(57)【要約】  アンモニアを製造するためのシステム及び方法。該システムは、２つ又はより多い別個の触媒床を内部に配設した第１シェル、第１シェルの周りに配設された第２シェル、第１シェルの外部に配設され第１シェルと流体連通している第１熱交換器、第２シェルの外部に配設され第２シェルと流体連通している第２熱交換器、及び第１シェル内に配設された流路とを備えることができる。供給ガスの第１部分は触媒の存在下で反応してアンモニア流出物を提供することができる。アンモニアからの反応熱は第１と第２熱交換器内で熱交換することができる。供給ガスの加熱された第２部分は第１シェルに導かれて触媒の存在下で反応することができる。
2011505314.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニアを製造するためのシステムであって、
反応器であって、
２つ又はより多い別個の触媒床が内部に配設された第１シェル、
前記第１シェルの周りに配設された第２シェル、及び
前記第１シェル内に配設された流路であって、前記第１シェル内の前記２つ
又はより多い別個の触媒床が前記流路の周りに配設された、流路、
を備えた反応器、
前記反応器の外部に配設され前記第１シェルと流体連通している第１熱交換器、並びに、
前記反応器の外部に配設され前記第２シェルと流体連通している第２熱交換器、
を備えた、システム。
【請求項２】
前記第１及び第２シェルが互いに同心関係にある、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第１シェル、前記第２シェル、及び前記流路が、互いに同心関係にある、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
請求項１に記載のシステムであって、
前記第１シェル及び前記第２シェルが第１区画及び第２区画をそれぞれ備え、前記第１区画は前記第２区画の断面積より大きい断面積を有している、
システム。
【請求項５】
アンモニアを製造するためのシステムであって、
前記システムは、
第２収容容積内に配設された第１収容容積、
前記第１収容容積内に配設された２つ又はより多い別個の触媒床、
前記第１収容容積内に少なくとも部分的に配設された流路であって、前記流路及び前記第１収容容積がそれらの間に環形部を画定する、流路、
前記第１及び第２収容容積の外部に配設された第１熱交換器、
前記第１及び第２収容容積の外部に配設された第２熱交換器、
を備えており、
前記流路は、前記第１収容容積の第１端部で前記第１収容容積と流体連通し、前記第１熱交換器の第２端部で前記第１熱交換器と流体連通しており、及び、前記第２熱交換器は、前記第２収容容積と流体連通している、
システム。
【請求項６】
前記第１収容容積及び前記第２収容容積が互いに同心関係にある、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記第１収容容積、前記第２収容容積、及び前記流路が、互いに同心関係にある、請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
請求項５に記載のシステムであって、
前記第１収容容積及び前記第２収容容積が第１区画及び第２区画をそれぞれ備え、前記第１区画は前記第２区画の断面積より大きい断面積を有している、
システム。
【請求項９】
アンモニアを製造するための方法であって、
アンモニア変換器に窒素と水素を含む供給ガスを分配するステップであって、
前記アンモニア変換器が、
内部に２つ又はより多い別個の触媒床が配設された第１シェル、
前記第１シェルの周りに配設された第２シェル、
前記第１シェルの外部に配設され、それと流体連通している第１熱交換器、
前記第２シェルの外部に配設され、それと流体連通している第２熱交換器、及び、
前記第１シェル内に配設された流路、
を備えており、
前記第１シェル内の前記２つ又はより多い別個の触媒床が前記流路の周りに配設されており、
前記供給ガスの第１部分が前記第１シェルに導入され、前記供給ガスの第２部分が前記第２シェルに導入されている、
ステップ、
前記供給ガスの前記第１部分を前記触媒の存在下で反応させてアンモニア流出物を提供するステップ、
前記アンモニア流出物からの反応熱の少なくとも一部を交換して前記第１熱交換器内で蒸気を生成するステップ、
前記アンモニア流出物からの反応熱の少なくとも一部を前記第２熱交換器内で前記供給ガスの前記第２部分に交換するステップ、
前記供給ガスの前記加熱された第２部分を前記第１シェルに導入するステップ、並びに、
前記供給ガスの前記加熱された第２部分を前記触媒の存在下で反応させるステップ、
を含む、方法。
【請求項１０】
前記蒸気が約１０，３００ｋＰａ〜約１２，５００ｋＰａの圧力である、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記アンモニア流出物が約４４０℃〜約４６５℃の温度である、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記アンモニア流出物が約１３，５００ｋＰａ〜約１９，０００ｋＰａの圧力である、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記第２熱交換器で前記アンモニア流出物を約３３５℃〜約３８５℃の温度に冷却する、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１部分は前記供給ガスの約４０体積％〜約５２体積％を構成する、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記第２シェル内の前記第２部分が約１２０℃〜約１６０℃の温度である、請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
前記触媒が、マグネタイト、１種若しくはより多いプラチナ族金属、それらの誘導体、又はそれらの組み合わせ、を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１７】
約４５体積％〜約５５体積％の前記アンモニア流出物を用いて前記供給ガスの前記第２部分を加熱する、請求項９に記載の方法。
【請求項１８】
アンモニア供給ガスを加熱するための内部交換器を有しているアンモニア変換器と、アンモニア生成物から廃棄プロセス流に熱を伝達する交換器、を備えた、アンモニアを生成するためのシステムを改良するための方法であって、
前記変換器から前記内部交換器を取り除くステップ、
前記アンモニア生成物から熱を伝達して、前記変換器の外部にある第１熱交換器内で高圧蒸気を生成するステップ、
前記変換器の外部にある第２熱交換器内で前記アンモニア生成物から前記アンモニア供給ガスに熱を伝達するステップ、及び、
前記加熱されたアンモニア供給ガスを前記変換器に戻すステップ、
を含む、方法。
【請求項１９】
前記高圧蒸気が約１０，３００ｋＰａ〜約１２，５００ｋＰａの圧力である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記アンモニア生成物が約４４０℃〜約４６５℃の温度である、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本実施形態は、概してアンモニアの合成に関する。より具体的には、本発明の実施形態はアンモニア変換器の流出物から熱を回収してその熱から蒸気を生成することに関する。
【背景技術】
【０００２】
アンモニアは、一般にアンモニア変換器と称される装置で触媒の存在下水素と窒素とを反応させることによって合成ガスから生成される。アンモニア合成にとって理想的な合成ガスは、水素３モルと窒素１モルのモル比となる。合成ガスを変換することによって、アンモニアと未反応の水素及び窒素とを含有したアンモニアリッチな流出物が提供される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
アンモニアの合成は、熱を発生する発熱性の触媒反応によって駆動される。このアンモニア流出物の温度は、一般には約３１５℃〜約３４０℃であり、この温度はボイラー供給水の予備加熱に適しているが、高価な蒸気の生成には適していない。このように、従来のアンモニア・プラントは、本来エネルギー効率がよくない。
【０００４】
このため、アンモニアの合成で生成される熱を利用するためのより効率的なシステム及び方法が必要とされる。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
本発明の上述した特長が詳細に理解できるようにいくつかを添付図面に示した実施形態を参照することによって、上記した本発明の概要を具体的に説明することができる。しかし、添付の図面は本発明の典型的な実施形態を示しているにすぎず、それ故、本発明の範囲を限定するものと考えるべきではなく、本発明には他の同等に有効な実施形態が認められ得る。
【０００６】
【図１】図１は、説明される１つ又は複数の実施形態によるアンモニア変換システムの部分断面図である。
【図２】図２は、説明される１つ又は複数の実施形態による例示的なアンモニア生成システムの概略図である。
【図３】図３は、説明した１つ又は複数の実施形態による別の例示的なアンモニア生成システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
ここで詳細な説明をしていく。添付した請求項のそれぞれは別の発明を規定し、これは、権利侵害に対処するために請求項で規定されている様々な要素又は制限に対する均等物を含むものとして認識される。状況次第で、あるいくつかの場合、本「発明」に対する以下の言及はある特定の実施形態のみに言及するものでよく。他の場合では、本「発明」に対する言及は、全てである必要はないが請求項のうちの１又は複数に記載された主題に言及していることが分かるであろう。以下に発明のそれぞれを、具体的な実施形態、変形バージョン、例を用いてより詳細に説明するが、これら発明は、それらの実施形態、変形バージョン、例に限定されるものではなく、本特許の情報が利用可能な情報や技術と組み合わされた場合には、当業者がこれら発明を創作し及び使用することができるようなものも含まれる。
【０００８】
アンモニアの生成システム及び生成方法が提供される。少なくとも１つの具体的実施例では、窒素と水素を含有した供給ガスをアンモニア変換器に分配することができる。該アンモニア変換器は、内部に配設された２つ又はより多い別個の触媒床を有する第１シェルと、第１シェルの周りに配設された第２シェルと、第１シェルの外部に配設されそれと流体連通した第１熱交換器と、第２シェルの外部に配設されそれと流体連通した第２熱交換器と、第１シェル内に配設された流路とを備える。第１シェル内部の該２つ又はより多い別個の触媒床は流路の周りに配設することができる。該供給ガスの第１部分は第１シェルに導入し、第２部分は第２シェルに導入することができる。該供給ガスの第１部分は触媒の存在下で反応してアンモニア流出物を提供することができる。該アンモニア流出物からの反応熱の少なくとも一部分を変換して第１熱交換器内で蒸気を生成することができる。アンモニア流出物からの反応熱の少なくとも一部分を第２熱交換器内で供給ガスの第２部分に引き渡すことができる。供給ガスの該加熱された第２部分を第１シェルに導入することができる。供給ガスの加熱された第２部分は触媒の存在下で反応することができる。
【０００９】
図１に一又は複数の実施形態による例示的なアンモニア変換システムの部分断面図を示す。一又は複数の実施形態では、該アンモニア変換システムは、１つ又は複数の反応器すなわちアンモニア変換器１００と、それと流体連通した２つ又はより多い外部熱交換器（１０４及び１６８の２つが図示）とを備えることができる。それぞれの反応器１００は、第１シェルすなわち第１収容容積１０８と、第２シェルすなわち第２収容容積１０６と、キャップ１１０と、１つ又は複数の接続部すなわちノズル（１１２、１１４、１２０及び１６０の４つが図示）と、１つ又は複数の導管すなわち流路（１２２及び１２４の２つが図示）とを備えることができる。外側のシェル（「コンバーターシェル」）１０６は第１端部すなわち第１ヘッド１２６と第２端部すなわち第２ヘッド１２８とを備えることができる。内側のシェル（「バスケット」）１０８は、第１端部すなわち第１ヘッド１３０と、第２端部すなわち第２ヘッド１３２と、内側シェル１０８内に配設された１つ又は複数の離れた触媒床（１３４、１３６、１３８及び１４０の４つが図示）とを備えることができる。
【００１０】
キャップ１１０は、外側のシェル１０６の第１端部１２６に接続することができる外側のシェル１４２を備えることができる。また、キャップ１１０は、内側のシェル１０８の第１端部１３０に接続することができる内側のシェル１４４を備えることもできる。導管すなわち流路１２４の一部分はキャップ１１０内又はキャップ１１０を通って配設することができる。該導管すなわち流路１２４は、キャップ１１０上に配設された接続部（「出口」）１６０と流体連通することができる。
【００１１】
第１熱交換器１６８は、流路１２４を介して第１シェル１０８と流体連通することができる。該第１熱交換器１６８はある流体から別の流体に熱を間接的に伝達するのに適した任意のシステム又は装置であってよく、あるいは、該任意のシステム又は装置を備えてもよい。例えば、第１熱交換器１６８は、１つ又は複数の円筒多管式、プレート形、スパイラル形、Ｕ字管型、及び／又は、差込み型の熱交換器であってよく、あるいは、それらの熱交換器を１つ又は複数備えてもよい。一又は複数の実施形態では、アンモニア流出物を、ライン１６６を介して第１熱交換器１６８に導きライン１７０を介して回収することができる。一又は複数の実施形態では、伝熱媒体を、ライン１７２を介して第１熱交換器１６８に導きライン１７４を介して回収することができる。該伝熱媒体は、凝縮液、ボイラー給水（「ＢＦＷ」）、低圧（「ＬＰ」）蒸気、及び／又は、中圧（「ＭＰ」）蒸気であってよく、あるいは、それらを含んでもよい。蒸気はライン１７４を介して第１熱交換器１６８から回収することができる。
【００１２】
一又は複数の実施形態では、ライン１６６のアンモニア流出物は高圧蒸気を生成するのに十分な温度になり得る。該高圧蒸気は、約１０，３００ｋＰａ〜約１２，５００ｋＰａの圧力になり得る。一又は複数の実施形態では、ライン１６６のアンモニア流出物は中圧蒸気を生成するのに十分な温度になり得る。一又は複数の実施形態では、アンモニア流出物は約３５０℃又はそれを超える温度になり得る。一又は複数の実施形態では、アンモニア流出物は約４３０℃、約４４０℃、又は約４４５℃の低温から、約４６０℃、約４６５℃、又は約４７０℃の高温、の範囲の温度になり得る。例えば、該アンモニア流出物は約４５０℃〜約４５５℃又はそれを超える温度になり得る。
【００１３】
冷却されたアンモニア流出物はライン１７０を介して熱交換器１６８から回収することができる。一又は複数の実施形態では、アンモニア流出物は４００℃未満、約３９５℃未満、又は約３９０℃未満の温度に冷却することができる。一又は複数の実施形態では、アンモニア流出物は約３３５℃〜約３８５℃、約３３５℃〜約３７０℃、又は約３８０℃〜約３８５℃の温度に冷却することができる。
【００１４】
一又は複数の実施形態では、流体（「供給ガス」）をアンモニア反応器１００に導くことができる。該供給ガスは水素（Ｈ２）と窒素（Ｎ２）を含有することができる。供給ガスを１又は複数の部分に分配することができる。例えば、供給ガスを第１部分と第２部分に分配することができる。第１部分は１又は複数の導管（「導入口」）１２２を介して導入することができる。一又は複数の実施形態では、導入口１２２を介して導入された第１部分は、流入供給ガスの体積％において約３０体積％、約３５体積％、又は約４０体積％の下限から、約５０体積％、約５５体積％、又は約６０体積％の上限、の範囲の値を持ち得る。例えば、導入口１２２を介して導入された第１部分は、流入供給ガスの体積％において約４０体積％〜約５２体積％、約３８体積％〜約５４体積％、又は、約３６体積％〜約５６体積％であり得る。第２部分は接続部（「導入口」）１１２を介して導入することができる。一又は複数の実施形態では、導入口１１２を介して導入された第２部分は、流入供給ガスの体積％において約４０体積％、約４５体積％、又は約５０体積％の下限から、約６０体積％、約６５体積％、又は約７０体積％の上限、の範囲の値を持ち得る。例えば、導入口１１２を介して導入された第２部分は、流入供給ガスの体積％において約４８体積％〜約６０体積％、約４６体積％〜約６２体積％、又は、約４４体積％〜約６４体積％であり得る。
【００１５】
一又は複数の実施形態では、第２部分は導入口１１２を介して導入されて、外側シェル１０６と内側シェル１０８の間を接続部すなわち排出口１１４に流れることができる。第１シェル１０８は第１シェル１０８と第２シェル１０６の間に環形部を画定することができ、そこを通って第２部分が流れることができる。一又は複数の実施形態では、第２部分は外側シェル１０６の温度を下げあるいは調整することができる。例えば、第２部分は、外側シェル１０６を約１２０℃、約１２５℃、又は約１３０℃の低温から、約１５０℃、約１５５℃、又は約１６０℃の高温、の範囲の温度に調整し得る。外側シェル１０６を約１６０℃未満の温度に調整することによって、外側シェル１０８を炭素鋼などの低コスト材料で構成できるようにすることができる。
【００１６】
第２熱交換器１０４は、ライン１１８を介して第１シェル１０８と、ライン１１６を介して第２シェル１０６と流体連通することができる。該第２熱交換器１０４は、ある流体を別の流体に間接的に熱を伝達するのに適した任意のシステム又は装置であってよく、あるいは、該システム又は装置を備えてもよい。例えば、第２熱交換器１０４は、１つ又は複数の円筒多管式、プレート形、スパイラル形、Ｕ字管型、及び／又は、差込み型の熱交換器であってよく、あるいは、それらの熱交換器を１つ又は複数備えてもよい。一又は複数の実施形態では、ライン１１６を介して第２部分を第２外部熱交換器１０４に導くことができる。ライン１６２を介して該熱交換器１０４に導入された伝熱媒体を介して第２部分に熱を間接的に伝達してライン１１８を介した加熱された第２部分を提供することができる。一又は複数の実施形態では、限定はされないが、該伝熱媒体は反応器１００からのアンモニア流出物下流の少なくとも一部分であり得る。ライン１６２を介して熱交換器１０４に導入された伝熱媒体はライン１６４を介して回収することができる。
【００１７】
一又は複数の実施形態では、ライン１１８の加熱された第２部分を接続部（「導入口」）１２０を介して第１シェルに導くことができる。加熱された第２部分は、流路１２４とキャップ１１０の内側シェル１４４とで画定された環形部を通って第１シェル１０８内に配設された１つ又は複数の触媒床１３４、１３６、１３８、１４０へ流れ得る。該加熱された第２部分の少なくとも一部分（例えば、水素と窒素）を変換してアンモニア流出物を提供することができる。触媒床１３４、１３６、１３８、１４０内に配設された１つ又は複数の触媒の存在下で該第２部分を変換又は反応させてアンモニア流出物を生成することができる。該アンモニア流出物は、１つ又は複数の触媒床１３４、１３６、１３８、１４０を通って流れた後で、流路１２４を介して回収することができる。
【００１８】
一又は複数の実施形態では、第１部分を第１シェル１０８内に配設された１つ又は複数の触媒床１３４、１３６、１３８、１４０に導入することができる。該第１部分は、単一の導管１２２又は複数の導管（図示せず）を介して触媒床１３４、１３６、１３８、１４０の２つ又はより多くに配ることができる。第１部分は、触媒床１３４、１３６、１３８、１４０の２つ又はより多くに対して均等に又は不均等に分配することができる。
【００１９】
一又は複数の実施形態では、第１部分は、触媒床１３４、１３６、１３８、１４０の温度を所望の反応温度に低下させ、又は保持することができる温度調整器として作用することができる。任意の特定の触媒床に導かれる第１部分の流量は、その特定の触媒床にとって最適な流量に対応するように手動又は自動で調節することができる。一又は複数の実施形態では、加熱された第２部分と第１部分とは、触媒床１３４、１３６、１３８、１４０内で混合あるいは結合することができるが、それは、第１部分と第２部分はこれらの触媒床を通って流れてアンモニア流出物を提供するからである。一又は複数の実施形態では、加熱された第２部分と第１部分とは、反応器１００内の１つ又は複数の内部熱交換器（図示せず）を介して間接的に熱交換することができる。次いで、第１部分と第２部分は、１つ又は複数の触媒床内で混合あるいは結合することができる。アンモニア流出物は、流路１２４を介して内側のシェル１０８から回収することができる。
【００２０】
一又は複数の実施形態では、ライン１２２を介して第１触媒床１３４に第１部分を、約３４０℃、約３５０℃、又は約３６０℃の低温から、約３８０℃、約３９０℃、又は約４００℃の高温、の範囲の温度に第１触媒床１３４を維持するのに十分な、温度及び／又は流量で、導入することができる。一又は複数の実施形態では、ライン１２２を介して第２触媒床１３６に第１部分を、約３５０℃、約３６０℃、又は約３７０℃の低温から、約３９０℃、約４００℃、又は約４１０℃の高温、の範囲の温度に第１触媒床１３４を維持するのに十分な、温度及び／又は流量で、導入することができる。一又は複数の実施形態では、ライン１２２を介して第３触媒床１３８に第１部分を、約３６０℃、約３７０℃、又は約３８０℃の低温から、約４００℃、約４１０℃、又は約４２０℃の高温、の範囲の温度に第１触媒床１３４を維持するのに十分な、温度及び／又は流量で、導入することができる。一又は複数の実施形態では、ライン１２２を介して第４触媒床１４０に第１部分を、約３７０℃、約３８０℃、又は約３９０℃の低温から、約４００℃、約４１０℃、又は約４２０℃の高温、の範囲に第１触媒床１３４を維持するのに十分な、温度及び／又は流量で、導入することができる。
【００２１】
一又は複数の実施形態では、第１シェルすなわち第１収容容積１０８は第２シェルすなわち第２収容容積１０６と互いに同心関係になることができる。一又は複数の実施形態では、第１シェルすなわち第１収容容積１０８と、第２シェルすなわち第２収容容積１０６と、流路１２４とは互いに同心関係になることができる。第１シェルすなわち第１収容容積１０８と第２シェルすなわち第２収容容積１０６とは、第１区画と第２区画を備えることができる。第１区画は第２区画の断面積よりも大きい断面積を有することができる。例えば、キャップ１１０の外側のシェル１４２は、外側のシェル１０８のそれよりも小さな断面積を有することができる。キャップ１１０の内側のシェル１４４は、内側のシェル１０６のそれよりも小さな断面積を有することができる。
【００２２】
一又は複数の実施形態では、前記１つ又は複数の触媒床１３４、１３６、１３８、１４０は、それだけには限定はされないが、軸方向床、軸方向床／半径方向床、半径方向床、又はそれらの任意の組み合わせでよい。一又は複数の実施形態では、前記１つ又は複数の触媒床１３４、１３６、１３８、１４０を、１つ又は複数の交換器を用いた冷却ガス急冷、中間冷却、又はそれらの組み合わせによって冷却して前記１つ又は複数の触媒床の温度を制御あるいは調整することができる。前記１つ又は複数の触媒床１３４、１３６、１３８、１４０内に配設された触媒は、マグネタイト触媒であってよく、又はマグネタイト触媒を含んでもよい。前記触媒は、貴金属触媒、例えば、ケロッグ・ブラウン・アンド・ルート（Ｋｅｌｌｏｇｇ，  Ｂｒｏｗｎ  ａｎｄ  Ｒｏｏｔ）社から市販されているルテニウム系ＫＡＡＰ触媒などのルテニウム系触媒であってよく、又はそれを含んでもよい。各触媒床１３４、１３６、１３８、１４０は、同一の触媒を含んでよく、又は異なる触媒を含んでよい。各触媒床１３４、１３６、１３８、１４０は、２種又はより多くの異なる触媒を含むことができる。
【００２３】
アンモニア工程のエネルギー効率は、追加の第２アンモニア変換器、プラントの上流すなわち前段の設計などの他のプラントに固有なパラメータなどの様々な因子によって影響を受け得る。ここで、アンモニア・プラントの内部電池限界（「ＩＳＢＬ」）を約０．１８Ｇｃａｌ／ＭＴ〜約０．３Ｇｃａｌ／ＭＴだけ向上させることができる。第２熱交換器１０４は、第１熱交換器１６８のアンモニア流出物の初期冷却部から下流の第２部分を加熱することができる。例えば、高圧蒸気を生成した後のアンモニア流出物の余熱は、第２部分を１つ又は複数の触媒床１３４、１３６、１３８、１４０内で反応させてライン１６６を介するアンモニア生成物を提供するのに十分な温度に予熱するのに十分であり得る。例えば、第２部分は、約３４０℃、約３５０℃、又は約３６０℃の低温から、約３８０℃、約３９０℃、又は約４００℃の高温、の範囲の温度に加熱され得る。
【００２４】
一又は複数の実施形態では、従来のアンモニア変換器を変更又は改造して上記で論じ説明した設計形態を与え、効率の向上をもたらすことができる。例えば、アンモニア流出物から回収した熱を利用して高価な高圧蒸気及び／又は過熱状態媒体圧蒸気を生成することができる。上側キャップに円筒多管式熱交換器を備えたアンモニア変換器は、上記した一又は複数の実施形態により改造することができる。キャップ１１０内に配設された熱交換器、例えば円筒多管式熱交換器を備えたアンモニア変換器は工程から回収される熱量を制限する。このため、ライン１６６を介して回収されたアンモニア流出物の温度は高圧蒸気を与えるには不十分である。例えば、キャップ１１０内に配設された円筒多管式熱交換器を備えた構成では、アンモニア変換器１００から流出するアンモニア流出物の温度は、一般に、約３１５℃〜約３４０℃であり、これは高圧蒸気及び／又は過熱状態媒体圧蒸気を生成するには不十分である。アンモニア変換器内で生成されたプロセス熱は通常、ＢＦＷを予熱する、又は高圧蒸気より望ましくない且つ価値のない中圧蒸気を生成する、のに用いられる。
【００２５】
一又は複数の実施形態では、従来のアンモニア変換器のキャップを取り除いて上記で論じ説明した再設計されたキャップ１１０に対応する新規な又は変更を加えたキャップに置き換えることができる。該キャップは、第２部分に対する流路をキャップ１１０内の内部熱交換器ではなく外部熱交換器にもたらす。上記で論じ説明したキャップ１１０を備えるように変更された従来のアンモニア変換器１００は、今設計されたようなこのアンモニア変換器内に及ぼすことができる圧力低下を扱うことができる。したがって、この変更は旧来のキャップを除去し廃棄するか変更を加えることによって実施することができる。旧来の内部円筒多管式熱交換器を除去廃棄して、新規な又は変更を加えたキャップ１１０を構築することができる。排出口１１４、１６０及び導入口１１２、１２０、１２２は特別な工程条件に基づいて大きさを決めることができる。排出口１６０は、触媒床１３４、１３６、１３８、１４０を貫通して、あるいはそれらの周りに配設された流路１２４と流体連通することができる。キャップ１１０の内側シェル１４４は、アンモニア変換器１００の内側シェル１０８と結合することができ、キャップ１１０の外側シェル１４２は、アンモニア変換器１００の外側シェル１０６と結合することができる。
【００２６】
図２は、一又は複数の実施形態に係る例示的なアンモニアを製造するためのシステムの概略図である。一又は複数の実施形態では、該システムはアンモニア変換器１００と１又は複数の熱交換器（１０４、１６８、２０２、２０４、２０６の５つは図示）と１又は複数の始動ヒータ２１０とを備えることができる。一又は複数の実施形態では、アンモニア変換器１００と熱交換器１０４、１６８とは、図１に関して上記で論じ説明したものと同じものでよい。
【００２７】
一又は複数の実施形態では、供給ガス（図１に関して上記で論じ説明したものと同じものでよい）を、ライン２１２を介して予備ヒータ又は熱交換器２０２に導入して予熱された供給物を提供する。該予熱された供給ガスはライン２１４を介して回収される。一又は複数の実施形態では、ライン２１４の予熱供給ガスは、約１２０℃、約１２５℃、又は約１３０℃の低温から、約１５０℃、約１５５℃、又は約１６０℃の高温、の範囲の温度であり得る。例えば、ライン２１４の予熱供給ガスは約１４１℃の温度であり得る。一又は複数の実施形態では、ライン２１４の予熱された供給ガスは、約１２，５００ｋＰａ、約１３，０００ｋＰａ、又は約１３，５００ｋＰａの低圧から、約１８，５００ｋＰａ、約１９，０００ｋＰａ、又は約１９，５００ｋＰａの高圧、の範囲の圧力であってよい。プラントの始動時、ライン２１６を介して供給ガスの少なくとも一部分を１又は複数の始動ヒータ２１０に導入して、ライン２１８を介して、アンモニア変換器１００の始動を開始させるのに十分な温度にある予熱供給ガスをもたらすことができる。ライン２１８の予熱供給ガスは、ライン１２２を介して外側シェル１０６内に配設された内側シェル１０８に導入することができる（図１参照）。
【００２８】
一又は複数の実施形態では、予備ヒータ２１０は、供給ガスの少なくとも一部分をアンモニア変換器１００の始動を開始させるのに適した温度に加熱するのに適した任意の装置でよく、又は該装置を備えてもよい。例えば、予熱ヒータは焼成炉又は焼成ヒータでよい。一又は複数の実施形態では、ライン２１８の予熱供給ガスは、約３００℃、約３３０℃、又は約３６０℃の低温から、約３８０℃、約４００℃、又は約４２０℃の高温、の範囲の温度であり得る。
【００２９】
一又は複数の実施形態では、正常な動作の際は、ライン２１４の供給ガスは予備ヒータ２１０を迂回することができる。ライン２１４の供給ガスはライン２２２を介する第１部分とライン２２０を介する第２部分に分配することができる。第２部分は、アンモニア変換器１００の内側シェル１０８と外側シェル１０６の間に配設された環形部（図１参照）に導入することができる。ライン２２２の第１部分は、１又は複数のライン１２２（４つが図示されている）を介して内側シェル１０８に導入することができる。
【００３０】
ライン１６６を介して回収されたアンモニア流出物は、図１を参照して上記で論じ説明した伝熱媒体を用いて熱交換器１６８で間接的に冷却することができる。該伝熱媒体（例えば、ＢＦＷ）をライン１７２を介して導入し、高圧蒸気をライン１７４を介して回収することができる。アンモニア流出物はライン１７０を介して回収することができる。
【００３１】
一又は複数の実施形態では、１，１００ＭＴＰＤ（メートルトン／日）のプラントでのアンモニア流出物は、３５０℃を超える温度（例えば、約４５０℃〜約４５５℃）、約１４，６００ｋＰａの圧力であり得る。アンモニア流出物から熱交換器１６８のボイラー給水へ間接的に伝達することができる１，１００ＭＴＰＤプラントの所要熱量は、約１４．５Ｇｃａｌ／ｈｒになることができる。高圧蒸気は、約１０，３００ｋＰａ〜約１２，５００ｋＰａの圧力であってよい。冷却されたアンモニア流出物はライン１７０を介して熱交換器１６８から回収することができる。アンモニア流出物は、約３３５℃〜約３８５℃、約３３５℃〜約３７０℃、又は約３８０℃〜約３８５℃の温度に冷却され得る。
【００３２】
一又は複数の実施形態では、ライン１６６の回収されたアンモニア流出物は、ライン１６２を介した第１部分とライン２２８を介した第２部分とに分配することができる。一又は複数の実施形態では、ライン１６２のアンモニア流出物の第１部分のライン１７０の全アンモニア流出物に対する体積％において約３５体積％、約４０体積％、又は約４５体積％の下限から、約５０体積％、約５５体積％、又は約６０体積％の上限、の範囲の値を持ち得る。一又は複数の実施形態では、ライン２２８のアンモニア流出物の第２部分は、ライン１７０の全アンモニア流出物からの差し引き体積％になることができる。
【００３３】
一又は複数の実施形態では、ライン１６２を介するアンモニア流出物の第１部分を熱交換器１０４に導入し、そこで、アンモニア流出物の第１部分からライン１１６を介して導入された供給ガスの第２部分に熱が伝達されてライン１１８を介する予熱された第２部分を提供することができる。ライン１１８を介する該予熱された第２部分は、図１を参照して上記で論じ説明したように内側シェル１０８内の１つ又は複数の触媒床１３４、１３６、１３８、１４０に導入することができる。ライン１６２を介して熱交換器１０４に導入したアンモニア流出物の第１部分はライン１６４を介して回収することができる。
【００３４】
一又は複数の実施形態では、ライン２２８を介するアンモニア流出物の第２部分を熱交換器２０４に導入することができる。アンモニア流出物の第２部分からライン２３０を介して導入された伝熱媒体（例えば、ＢＦＷ）に熱が間接的に熱交換されライン２３２を介する蒸気を提供することができる。ライン２３２に提供された蒸気は、低圧蒸気、中圧蒸気、過熱中圧蒸気、又は高圧蒸気であり得る。アンモニア流出物の第２部分はライン２３４を介して回収することができる。例えば、１，１００ＭＴＰＤプラントは、アンモニア流出物の第２部分から約４．６Ｇｃａｌ／ｈｒの所要熱量を回収することができる。一又は複数の実施形態では、該回収された所要熱量は、プラントの規模と容量に応じて変わり得る。
【００３５】
一又は複数の実施形態では、アンモニア流出物から利用できる工程廃熱の約６０％がライン１７４及び２３２を介して高圧蒸気として回収することができる。一又は複数の実施形態では、高圧蒸気及び／又は過熱中圧蒸気を提供するのに用いられるアンモニア流出物から回収される工程廃熱％は、約１０％、約２０％、約３０％、又は約４０％の下限から、約５０％、約６０％、約６５％、又は約７０％の上限、の範囲であり得る。一又は複数の実施形態では、残存する廃熱をＢＦＷの予熱、又は、低圧蒸気や中圧蒸気などのより低級な蒸気の生成に利用することができる。
【００３６】
ライン２３４のアンモニア流出物の第２部分は熱交換器２０６に導入することができる。アンモニア流出物の第２部分からライン２３６を介して熱交換器２０６に導入された伝熱媒体（例えば、ＢＦＷ）に熱を伝達することができる。該熱交換器２０６はＢＦＷを予熱することができ、その熱はライン２３８を介して回収することができる。アンモニア流出物の第２部分は、ライン２４０を介してＢＦＷ予熱ヒータ２０６から回収することができる。
【００３７】
一又は複数の実施形態では、ライン１６４を介するアンモニア流出物の第１部分をライン２４０のアンモニア流出物の第２部分を混合して、混合あるいは再結合したアンモニア流出物をライン２４２に提供することができる。ライン２４２のアンモニア流出物を予備ヒータ２０２に導入することができる。アンモニア流出物からの熱は、ライン２１２を介して予備ヒータ２０２に導入された供給ガスに間接的に伝達することができる。
【００３８】
一又は複数の実施形態では、冷却されたアンモニア流出物はライン２４４を介して予熱ヒータ２０２から回収して、下流でさらに処理することができる。ライン２４４の冷却されたアンモニア流出物を分離してアンモニア生成物と再生供給物を提供することができる。一又は複数の実施形態では、ライン２４４の冷却されたアンモニア流出物を、アンモニア生成物と再生供給物に分離する前にさらに冷却することができる。図示していないが、該再生供給ガスをライン２１２に再循環させ、アンモニア変換器１００に導入して、供給ガスを補うのに加えてアンモニアに変換することができる。該補給合成ガスは、アンモニアの合成に適した新鮮な合成ガス又は他の水素又は窒素含有供給ガスであってよい。
【００３９】
一又は複数の実施形態では、熱交換器２０２、２０４、２０６は、一つの流体から別の流体に間接的に熱伝達するのに適した任意のシステム又は装置であってよく、又はそれらを備えてもよい。例えば、これらの熱交換器は、円筒多管式、プレート形、スパイラル形、Ｕ字管型、及び／又は差込み型熱交換器であってよく、又はそれらを備えてもよい。これらの熱交換器は、プラント工程の設計に応じてサイズ決めし作製することができる。
【００４０】
図３は、上記した一又は複数の実施形態に係る別の例示的なアンモニア生成システムの概略図である。一又は複数の実施形態では、アンモニア生成システムは、図１及び図２を参照して上記で論じ説明したのと同じでよい。アンモニア生成システムは、１又は複数の２次アンモニア変換器３００を備えることができる。一又は複数の実施形態では、ライン１７０を介して回収されたアンモニア流出物は、１又は複数の２次アンモニア変換器３００（１つは図示）に導入することができる。該２次アンモニア変換器３００は、回収されたアンモニア流出物の未反応の水素及び窒素を変換して追加的なアンモニアを提供することができる。
【００４１】
ライン１７０を介して２次アンモニア変換器３００に導入されたアンモニア流出物の温度は、該２次アンモニア変換器３００の特定な設計に依存し得る。ライン１７０を介して２次アンモニア変換器３００に導入されたアンモニア流出物の温度は、第１熱交換器１６８のアンモニア流出物を適温に冷却することによって調節又は制御され得る。例えば、アンモニア流出物を、ライン１７０を介して２次アンモニア変換器３００に、約３１５℃、約３２５℃、又は約３３５℃の下限から、約３６５℃、約３７０℃、又は約３７５℃の上限、の範囲の温度で導入することができる。
【００４２】
一又は複数の実施形態では、前記１つ又は複数の２次アンモニア変換器３００に導入されたアンモニア流出物は、ライン１６２を介した第１部分とライン２２８を介した第２部分とに分配することができる。一又は複数の実施形態では、ライン１６２のアンモニア流出物の第１部分のライン１７０の全アンモニア流出物に対する体積％において約３５体積％、約４０体積％、又は約４５体積％の下限から、約５０体積％、約５５体積％、又は約６０体積％の上限、の範囲の値を持ち得る。一又は複数の実施形態では、ライン２２８のアンモニア流出物の第２部分は、ライン１７０の全アンモニア流出物からの差し引き体積％になることができる。
【００４３】
一又は複数の実施形態では、図１及び図２を参照して上記で論じ説明したように、ライン１６２を介したアンモニア流出物の第１部分を用いてライン１１６の供給ガスの第２部分を加熱することができる。一又は複数の実施形態では、ライン２２８のアンモニア流出物の第２部分を用いて、図２を参照して上記で論じ説明したように、ライン２３２に高圧蒸気を、及び、ライン２３８にＢＦＷを、提供することができる。ライン１６４を介したアンモニア流出物の第１部分を、ライン２４０のアンモニア流出物の第２部分に導入して、ライン２４２に結合した又は混合したアンモニア流出物を提供することができる。ライン２４２のアンモニア流出物を供給ガス予熱ヒータ２０２に導入してライン２１４に予熱供給ガスを、及び、ライン２４４に冷却アンモニア流出物を、提供することができる。
【００４４】
ある実施形態及び特徴を一群の数値下限と一群の数値上限を用いて説明してきた。当然のことながら、任意の下限から任意の上限の範囲は他に指定されない限り熟慮されたものである。ある下限、上限及び範囲が、以下の請求項に示されている。全ての数値は、指定された値の「およその値」又は「近似の値」であり、当業者により予測されるはずの実験誤差及び変動が考慮されている。
【００４５】
これまでに、様々な用語を定義してきた。ある用語が請求項で用いられる程度には上記で定義されていない。当業者が少なくとも１つの刊行物又は交付済み特許に反映されたような用語を与えられる場合、用語は最も広く定義するべきである。さらに、本出願に記載された特許、試験手順及び他の文献の全ては、その開示が本出願と矛盾しない程度に十分に参照援用され、及びそのような援用が許容される全ての司法権に対して十分に参照援用されている。
【００４６】
上記の内容は本発明の実施形態を対象としているが、他方、本発明の他のさらなる実施形態をその基本的な範疇から逸脱することなく考え出すことができる。本発明の範囲は以下の特許請求の範囲によって決定される。
【図１】
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【図２】
2011505314.tif 000004
【図３】
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【国際調査報告】
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