(57)【要約】炭化水素の蒸気改質に用いる質量流量計システム（２００）は、炭化水素原料ラインにコリオリ質量流量計を含む。原料炭素含有量は近似によって予測され、それにより、蒸気と炭化水素材料とが水素処理ユニットに供給されるとき、蒸気と炭化水素材料との相対的な量を支配する選択的制御操作が容易になる。蒸気と炭化水素原料との相対的な量は実時間測定に基づいて調節される。
2004533063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素生成システム（２０６）における改質反応を制御するのに使用される質量流量計システム（２００）であって、
炭化水素原料を前記水素生成システムに供給するための炭化水素原料供給源（２０４）と、
蒸気を前記水素生成システムに供給するための蒸気供給源（２１４）と、
前記水素生成システムに供給される前記炭化水素原料の質量流量を測定するための、及び、前記炭化水素原料の質量流量を表す炭化水素流量信号を生成するための第１の流量計（５）と、
前記水素生成システムに供給される前記蒸気の流量を測定するための、及び、前記蒸気の流量を表す蒸気流量信号を生成するための第２の流量計（２１８）と、
前記炭化水素流量信号及び前記蒸気流量信号を受け取るよう動作可能なコントローラ（２１０）であって、前記炭化水素原料の前記質量流量を処理して前記炭化水素原料の予測される炭素含有量を決定するための、及び、前記蒸気の流量と前記炭化水素原料の流量とのうちの少なくとも一方を、前記の予測された炭素含有量と前記水素生成システムに分配された蒸気との比に基づいて制御するためのプログラム命令を有するコントローラと、
を具備する質量流量計システム（２００）。
【請求項２】
前記第１の流量計（５）がコリオリ質量流量計である、請求項１に記載の質量流量計システム（２００）。
【請求項３】
前記第２の流量計（２１８）が質量流量計である、請求項１に記載の質量流量計システム（２００）。
【請求項４】
前記第２の流量計（２１８）がコリオリ質量流量計である、請求項３に記載の質量流量計システム（２００）。
【請求項５】
前記プログラム命令が前記比を調整する命令を含み、前記炭化水素原料が複数の炭化水素留分を含む、請求項１に記載の質量流量計システム（２００）。
【請求項６】
前記プログラム命令が、前記炭化水素原料の測定された物理的パラメータに基づいて相関から前記比を決定する命令を含む、請求項５に記載の質量流量計システム（２００）。
【請求項７】
前記測定された物理的パラメータが密度を含む、請求項６に記載の質量流量計システム（２００）。
【請求項８】
前記第１の流量計（５）が、密度測定を実行することが出来るコリオリ質量流量計であり、該コリオリ質量流量計が前記密度測定値を表す信号を前記コントローラに提供することができる、請求項７に記載の質量流量計システム（２００）。
【請求項９】
前記プログラム命令が、前記比を定数として用いるための命令を含む、請求項５に記載の質量流量計システム（２００）。
【請求項１０】
水素生成システム（２０６）が使用される炭化水素の蒸気改質処理に使用される質量流量計システム（２００）を動作させる方法（３００）であって、
前記水素生成システムに分配される炭化水素原料の質量流量を測定して炭化水素質量流量測定値を提供するステップ（３０２）と、
前記水素生成システムに分配される蒸気の流量を測定して蒸気流量測定値を提供するステップ（３０２）と、
前記炭化水素質量流量測定値を処理して前記炭化水素原料の予測される炭素含有量を決定するステップ（３０４）と、
前記蒸気の前記流量と前記炭化水素原料の前記質量流量とのうちの少なくとも一方を、前記の予測された炭素含有量と前記水素生成システムに分配された蒸気との比に基づいて制御するステップ（３０８）と、
を具備する方法）３００）。
【請求項１１】
炭化水素原料の質量流量を測定する前記ステップが、コリオリ質量流量計を用いて前記炭化水素原料の前記質量流量を測定して前記炭化水素質量流量測定値を取得するステップを含む、請求項１０に記載の方法（３００）。
【請求項１２】
蒸気の流量を測定する前記ステップが、質量流量計を用いて前記蒸気の前記流量を測定するステップを含む、請求項１０に記載の方法（３００）。
【請求項１３】
蒸気の流量を測定する前記ステップが、コリオリ質量流量計を用いて前記蒸気の前記流量を測定するステップを含む、請求項１２に記載の方法（３００）。
【請求項１４】
複数の炭化水素原料に対して前記比を調節するステップを更に含む、請求項１０に記載の方法（３００）。
【請求項１５】
前記蒸気の流量と前記炭化水素原料の前記質量流量とのうちの少なくとも一方を前記の予測された炭素含有量と前記水素生成システムに分配された蒸気との比に基づいて制御するステップ（３０８）が、前記炭化水素原料の測定された物理的パラメータに基づく相関から前記比を決定するステップを含む、請求項１４に記載の方法（３００）。
【請求項１６】
前記測定された物理的パラメータが密度を含む、請求項１５に記載の方法（３００）。
【請求項１７】
炭化水素原料の質量流量を測定する前記ステップが、密度測定を実行することができるコリオリ質量流量計を用いて前記質量流量を測定するステップを含む、請求項１６に記載の方法（３００）であって、更に、前記コリオリ質量流量計からの直接測定によって前記密度を取得するステップを含む方法。
【請求項１８】
制御する前記ステップが、炭化水素原料の質量流量と蒸気の流量との測定と同時に生じる、請求項１０に記載の方法（３００）。
【請求項１９】
制御する前記ステップが進行している期間に、炭化水素原料の質量流量を測定する前記ステップと蒸気の流量を測定する前記ステップとを反復するステップを更に含む、請求項１０に記載の方法（３００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
本発明は、水素ガス生成のための、炭化水素の蒸気改質（ＳＲＨ）方法のプロセス効率を改善するための方法及び装置に関する。特に、当該プロセス改善は、コリオリ流量計を用いてＳＲＨ水素ガス生成における蒸気と炭素との比を制御する。
【０００２】
課題
水素は、例えば、電気機器の冷却剤、宇宙開発のための燃料、商業的に重要な製品（例えばアンモニア、メタノール、オキソアルコール、ハイドロフォーム化ガソリン）の化学的生産等の多くの用途を有する、ますます重要性を増す物資である。水素の需要は、性能が改善されてクリーンな燃料の開発に拍車をかける規制上の要求に起因して、増大している。
【０００３】
商業的な量で水素を生産する主な方法は炭化水素の蒸気改質（ＳＲＨ）である。このプロセスは、典型的には、高温・高圧を含むプロセス条件下で炭化水素ガス又は低オクタン石油留分に対して実施される。改質プロセスが触媒を用いずに行われる場合、それは一般に熱成形として知られている。ＳＲＨは、ニッケル、モリブデン、プラチナ等の触媒が反応を促進するとき最も効率的である。触媒を損なわないためには、低硫黄炭化水素原料が必要である。ＳＲＨは当該分野では周知であり、種々の刊行物、例えば、Ｒ．Ｎ．シュレブ著「シュレブの化学プロセス工業」（マグローヒル社、ｐｐ．１０６−１０９、１９８４年発行）及びＤ．Ｍ．コンシダイン著「化学及びプロセス技術百科事典」（マグローヒル社、ｐｐ．５９２−５９６、１９７４年発行）に記載されており、これらの刊行物はその内容が完全に本明細書に記載されているのと同じ程度に参照として本明細書に援用される。
【０００４】
ＳＲＨ法による水素ガスの生成は、炭化水素原料を蒸気と反応させることを含む。一般に、炭化水素原料は種々の炭化水素を含んでおり、反応化学は各種の炭化水素に対して理想的な化学量論的な式によって進行する。原料に依存して、種々の異なる反応が起こる。最も重要な反応は、一般に、
Ａ．芳香族炭化水素を産するためのシクロヘキサンの脱水素化
Ｂ．芳香族化合物を産するための或る種のパラフィンの脱水素化
Ｃ．直鎖炭素構造から分岐鎖炭素構造への変換、例えばオクタンからイソオクタンへの変換を含む異性化
Ｄ．二酸化炭素と水素を生成するための天然ガスでのメタンの改質
Ｅ．合成天然ガスを精製するためのナフサの改質
に分類することができる。
【０００５】
大量の水素を生成するための好ましい方法は、多くのメタンを含む天然ガス原料を使用することである。この反応は、式１、すなわち
【０００６】
【数１】
2004533063.tif 000003
【０００７】
として示される。ただし、Ｈ２Ｏは蒸気として存在することが好ましい。この種の反応は、炭化水素を二酸化炭素と水素とに理想的には完全に分解するよう、原料の他のガス留分にも同様に作用する。例えば、炭化水素原料にプロパン（Ｃ３Ｈ８）を含む更なる反応は、式２、すなわち
【０００８】
【数２】
2004533063.tif 000004
【０００９】
にしたがって進行する。ただし、Ｈ２Ｏは蒸気として存在することが好ましい。一層一般的には、この種の反応全体は式３、すなわち
【００１０】
【数３】
2004533063.tif 000005
【００１１】
に示すように進行する。
以上の式は軽い炭化水素、特にメタン、ブタン、プロパンや、ナフサのような流体の反応を予言する。重いものは別の反応をする傾向にあり、或るものは上記の式３にしたがって進行し、他のものは異性化のような反応にしたがって進行し、同じく結果として水素を生成する。
【００１２】
上記の式は、原料の成分に依存して、反応を完了するには異なる量の蒸気が必要であるという概念を証明している。例えば、１モルのメタンは式１においては１モルの蒸気を必要とするが、１モルのプロパンは式２において３モルの蒸気を消費する。色々な成分の原料を処理する商業的生産施設においては、こうした相違は、潜在的に重大な材料平衡問題を課すことになる。プロセスは、試薬として酸素を使用し、蒸気の消費が低減される結果となることによって、一層複雑化される。
【００１３】
ＳＲＨ水素生成ユニットにおいては、広範な原料を炭化水素原料として使用できる。天然ガス、メタン、プロパン、ブタン、ナフサのような炭化水素は、単独で又は組み合わされて炭化水素原料として使用される。特定の炭化水素原料の経済的側面及び利用可能性が、異なる炭化水素原料の利用を時期的に支配し得る。
【００１４】
石油精製においては特別の問題が生じる。これは、ＳＲＨ原料の組成が常に変化するからである。水素生成ユニットのための炭化水素原料は精製装置内の幾つかの供給源から送られ得、これらの供給源は異なる炭化水素に寄与する。組み合わされた供給源の炭化水素の１つの特定の例は、精製燃料ガス・システムを含む。組み合わされた流れの形で水素ガス生成ユニットへ送られる異なる炭化水素を追加することにより、多くのプロセス結果が燃料ガス・システムに寄与する。寄与している精製燃料ガス・システムのプロセスの１つが停止し又は出力量が変化したならば、燃料ガス・システムの出力の組成は変化してしまう。原料の組成の変化は、プロセス効率を最適化し環境汚染を最小化するために、ＳＲＨプロセス条件、例えば熱、圧力、流量の変化に対応することを必要とする。
【００１５】
現在問題なのは、水素生成ユニットにおける炭化水素原料の留分組成を正確に測定することである。別の問題は、原料の組成に基づいて蒸気と炭素との比を制御することである。こうした測定及び制御の問題はＳＲＨプロセスの効率を低下させ、一方、それに関連する環境汚染問題を拡大させる。
【００１６】
水素生成ユニットにおいて炭化水素原料を測定するための従来の手法は、容積式流量計によって炭化水素原料を測定することを含む。しかし、組み合わされた原料から生じる反応平衡問題を処理するのに幾分かは有用ではあるが、容積式の計器は測定上の完全な解決策を提供することができない。炭化水素原料の組成が変化し、又は、代わりの炭化水素原料が使用されるときには、水素ガス生成ユニットに寄与する炭素の量は、所与の体積単位内で大幅に変化し得、反応を完了するのに必要な蒸気の量も同様である。例えば、温度及び圧力の同一の条件下では、或る体積のプロパンと反応するのに必要な蒸気の量は、同じ体積のメタンと反応するのに必要な蒸気の量のほぼ３倍である。この問題は、軽いガスが大きい圧縮率補正を有する傾向にある場合、実際のガスの挙動によって悪化される。
【００１７】
炭化水素原料を測定する他の手法は、炭化水素原料の組成をガス・クロマトグラフィで決定することである。しかし、ガス・クロマトグラフィは炭化水素原料の実時間組成データを提供することができない。
【００１８】
Ｊ．Ｅ．スミス等に発行された１９８５年１月１日の米国特許第４４９１０２５号及びＪ．Ｅ．スミスに発行された１９８２年２月１１日の再発行特許第３１４５０号に開示されているように、パイプラインを流れる材料に関して、コリオリ流量計を使用して質量流量その他の情報を測定することは公知である。典型的には、これらの流量計は流量計電子機器部分と流量計センサ部分とを備える。流量計センサは直線状又は曲がった構造の１つ以上の流管を有する。流管の各構造は、単純な曲げ、捩れ、放射方向又は組み合わせ型であり得る１組の固有振動モードを有する。それぞれの流管はこれらの固有モードの１つで共振して振動するよう駆動される。材料で満たされた振動するシステムの固有振動モードは、部分的に、流管と該流管を流れる材料との質量の和によって規定される。材料は、流量計センサの入り口側に接続されたパイプラインから流量計センサに流入する。次いで、材料は流管を通過して、流量計センサから出て流量計センサの出口側に接続されたパイプラインへ向かう。
【００１９】
コリオリ流量計センサを流れる材料がないとき、流管に沿う全部の点は実質的に同じ位相で振動する。材料が流管を流れると、流管に沿う点はコリオリの加速度によって異なる位相を持たされる。流量計センサの入り口側での位相は駆動装置よりも遅れ、流量計センサの出口側での位相は駆動装置よりも進む。
【００２０】
典型的には、コリオリ流量計センサは、流管に沿う異なる点での流管の運動を表す正弦波信号を生成するための２つのピックオフを備える。ピックオフから受信された正弦波信号の位相差が流量計電子機器で計算される。ピックオフ信号間の位相差は、流量計センサを流れる材料の質量流量に比例する。
【００２１】
コリオリ流量測定システムはＳＲＨプロセスで使用するよう適応されたことがない。その理由の１つは、このシステムが、従来の容積式のシステムとは対照的に、根本的に質量を測定するからである。更に、組み合わされた原料の成分組成に寄与し得る質量を、どのようにすれば流量計が測定又は評価することができるかが理解されていなかった。
【００２２】
解決手段
上記の及び他の問題は、ＳＲＨ水素ガス生成ユニットの炭化水素原料を測定するのにコリオリ流量計を用いることができるようにすることによって解決され、当該技術分野の進歩がなされる。後述するように、コリオリ質量流量計の使用は、従来のシステムにおいてよりも、炭化水素原料の精確で多目的的で実時間の測定をもたらす結果となる。また、コリオリ質量流量計の使用は、水素ガス生成における炭素と蒸気との比の制御の度合いを高めることになる。
【００２３】
一般に、本手段にしたがって提供される計量システム及び方法は、コリオリ質量流量計のような質量流量計を使用して、水素生成ユニットに分配される炭化水素原料の質量又は質量流量を測定する。次いで、炭化水素原料の質量流量はＳＲＨ水素生成において蒸気と炭素との比を制御するのに使用される。
【００２４】
質量流量計システムの１つの実施の形態は、炭化水素原料を水素生成システムに供給するための炭化水素原料供給源を備える。蒸気供給源は蒸気を水素生成システムに供給するために使用される。炭化水素の質量流量を測定するため及び炭化水素の質量流量を表す炭化水素質量流量信号を生成するために、質量流量計が炭化水素原料供給源と接続される。蒸気の流量を測定するため及び蒸気の流量を表す蒸気流量信号を生成するために、第２の流量計が蒸気供給源と接続される。コントローラは炭化水素流量信号及び蒸気流量信号を受け取る。コントローラは、水素生成システムに分配される炭化水素原料と蒸気との比を制御するためのプログラム命令を有する。
【００２５】
好ましい実施の形態は、炭化水素供給ラインに使用される質量流量計と蒸気供給ラインに使用されるコリオリ質量流量計を含む第２の流量計とのうちの一方又は両方を備える。これらの手段は、炭化水素原料が炭化水素ガスの混合物を含む又は時間に関して異なる組成を有する炭化水素材料を含む場合に特に有利に使用され得る。システムの全体的精度は炭化水素原料における炭素含有量を決定する相関の使用によって高められる。更に、炭化水素原料の物理的パラメータ、例えば密度、気体比重等を測定して相関を容易にすることによって精度が高められる。
【００２６】
前記のシステムを動作させる方法は、例えば、水素生成ユニットに分配される炭化水素原料の質量流量を測定して炭化水素質量流量測定値を提供すること、水素生成ユニットに分配される蒸気の流量を測定して蒸気流量測定値を提供すること、及び、炭化水素質量流量測定値と蒸気流量測定値とに基づいて、水素生成ユニットに分配される炭化水素原料と蒸気との相対的な量を制御することを含む。測定は炭素と蒸気との比を調節するよう制御動作と同時に行われる。測定するステップは、コントローラがそれぞれの流量の調節を行っている期間に実時間で反復され得る。
【００２７】
本手段にしたがって提供される計量システム及び方法は、計器電子機器、コントローラ又は任意の他の計算デバイスの形態のＣＰＵを備え得る。ＣＰＵは炭化水素質量流量測定値を表す信号に作用して、炭素と蒸気との所望の比にしたがって炭化水素の流量を修正することができる弁その他の装置を制御する。コリオリ質量流量計計量システムは、水素ガス生成ユニットが異なる種類の炭化水素原料を容易に切り換え、又は修正された炭化水素組成の炭化水素原料を受け取るときに特に有利である。
【００２８】
発明の特徴
上記の検討にしたがって、開示される手段は以下の特徴を備える。本発明の１つの特徴は、
水素生成システムにおける改質反応を制御するのに使用される質量流量計システムであって、
炭化水素原料を水素生成システムに供給するための炭化水素原料供給源と、
蒸気を水素生成システムに供給するための蒸気供給源と、
水素生成システムに供給される炭化水素原料の質量流量を測定するための、及び、炭化水素原料の質量流量を表す炭化水素流量信号を生成するための第１の流量計と、
水素生成システムに供給される蒸気の流量を測定するための、及び、蒸気の流量を表す蒸気流量信号を生成するための第２の流量計と、
炭化水素流量信号及び蒸気流量信号を受け取るよう動作可能なコントローラであって、炭化水素原料の質量流量を処理して炭化水素原料の予測される炭素含有量を決定するための、及び、蒸気の流量と炭化水素原料の流量とのうちの少なくとも一方を、予測された炭素含有量と水素生成システムに分配された蒸気との比に基づいて制御するためのプログラム命令を有するコントローラと、
を具備する。
【００２９】
好ましくは、第１の流量計はコリオリ質量流量計である。
好ましくは、第２の流量計はコリオリ質量流量計のような質量流量計である。
好ましくは、プログラム命令は上記比を調節する命令を含み、炭化水素原料は複数の炭化水素留分を含む。
【００３０】
好ましくは、プログラム命令は、炭化水素原料の測定された物理的パラメータに基づいて相関から比を決定する命令を含む。
好ましくは、測定された物理的パラメータは密度を含む。
【００３１】
好ましくは、第１の流量計は、密度測定を実行することができるコリオリ質量流量計であり、該コリオリ質量流量計は密度測定値を表す信号をコントローラに提供するよう動作する。
【００３２】
好ましくは、プログラム命令は、前記比を定数として用いるための命令を含む。
本発明の他の特徴は、
水素生成システムが使用される炭化水素の蒸気改質処理に使用される質量流量計システムを動作させる方法であって、
水素生成システムに分配される炭化水素原料の質量流量を測定して炭化水素質量流量測定値を提供するステップと、
水素生成システムに分配される蒸気の流量を測定して蒸気流量測定値を提供するステップと、
炭化水素質量流量測定値を処理して炭化水素原料の予測される炭素含有量を決定するステップと、
蒸気の流量と炭化水素原料の質量流量とのうちの少なくとも一方を、予測された炭素含有量と水素生成システムに分配された蒸気との比に基づいて制御するステップと、
を具備する方法を含む。
【００３３】
好ましくは、炭化水素原料の質量流量を測定するステップは、コリオリ質量流量計を用いて炭化水素原料の質量流量を測定して炭化水素質量流量測定値を取得するステップを含む。
【００３４】
好ましくは、蒸気の流量を測定するステップは、コリオリ質量流量計等の質量流量計を用いて蒸気の流量を測定するステップを含む。
好ましくは、前記方法は複数の炭化水素原料に対して前記比を調節するステップを更に含む。
【００３５】
好ましくは、蒸気の流量と炭化水素原料の質量流量とのうちの少なくとも一方を、予測された炭素含有量と水素生成システムに分配された蒸気との比に基づいて制御するステップは、炭化水素原料の測定された物理的パラメータに基づく相関から前記比を決定するステップを含む。
【００３６】
好ましくは、測定された物理的パラメータは密度を含む。
好ましくは、炭化水素原料は、密度測定を実行することができるコリオリ質量流量計を用いて前記質量流量を測定するステップを含み、更に、コリオリ質量流量計からの直接測定によって前記密度を取得するステップを含む。
【００３７】
好ましくは、制御するステップは、炭化水素原料の質量流量と蒸気の流量との測定と同時に生じる。
好ましくは、上記方法は、制御するステップが進行している期間に、炭化水素原料の質量流量を測定するステップと蒸気の流量を測定するステップとを反復するステップを更に含む。
【００３８】
本発明の上記の及び他の利点は、図面と関係させて詳細な説明を読むとき一層よく理解される。
詳細な説明
ここで、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について一層詳細に説明する。当業者は理解するように、本発明は多くの異なる形式で実施可能であり、ここで述べられる実施の形態に限定されるものではない。こうした実施の形態は、ここでの開示が充分且つ完全であり当業者に本発明の範囲を充分伝えるために提供される。図面全体を通じて、同じ数字は同様の構成要素を指す。
【００３９】
図１は、コリオリ流量計センサ１０とコリオリ流量計電子機器２０とを備えるコリオリ流量計５を例示的に示している。流量計電子機器２０は、密度、質量流量、体積流量及び合計質量量情報等を経路２６を介して提供するため、経路１００を介して流量計センサ１０に接続される。これらの測定値を提供する商業的に利用可能な多くのコリオリ流量計を例えば、コロラド州ボールダのマイクロモーション社から購入することができる。
【００４０】
流量計センサ１０は一対のフランジ１０１、１０１´、マニホールド１０２及び流管１０３Ａ、１０３Ｂを備える。流管１０３Ａ、１０３Ｂには、駆動装置１０４、ピックオフ・センサ１０５、１０５´及び温度センサ１０７が接続されている。ブレース・バー１０６、１０６´は流管が振動する軸Ｗ、Ｗ´を規定するよう動作する。
【００４１】
測定されているプロセス材料を運ぶパイプライン・システム（図１には示さず）に流量計センサ１０が挿入されると、材料はフランジ１０１を通って流量計センサ１０に入り、マニホールド１０２を通過して流管１０３Ａ、１０３Ｂに入るように向きを変え、流管１０３Ａ、１０３Ｂを通過してマニホールド１０２に戻りフランジ１０１´を通って流量計センサ１０から出る。
【００４２】
流管１０３Ａ、１０３Ｂは、曲げ軸Ｗ−Ｗ、Ｗ´−Ｗ´に関して実質的に同一の質量分布、完成モーメント及び弾性率を持つよう選択され、マニホールド１０２に適切に取り付けられる。流管１０３Ａ−１０３Ｂは、本質的に平行にマニホールドから外へ向かって延びる。
【００４３】
流管１０３Ａ−１０３Ｂは、駆動装置１０４により曲げ軸Ｗ、Ｗ´に関して流量計のいわゆる第１位相ずれ曲げモードで逆方向に駆動される。駆動装置１０４は、流管１０３Ａに取り付けられた磁石と、流管１０３Ｂに取り付けられ流管を振動させるために交流電流が流される対向コイルとのような、多くの周知の装置のうちの任意の１つであってよい。適切な駆動信号がリード線１１０を介して流量計電子機器２０により駆動装置１０４に供給される。
【００４４】
ピックオフ・センサ１０５、１０５´は、流管の振動を測定するため、流管１０３Ａ、１０３Ｂのうちの少なくとも１つに、流管の対向端において固定される。流管１０３Ａ−１０３Ｂが振動すると、ピックオフ・センサ１０５−１０５´は第１のピックオフ信号及び第２のピックオフ信号を生成する。第１のピックオフ信号はリード線１１１を介して、第２のピックオフ信号はリード線１１１´を介して印加される。
【００４５】
温度センサ１０７は流管１０３Ａ、１０３Ｂのうちの少なくとも１つに固定される。温度センサ１０７はシステム温度の式を修正するために流管の温度を測定する。経路１１２は温度信号を温度センサ１０７から流量計電子機器２０へ運ぶ。
【００４６】
流量計電子機器２０はリード線１１１上の第１のピックオフ信号及びリード線１１１´上の第２のピックオフ信号を受信する。流量計電子機器２０は第１のピックオフ信号及び第２のピックオフ信号を処理して、流量計センサ１０を流れる材料の質量流量、密度その他の特性を計算する。この計算された情報は流量計電子機器２０により経路２６を介して利用手段（図１に示さず）に印加される。
【００４７】
前記コリオリ流量計５を使用するための現在好ましい手段にしたがって、水素生成システムでの改質反応を制御する際に使用するための質量流量計システムが図示されている。当該システムは炭化水素原料を水素生成システムに供給するための炭化水素原料供給源を備える。同様に、蒸気供給源が水素生成システムに蒸気を供給するための蒸気供給に使用される。質量流量計は、炭化水素原料が水素生成システムに供給されるときの炭化水素原料の炭化水素質量流量を測定するために炭化水素原料供給源に接続される。質量流量計は炭化水素質量流量を表す炭化水素流量信号を生成するよう動作することができる。別の流量計が蒸気流量を測定するために蒸気供給源に接続され、蒸気流量を表す蒸気流量信号を生成するよう動作することができる。コントローラは炭化水素流量信号と蒸気流量信号とを含むデータを受信するよう動作することができる。プログラム命令は、このデータに作用し、水素生成システムに供給される炭化水素原料と蒸気との比を制御する。
【００４８】
図２は、流量計測システム２００を表す概略図である。コリオリ効果質量流量計５は炭化水素原料供給源２０４を改質器２０６と接続するライン２０２に設置される。コリオリ効果質量流量計５はライン２０２を流れる材料の実時間測定を行って、これら測定値を表す信号を生成する。好ましくは、これらの測定値は質量流量、全質量、温度、圧力及び密度を含むが、これに限定されない。以後使用されるように、用語「質量流量測定値」及び「流量測定値」は、特に別の定義がないならば、実際の流量測定及び流量測定から導き出される任意の測定値又は計算を含むものとする。つまり、例えば、質量流量を密度で割って求められる体積流量や、質量流量を時間に関して積分して求められる全質量も、この定義の範囲内の質量流量である。炭化水素原料供給源２０４は改質器２０６での改質を受ける任意の炭化水素又は炭化水素の組み合わせを含む。好ましくは、改質器２０６は、式（１）〜（４）により示す反応によって水素ガスを生成するよう天然ガス又は改質ラインに作用する従来の水素処理ユニット又はシステムである。また、改質器２０６は水素副産物を生成するよう蒸気改質を利用する接触分解装置、ナフサ利用ガス合成器又は任意の他のシステムであり得る。弁２０８は、ライン２０２の流れを自動システム制御装置２１０によって指示されて調整するためにライン２０２に設置される。
【００４９】
ライン２１２は改質器２０６を、上流側の処理のボイラ蒸気生成物又は混合蒸気生成物を含み得る蒸気供給源２１４に接続する。ライン２１２の弁２１６は自動システム・コントローラ２１０による指示にしたがってライン２１２の流れを調整する。別の流量計２１８はライン２１２での蒸気流量を測定するためにライン２１２に設置される。別の流量計２１８は、好ましくはコリオリ効果質量流量計又は質量渦流量計であるが、蒸気供給源が混合蒸気副産物又は蒸気と水の二相混合ではない体積流量計又は正変位流量計であってもよい。
【００５０】
システム２００はコントローラ２１０の動作を容易にするデータ伝送線を含む。データ伝送線２２０はコントローラ２１０と対応の質量流量計５との間での信号伝送に使用される。データ伝送線２２２はコントローラ２１０と対応の質量流量計２１８との間の信号伝送に使用される。データ伝送線２２４はコントローラ２１０と対応の弁２０８との間の信号伝送に使用され、弁２０８はライン２０２の流量を選択的に制御するためにコントローラ２１０の指示の下で選択的に作動される。データ伝送線２２６はコントローラ２１０と対応の弁２１６との間の信号伝送に使用され、弁２１６はライン２１２の流量を選択的に制御するためにコントローラ２１０の指示の下で選択的に作動される。オプションとして、これらのデータ伝送線は無線システム又は光システムに置き換えてもよい。
【００５１】
一般に、コントローラ２１０はＣＰＵとその関連のメモリ及びデータ記憶装置のような計算デバイスであり得、質量流量計５からの質量流量測定値を適切な炭素対蒸気比へ変換するようプログラムされ得る。また、コントローラ２１０は改質器２０６から到来する蒸気対炭素比を制御するため蒸気及び／又は炭化水素の流量を制御するようプログラムされ得る。この制御は、流量計５、２１８がコントローラ２１０の動作と平行して流量を測定している実時間データで改質器２０６における反応条件をオンデマンドで最適化するよう弁２０８、２１６の両方又は片方を選択的に調整することによって行われる。
【００５２】
改質器２０６の内容物は経路２２８を通って下流側処理機器２３０へ向かう。経路２２８は、例えば、従来の下流側処理機器２３０へ導く複数の材料転送ライン又はパイプを含み、下流側処理機器２３０は例えば、酸化鉄触媒を用いてＣＯ２と追加の水素とを形成するＣＯ変換器である。例えば、気体の流れは既知の手段によって冷却され、洗浄され、分留され又は蓄積され得る。
【００５３】
図２の表示は本発明の好ましい実施の形態を示しており、したがって本発明を限定するものではない。例えば、流量計電子機器２０はコントローラ２１０と一体化されてよく、逆に、コントローラ２１０が流量計電子機器２０と一体であってもよい。また、処理機能はこれらのそれぞれの構成要素間で再配置され得る。ライン２０２、２１２の流れ経路におけるシステム要素、例えば流量計５及び弁２０８は任意の順序で配置され得る。
【００５４】
本発明の特に好ましい特徴は、炭化水素原料源２０４から改質器２０６に入力される炭化水素原料が、変動する又は多くの成分を含む流量計システム２００を使用することである。石油の精製においては、水素生成ユニットのための炭化水素原料は、本質的に均一な組成の１つの組み合わされた流れ又は順次の流れにおいて異なる炭化水素に寄与する、精製所内の若干の供給源から到達する。石油精製所における炭化水素原料の例は精製燃料ガス・システムである。精製燃料ガス・システムは、水素ガス生成ユニットの炭化水素原料に異なる炭化水素を追加する多くのプロセスによって援助される。寄与する精製燃料ガス・システムの１つが停止すると、精製燃料ガス・システムの出力の組成が変化する。コントローラ２１０は、炭化水素原料の炭素含有量が変化するとき、炭素に対する流れの正しい比を計算することができる。システム２００を動作させる方法は、以下に記述するように、この比を計算して適用する種々の方法を含む。
【００５５】
ここで、現在の好ましいプラクティスにしたがって、水素生成システムが使用される炭化水素の蒸気改質処理に用いる質量流量計を動作させる方法を示し且つ説明する。本方法は、炭化水素原料の質量流量を測定して炭化水素質量流量測定値を提供するステップ、蒸気の流量を測定して蒸気流量測定値を提供するステップ、及び、炭化水素質量流量測定値と蒸気流量測定値とに基づいて水素生成ユニットへ送られる炭化水素原料及び蒸気の量を制御するステップとを備える。本方法は、例えば図２に示す形式のシステムを用いて実行される。
【００５６】
上記のように、本動作方法は、コントローラ２１０のようなコントローラを本発明を実施する命令でプログラムすることによって実現され得る。図３は、これらのプログラム命令を表すプロセス３００を示している。ステップ３０２において、コントローラは炭化水素原料供給と蒸気供給との流量測定値を取得する。次に、ステップ３０４において、コントローラは炭素含有量係数を決定する。この炭素含有量係数は、ステップ３０６において炭素含有量係数を炭化水素質量流量測定値に適用することによって炭化水素原料の炭素含有量を近似するのに用いられる。また、ステップ３０６において、炭素含有量の蒸気含有量に対する比が計算される。この比は、プロセス要求に適応するように炭化水素及び／又は蒸気の流量を調節するのに用いられる。こうした種々のステップは以下で詳細に記述される。
【００５７】
炭化水素原料の質量流量を測定するためにコリオリ質量流量計を用いることによって対処される主要な問題は、原料が種々の組成を持つことである。例えば、ＳＲＨ水素生成に用いる共通の炭化水素原料は天然ガスである。典型的には、天然ガスは、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタンを含むアルカンと少量の重い留分との混合物である。アルカン炭化水素は一般式ＣｎＨ２ｎ＋２を持つ。アルカンは一般式に一致するので、天然ガス原料によって寄与される炭素の量は、寄与する気体の割合から独立に、天然ガス原料の質量から大まかに識別することができる。炭素の原子質量はほぼ１２であり、水素の原子質量はほぼ１である。一般式に基づくと、天然ガスの所与の質量のほぼ７５％は炭素であり、例えば、天然ガス１００ｋｇは７５ｋｇの炭素と２５ｋｇの水素へ変換される。つまり、ステップ３０４における炭素含有量係数の決定は、定数例えば０．７５の使用を含み得る。係数０．７５はメタンに対しては正確であり、主にメタンからなる原料の極めて良好な近似である。ここで、メタンの分子量は１６ｇ／モルであり、そのうち１２ｇ／モルが炭素である。一方、エタンに対する留分は０．８０であり、プロパンに対する留分は０．８２、ブタンに対する留分は０．８３である。
【００５８】
図４は、アルカン留分Ｃ１〜Ｃ１０に対して決定された、分子量の関数としての無次元の係数Ｆを表している。図４の値は、Ｆは重い留分に対しては０．８５で近似され、０．７５〜０．８５にわたることを示している。０．８５というＦの値は多くの炭化水素液体に対して充分である。気体に対しては、実際の原料の経験的なサンプリングを用いて、図４に示すのに似た相関が再生され、僅かに一層精確なＦ値が取得される。
【００５９】
式の形では、任意の炭化水素の流れでの炭素の分子数は関係式
【００６０】
【数４】
2004533063.tif 000006
【００６１】
によって近似され得る。ただし、
Ｃは炭素の分子数、
Ｆ（ｔ）は時間の関数として変化する炭素含有量係数、
Ｍｆ（ｔ）は時間の関数として変化する質量流量、
Ｍｃは炭素の分子量、
ｔは時間
である。
【００６２】
質量流量計測技術と対比すると、天然ガス原料の成分気体の割合が変化すると、天然ガス原料によって寄与される炭素の量が体積に対して変化する。ブタンの標準立方メートルはメタンの標準立方メートルよりもかなり多くの炭素を含有する。しかし、上で説明したように、天然ガス原料の成分気体の割合が変わると、天然ガスによって寄与される炭素の量は、天然ガス原料の質量に対して本質的に一定に保たれる。
【００６３】
体積測定の他の問題は、実在気体の振る舞いから生じる。ガスの圧縮率を予測するには、種々の状態方程式、例えばファン・デル・ワールス方程式や実在気体法則を用いる。例えば、実在気体法則は
【００６４】
【数５】
2004533063.tif 000007
【００６５】
で表される。ただし、
Ｐは圧力、
Ｖは体積、
ｎは気体のモル数、
Ｚは気体圧縮率係数、
Ｒは気体法則定数、
Ｔは絶対温度
である。式（５）は組み合わされた流れの平均分子量を
【００６６】
【数６】
2004533063.tif 000008
【００６７】
として計算するよう変形される。ただし、
Ｍｗｆｓは組み合わされた気体の流れの平均分子量、
ρは密度
であり、残りの値は式（５）で定義されている。Ｍｗｆｓのこの値は図４又は同様の相関を入力してＦに対する値を取得するために用いられる。
【００６８】
測定された密度値は、例えば、コリオリ流量計を振動管濃度計として用いることによって取得される。こうして取得された密度測定値は、採用された計器の設計に依存して、低圧の条件では充分な精度を持たないことがある。そこで、例えば、気体密度測定値を提供することができるガンマ線濃度計や他の計器などの追加の手段又は経験的な相関によって、補足的な密度測定をライン２０２（図２参照）において取得する。
【００６９】
Ｚに対する値は、この目的のための従来からの経験的な相関を用いて計算されることが好ましい。従来からの経験的な相関の出版例としては、ブラウンその他著「天然ガソリン及び揮発性炭化水素」米国天然ガス協会（１９４８）又はウィチャート及びアジズ著「酸性天然ガスの圧縮率補正」Ｃｄｎ．Ｊ．Ｃｈｅｍ  Ｅｎｇ．（１９７２）ｐ．４９、２６９−７５があり、擬似低減された（pseudoreduced）温度及び圧力をＺに対する値に関係付ける。Ｚの値の時間変化は、多くのプロセス条件及び原料の範囲にわたって無視し得ると言える。
【００７０】
また、ナフサはＳＲＨ水素生成において共通に用いられる炭化水素原料である。典型的には、ナフサはアルカン炭化水素と非アルカン炭化水素との混合物である。非アルカン炭化水素はアルケンとアルキンとを含む。これらの炭化水素における二重結合及び三重結合の存在は、係数Ｆの値の上昇にあまり影響しない。例えば、単一の二重結合を有する純粋なアルケンのＦの値は０．８６であるが、同じ長さのアルキンのＦの値は０．９６である。ナフサ原料に関連するアルカン及び非アルカンの割合の変動性を知ることで、原料によって寄与される炭素の量を容易に予測することができる。
【００７１】
ステップ３０４においてＦの値を計算する他の方法は、測定されたプロセス条件又は下流側処理動作２３０（図２参照）と、質量流量計５及び２１８からの流量測定情報と、材料転送ライン２２８より上流側の任意の流量要素におけるプロセス温度及び圧力を含む他の測定値とを入力することによって、ニューラル・ネットワークその他の適応性モデルを訓練することである。ニューラル・ネットワークは、コントローラ２１０によって支配される流量の必要な組み合わせに到達するように所望の下流側プロセス条件が入力として提供される予測モデルを生成するために反転され得る。
【００７２】
炭化水素原料によって寄与される炭化水素の量が分かると、それに対応する蒸気の量が決定される。これはステップ３０６の最終部分である。蒸気の量は、炭素の各モル毎に蒸気の形の１モルの水を必要とする式（１）〜（３）の類推によって決定される。炭素のモル数は例えば式（４）を用いて計算される。蒸気のモル数は、同様に、流量計２１８からの質量流量測定値をＭｆに代入し、水の分子量をＭｗに代入することによって計算される。すなわち、
【００７３】
【数７】
2004533063.tif 000009
【００７４】
が成り立つ。ただし、
ｎＷは水又は蒸気のモル数、
Ｆｗ（ｔ）は蒸気である蒸気供給源２１４の割合（通常は１００％であるが時間とともに変動する）、
Ｍｆｗ（ｔ）は時間とともに変動する、蒸気供給源の質量流量、
Ｍｗは水の分子量、
ｔは時間
である。
【００７５】
実際、炭素と蒸気との比は、ステップ３０８において、理想的な反応からの変位及び関係するＳＲＨプロセスでの従来からの経験を考慮するようカスタマイズされる。例えば、化学量論的な過剰な蒸気は、式（１）〜（３）による水素生成を実質的な完成へ向かわせるために好まれる。他のプロセスにおいては、酸素が追加され得る。これらの事態は、モル蒸気と炭素含有量との間における１：１の等価性の仮定に対する対応の調整を必要とする。
【００７６】
式（４）及び（７）として示される関係において、Ｆ及びＦｗは時間とともに変化しないと仮定され得る。この場合、被積分関数は、時間に関する累算された質量と種々の定数との積に依存する。例えば、コリオリ流量計の流量計電子機器２０は、これらの合計を累算することができることがあり、これは本書で用いられる広義の「質量流量計」の定義に入る。これらの合計は質量流量測定値から導き出されるからである。また、こうした仮定の下では、比は積分の必要なく
【００７７】
【数８】
2004533063.tif 000010
【００７８】
として計算され得る。ただし、
ｄｎＣ／ｄｎＷは平均期間又は時間ｔ１での炭素対蒸気のモル流量、
Ｆ（ｔ１）は平均期間又は時間ｔ１において一定の炭素含有量、
Ｆｗ（ｔ１）は平均期間又は時間ｔ１において一定である蒸気の蒸気供給源２１４の割合（通常は１００％）
であり、測定値Ｍｆ（ｔ１）、Ｍｆｗ（ｔ１）はそれぞれ炭化水素質量流量Ｍｆ（ｔ１）及び蒸気質量流量Ｍｆｗ（ｔ１）に対して同時に決定され、残りの項は式（４）及び（７）に関して上で定義される。
【００７９】
自動化されたシステム・コントローラ２１０は前記の原理及び式を適用して弁２０８、２１６の制御によるステップ３０８での比を調節し、炭化水素供給及び蒸気供給の新たな流量に到達する。
【００８０】
炭素と蒸気の相対的な量の選択的調節だけでは、ＳＲＨプロセス全体の要求に合致しない。炭素及び蒸気の相対的な量は、改質器２０６が優先順位において設計パラメータ内で動作し、ライン２０２の上流側のプロセス動作の隘路とならず、ライン２０２での使用のために利用可能な材料の供給制限を越えず、下流側処理動作２３０の要求に合致するように、改質器２０６（図２）を通る充分な流れを維持しながら相対的な割合で調整されて所望の比を確立することが好ましい。つまり、コントローラ２１０は、流量と上流側及び下流側のプロセス条件を含む全システム２００のプロセス条件とを調節するよう構成されることが好ましい。
【００８１】
当業者は理解するように、上記の好ましい実施の形態は、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく明白な修正を受け得るものである。したがって、発明者は本発明の全権利を保護するため均等論に依存することをここに言明する。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】コリオリ流量計センサ及び電子機器を示す図である。
【図２】炭化水素原料を用いる水素生成システムで炭素と蒸気との比を制御する、コリオリ流量計を使用する好ましい実施の形態を提供するコリオリ流量計システムを示す図である。
【図３】図２に示すシステムの動作を支配するコントローラで用いるプロセス制御命令の概略図である。
【図４】炭素含有量係数を炭化水素原料の分子量に関係付ける相関を提供する図である。
【図１】
2004533063.tif 000011
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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2004533063.tif 000018
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2004533063.tif 000038
2004533063.tif 000039
2004533063.tif 000040
2004533063.tif 000041
【国際調査報告】
2004533063.tif 000042
2004533063.tif 000043
2004533063.tif 000044