脆弱化し、特に、溶接部等の弱い部分、および／又は、一部の残留応力が見られるシェルの部位において、応力亀裂が形成される可能性がある。
【０００８】
いくつかのケースにおいて、数年後に、第２反応器に、爆発を避けるためにこの第２反応器を閉鎖する程度の重大な損傷が観察されている。換言すると、経験的に、上述した構成は第２反応器の故障の虞があることが示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、第２反応器の故障の虞を回避するために、上述したタイプのアンモニア合成ループを近代化／合理化するための有効な方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この課題は、以下の構成を有するアンモニアプラントのアンモニア合成ループを近代化する方法によって達成される。
即ち、
−  前記アンモニア合成ループは、少なくとも、第１コンバータと第２コンバータとを直列に備えたコンバータシステムを備え、第２コンバータは第１コンバータから処理流を受け取り、
−  前記第１コンバータは、単数又は複数の触媒層を備えるカートリッジを含み、
−  前記第２コンバータは、圧力容器と、この容器に対して直接に取り付けられた流れ分配器（flow distributors）に取り囲まれた触媒層とを含み、
−  前記アンモニア合成ループから不活性ガスを含む浄化率（purge rate）が得られる、方法において、前記方法の特徴は、
−  前記第２コンバータは、バイパスされるか、前記アンモニア合成ループから除去される、
−  前記第１コンバータを、少なくとも、前記カートリッジを複数の断熱性触媒層と層間熱交換器とを含む高効率カートリッジによって置き換える工程によって改造する、或いは、
−  前記第１コンバータを、少なくとも、前記カートリッジを、等温触媒層を含む新しいカートリッジによって置き換える工程によって改造する、そして、
−  前記アンモニア合成ループの浄化率を増大させる、点にある。
【００１１】
本発明は、第１コンバータを前記高効率カートリッジによって強化することと、ループからの不活性ガス浄化を増大させることとの組み合わせ作用によって、第１反応器のみで、二つの反応器を備える従来の構造と実質的に同じ変換率を提供することが可能になるという非常に予期されなかった知見に基づくものである。このことが驚くべき発見であった理由は、上述したように、第２反応器がループの触媒の関連部分、即ち、その約５０％近く、を占めるものであるからである。
【００１２】
第２コンバータの触媒層は、カートリッジ無し触媒層であり、例えば、この触媒層は、第２コンバータの圧力容器の内壁に取り付けられた流れ分配パネル内に封入されている。
【００１３】
本発明の第１実施例に拠れば、前記高効率カートリッジは、好ましくは、中間冷却部を備える、複数の軸流／輻流又は輻流触媒層を含む。例えば、前記カートリッジは、三つの軸−輻流層とこれらの層の間に設けられる二つの中間熱交換器とを含む。軸−輻流を有する利用可能な高効率カートリッジの具体例は欧州特許第０２０２４５４号明細書，欧州特許第０２９７４７４号明細書，米国特許第４７６９２２０号明細書に見出すことができる。
【００１４】
本発明の第２実施例に拠れば、前記第１アンモニアコンバータの元のカートリッジは、等温触媒層を備える新たなカートリッジによって置き換えられる。ここで、等温触媒層という用語は、熱を取り除き層の温度を所定範囲内に収めるために、熱交換器が触媒層に浸漬されているということを意味する。この熱交換器には、適当な熱交換媒体、例えば、沸騰水やその他適当な媒体、が供給される。前記熱交換器は、本発明の様々な実施例に応じて、チューブ型熱交換器又はプレート型熱交換器とすることができる。
【００１５】
好ましくは、前記浄化率は、約３０％から１００％、より好ましくは、４０％から８０％以上、増加される。この浄化率は、好ましくは、第１コンバータにおいて１０モル％以下の不活性物濃度を得るために増加される。前記浄化率は、前記アンモニア合成ループ内の適当なポイントからとられる一つの浄化流から構成することができ、この浄化率の増加は、前記浄化流の流速を増大させること、又は、別の浄化流（単数又は複数）の追加、によって達成することができる。前記ループから取り除かれた浄化流は、好ましくは、その内に含まれる水素を少なくとも部分的に除去する装置に送られる。
【００１６】
通常、第１コンバータの圧力容器はそのまま保持することができる。但し、必要又は適切な場合、そのコンバータ全体を新しいものに交換することができる。第２コンバータは、必ずしも物理的にループから除去される必要はなく、それを完全にバイパスするだけで十分である。
【００１７】
ここに提案される方法は、プラント全体の可能な劇的な故障の原因であるところの第２反応器を、性能、特に、合成反応器の出口における製品流中のアンモニア濃度（モル％）、に影響を与えることなく、除去することを可能にするものである。この方法は、又、熱交換器、コンプレッサ、等といったループの他の要素を改造する必要がなく、特に、メークアップ合成ガスの高価な圧縮部分が影響されない点においても有利である。浄化流からより多くの水素が回収されることによって、この水素の圧縮のために少し多くエネルギが消費される可能性があるが、本発明の前記利点はこの効果を補って余りあるものである。尚、本発明は、二機コンバータ式アンモニアループをより信頼性を高める安価で魅力的な方法を提供するものであることが銘記される。
【００１８】
本発明のこれら及びその他の利点は、好適で非限定的な実施例に関する以下の説明を参照することによって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】二つのアンモニアコンバータを含む従来のアンモニア合成ループの概略図である。
【図２】本発明の一実施例によって改造された図１のループの概略図である。
【図３】本発明の別実施例によって改造された図１のループの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、Haldor Topsoe社から市販されているＳ−２５０システムなどのアンモニア合成ループの略図である。このアンモニア合成ループ１は、第１コンバータ１０と第２コンバータ１１とを直列に備えるコンバータシステム２を含む。前記両コンバータ間の流路には過熱器（又はその他のタイプのガス冷却供給器）１２が設けられている。
【００２１】
前記第１コンバータ１０は、二つの輻流触媒層と層間熱交換器とを備えるカートリッジを含む。この第１コンバータ１０は、例えば、米国特許第４１８１７０１号明細書に開示されている実施例のうちの一つに従って、実現することができる。前記第２コンバータ１１は、その容器の内壁に直接取り付けられている流れパネルに取り囲まれた一つの触媒層を含む圧力容器から成る。
【００２２】
メークアップ合成ガス１３は中間冷却圧縮部１４で圧縮され、ライン１５を介して第１コンバータ１０に供給される。第１反応器１０によって供給される製品ガス流１６は、流れ過熱器１２で冷却され、第２反応器１１に供給される。第２反応器１１からの製品流１９は、図示されているように熱交換器列を通過し、ループは製品アンモニア流１７を提供する。
【００２３】
両コンバータ内での不活性ガスの蓄積を回避するために前記ループから浄化ガス流１８を除去する。この浄化ガス流１８は、水素、窒素、そして或る程度の量の不活性物、主として、メタンとアルゴン、を含みうる。浄化流１８に含まれる水素は通常、水素回収部において回収される。一般的には、この水素回収部は、ループよりも低い圧力で運転され、従って、回収された水素をループ自身に戻すにはコンプレッサが必要とされる。
【００２４】
第２コンバータ１１の触媒層の温度は前記過熱器１２によって制御され、通常、３５０−４８０℃である。この温度は、又、コンバータ１１の圧力容器の温度でもあるので、それによって容器には、上述した理由によりそれに関連する応力がかかる。
【００２５】
図１のループは公知技術であるのでそれについてはこれ以上詳述しない。
【００２６】
図２は、本発明の実施例の一つによる近代化後のループを図示している。第１コンバータ１０は、元のカートリッジを取り除き、二つの中間冷却用熱交換器と軸−輻流とを備える３層カートリッジなどの高効率カートリッジ２０を配置することによって強化されている。浄化部は、元の流れ１８よりも大きな浄化流１８ａがループから取り出されるように強化される。水素回収部は、適宜、強化されてもよい。
【００２７】
一般に、本発明は、ループの他の主要部の実質的な改変は必要としない。必要に応じて、その他および／又は小さな改造（例えば、配管、補助装置など）も設けることができる。
【００２８】
利用できる触媒の約５０％が減少するのにもかかわらず（第２コンバータの除去による）、改変ループの強化コンバータ１０の出口にて、製品流１６ａのＮＨ３濃度が、実質的にコンバータ１１の出口にて、元の流れ１９と同じである。
【００２９】
図３を参照すると、ここには、前記第１コンバータ１０が、前記高効率カートリッジ２０によって強化され、前記元のコンバータ１１が流路２１によってバイパスされている別実施例が図示されている。
【実施例】
【００３０】
図１のループは約１９０ｂａｒで運転され、１５００ＭＴＤ（メトリックトン／日）のアンモニア合成能力を有する。両コンバータ１０および１１は、総量１９０ ２００ｍ３の鉄系触媒を含んでいる。コンバータ１１の出口での流れ１９のアンモニア濃度は２３．５％（モル）である。第１コンバータ１０内の不活性ガスの割合は約１３％である。前記カートリッジを、三つの層と二つの冷却用熱交換器とを備える高効率カートリッジによって置き換え、第２コンバータ１１をバイパス又は除去した後、利用可能な触媒の容積は９５ｍ３へと低下するが、コンバータ１０内の不活性ガスの９％に達する浄化の増加によって、コンバータ１０の出口での流れ１６ａ中において実質的に同じ２３．５％（モル）のアンモニアを得ることが可能であることがわかった。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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