(57)【要約】給排熱交換およびそれと一体化された二酸化窒素の吸収を実現する、硝酸生成に使用するための熱交換装置（１３）が開示される。上記装置は、中に形成された流体流の流路系統（１６、１８および１９、２１）を有する第１および第２の拡散接合された耐食金属プレート群（１７および２０）を含んだコア構造体を備える。給排熱交換システムが、熱交換関係に並置された第１および第２のプレート群の第１の流路系統（１６および１８）によって設けられ、吸収システムが、熱交換関係に並置された第１および第２のプレート群の第２の流路系統（１９および２１）によって設けられる。
2013545960.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
給排熱交換およびそれと一体化された二酸化窒素の吸収を実現する、硝酸の生成に使用するための装置であって、中に形成された流体流の流路系統を有する第１および第２の接合された耐食金属プレート群を含んだコア構造体を備え、前記コア構造体が、熱交換関係に並置された前記第１および第２のプレート群の第１の流路系統を含んだ給排熱交換システムと、熱交換関係に並置された前記第１および第２のプレート群の第２の流路系統を含んだ吸収システムとを備える、装置。
【請求項２】
ａ）前記第１のプレート群が複数の第１の前記プレートを備え、前記第２のプレート群が複数の第２の前記プレートを備え、
ｂ）前記第１のプレートと前記第２のプレートが対面関係で接合され、前記第２のプレートが前記第１のプレートと交互配置されており、
ｃ）各前記第１のプレートに、別々の前記第１の流路系統と前記第２の流路系統が形成され、
ｄ）各前記第２のプレートに、直列に流体連通接続された前記第１の流路系統と前記第２の流路系統が形成され、
ｅ）前記第２のプレートの前記第１および第２の流路系統が、前記第１のプレートの前記第１および第２の流路系統とそれぞれ熱交換関係に並置される、請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項３】
各金属プレート群の前記第１および第２のプレートが、ステンレス鋼プレートを備える、請求項１または請求項２に記載の熱交換装置。
【請求項４】
前記第１および第２の金属プレート群の前記第１および第２のプレートが全て、互いに拡散接合される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換装置。
【請求項５】
各前記第１のプレートの前記第１の流路系統が、アンモニア、水（液体または気体の形）および酸化ガスの供給源に接続され、蒸気バラスト化アンモニア−酸素供給流を酸化装置システムに送るように配置され、各前記第１のプレートの前記第２の流路系統が、冷媒流体供給と直列に接続されるように配置される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱交換装置。
【請求項６】
各前記第２のプレートの前記第１の流路系統が、高温の窒素系ガスの供給源に接続されそのガスを運ぶように配置され、各前記第２のプレートの前記第２の流路系統が、前記第２のプレートの前記第１および第２の流路系統を介した輸送中に前記窒素系ガスの漸進的な酸化と凝縮水吸収が行われる場合、硝酸を送るように配置される、請求項５に記載の熱交換装置。
【請求項７】
各前記第１のプレートの前記第１の流路系統が、複数の横方向に隔置された長手方向に延びる流路で構成され、各前記流路が、その長手方向の長さの大部分に沿ってジグザグの経路をたどるようにエッチングされる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の熱交換装置。
【請求項８】
各前記第１のプレートの前記第２の流路系統が、複数の横方向に隔置された長手方向に延びる流路で構成され、各前記流路が、その長手方向の長さの全体に沿ってジグザグの経路をたどるようにエッチングされ、各前記流路が全て、長手方向に隔置された冷媒流体供給通路と接続する、請求項７に記載の熱交換装置。
【請求項９】
各前記第２のプレートの前記第１の流路系統が、複数の横方向に隔置された長手方向に延びる流路部分で構成され、前記長手方向に延びる流路部分が、その各端部に位置しそれに隣接する直交流の流路部分を有し、各流路部分が、前記集約された長手方向部分および直交流部分全体にわたるそれ以外の各流路部分と同様の有効長さを有する、請求項７に記載の熱交換装置。
【請求項１０】
各前記第２のプレートの前記第２の流路系統が、その長さ全体にわたって方向が水平垂直互い違いになっている複数の流路部分で構成され、前記第２の流路系統内部における流路部分の総数は、各前記第２のプレートにある前記第１の流路系統内部における流路部分の総数と略同じであり、各前記第２のプレートにある前記第２の流路系統の前記流路部分の全てが、前記第２のプレートにある前記第１の流路部分より長い有効全長を有し、その結果、前記第２の流路系統が占める面積が、前記第１の流路系統が占める面積より大きいものになっている、請求項８に記載の熱交換装置。
【請求項１１】
前記第１のプレートにある前記第１の流路系統が、前記第２のプレートにある前記第１の流路系統と略同じ表面積を占め、前記第１のプレートにある前記第２の流路系統が、前記第２のプレートにある前記第２の流路系統と略同じ表面積を占める、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の熱交換装置。
【請求項１２】
スロットが、各前記第１および第２のプレートに位置し、前記第１および第２のプレートの前記第１の流路系統の部分と前記第２の流路系統の部分の間に、短絡した伝導熱の伝達を抑制するように配置される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の熱交換装置。
【請求項１３】
各前記第２のプレートが、前記第１のプレートにある前記第１の流路系統の一方の端に、そこから隔置されて形成され、ヘッダを経由して前記第１のプレートの前記第１の流路系統と流体連通接続される複数次分配系統のうちの１次目と接続する横方向に延びる流路を備える、請求項９に記載の熱交換装置。
【請求項１４】
複数の第１および第２の耐食金属プレートを含んだコア構造体を備える、硝酸生成に使用するための装置であって、前記第１のプレートと前記第２のプレートが対面関係で接合され、前記第２のプレートが前記第１のプレートと交互配置されており、各前記第１のプレートに、別々の第１および第２の流路系統が形成され、前記第１のプレートの前記第１の流路系統が、アンモニア水および酸化ガスを受け、蒸気バラスト化アンモニア−酸素供給流を送るように配置され、前記第１のプレートの前記第２の流路系統が、冷媒流体供給と直列接続されるように配置されており、各前記第２のプレートに、前記第１のプレートの前記第１および第２の流路系統とそれぞれ熱交換関係に並置される別々の第１および第２の流路系統が形成され、各前記第２のプレートの前記第１の流路系統と前記第２の流路系統が直列に流体連通接続され、前記第２のプレートの前記第１の流路系統が、高温の窒素系ガスを受けるように配置されており、前記第２の流路系統が、第２のプレートの第１および第２の流路系統を介した輸送中の窒素系ガスの漸進的な酸化と凝縮水吸収に応じて、硝酸を送るように配置される、装置。
【請求項１５】
酸化ガス、アンモニアおよび水の供給に接続でき、酸化システムと回路内で接続できる請求項１４に記載の装置であって、前記酸化システムにおいて、前記コア構造体からの前記蒸気バラスト化アンモニア−酸素供給流が、前記コア構造体へ戻すための窒素系ガスへ高温触媒転換される、装置。
【請求項１６】
前記第１および第２のプレートがステンレス鋼プレートを備える、請求項１４または１５に記載の装置。
【請求項１７】
交互配置された第１および第２の、対面関係で接合された金属プレート群を含んだコア構造体において、各前記第１のプレートに別々の第１および第２の流路系統が形成され、各前記第２のプレートに、前記第１のプレートの前記第１および第２の流路系統とそれぞれ熱交換関係に並置される別々の第１および第２の流路系統が形成され、各前記第２のプレートの前記第１の流路系統と前記第２の流路系統が直列に流体連通接続される、コア構造体と、
アンモニア、水、および酸化ガスを前記第１のプレート群の前記第１の流路系統の入口へ導き入れるためのヘッダ・システムと、
前記第１のプレート群の前記第２の流路系統へ冷媒を導き入れるための入口と、
前記第１のプレート群の前記第２の流路系統から冷媒を取り除くための出口と、を備える、硝酸生成に使用するための装置であって、
前記第２のプレート群の前記第１の流路系統で受けた高温の窒素系ガス供給流によって、前記第１のプレート群の前記第１の流路系統内の反対方向に流れるアンモニア水−酸化ガス供給流を加熱して、蒸気バラスト化アンモニア供給流を形成しながら、同時に前記窒素系ガス供給流の温度をその露点より低い温度まで下げるように、前記第１のプレート群の前記第１の流路系統と前記第２のプレート群の前記第１の流路系統が対向流の関係で動作的に構成され、
前記第２のプレート群における前記第１および第２の流路系統の有効長さは、前記窒素系ガス供給流内の窒素系ガスを二酸化窒素へ酸化し、前記窒素系ガス供給流からの凝縮水によるその二酸化窒素の吸収で硝酸の形成を可能にするのに十分なものになっている、装置。
【請求項１８】
前記コア構造体が、前記第１および第２の金属プレート群の前記第１の流路系統と第２の流路系統との略間に延びるスロットを備える、請求項１７に記載の硝酸生成に使用するための装置。
【請求項１９】
前記第２のプレート群の前記第２の流路系統の有効長さが、前記第２のプレート群の前記第１の流路系統のものより長い、請求項１７に記載の硝酸生成に使用するための装置。
【請求項２０】
前記第２のプレート群にある前記第１および第２の流路系統の有効長さが、酸化プロセスが略完了に達するのに十分なものになっている、請求項１７に記載の硝酸生成に使用するための装置。
【請求項２１】
前記第２のプレート群にある前記第１および第２の流路系統の有効長さが、濃度２０％〜４０％（ｗ／ｗ）を有する希硝酸を形成するのに十分なものになっている、請求項２０に記載の硝酸生成に使用するための装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硝酸生成に使用するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の硝酸製造手法は、基本的な反応の面から言えば、３段階のプロセスを伴う。このプロセスは最初に、一酸化窒素を生成するために、アンモニア−空気混合物の急速高温触媒転換による空気存在下におけるアンモニアの酸化を含む。結果として得られる反応混合物流は冷却され（加圧下）、一酸化窒素の一部分が非触媒的に酸素と反応して、二酸化窒素やその二量体などの窒素のより高次の酸化物を形成する。以下、その混合物を二酸化窒素と呼び、反応混合物流全体を窒素系ガスと呼ぶ。さらに冷却された後、窒素系ガスは、硝酸を生成するために、水と空気による吸収プロセスに入る。
【０００３】
上記吸収プロセスは、いわゆる吸収塔の内部で行われ、生成物酸濃度は典型的には５０％〜６８％ＨＮＯ３（ｗ／ｗ）であり、これは吸収塔の動作圧力、吸収塔における吸収段階数、および吸収塔に入る窒素系ガスの濃度に応じて決まる。
【０００４】
酸化ガスの存在下におけるアンモニアの酸化と、アンモニア酸化段階前の水バラストの受け入れと、プロセス全体にわたるその水バラストの保持とを含む、製造プロセスに対する大幅な変更を行うのであれば、ならびに、希硝酸（例えば、酸化ガスの組成および反応混合物流内に保持される水の量に応じて、２０％〜４０％ＨＮＯ３（ｗ／ｗ）程度の濃度を有する）の形での最終生成物を容認するのであれば、従来からの吸収塔の要求およびその付随的な不利な点をなくす、熱交換技術を利用した吸収段階を採用できることが本発明者らに現在認知されている。「酸化ガス」という語は、本発明の文脈では、およそ８０％（ｖ／ｖ）、最も望ましくは９５％（ｖ／ｖ）を超える酸素を含んだ気体を包含すると理解されたい。
【０００５】
様々な熱交換技術（例えばシェル−アンド−チューブ型交換器や、プレート型熱交換器、フィン−ファン型熱交換器を含む）を、上記の吸収塔の必要性をなくす吸収段階の発展形態に実装できるが、本発明者はさらに、いわゆるプリント回路熱交換器（「ＰＣＨＥ」）構造を、上記硝酸製造プロセスに有利に適合することができることを認知している。ＰＣＨＥ型のコアは現在、例えば、２００３年１月３日、メギット社（Ｍｅｇｇｉｔｔ  Ｌｔｄ、英国）に付与された特許文献１に記載されている水蒸気メタン改質器を含む様々な用途の熱交換器で用いられている。ＰＣＨＥコアは、特定の用途に必要な寸法を有する構造を形成するように積み重ねられ拡散接合される個々のステンレス鋼（またはその他の非腐食性材料）プレートの少なくとも１つの表面に、必要な形状および輪郭を有する流路をエッチングすることによって製造される。従来のシェル−アンド−チューブ交換器に比べて小規模のＰＣＨＥ流路は、吸収プロセスにおける熱および質量の移動に対する抵抗を大幅に低下させ、小規模のＰＣＨＥ流路はそもそも、非常にコンパクトな装置を可能にする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】オーストラリア特許第２００３２０１１９５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明は、以下で定義するように、３つの新規な要請を具体化する。つまり、第１に、上記熱交換器技術の採用により従来用いられている吸収塔をなくすことができるという認知、第２に、その目的のためにＰＣＨＥタイプの技術の有利な適合、第３に、一体型の給排熱交換／二酸化窒素吸収を実現するようなＰＣＨＥタイプのコアの構造化である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一態様によると、本発明は、給排熱交換およびそれと一体化された二酸化窒素の吸収を実現する、硝酸生成に使用するための熱交換装置を提供する。一実施形態では、上記装置は、中に形成された流体流の流路系統を有する第１および第２の接合された金属プレート群を含んだコア構造体を備え、上記コア構造体が、熱交換関係に並置された上記第１および第２のプレート群の第１の流路系統を含んだ給排熱交換システムと、熱交換関係に並置された上記第１および第２のプレート群の第２の流路系統を含んだ吸収システムとを備える。一実施形態では、第１および第２の金属プレート群は耐食である。
【０００９】
本発明の一実施形態では、上記第１のプレート群が複数の第１の上記プレートを備え、上記第２のプレート群が複数の第２の上記プレートを備える。上記第１のプレートと上記第２のプレートは対面関係で接合され、上記第２のプレートが上記第１のプレートと交互配置されている。各上記第１のプレートに、別々の上記第１の流路系統と上記第２の流路系統が形成され、各上記第２のプレートに、直列に流体連通接続された上記第１の流路系統と上記第２の流路系統が形成される。上記第２のプレートの上記第１および第２の流路系統が、上記第１のプレートの上記第１および第２の流路系統とそれぞれ熱交換関係に並置される。
【００１０】
一動作形態では、上記装置は、複数の第１および第２の耐食金属プレートを含んだコア構造体を備えるものと定義することができ、上記第１のプレートと上記第２のプレートは対面関係で接合され、上記第２のプレートが上記第１のプレートと交互配置されている。各上記第１および第２のプレートに、別々の第１および第２の流路系統が形成され、上記第１のプレートの上記第１の流路系統が、アンモニア水および酸化ガスを受け、蒸気バラスト化アンモニア−酸素を送るように配置され、上記第１のプレートの上記第２の流路系統が、冷媒流体供給と直列接続されるように配置されている。各上記第２のプレートにも、上記第１のプレートの上記第１および第２の流路系統とそれぞれ熱交換関係に並置される第１および第２の流路系統が形成され、各上記第２のプレートの上記第１の流路系統と上記第２の流路系統が直列に流体連通接続され、上記第１の流路系統が、高温の窒素系ガスを受けるように配置されており、上記第２の流路系統が、第２のプレートの第１および第２の流路系統を介した輸送中の窒素系ガスの漸進的な酸化と凝縮水吸収に応じて、硝酸を送るように配置される。
【００１１】
したがって、硝酸生成回路に接続されると、各第１のプレートの第１の流路系統は典型的に、アンモニア水および酸素などの酸化ガスを受け、蒸気バラスト化アンモニア−酸素供給流を送るように配置することができ、各第１のプレートの第２の流路系統が、冷媒流体供給と直列に接続されるように配置することができる。次いで、各第２のプレートの第１の流路系統は典型的に、高温の窒素系ガスを運ぶように配置することができ、各第２のプレートの第２の流路系統が、第２のプレートの第１および第２の流路系統を介した輸送中の窒素系ガスの漸進的な酸化と凝縮水吸収に応じて、硝酸を送るように配置することができる。
【００１２】
各（第１のおよび第２の）金属プレート群の第１および第２のプレートは、例えばステンレス鋼プレートを備えることができ、上記プレートは、拡散接合によって対面して接合することができるが、例えばろう接などその他の接合法を用いてもよい。
【００１３】
硝酸処理プラント全体において、上記で定義した装置のコア構造体は、例えばヘッダで、または導管で直接、酸化ガス（典型的に８０％〜９５％以上（ｖ／ｖ）酸素）、アンモニアおよび水の供給に接続される。また、上記装置は、酸化デバイス（燃焼器とも呼ばれる）と回路内で接続される。この酸化デバイス内で、処理プラントの一実施形態では、コア構造体からの蒸気バラスト化アンモニア−酸素（気体の酸化剤）供給流内部のアンモニアが、補助デバイスを介して、（窒素系ガス）反応混合物供給流としてコア構造体へ戻すための一酸化窒素へ高温選択的触媒転換される。水は、蒸気としても、あるいは大部分は液体の形態でも上記熱交換装置に送ることができ、アンモニアと共に（すなわちアンモニア水として）送ってもよい。
【００１４】
別の実施形態では、複数の第１および第２の耐食金属プレートを含んだコア構造体を備える、硝酸生成に使用するための装置が提供され、上記第１のプレートと上記第２のプレートは対面関係で接合され、上記第２のプレートが上記第１のプレートと交互配置されている。各上記第１のプレートに、別々の第１および第２の流路系統が形成され、上記第１のプレートの上記第１の流路系統が、アンモニア水および酸化ガス（酸素など）を受け、蒸気バラスト化アンモニア−酸素供給流を送るように配置され、上記第１のプレートの上記第２の流路系統が、冷媒流体供給と直列接続されるように配置されている。各上記第２のプレートに、上記第１のプレートの上記第１および第２の流路系統とそれぞれ熱交換関係に並置される第１および第２の流路系統が形成される。さらに、各上記第２のプレートの上記第１の流路系統と上記第２の流路系統が直列に流体連通接続され、上記第２のプレートの上記第１の流路系統が、高温の窒素系ガスを受けるように配置されており、上記第２の流路系統が、第２のプレートの第１および第２の流路系統を介した輸送中の窒素系ガスの漸進的な酸化と凝縮水吸収に応じて、硝酸を送るように配置される。硝酸プラントでは、上記装置は、酸化ガス、アンモニアおよび水の供給に接続され、酸化システムと回路内で接続される。この酸化システムにおいて、上記コア構造体からの上記蒸気バラスト化アンモニア−酸素供給流が、上記コア構造体へ戻すための窒素系ガスへ高温触媒転換される。
【００１５】
一実装形態では、上記装置の第１および第２のプレートは、ステンレス鋼プレートを備えることができる。
【００１６】
別の実施形態では、硝酸生成に使用するための上記装置は、交互配置された第１および第２の、対面関係で接合された金属プレート群を含んだコア構造体を備える。各上記第１のプレートに、別々の第１および第２の流路系統が形成される。各上記第２のプレートに、上記第１のプレートの上記第１および第２の流路系統とそれぞれ熱交換関係に並置される別々の第１および第２の流路系統が形成される。各上記第２のプレートの上記第１の流路系統と上記第２の流路系統が直列に流体連通接続される。上記装置はさらに、アンモニア、水、および酸化ガスを上記第１のプレート群の上記第１の流路系統の入口へ導き入れるためのヘッダ・システムを含む。さらに、上記第１のプレート群の上記第２の流路系統へ冷媒を導き入れるための入口が設けられ、上記第１のプレート群の上記第２の流路系統から冷媒を取り除くための出口が設けられる。一実施形態では、上記第２のプレート群の上記第１の流路系統で受けた高温の窒素系ガス供給流によって、上記第１のプレート群の上記第１の流路系統内の反対方向に流れるアンモニア水−酸化ガス供給流を加熱して、蒸気バラスト化アンモニア供給流を形成しながら、同時に上記窒素系ガス供給流の温度をその露点より低い温度まで下げるように、上記第１のプレート群の上記第１の流路系統と上記第２のプレート群の上記第１の流路系統が対向流の関係で動作的に構成される。さらに、上記第２のプレート群における上記第１および第２の流路系統の有効長さは、上記窒素系ガス供給流内の窒素系ガスを二酸化窒素へ酸化し、上記窒素系ガス供給流からの凝縮水によるその二酸化窒素の吸収で硝酸の形成を可能にするのに十分なものになっていると好ましい。
【００１７】
一実施形態では、上記コア構造がさらに、上記第１および第２の金属プレート群の上記第１の流路系統と第２の流路系統のほぼ間に延びるスロットを備える。上記装置の一実施形態では、上記第２のプレート群の上記第２の流路系統の有効長さが、上記第２のプレート群の上記第１の流路系統のものより長い。一実施形態では、上記第２のプレート群にある上記第１および第２の流路系統の有効長さが、上記酸化プロセスがほぼ完了に達するのに十分なものになっている。別の実施形態では、上記第２のプレート群にある上記第１および第２の流路系統の有効長さが、２０％〜４０％（ｗ／ｗ）の濃度を有する希硝酸を形成するのに十分であるように定められる。
【００１８】
別の態様では、硝酸の生成に使用するためのシステムが提供される。一実施形態では、上記システムは、交互配置された第１および第２の、対面関係で接合された金属プレート群を含んだ熱交換器装置を備える。各上記第１のプレートに、別々の第１および第２の流路系統が形成される。各上記第２のプレートに、上記第１のプレートの上記第１および第２の流路系統とそれぞれ熱交換関係に並置される別々の第１および第２の流路系統が形成される。各上記第２のプレートの上記第１の流路系統と上記第２の流路系統が直列に流体連通接続される。上記熱交換器はまた、上記第１および第２の金属プレート群の上記第１の流路系統と第２の流路系統のほぼ間に延びるスロットを備える。
【００１９】
上記システムはさらに、第１のプレート群の第１の流路系統へのアンモニア水−酸化ガス供給流を提供するための、第１のプレート群の第１の流路系統の入口と流体連通したアンモニア、水、および酸化ガスの供給を含む。さらに、第１のプレート群の第１の流路系統の出口および第２のプレート群の第１の流路系統の入口と流体連通するアンモニア酸化システムが提供される。冷媒供給が、第１のプレート群の第２の流路系統の入口および出口と流体連通して設けられる。
【００２０】
この実施形態によるシステムでは、アンモニア酸化システムからの上記第２のプレート群の上記第１の流路系統で受けた高温の窒素系ガス供給流によって、上記第１のプレート群の上記第１の流路系統内の反対方向に流れるアンモニア水−酸化ガス供給流を加熱して、酸化システムのための蒸気バラスト化アンモニア供給流を形成しながら、同時に上記窒素系ガス供給流の温度をその露点より低い温度まで下げるように、上記第１のプレート群の上記第１の流路系統と上記第２のプレート群の上記第１の流路系統が対向流の関係で動作的に構成される。第２のプレート群における第１および第２の流路系統の有効長さは、窒素系ガス供給流内の窒素系ガスを二酸化窒素へ酸化し、窒素系ガス供給流からの凝縮水によるその二酸化窒素の吸収で硝酸の形成を可能にするのに十分であるように定められる。
【００２１】
一実施形態では、上記システムはさらに、酸化システムと流体連通したガス冷却システムを備え、上記酸化システムから受けた窒素系ガスをその露点より高い温度まで冷却するように動作的に構成される。別の実施形態では、上記システムはさらに、第１のプレート群の第１の流路系統出口とアンモニア酸化システムの間に流体連通して位置する分離器を備える。一実施形態では、上記分離器は、蒸気バラスト化アンモニア供給流から過剰なアンモニア水を取り除くように動作的に構成される。一実施形態では、上記システムはさらに、その燃焼圧力よりも高く供給を加圧するように動作的に配置されたポンプを備える。別の実施形態では、上記システムはさらに、アンモニア酸化システムと第２のプレート群の第１の流路系統の入口の間に流体連通して位置する制御弁を備える。上記システムの一実装形態では、第２のプレート群の第２の流路系統の有効長さは、第２のプレート群の第１の流路系統のものより長い。
【００２２】
別の実施形態では、硝酸生成に使用するためのシステムが提供される。上記システムは、交互配置された第１および第２の、対面関係で接合された金属プレート群を含んだ熱交換器装置を備える。各上記第１のプレートに、別々の第１および第２の流路系統が形成される。各上記第２のプレートに、上記第１のプレートの上記第１および第２の流路系統とそれぞれ熱交換関係に並置される第１および第２の流路系統が形成される。各上記第２のプレートの上記第１の流路系統と上記第２の流路系統が直列に流体連通接続される。
【００２３】
上記システムはさらに、アンモニア水−酸化ガス供給流を第１のプレート群の第１の流路系統へ提供するための、第１のプレート群の第１の流路系統の入口と流体連通したアンモニア、水、および酸化ガスの供給を含む。さらに、第１のプレート群の第１の流路系統の出口および第２のプレート群の第１の流路系統の入口と流体連通する酸化システムが提供される。上記酸化システムは、第１のプレート群の第１の流路系統の出口から受けた蒸気バラスト化アンモニア−酸化ガス供給流内部のアンモニアを酸化して、高温の窒素系ガス内部で大部分が一酸化窒素を形成するように動作的に設計される。さらに、第１のプレート群の第２の流路系統の入口および出口と流体連通する冷媒供給が提供される。
【００２４】
この実施形態によるシステムでは、上記第２のプレート群の上記第１の流路系統で受けた高温の窒素系ガスによって、上記第１のプレート群の上記第１の流路系統内の反対方向に流れるアンモニア水−酸化ガス供給流を加熱して、酸化システムのための蒸気バラスト化アンモニア供給流を形成しながら、同時に上記高温の窒素系ガスの温度をその露点より低い温度まで下げるように、上記第１のプレート群の上記第１の流路系統と上記第２のプレート群の上記第１の流路系統が対向流の関係で動作的に構成される。第２のプレート群における第１および第２の流路系統の有効長さは、高温窒素系ガスの設計流量が与えられれば、窒素系ガスを二酸化窒素に酸化するのに十分な滞留時間を提供するのに十分であるように、かつ、窒素系ガスからの凝縮水による二酸化窒素の吸収により硝酸の形成が可能になるように選択される。
【００２５】
硝酸生成に使用するための装置の以下の例示的な実施形態の説明から、本発明についてさらに十分に理解されるだろう。この説明は添付の図面を例として参照しながら行う。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】硝酸処理システム全体の（流体）回路図である。
【図２】図１の硝酸処理システムの一部分を形成する熱交換装置の概略図である。
【図３】図２に示されている装置のコアの第１の熱交換プレートの流路面の図であり、（Ａ）は図３のプレートの丸で囲んで示した部分の拡大図であり、（Ｂ）は図３のプレートの丸で囲んで示した他の部分の拡大図である。
【図４】図２に示されている装置のコアの第２の熱交換プレートの流路面の図であり、（Ａ）は図４のプレートの丸で囲んで示した部分の拡大図であり、（Ｂ）は図４のプレートの丸で囲んで示した他の部分の拡大図である。
【図５】図２〜４に示され、図１の回路図に含まれている熱交換装置における対向流の給排熱交換の典型的な動作を示す、温度対熱量のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１に示されているように、硝酸処理システムはアンモニア、水（または単一の供給源からのアンモニア水）、および酸素などの酸化ガスの各供給源１０、１１および１２を備え、それら（全てほぼ周囲温度）は、アンモニア水−酸素「出発供給流」として、加圧下で給排熱交換装置１３へ流される。この出発供給流は様々な方法で得ることができ、例として図１に示されているように、大気よりもわずかに高い圧力のアンモニア供給流１０を、供給源１１とリサイクル流１１ａの両方からの水に溶解して、アンモニア水の流れを形成することができる。アンモニアを水に混合してアンモニア水の流れを形成すると発熱反応が生じ、この発熱反応によりアンモニア水の流れが加熱される。このアンモニア水の流れは冷却器１４で約６０℃まで冷却され、典型的には約２ｂａｒ（ａｂｓ）という、燃焼圧力よりもわずかに高い圧力までポンプ１５によって加圧される。
【００２８】
アンモニア水−酸素出発供給流は、熱交換装置１３の第１のプレート群１７の第１の流路系統１６（図２および３）に送られる。熱交換装置を通過する際のアンモニア水−酸素出発供給流は、アンモニア水の流れの中で、アンモニアと水を酸素流中へ蒸発可能にする温度レベルまで加熱される。生じた蒸気バラスト化アンモニア−酸素供給流は、気体の酸化剤供給流として酸化システム２２へ送られ、酸化システム２２で、アンモニアは酸化されて、高温（例えば８００℃）の窒素系ガスの内部で大部分は一酸化窒素を形成する。
【００２９】
酸化システム２２からの窒素系ガス供給流は、低下した温度（例えば約１４０℃）で、熱交換装置１３の第２のプレート群２０（図２および４）の直列接続された流路系統１８および１９に送られる。熱交換装置１３で、上記窒素系ガスは凝縮水（出発／酸化剤供給流から得られる）によってさらに酸化／吸収されて、希硝酸を生成する。
【００３０】
流路系統１８を通る（比較的）高温の窒素系ガス供給流は、流路系統１６を通る反対方向に流れるアンモニア水−酸素供給流と熱を交換する。次いで、低下した温度（例えば約６０℃）の結果として得られる窒素系ガス供給流が、流路系統１９を通って流れるときに、熱交換装置１３の第１のプレート群１７の第２の流路系統２１を通って反対方向に流れる冷媒（典型的には水）と熱交換する。
【００３１】
出発供給流に送られる酸素の量（流量）は、上記システム内にあるアンモニアおよび窒素系ガスの全て（またはほぼ全て）の酸化を引き起こすのに十分であるように制御されると望ましい。ただし、このシステムの変更形態では、出発混合物内の酸素の量の制御を、アンモニアの全てまたはほぼ全てを酸化するように行うことができ、窒素系ガスのほぼ全てを酸化するために、水が反応混合物から凝縮し始める前に、追加酸素を窒素系ガス流に追加することができる。したがって、図１に破線で示されている３つの注入ポイントのうちのいずれか１つまたは２つまたは全てにおいて、その追加酸素を入れることができる。
【００３２】
同様に、出発供給流内の水量の制御は、熱交換装置１３内の窒素系ガス供給流から凝縮し、得られた二酸化窒素と反応するとき（すなわちその吸収中）に、２０％〜４０％（ｗ／ｗ）程度の濃度を有する希硝酸を形成するのに十分な量の凝縮水が存在するように行われる。ただし、下記に説明するように、過剰なアンモニア水を出発供給流に追加し、酸化システム２２に送る前に取り除いてもよい。
【００３３】
酸化システム２２は、例えばアンモニア−酸素混合物の高温触媒転換などで使用するための、当技術分野で知られている任意のタイプのアンモニア酸化剤を含むことができ、かかる場合、コバルト酸化物床を含む周知の任意のタイプの触媒システムを用いることができる。１つの適当な形態では、織物状すなわち編目状の金網層の形態をした白金−ロジウム触媒をそのシステムに組み込むことができる。酸化システム２２への蒸気バラスト化アンモニア−酸素供給流が、触媒層による伝導、対流および放射の組合せによって反応温度まで加熱され、触媒層に反応して窒素系ガス流を形成する。全体のプロセスは基本的に断熱的であり、到達する温度は、アンモニアから一酸化窒素への完全な極めて選択的な転換を仮定すれば、主として、存在する蒸気バラスト量の関数になる。
【００３４】
酸化システム２２からの８００℃程度の温度の窒素系ガス供給流は、当技術分野で知られている従来のタイプの冷却ボイラ２３に送られ、冷却ボイラ２３で、上記ガス供給流は露点のレベルよりも高い温度まで（つまり１４０℃程度の温度まで）冷却される。この冷却ボイラにおいて、蒸気タービン（図示せず）に送るため、または本発明のシステムと関係なくプロセスを加熱するために、蒸気を発生させることができる。
【００３５】
上述したように出発供給流に追加された過剰なアンモニア水は、酸化システム２２への供給流に位置する分離器２４（やはり当技術分野で知られている従来のタイプのもの）で取り除かれる。この過剰なアンモニア水は、熱交換器１３の第１の流路系統１６を通る供給流の乾燥、およびその結果生じるこの流路系統における固形物の蓄積／腐食を回避するために、出発供給流に追加される。
【００３６】
取り除かれた液体は、単に分離器２４からの吹き出し流２４ａとして、冷却器２４ｂおよび減圧弁２４ｃを経由して上記システムから抜くことができ、または（アンモニア水供給流の無駄を最小限にするために）取り除かれた液体の少なくとも主成分を、（上述の）リサイクル流１１ａとして供給流に戻すことができる。吹き出し流２４ａは、リサイクル・ループの内部で、溶存固形不純物の過大な蓄積を回避するために提供される。吹き出し流は典型的には、供給水流のほんの一部分（１％〜１０％）を構成する。
【００３７】
窒素系ガス供給流の圧力を調節するための制御弁２５が、必要な程度のバラストを実現するよう発生蒸気量を調整するために、冷却ボイラ２３と熱交換装置１３への窒素系ガス供給流の間の回路に位置する。
【００３８】
図２〜４に示されているように、熱交換装置１３は、２つの（第１のおよび第２の）プレート群を含んだ中実のコア構造体２６を効果的に備える。つまり、上記コア構造体は、複数の交互配置された第１のプレート１７と第２のプレート２０（それぞれ第１の群と第２の群を形成する）を含み、その総数は、システム全体の必要な生成能力で決まる。プレートは、厚さ１．６ｍｍ程度のステンレス鋼などの耐食金属で形成され、そのプレートの全ては、端プレート２７の間に対面関係で拡散接合される。第２のプレート２０は第１のプレート１７と交互配置される。
【００３９】
各第１のプレート１７に、（別々の）第１の流路系統１６および第２の流路系統２１が形成される。上述のように、第１のプレートの第１の流路系統１６は（図３で見られるようにその上端で）、アンモニア水−酸素の出発供給流を受けるように、１つのグループとして配置される。また、この第１のプレート１７の第１の流路系統は、（やはり図３に示されているようにその下端から）蒸気バラスト化アンモニア−酸素供給流をヘッダ２８を経由して分離器２４へ送るように、１つのグループとして配置される。
【００４０】
やはり上述したように、第１のプレート１７の第２の流路系統２１は、その下端および上端を介して、管状のポート２９および３０を経由して冷媒流体の供給と直列に接続されるように、１つのグループとして配置される。冷媒流体は、流路系統２１から、通路２１ａおよび２１ｂを経由して送られ、運ばれる。通路２１ａおよび２１ｂは、第１のプレート１７および第２のプレート２０の全てにある窓状の開口によって画成される。図３および４に示されていないが、冷媒流体は、ポート２９の孔と位置合わせして中実コア２６の下端に穴あけされた開口を経由して、通路２１ａへと方向付けられる。同様に冷媒流体は、通路２１ｂから、ポート３０の孔と位置合わせして中実のコア２６の上端に穴あけされた開口を経由して方向付けられる。
【００４１】
アンモニア水供給流は、ヘッダ３１を経由して、かつ下記に説明する形で第２のプレート２０に組み込まれた分配系統を経由して、第１のプレートの第１の流路系統１６に送られる。出発混合物の酸素成分は、ヘッダ３２および複数の直線的に延びる横方向に隔置された流路３３を経由して、第１のプレートの第１の流路系統に送られる。各流路３３は、第１のプレート１７の上側ポート部分３４に、第１の流路系統１６と位置合わせして深さ約１．１ｍｍまでエッチングされている。
【００４２】
各第１のプレート１７の第１の流路系統１６は、複数の横方向に隔置された長手方向に延びる流路３５を備え、各流路３５は、深さ約１．１ｍｍまでエッチングされ、その長手方向の長さの大部分に沿って、図４Ａにおいて流路４６により拡大スケールで示されているものと同様の、ジグザグの経路をたどる。
【００４３】
各第１のプレート１７の第２の流路系統２１もまた、複数の横方向に隔置された長手方向に延びる流路３６を備え、各流路３６は、深さ約１．１ｍｍまでエッチングされ、ジグザグの経路をたどる。
【００４４】
各第２のプレート２０に（図２および４）、別々の第１の流路系統１８と第２の流路系統１９が形成される。第１の流路系統１８および第２の流路系統１９は、プレートが互いに接合されると、第１のプレート１７の第１の流路系統１６および第２の流路系統２１とそれぞれ熱交換関係に並置される。各第２のプレートの第１の流路系統１８と第２の流路系統１９は、それらの上端（図４で見られるように）に隣接して、一連の横方向に隔置された直線的な流路３７を経由して直列に流体連通接続される。各流路３７は、深さ約１．１ｍｍまでエッチングされ、第１の流路系統１８と第２の流路系統１９にある流路と一対一で接続する。
【００４５】
各第２のプレート２０の第１の流路系統１８は、複数の横方向に隔置された長手方向に延びる流路部分（すなわち流体通路）３８と、それに隣接する直交流の流路部分３９を備える。各流路部分３８および３９は、深さ約１．１ｍｍまでエッチングされ、ジグザグの経路をたどり、流路系統１８は、各流路部分が、集約された長手方向部分（３８）および直交流部分（３９）全体にわたるそれ以外の各流路部分と同様の有効長さを有するように、パターン化される。
【００４６】
各第２のプレート１８の第２の流路系統１９は、複数の流路部分４０を備え、各流路部分４０は、直線状またはジグザグの経路をたどる。流路部分４０は、図４で見られるようにその長さ全体にわたって方向が水平垂直互い違いになり、個々の流路は、深さ約１．１ｍｍまでエッチングされる。第２の流路系統１９内部における流路部分４０の総数は、第１の流路系統１８内部における流路部分３８／３９の総数と同じである。ただし、流路部分４０は全て流路部分３８より長い有効全長を有し、したがって流路系統１９が占める面積は流路系統１８が占める面積より大きい。流路系統１９は、各流路部分４０が、接続流路３７と出口接続流路４０ａの間に延びる全流路長全体にわたるそれ以外の各流路部分と同様の有効長さを有するように、パターン化される。
【００４７】
高温の窒素系ガスが、ヘッダ４１を経由して、各第２のプレート２０の第１の流路系統１８の下端に送られ、続いてその漸進的な酸化と凝縮水吸収が行われる。硝酸が、ヘッダ４２を経由して、各第２のプレートの第２の流路系統の下端から注がれる。
【００４８】
各第２のプレート２０の上側部分４３は、第１のプレート１７の上側部分３４に対応して配置され、各第２のプレートは、エッチングされた横方向に延びる流路４４を備える。流路４４は、ヘッダ３１と連通し、各第１のプレート１７の第１の流路系統１６に送られるアンモニア水供給流を受ける。
【００４９】
流路４４は４次分配系統４５のうちの１次目へと接続し、この分配系統４５はヘッダ３２に流れ込み、そこから流路４６を経由して、各第１のプレート１７の第１の流路系統１６に流れ込む。この配置により、出発供給流の３つの成分（酸素、アンモニアおよび水）は、各第１のプレート１７の第１の流路系統１６の全幅にわたってほぼ均等に分配される。
【００５０】
スロット４７が、各第１のプレート１７および各第２のプレート２０、ならびに端部プレート２７に設けられ、これらのプレートの高さの約３分の２にわたって延びる。上記スロットは、以下で言及する給排熱交換器の高温の端部から、やはり以下で言及する吸収器への、短絡した伝導熱の伝達を抑制するように設けられる。
【００５１】
図１に示されているように、上記熱交換装置により、第１および第２のプレート群の第２の流路系統を備える吸収器熱交換システムと一体化された、第１および第２のプレート群の第１の流路系統を備える給排熱交換システムが効果的に実現されるということが、上記の硝酸処理システムの説明から理解されよう。蒸気給排熱交換システムでは、酸化装置への供給流によって必要な量のバラスト蒸気を運ぶことが可能になる温度まで、アンモニア水と酸素からなる２相の供給流が加熱される。交換のもう一方の側では、露点より高い窒素系ガスが交換器に入り、露点まで冷却され、さらに冷却されると同時に凝縮が生じる。給排熱交換前の供給流ラインおよび冷却ボイラにおける一酸化窒素の酸化の結果として、入ってくるガス内に少量の二酸化窒素が存在し、給排熱交換器内部でガスの温度および含水量が低下することから気相の一酸化窒素の酸化が加速し、ガスの冷却時に給排熱交換器内部で酸生成率が急速に上昇する。したがって凝縮するのは水だけではない。吸収器熱交換システムにおいて、一酸化窒素／二酸化窒素の硝酸への酸化プロセスが完了する。冷媒流体により吸収器内の温度が給排熱交換器内の温度より低いレベルまで低下し、吸収器内における窒素系ガスの滞留時間は、このシステムの設計によって、酸化プロセスがほぼ完了に達するのに十分なものになっている。
【００５２】
図５のグラフ（温度対熱量を示す）は、第１のプレート１７の第１の流路系統１６と、交互配置された第２のプレート２０の第１の流路系統１８との間に行われる、対向流給排熱交換の典型的な運転を示す。グラフＡは、水の凝縮を伴った、冷却時の第２のプレート２０の第１の流路系統１８内における反応混合物（窒素系ガス）に適用可能であり、グラフＢは、アンモニア水が通過するごとに（部分的に）蒸発する供給流に適用可能である。
【００５３】
上記で説明した熱交換装置の大きさは、この装置に出入りする種々の供給流の流量と同様に、例えば必要な酸生成率や量などで決まる。ただし、あくまで一例として、アンモニア供給流量約２５０ｋｇ／ｈ、システム動作圧力２ｂａｒ（ａｂｓ）、酸化温度約８００℃の場合、流量は典型的に以下になる可能性がある。
水供給流〜１４５０ｋｇ／ｈ
酸素供給流〜１０２５ｋｇ／ｈ
硝酸送出量〜２７００ｋｇ／ｈ（３２％（ｗ／ｗ）濃度）。
プレート／コアの寸法は、典型的には以下のようにすることができる。
第１および第２のプレート〜約６５０ｍｍ×６００ｍｍ×１．６ｍｍ
コアの厚さ（すなわち積み重ね高）〜約１．２ｍ、第１のプレート３５０枚およびそれと交互配置された第２のプレート３５０枚で構成される。
給排熱交換面積（総面積）〜７０ｍ２
吸収器熱交換面積（総面積）〜１６０ｍ２
各プレートの内部における各流路部分（すなわち流体通路）は、断面が直径２．２ｍｍを有する半円形として形成され、流水断面積約１．９０ｍｍ２を成す。
【００５４】
上記で説明し、以下の特許請求の範囲で定義される装置は、本発明の広い範囲内で変形および変更を行うことができる。
【図１】
2013545960.tif 000003
【図２】
2013545960.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
2013545960.tif 000008
2013545960.tif 000009