JP2002167216A - アンモニア合成用反応器 - Google Patents
アンモニア合成用反応器Info
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/50—Improvements relating to the production of bulk chemicals
- Y02P20/52—Improvements relating to the production of bulk chemicals using catalysts, e.g. selective catalysts
Landscapes
- Devices And Processes Conducted In The Presence Of Fluids And Solid Particles (AREA)
- Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 構造を簡単にすることにより、製作が容
易であり、かつ複雑な温度制御を行わずに反応器の温度
を一定に保持して、安定したアンモニア合成反応を可能
にするアンモニア合成反応器を提供する。 【解決手段】 上記課題は、水素と窒素を原料としてア
ンモニアを合成する反応器であって、その内部がアンモ
ニア合成空間と冷却空間に分けられており、該アンモニ
ア合成空間は、伝熱材料で形成され内部にはアンモニア
合成触媒が充填されている複数の反応管よりなり、かつ
アンモニア合成原料ガス入口と生成ガス出口を有し、該
冷却空間は該反応管の外側に位置していて水の入口と出
口を有していることを特徴とするアンモニア合成用反応
器によって解決される。
易であり、かつ複雑な温度制御を行わずに反応器の温度
を一定に保持して、安定したアンモニア合成反応を可能
にするアンモニア合成反応器を提供する。 【解決手段】 上記課題は、水素と窒素を原料としてア
ンモニアを合成する反応器であって、その内部がアンモ
ニア合成空間と冷却空間に分けられており、該アンモニ
ア合成空間は、伝熱材料で形成され内部にはアンモニア
合成触媒が充填されている複数の反応管よりなり、かつ
アンモニア合成原料ガス入口と生成ガス出口を有し、該
冷却空間は該反応管の外側に位置していて水の入口と出
口を有していることを特徴とするアンモニア合成用反応
器によって解決される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は水素と窒素からア
ンモニアを合成する反応器に関する。
ンモニアを合成する反応器に関する。
【０００２】
【従来の技術】水素と窒素からアンモニアを合成する反
応は大きな発熱を伴う。また、温度、圧力などに依存す
る反応平衡が存在する。このため、アンモニア合成にお
いては効果的に反応熱を除去しないと反応器内部のガス
の温度が上昇し、目的とする反応率が得られない。この
対策として、従来は、反応部分を分割し、前半の反応
器を出たガスを中間で冷却して後に後半の反応器に通じ
させて残りの反応を行わせるようにする方法、反応器
に充填した触媒層の内部に冷却用のパイプを装備して反
応器内部のガスを冷却する方法、反応部分を複数に分
割し、反応部分と次の反応部分の中間に未反応の、温度
の低いガスを供給して温度を下げるなどの方法をとって
いる。
応は大きな発熱を伴う。また、温度、圧力などに依存す
る反応平衡が存在する。このため、アンモニア合成にお
いては効果的に反応熱を除去しないと反応器内部のガス
の温度が上昇し、目的とする反応率が得られない。この
対策として、従来は、反応部分を分割し、前半の反応
器を出たガスを中間で冷却して後に後半の反応器に通じ
させて残りの反応を行わせるようにする方法、反応器
に充填した触媒層の内部に冷却用のパイプを装備して反
応器内部のガスを冷却する方法、反応部分を複数に分
割し、反応部分と次の反応部分の中間に未反応の、温度
の低いガスを供給して温度を下げるなどの方法をとって
いる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】これらの方法の場合、
それぞれ、反応器の構造が複数になり、また、所定の反
応率を得るために反応温度を制御することが必要にな
る。
それぞれ、反応器の構造が複数になり、また、所定の反
応率を得るために反応温度を制御することが必要にな
る。
【０００４】本発明の目的は、構造を簡単にすることに
より、製作が容易であり、かつ複雑な温度制御を行わず
に反応器の温度を一定に保持して、安定したアンモニア
合成反応を可能にするアンモニア合成反応器を提供する
ことにある。
より、製作が容易であり、かつ複雑な温度制御を行わず
に反応器の温度を一定に保持して、安定したアンモニア
合成反応を可能にするアンモニア合成反応器を提供する
ことにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するべくなされたものであり、水素と窒素を原料として
アンモニアを合成する反応器であって、その内部がアン
モニア合成空間と冷却空間に分けられており、該アンモ
ニア合成空間は、伝熱材料で形成され内部にはアンモニ
ア合成触媒が充填されている複数の反応管よりなり、か
つアンモニア合成原料ガス入口と生成ガス出口を有し、
該冷却空間は該反応管の外側に位置していて水の入口と
出口を有していることを特徴とするアンモニア合成用反
応器と、水の入口と出口がスチームドラムに接続されて
循環ラインが形成され、該スチームドラムには圧力調整
機構が設けられている上記のアンモニア合成用反応器に
よってかかる目的を達成したものである。
するべくなされたものであり、水素と窒素を原料として
アンモニアを合成する反応器であって、その内部がアン
モニア合成空間と冷却空間に分けられており、該アンモ
ニア合成空間は、伝熱材料で形成され内部にはアンモニ
ア合成触媒が充填されている複数の反応管よりなり、か
つアンモニア合成原料ガス入口と生成ガス出口を有し、
該冷却空間は該反応管の外側に位置していて水の入口と
出口を有していることを特徴とするアンモニア合成用反
応器と、水の入口と出口がスチームドラムに接続されて
循環ラインが形成され、該スチームドラムには圧力調整
機構が設けられている上記のアンモニア合成用反応器に
よってかかる目的を達成したものである。
【０００６】この反応器は、内部に触媒を充填し、原料
ガスを通じる反応管を複数、平行させて配置し、その反
応管の外部に熱水を通じて反応器内部のガスとの間で熱
交換を行わせ、蒸気を発生させるようにしたものであ
り、この（複数の）反応管の内部にアンモニア合成ガス
を分散させて流すための部屋と、反応管の内部を流れた
後のガスを集合させるための部屋をもち、また、反応管
の外部にボイラー水を流すようにした構造のボイラーと
一体としたアンモニア合成用反応器。発生したスチーム
を外部にとりだすスチームドラムの圧力を制御する（と
いう）単純な制御によってボイラー水の温度を一定に保
持し、これによって反応の温度を安定化させている。
ガスを通じる反応管を複数、平行させて配置し、その反
応管の外部に熱水を通じて反応器内部のガスとの間で熱
交換を行わせ、蒸気を発生させるようにしたものであ
り、この（複数の）反応管の内部にアンモニア合成ガス
を分散させて流すための部屋と、反応管の内部を流れた
後のガスを集合させるための部屋をもち、また、反応管
の外部にボイラー水を流すようにした構造のボイラーと
一体としたアンモニア合成用反応器。発生したスチーム
を外部にとりだすスチームドラムの圧力を制御する（と
いう）単純な制御によってボイラー水の温度を一定に保
持し、これによって反応の温度を安定化させている。
【０００７】従って、この反応器は次のような特徴を有
する。 反応器の構造はいわゆる多管式の熱交換器のような
構造であり、単純であり、構造的には多数製作された実
績がある形式で低コストで製作できる。 パイプの内部に触媒を充填する形式なので、パイプ
の径、長さ、あるいは本数を増減することにより、大規
模なものから小規模なものまで広い範囲の規模の設備が
同じ構造で設計できる。 チームドラムの圧力を単純な圧力制御することによ
り、ボイラー水の温度が安定的に制御されるので反応管
の外部温度を一定にすることができ、反応が安定する。
する。 反応器の構造はいわゆる多管式の熱交換器のような
構造であり、単純であり、構造的には多数製作された実
績がある形式で低コストで製作できる。 パイプの内部に触媒を充填する形式なので、パイプ
の径、長さ、あるいは本数を増減することにより、大規
模なものから小規模なものまで広い範囲の規模の設備が
同じ構造で設計できる。 チームドラムの圧力を単純な圧力制御することによ
り、ボイラー水の温度が安定的に制御されるので反応管
の外部温度を一定にすることができ、反応が安定する。
【０００８】
【発明の実施の形態】アンモニア合成空間は内部にアン
モニア合成触媒が充填されている複数の反応管よりな
る。この反応管は伝熱材料、例えばＳＵＳ３０４などの
ステンレス鋼等によりなる。本発明のように反応管の外
部に熱伝達の良いボイラー水を流すことによって運転中
においても反応管の温度を低くすることができるので耐
熱度の低い材料、例えばＳＴＢなどの炭素鋼等を使用し
製作費の低減を計ることができる。反応管の径は小さい
ほうが熱伝達に有利であるが、所定の反応を進行させる
ために必要な触媒の量を（反応管内部に）充填するので
反応管の本数が多く必要となり、反対に反応管の径を大
きくすると、その数は少なくなるが熱伝達は悪くなる。
この点から反応管の大きさは外径が約１５ｍｍから１０
０ｍｍ程度、好ましくは１９〜５０ｍｍ程度のものが適
当である。
モニア合成触媒が充填されている複数の反応管よりな
る。この反応管は伝熱材料、例えばＳＵＳ３０４などの
ステンレス鋼等によりなる。本発明のように反応管の外
部に熱伝達の良いボイラー水を流すことによって運転中
においても反応管の温度を低くすることができるので耐
熱度の低い材料、例えばＳＴＢなどの炭素鋼等を使用し
製作費の低減を計ることができる。反応管の径は小さい
ほうが熱伝達に有利であるが、所定の反応を進行させる
ために必要な触媒の量を（反応管内部に）充填するので
反応管の本数が多く必要となり、反対に反応管の径を大
きくすると、その数は少なくなるが熱伝達は悪くなる。
この点から反応管の大きさは外径が約１５ｍｍから１０
０ｍｍ程度、好ましくは１９〜５０ｍｍ程度のものが適
当である。
【０００９】反応管に充填される触媒は、例えばアルミ
ナに鉄を活性成分として担持させた粒状の触媒、あるい
は活性炭にルテニウムなどの活性成分を担持させた触媒
などであり、粒径は１〜１０ｍｍ程度、好ましくは２〜
４ｍｍ程度のものが望ましい。
ナに鉄を活性成分として担持させた粒状の触媒、あるい
は活性炭にルテニウムなどの活性成分を担持させた触媒
などであり、粒径は１〜１０ｍｍ程度、好ましくは２〜
４ｍｍ程度のものが望ましい。
【００１０】反応管の両端の開口は触媒粒子が離脱しな
いよう流通可能な状態で閉止する。この閉止部材には金
網、グリッド、パンチングプレート等を使用し、触媒交
換等のため着脱可能としておくのがよい。
いよう流通可能な状態で閉止する。この閉止部材には金
網、グリッド、パンチングプレート等を使用し、触媒交
換等のため着脱可能としておくのがよい。
【００１１】反応管の両端はその固定具で固定するとと
もに、冷却空間を流れる水が反応管に入り込まないよう
仕切部材で仕切っておく。この仕切部材には板を用いて
固定具を兼用させることができる。典型的な仕切部材
は、多管式の熱交換器における管板がこれに相当する。
もに、冷却空間を流れる水が反応管に入り込まないよう
仕切部材で仕切っておく。この仕切部材には板を用いて
固定具を兼用させることができる。典型的な仕切部材
は、多管式の熱交換器における管板がこれに相当する。
【００１２】アンモニア合成空間は前記仕切部材で仕切
られることによって両端にそれぞれ１つの室が形成され
る。その一方はアンモニア合成原料ガス入口として、原
料ガス供給管が接続され、他方は生成ガス出口として生
成ガス排出管が接続される。これらの室は原料ガスを各
反応管に供給し、また生成ガスを各反応管から集めるマ
ニホールドとしての機能を発揮している。
られることによって両端にそれぞれ１つの室が形成され
る。その一方はアンモニア合成原料ガス入口として、原
料ガス供給管が接続され、他方は生成ガス出口として生
成ガス排出管が接続される。これらの室は原料ガスを各
反応管に供給し、また生成ガスを各反応管から集めるマ
ニホールドとしての機能を発揮している。
【００１３】冷却空間には水を流してアンモニア合成で
発生した熱を吸収させ、反応管内の温度を反応に適した
温度に保つ。
発生した熱を吸収させ、反応管内の温度を反応に適した
温度に保つ。
【００１４】この冷却空間に流す水はボイラー水が適当
であり、それによってアンモニア合成の反応熱でスチー
ムをつくることができ、また、ボイラー内の圧力を調整
することによって、冷却空間を流れる水の温度、従って
反応管内の温度を調整することができる。
であり、それによってアンモニア合成の反応熱でスチー
ムをつくることができ、また、ボイラー内の圧力を調整
することによって、冷却空間を流れる水の温度、従って
反応管内の温度を調整することができる。
【００１５】そのために、冷却空間を出た熱水を入れて
スチームを分離するスチームドラムを設け、このスチー
ムドラムに冷却空間の水の入口及び出口をつないで水の
循環ラインを形成する。水の入口と出口の配管は水の流
れと反応管内のガスの流れが向流になることが好まし
い。水の循環は自然対流で行わせればよいが、必要によ
りポンプを付設することができる。スチームドラムある
いは循環ライン等にボイラー水の給水ラインを接続す
る。冷却空間の圧力調製機構は、圧力調整弁等を利用す
ることができる。
スチームを分離するスチームドラムを設け、このスチー
ムドラムに冷却空間の水の入口及び出口をつないで水の
循環ラインを形成する。水の入口と出口の配管は水の流
れと反応管内のガスの流れが向流になることが好まし
い。水の循環は自然対流で行わせればよいが、必要によ
りポンプを付設することができる。スチームドラムある
いは循環ライン等にボイラー水の給水ラインを接続す
る。冷却空間の圧力調製機構は、圧力調整弁等を利用す
ることができる。
【００１６】本発明の反応器で使用される原料ガスは、
水素と窒素の混合比がモル比で４：１〜１：３程度であ
り、反応温度は２００〜５００℃程度、通常３００〜４
００℃程度である。これを圧力調節にするためには、冷
却空間の圧力を０．５〜３．６ＭＰａ程度、通常０．８
〜１．５ＭＰａ程度にする。
水素と窒素の混合比がモル比で４：１〜１：３程度であ
り、反応温度は２００〜５００℃程度、通常３００〜４
００℃程度である。これを圧力調節にするためには、冷
却空間の圧力を０．５〜３．６ＭＰａ程度、通常０．８
〜１．５ＭＰａ程度にする。
【００１７】
【実施例】本発明の一実施例であるアンモニア合成用反
応器の構造を図１に示す。この反応器１は全体が円筒形
をしており、その内部には炭素鋼製の複数の反応管１１
が両端を管板１２で固定されて設けられている。両管板
１２は各反応管１１の開口を除いて閉止しており、反応
器内の両端の室１４，１５と中央の熱媒室１６との間の
流体の移動ができないようにしている。各反応管１１内
にはアンモニア合成触媒１３として平均粒径１．１ｍｍ
のルテニウム触媒が充填され、両端にはステンレス金網
を取着して触媒粒子の離脱を阻止している。反応器の上
面には原料ガス供給管１７が、底面には生成ガス排出管
１８がそれぞれ接続されている。冷却空間１６の下部に
はボイラー水入口１９が、上部には出口２０がそれぞれ
設けられている。
応器の構造を図１に示す。この反応器１は全体が円筒形
をしており、その内部には炭素鋼製の複数の反応管１１
が両端を管板１２で固定されて設けられている。両管板
１２は各反応管１１の開口を除いて閉止しており、反応
器内の両端の室１４，１５と中央の熱媒室１６との間の
流体の移動ができないようにしている。各反応管１１内
にはアンモニア合成触媒１３として平均粒径１．１ｍｍ
のルテニウム触媒が充填され、両端にはステンレス金網
を取着して触媒粒子の離脱を阻止している。反応器の上
面には原料ガス供給管１７が、底面には生成ガス排出管
１８がそれぞれ接続されている。冷却空間１６の下部に
はボイラー水入口１９が、上部には出口２０がそれぞれ
設けられている。
【００１８】この反応器１において、アンモニア合成の
原料ガスは原料ガス供給管１７を通って反応器１に入
り、入口室１４で分散し反応管１１に流れる。反応管１
１の内部でアンモニアを生成して反応管１１を出る。生
成したアンモニアを含むガスは出口室１５で集合し、出
口から生成ガス排出管１８を通って反応器１を出る。反
応管１１の外側にはボイラー水が流れる。反応管１１の
内部でアンモニアを生成すると同時に発生する熱は反応
管１１の外側を流れるボイラー水によって除去される。
ボイラー水はこの熱を得て、反応器１を出る。
原料ガスは原料ガス供給管１７を通って反応器１に入
り、入口室１４で分散し反応管１１に流れる。反応管１
１の内部でアンモニアを生成して反応管１１を出る。生
成したアンモニアを含むガスは出口室１５で集合し、出
口から生成ガス排出管１８を通って反応器１を出る。反
応管１１の外側にはボイラー水が流れる。反応管１１の
内部でアンモニアを生成すると同時に発生する熱は反応
管１１の外側を流れるボイラー水によって除去される。
ボイラー水はこの熱を得て、反応器１を出る。
【００１９】この反応器１は、図２に示すように、スチ
ームドラム２と組み合わせて使用される。このスチーム
ドラム２には前記の反応器１のボイラー水入口１９と出
口２０が接続されてボイラー水の循環ラインが形成さ
れ、さらに、新たなボイラー水を補給するボイラー給水
管２１とスチームドラム２内で分離されたスチームの取
出管２２が接続されている。
ームドラム２と組み合わせて使用される。このスチーム
ドラム２には前記の反応器１のボイラー水入口１９と出
口２０が接続されてボイラー水の循環ラインが形成さ
れ、さらに、新たなボイラー水を補給するボイラー給水
管２１とスチームドラム２内で分離されたスチームの取
出管２２が接続されている。
【００２０】アンモニア生成により発生した熱を得たボ
イラー水は熱水とスチームの混合物となり、スチームド
ラム２に入り、この内部で熱水とスーチムとが分離され
る。スチームはドラムよりスチーム取出管を通って系外
へ排出され、熱水は循環ラインのダウンカマーを通って
反応器１に戻される。発生スチームの量に相当するボイ
ラー給水がボイラー給水管２１よりスチームドラム２に
補給される。
イラー水は熱水とスチームの混合物となり、スチームド
ラム２に入り、この内部で熱水とスーチムとが分離され
る。スチームはドラムよりスチーム取出管を通って系外
へ排出され、熱水は循環ラインのダウンカマーを通って
反応器１に戻される。発生スチームの量に相当するボイ
ラー給水がボイラー給水管２１よりスチームドラム２に
補給される。
【００２１】スチームドラムの圧力を自動制御すること
によってボイラー水の温度はスチームドラムの圧力と平
衡する温度である飽和温度に保たれる。また、反応管の
外部の温度はボイラー水の温度が一定に保たれることに
より安定する。例えば、スチームドラムの圧力を１．４
ＭＰａに設定すれば温度は１９５℃に保たれる。
によってボイラー水の温度はスチームドラムの圧力と平
衡する温度である飽和温度に保たれる。また、反応管の
外部の温度はボイラー水の温度が一定に保たれることに
より安定する。例えば、スチームドラムの圧力を１．４
ＭＰａに設定すれば温度は１９５℃に保たれる。
【００２２】
【発明の効果】本発明により、簡単な構造のアンニモア
合成用反応器で効率よくアンモニアを合成することがで
きる。本発明では反応ガスを冷却するのに水（ボイラー
水）を用いているが、これにより従来のアンモニア合成
における反応熱の除去のように気体（ガス）を冷却用の
媒体とするよりも格段に熱伝達率がよい。
合成用反応器で効率よくアンモニアを合成することがで
きる。本発明では反応ガスを冷却するのに水（ボイラー
水）を用いているが、これにより従来のアンモニア合成
における反応熱の除去のように気体（ガス）を冷却用の
媒体とするよりも格段に熱伝達率がよい。
【図１】 本発明の一実施例である反応器の構造を示す
縦断面図である。
縦断面図である。
【図２】 上記の反応器にスチームドラムを付設して温
度コントロールさせるようにした装置の構成を示す図で
ある。
度コントロールさせるようにした装置の構成を示す図で
ある。
【符号の説明】 １…反応器 ２…スチームドラム １１…反応管 １２…管板 １３…触媒 １４…入口室 １５…出口室 １６…冷却空間 １７…原料ガス供給管 １８…生成ガス排出管 １９…ボイラー水入口 ２０…ボイラー水出口 ２１…ボイラー給水管 ２２…スチーム取出管
Claims (2)
- 【請求項１】 水素と窒素を原料としてアンモニアを合
成する反応器であって、その内部がアンモニア合成空間
と冷却空間に分けられており、該アンモニア合成空間
は、伝熱材料で形成され内部にはアンモニア合成触媒が
充填されている複数の反応管よりなり、かつアンモニア
合成原料ガス入口と生成ガス出口を有し、該冷却空間は
該反応管の外側に位置していて水の入口と出口を有して
いることを特徴とするアンモニア合成用反応器 - 【請求項２】 水の入口と出口がスチームドラムに接続
されて循環ラインが形成され、該スチームドラムには圧
力調整機構が設けられている請求項１記載のアンモニア
合成用反応器
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000244297A JP2002167216A (ja) | 2000-08-11 | 2000-08-11 | アンモニア合成用反応器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000244297A JP2002167216A (ja) | 2000-08-11 | 2000-08-11 | アンモニア合成用反応器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002167216A true JP2002167216A (ja) | 2002-06-11 |
Family
ID=18735005
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000244297A Pending JP2002167216A (ja) | 2000-08-11 | 2000-08-11 | アンモニア合成用反応器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002167216A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109850918A (zh) * | 2018-12-17 | 2019-06-07 | 福州大学化肥催化剂国家工程研究中心 | 一种合成氨反应器及工艺 |
| CN114471386A (zh) * | 2022-04-01 | 2022-05-13 | 西南化工研究设计院有限公司 | 一种氨解反应器及酰胺制备方法 |
-
2000
- 2000-08-11 JP JP2000244297A patent/JP2002167216A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109850918A (zh) * | 2018-12-17 | 2019-06-07 | 福州大学化肥催化剂国家工程研究中心 | 一种合成氨反应器及工艺 |
| CN114471386A (zh) * | 2022-04-01 | 2022-05-13 | 西南化工研究设计院有限公司 | 一种氨解反应器及酰胺制备方法 |
| CN114471386B (zh) * | 2022-04-01 | 2023-04-25 | 西南化工研究设计院有限公司 | 一种氨解反应器及酰胺制备方法 |
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