JP2016185918A

JP2016185918A - アンモニウムカーバメート含有流体の冷却方法

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Publication number: JP2016185918A
Application number: JP2015066500A
Authority: JP
Inventors: 啓史佐藤; Hiroshi Sato; 憲司吉本; Kenji Yoshimoto; 周平中村; Shuhei Nakamura; 坂田　英二; Eiji Sakata; 英二坂田
Original assignee: Toyo Engineering Corp
Current assignee: Toyo Engineering Corp
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2016-10-27
Anticipated expiration: 2035-03-27
Also published as: JP6450622B2

Abstract

【課題】アンモニウムカーバメート含有流体を冷却する際に固結性成分の析出を防止するとともに運転条件の変化に好適に追従可能とする。【解決手段】前記流体を冷媒との熱交換によって冷却する熱交換器と、冷媒を冷却水との熱交換によって冷却する冷媒冷却器と、熱交換器から排出される冷媒を冷媒冷却器を経由して熱交換器に導入する循環ラインと、循環ラインから分岐し冷媒冷却器をバイパスして循環ラインに合流するバイパスラインとを含む装置を用いて、前記流体を冷媒によって冷却するとともに冷媒を冷却水によって冷却する工程；冷媒冷却器を流れる冷媒の流量を操作して、前記流体の温度を前記流体から固体が析出する温度より高い温度に制御する工程；および、バイパスラインを流れる冷媒の流量を操作して、熱交換器を流れる冷媒の流量を一定値に制御する工程を含む、前記流体の冷却方法。この方法を行う装置。【選択図】図１

Description

本発明は、固結性物質であるアンモニウムカーバメートを含有する流体の冷却方法および装置に関する。

尿素製造プラントでは、合成系から排出された尿素合成液は、例えば次のように処理される（非特許文献１参照）。すなわち、合成系から排出された尿素、アンモニア、ＣＯ_２を含む尿素合成液は中圧分解塔に送られ、この時ＣＯ_２はアンモニウムカーバメートとして液中に存在するため、中圧分解塔において約１６気圧でアンモニウムカーバメートがアンモニアとＣＯ_２に分解される。中圧分解塔から排出されるガス状のアンモニアとＣＯ_２は中圧吸収器へ送られ、中圧吸収器において凝縮し、アンモニアとＣＯ_２が反応してアンモニウムカーバメートが生成され、その反応熱が除去される。すなわち、中圧吸収器の内部にはアンモニウムカーバメート含有流体が存在する。中圧吸収器では吸収操作と同時に冷却操作を行うので、中圧吸収器はシェル＆チューブ型の熱交換器を有しており、シェル側を流れるプロセス流体を、チューブ側を流れる冷却水によって冷却する。

国立科学博物館技術の系統化調査報告第１２集、独立行政法人国立科学博物館産業技術史試料情報センター、２００８年３月２８日、２３７〜２３８ページ

中圧吸収器のプロセス流体はアンモニウムカーバメートを含み、アンモニウムカーバメートは固結しやすい物質である。一方、尿素製造プラントにユーティリティとして存在する冷却水は、通常２５〜４５℃程度の低温である。したがって、中圧吸収器において冷却水を用いて尿素合成液を冷却すると、プロセス流体に含まれるアンモニウムカーバメートが、表面温度の低いチューブ表面に結晶として析出し、中圧吸収器に備わる熱交換器の冷却能力を阻害する可能性がある。

このような固結現象を回避するために、中圧吸収器において、冷却水とは別の流体を使って、チューブの表面温度がアンモニウムカーバメートの固結温度より高くなるような運転条件で間接的に冷却を行う、という対策が考えられる。この場合、図２に示すように、冷媒を循環させ、中圧吸収器１０において、冷媒によってプロセス流体を冷却し、冷媒冷却器２０において、その冷媒を冷却水（図においてＣＷは冷却水を表す）によって冷却することができる。このとき、プロセス流体の温度をアンモニウムカーバメートの固結温度以上の温度に制御するために、プロセス流体のＴＩＣコントロール（検知した温度と目標温度とに基づいて温度制御弁の開度を調節するコントロールユニットが接続された流量調節弁ＣＶ１を含む制御系）によって、冷媒の循環流量を操作することができる。

ところで、中圧吸収器の熱交換器の伝熱面積は、尿素製造プラントの様々な運転条件（スタートアップ運転や定格運転など）を考慮し、その最大負荷を想定して設計され、したがって、運転条件によっては伝熱面積が過剰な設計となる場合がある。そのため、運転条件に応じて、プロセス流体の温度が低くなりすぎないように、冷媒の循環流量を減少させることがある。しかし、冷媒の循環流量を減少させると、冷媒冷却器２０において冷媒が冷却水との熱交換によって過剰に冷却され、すなわち冷媒冷却器出口の冷媒温度が過剰に低くなり、中圧吸収器のチューブ表面温度が低くなり（特に、チューブの冷媒入口付近において）、アンモニウムカーバメートがチューブ表面に析出する可能性がある。

このような現象を防ぐ対策として、図３のように、冷媒温度を制御するために、冷媒温度のＴＩＣコントロール（検知した温度と目標温度とに基づいて温度制御弁の開度を調節するコントロールユニットが接続された流量調節弁ＣＶ３を含む制御系）によって、冷媒冷却器２０の冷却水側の流量制御を行うことが考えられる。しかしこの場合、冷却水の流量を絞りすぎることによって冷却水の冷媒冷却器出口温度が高くなりすぎ、スケールの発生など冷却水の運転トラブルが発生する可能性があり、好ましくない。

本発明は、アンモニウムカーバメート含有流体を冷却する際に、固結性成分の析出を防止するとともに、運転条件の変化に好適に追従しうる冷却方法および装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様により、
アンモニウムカーバメート含有流体を、冷媒との熱交換によって冷却する熱交換器と、
前記冷媒を、冷却水との熱交換によって冷却する冷媒冷却器と、
前記熱交換器から排出される冷媒を、前記冷媒冷却器を経由して、前記熱交換器に導入する循環ラインと、
前記循環ラインから分岐し、前記冷媒冷却器をバイパスして循環ラインに合流するバイパスラインと
を含む装置を用いて、アンモニウムカーバメート含有流体を冷媒によって冷却するとともに冷媒を冷却水によって冷却する工程；
前記冷媒冷却器を流れる冷媒の流量を操作して、前記アンモニウムカーバメート含有流体の温度をアンモニウムカーバメート含有流体から固体が析出する温度より高い温度に制御する工程；および、
前記バイパスラインを流れる冷媒の流量を操作して、前記熱交換器を流れる冷媒の流量を一定値に制御する工程
を含む、アンモニウムカーバメート含有流体の冷却方法
が提供される。

本発明の別の態様により、
アンモニウムカーバメート含有流体を、冷媒との熱交換によって冷却する熱交換器と、
前記冷媒を、冷却水との熱交換によって冷却する冷媒冷却器と、
前記熱交換器から排出される冷媒を、前記冷媒冷却器を経由して、前記熱交換器に導入する循環ラインと、
前記循環ラインから分岐し、前記冷媒冷却器をバイパスして循環ラインに合流するバイパスラインと、
前記冷媒冷却器を流れる冷媒の流量を操作して、前記アンモニウムカーバメート含有流体の温度をアンモニウムカーバメート含有流体から固体が析出する温度より高い温度に制御する制御系と、
前記バイパスラインを流れる冷媒の流量を操作して、前記熱交換器を流れる冷媒の流量を一定値に制御する制御系と
を含む、アンモニウムカーバメート含有流体の冷却装置
が提供される。

本発明によれば、アンモニウムカーバメート含有流体を冷却する際に、固結性成分の析出を防止するとともに、運転条件の変化に好適に追従しうる冷却方法および装置が提供される。

本発明の冷却装置の一形態を説明するためのプロセスフロー図である。比較例１に使用した冷却装置を説明するためのプロセスフロー図である。比較例２に使用した冷却装置を説明するためのプロセスフロー図である。中圧吸収器の構造例の概念図である。

以下図面を参照しつつ本発明を詳細に説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。

図１に本発明で好適に使用できる装置を示す。この装置において、アンモニウムカーバメート含有流体を冷媒との熱交換によって冷却する熱交換器は、尿素製造プラントにおける吸収器に備わる熱交換器である。

この装置は、図１に示すように、
・アンモニウムカーバメート含有流体を、冷媒との熱交換によって冷却する熱交換器（中圧吸収器１０に備わる熱交換器）と、
・前記冷媒を、冷却水との熱交換によって冷却する冷媒冷却器２０と、
・前記熱交換器から排出される冷媒を、前記冷媒冷却器を経由して、前記熱交換器に導入する循環ライン（ラインＬ１、Ｌ２、Ｌ４を含む）と、
・前記循環ラインから分岐し、前記冷媒冷却器をバイパスして循環ラインに合流するバイパスラインＬ３と
を含む。また、冷媒を循環させるために、適宜、ポンプ３０が設けられる。

〔アンモニウムカーバメート含有流体〕
アンモニウムカーバメート含有流体は、少なくともアンモニウムカーバメートを含有し、典型的にはアンモニウムカーバメートを含む水溶液である。アンモニウムカーバメート含有流体におけるアンモニウムカーバメートの濃度は、例えば５０質量％以上である。アンモニウムカーバメート含有流体は、例えば尿素合成プラント中に存在する中圧吸収器のプロセス側流体である。中圧吸収器のプロセス側は典型的には圧力１５〜２０気圧、温度８０〜１２０℃、特には１００℃〜１１０℃で運転される。中圧吸収器出口のプロセス流体（回収液と呼ばれる）の組成は、典型的にはアンモニア濃度が０〜１５質量％、アンモニウムカーバメート濃度が６０〜８０質量％、Ｈ_２Ｏ濃度が１５〜２５質量％である。尿素製造プロセスに関しては、アンモニウムカーバメートがアンモニアとＣＯ_２に分解する反応やその逆反応によって流体の組成が変化しうるため、しばしば、アンモニウムカーバメートの量をアンモニアとＣＯ_２の量に換算して表記する。つまり、アンモニウムカーバメートの１分子を、アンモニア分子２つとＣＯ_２分子１つとして扱う。この表記法に従えば、中圧吸収器のプロセス流体の組成は、典型的には、アンモニア相当成分の濃度が３０〜４０質量％、ＣＯ_２相当成分の濃度が３５〜４５質量％、Ｈ_２Ｏ濃度が１５〜２５質量％であり、固結温度は典型的には５０℃〜１０５℃となる。

〔冷媒〕
冷媒として、アンモニウムカーバメート含有流体から熱を奪い、冷却水に熱を供給することができる適宜の流体を用いることができるが、典型的には水を用いることができる。水に、適宜の添加剤、例えば凍結や腐蝕を抑制するための添加剤、が添加されていてもよい。

本発明によれば、熱交換器のチューブ表面温度がプロセス流体からアンモニウムカーバメートが析出する温度よりも高くなるよう、冷媒の熱交換器入口温度を、望ましくは５０〜１００℃に制御することが容易である。

〔冷却水〕
冷却水として、典型的には水を用いることができ、例えば、尿素製造プラントにおいてユーティリティとして利用可能な冷却水を用いることができる。水に、適宜の添加剤、例えば凍結や腐蝕を抑制するための添加剤、が添加されていてもよい。冷却水は河川水や海水であってもよい。

冷媒冷却器に供給される冷却水の温度は、典型的には３０℃〜４５℃程度で設計されるが、環境温度によっても影響されるため、例えば２５℃〜４５℃である。冷媒冷却器出口における冷却水温度は、スケールの発生など冷却水の運転トラブルを防止するため、例えば５５℃以下とすることが好ましい。

〔熱交換器〕
中圧吸収器に備わる熱交換器として、典型的にはシェルアンドチューブ型の熱交換器を用いることができる。また、典型的には、アンモニウムカーバメート含有流体の流路がシェル側に、冷媒の流路がチューブ側に設けられるが、その逆でもよい。

〔冷媒冷却器〕
冷媒冷却器として、典型的にはシェルアンドチューブ型の熱交換器もしくはプレート型の熱交換器を用いることができる。

〔循環ライン〕
循環ラインは、熱交換器（中圧吸収器１０）から排出される冷媒を、冷媒冷却器を経由して、熱交換器（中圧吸収器１０）に戻すラインである。冷媒は、ラインＬ１から、中圧吸収器１０の熱交換器（特にはその冷媒流路）、ラインＬ２、冷媒冷却器２０（特にはその冷媒流路）、ラインＬ４、ポンプ３０を経由して、ラインＬ１に戻る。このように、冷媒の流路は、循環ラインすなわち閉ループを形成する。冷媒は、中圧吸収器１０の熱交換器においてアンモニウムカーバメート含有流体から熱交換によって熱を奪うことと、冷媒冷却器２０において熱交換によって冷却水にその熱を放出することを繰り返す。

〔バイパスライン〕
循環ラインには、冷媒冷却器２０をバイパスするバイパスラインＬ３が接続される。冷媒循環ラインの中圧吸収器１０の熱交換器と冷媒冷却器２０との間から、つまり、熱交換器の下流かつ冷媒冷却器の上流において、熱交換器で加熱された冷媒が循環ラインから分岐してバイパスラインＬ３に流入する。分岐した冷媒は、バイパスラインを通って冷媒冷却器をバイパスし、冷媒冷却器の下流かつ熱交換器の上流において、冷媒冷却器で冷却された冷媒（ラインＬ４）と合流する。バイパスラインＬ３の循環ラインへの合流点は、図１ではポンプ３０の入口側である。

〔制御〕
前記熱交換器においてアンモニウムカーバメートの固結を回避するために、二種類の制御を行う。

第１の制御では、冷媒冷却器２０を流れる冷媒の流量を操作して、アンモニウムカーバメート含有流体（特には、中圧吸収器のプロセス流体）の温度を、目標温度に制御する。この目標温度は、アンモニウムカーバメート含有流体から固体が析出する温度より高い温度である。第２の制御では、バイパスラインＬ３を流れる冷媒の流量を操作して、中圧吸収器１０に備わる熱交換器を流れる冷媒の流量を一定値に制御する。

第１の制御において使用する目標温度は、定格運転のみならず、スタートアップ運転や、部分負荷運転など、中圧吸収器の運転状態によらない一定値に予め設定され、中圧吸収器に備わる熱交換器は、想定されるいずれの運転状態においても中圧吸収器のプロセス流体からアンモニウムカーバメートの固体が析出しない温度以上の温度で運転される。

第１の制御は、冷媒冷却器２０を流れる冷媒の流量を操作して、中圧吸収器のプロセス流体の温度を前記目標温度に制御する第１の制御系を用いて行う。第１の制御系は、プロセス流体の温度を検知する温度計と、冷媒冷却器２０を流れる冷媒の流量を操作する流量調節弁（温度を制御するための調節弁なので温度制御弁とも呼ばれる）ＣＶ１と、検知した温度と目標温度とに基づいて温度制御弁の開度を調節するコントロールユニット（図１においては、温度計、さらには温度指示機能も含めて、「ＴＩＣ」と表示される）と、を含む。計装制御の分野で公知の計装制御品、例えばトランスミッター、アクチュエータ、計装信号配線、計装空気配管、などは適宜利用できる。

温度計は、中圧吸収器１０の内部もしくはプロセス流体出口に設けることができる。

温度制御弁ＣＶ１は、冷媒冷却器２０を流れる冷媒の流量を操作できる位置に設けることができる。したがって、温度調節弁ＣＶ１は、循環ラインのバイパスラインへの分岐点より下流、且つ、バイパスラインの合流点より上流に設けることができ、つまり、循環ラインの、バイパスラインと並列に存在する部分に設けることができる。温度調節弁ＣＶ１は、冷媒冷却器の入口側に設けてもよいし、冷媒冷却器の出口側に設けてもよい。

第２の制御は、バイパスラインＬ３を流れる冷媒の流量を操作して、中圧吸収器１０の熱交換器を流れる冷媒の流量、すなわち冷媒の総循環流量を中圧吸収器の運転状態によらない、予め設定された一定値に制御する制御系を用いて行う。第２の制御系は、冷媒の総循環流量を検知する流量計、バイパスラインを流れる冷媒の流量を操作する流量調節弁ＣＶ２、検知した流量と前記一定値とに基づいて流量調節弁ＣＶ２の開度を調節するコントロールユニット（図１においては、流量計、さらには流量指示機能も含めて、「ＦＩＣ」と表示される）、を含む。計装制御の分野で公知の計装制御品、例えばトランスミッター、アクチュエータ、計装信号配線、計装空気配管、などは適宜利用できる。

流量計は、循環ラインの冷媒が分岐していない部分、つまり、バイパスラインの合流点から中圧吸収器１０までの間あるいは中圧吸収器１０からバイパスラインの分岐点までの間に設けることができる。例えば流量計をラインＬ２やラインＬ１に設けることができる。

流量調節弁ＣＶ２は、バイパスラインＬ３に設ける。

第１の制御の結果として、中圧吸収器１０の熱交換器入口における冷媒温度および熱交換器における熱交換量を調節することができる。例えば熱交換器の運転ロードが低い場合、つまり熱交換器における熱交換量を小さくすべき場合には、冷媒冷却器２０を流れる冷媒の流量を絞ることができる。その結果、冷媒の熱交換器入口温度が上がり、熱交換器のプロセス側と冷媒側の平均温度差が小さくなり、熱交換器における熱交換量を小さくすることができる。つまり、運転ロードが低い時には熱交換器に導入する冷媒の温度を上げるような制御を行うことで、プロセス側で固結をおきにくくすることができる。逆に運転ロードが高い場合、つまり熱交換器における熱交換量を大きくすべき場合には、冷媒冷却器２０を流れる冷媒の流量を増やすことができる。その結果、冷媒の熱交換器入口温度が低下し、熱交換器のプロセス側と冷媒側の平均温度差が大きくなり、熱交換器における熱交換量を大きくすることができる。

以上説明したように本発明によれば、冷媒冷却器２０を流れる冷媒流量を操作することによって、中圧吸収器１０の熱交換器の冷媒入口温度および平均温度差を調節することができ、プラントの運転状態に応じて熱交換器における熱交換量を調整することができる。また、運転ロードが低い状態でも熱交換器の冷媒入口温度を上げることができるので、中圧吸収器１０のプロセス流体からの固体の析出が起こりにくいという利点がある。

そして、冷媒冷却器２０をバイパスするバイパスラインＬ３の流量を操作することによって冷媒の総循環量を運転状態によらず一定に保つことにより、熱交換器の冷媒入口温度のみを運転の指標とすることができ、したがって中圧吸収器１０のプロセス流体を冷却する装置の運転性を向上させることができる。

また、冷媒冷却器２０を流れる冷媒流量の操作（第１の制御）とバイパス流量の操作（第２の制御）によって、中圧吸収器１０の熱交換器への冷媒入口温度を調節するという本発明の冷却方法を適用すれば、冷却水流量を運転ロードに応じて変化させる必要がなくなり、冷却水流量の絞りすぎによって冷却水が高温になることに起因する運転トラブルを回避できる。

〔中圧吸収器〕
本発明の冷却方法は、尿素製造プラントに備わる吸収器、特には中圧吸収器を冷却するのに好適である。この場合、吸収器に前記熱交換器が備わる。

一般的な尿素製造プロセスは、合成工程（尿素合成工程）と精製工程（尿素精製工程）を含む。合成工程では、原料としてのアンモニア及び二酸化炭素（ＣＯ_２）から尿素を合成し尿素合成液を生成する。精製工程では、尿素合成液を合成圧力より減圧し、その液を加熱して尿素合成液から未反応物を分離し、精製された尿素水溶液を得る。これらの工程に付加され得る工程として、尿素精製工程にて分離された未反応のアンモニアおよびＣＯ_２を回収する回収工程、尿素精製工程からの尿素水溶液を製品化に必要な濃度まで濃縮する尿素濃縮工程がある。

回収工程では、尿素精製工程と同じ一般的には１．５〜２．０ＭＰａで運転される中圧系と、０．２〜０．５ＭＰａで運転される低圧系の、二つの異なる圧力レベルで精製工程からのアンモニアおよびＣＯ_２を凝縮し、水に溶解してアンモニウムカーバメート水溶液として回収し、合成工程へ戻し尿素合成に再利用する。

尿素の合成工程で合成された尿素合成液は、尿素、未反応物としてのアンモニウムカーバメート、アンモニア、水から主になっている。尿素合成液は約１３〜２０ＭＰａから１．５〜２．０ＭＰａに減圧され、未反応物の一部はアンモニアおよびＣＯ_２ガスとして尿素合成液と共に精製工程の中圧分解塔へ送られる。中圧分解塔では、尿素合成液をスチームで加熱することによって、残留するアンモニア及びアンモニウムカーバメートをアンモニアおよびＣＯ_２に分解して分離する。中圧分解塔において発生したアンモニア、ＣＯ_２および水を含む分離ガスは中圧吸収器に送られる。この分離ガスは、中圧吸収器に送る前に、濃縮工程のエバポレーターにおいて一部凝縮させてその凝縮熱を熱源として利用したのち、凝縮液と未凝縮の分離ガスの混合物として中圧吸収器に送ることもある。

中圧吸収器は、未反応の分離ガスを凝縮し水に吸収させる際に発生する熱を冷却媒体で除去するため熱交換器を備えている。中圧吸収器では、合成工程および濃縮工程から導入されるアンモニア、ならびにアンモニアとＣＯ_２が反応して生成したアンモニウムカーバメートを、吸収液（水）に吸収溶解して回収する。吸収後の吸収液は、回収液として合成工程に戻す。

中圧吸収器にはシェルアンドチューブ型の熱交換器が備わり、つまり、中圧吸収器を構成する圧力容器の内部にチューブ（冷却チューブ）が設けられる。従来一般的には、冷却チューブ側に冷却水（一般的には３０〜４５℃）を流して凝縮熱・吸収熱を除去していた。本発明によれば、冷却水に替えて、循環ラインを循環する冷媒、例えば温水をチューブ側に流して、凝縮熱・吸収熱を除去する。

図４に中圧吸収器の構造例を概念的に示す。中圧吸収器は、気液接触によって未反応ガス（中圧分解塔で分離されたアンモニア、ＣＯ_２および水を含むガス）を吸収する充填塔セクション１と、熱交換セクション２とを含む。熱交換セクションはシェルアンドチューブ型の熱交換器を有しており、チューブ６内を冷媒が流れる。熱交換セクションのシェル側と充填塔セクションの内部が連通している。充填塔セクションの上部に設けられたノズル３から吸収液が供給され、その下に設けられた充填床４にて、充填床より下の領域から上昇してくるガスと吸収液との気液接触が行われる。未反応ガスは、熱交換セクション２のシェル側に設けられたノズル５から、熱交換セクションのシェル側に存在する吸収液の内部に吹き込まれ、ここで気液接触による未反応ガスの凝縮および吸収ならびに凝縮熱の除去が行われる。熱交換器セクションにおける気液接触だけでは十分に未反応ガスを回収しきれない場合には充填塔セクション１が付加することができるが、充填塔セクション１はなくても良い。このように、冷媒による冷却と、吸収液との気液接触とによって、未反応ガスが凝縮するとともに吸収液に吸収される。未反応ガスを吸収した後の吸収液（生成したアンモニウムカーバメートも含む）が、回収液として中圧吸収器から排出される。

中圧吸収器のプロセス流体とは、中圧吸収器のプロセス側の領域に存在する流体を意味する。つまり、プロセス流体は、中圧吸収器入口においては供給された未反応ガス（アンモニア、ＣＯ_２および水を含むガス）および吸収液（水）であり、中圧吸収器出口においては回収液であり、入口と出口の間では、ガスの凝縮、溶解、アンモニウムカーバメート生成などによって、相変化や組成変化が生じ得る流体を意味する。

回収液に含まれる水は、合成工程に戻されるため、できるだけ少なくなるように運転するのが好ましい。そのため回収液のアンモニウムカーバメート及びアンモニア濃度は高くすることが好ましいが、これらの濃度が高いと中圧吸収器の熱交換器における冷却側流体の温度が低い場合に冷却チューブ表面にアンモニウムカーバメートが固結して冷却性能を悪くすることがある。本発明によれば、冷却側流体の温度を比較的高く制御することが容易であるため、冷却チューブ表面でアンモニウムカーバメートが固結することを防止できる。

以上、アンモニウムカーバメート含有流体を冷媒によって冷却する熱交換器が、尿素製造プラントにおける吸収器に備わる熱交換器、特には中圧吸収器に備わる熱交換器である場合について詳細に説明した。しかし、これ以外の場合であっても、本発明をアンモニウムカーバメート含有流体の冷却のために利用することができる。

以下、実施例に基づいて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれによって限定されない。

〔実施例１〕
図１に示す装置について、熱物質収支を計算した。この装置は、尿素製造プラントに備わる中圧吸収器１０のプロセス流体（アンモニウムカーバメート含有流体）を冷却するために用いられる。

冷媒（温水）はポンプ３０によって昇圧され、配管Ｌ１を通り中圧吸収器１０の冷却チューブに導入され、プロセス側流体（アンモニウムカーバメート含有流体）と熱交換される。熱交換によって昇温された冷媒は配管Ｌ２を通り、温度制御弁ＣＶ１および流量調節弁ＣＶ２によって冷媒冷却器２０およびバイパス配管Ｌ３へそれぞれ分配される。冷媒冷却器２０によって冷却された冷媒は配管Ｌ４を通り、バイパス配管Ｌ３を経由した冷媒と合流したのち、ポンプ３０に導入される。

熱物質収支は、尿素製造プラントのスタートアップ運転時および設計生産量での通常運転時の二種類の運転状態について計算した。なお、この尿素製造プラントは、２２００ｔｏｎ／ｄａｙの大粒尿素製造能力が設定されたプラントである。

この検討において、中圧吸収器における熱交換量は、スタートアップ時のほうが、通常運転時よりも大きい。したがって、中圧吸収器は、スタートアップ時の運転条件に基づいて設計される。

冷媒冷却器２０を流れる冷媒の流量を流量調節弁ＣＶ１によって調節することによって、中圧吸収器１０のプロセス流体の温度を目標温度（１０５．８℃）に制御した（第１の制御）。

循環ラインに流通させる冷媒としては水を用いた。中圧吸収器１０の熱交換器のチューブ側を流れる冷媒の流量、すなわち冷媒の総循環量が一定値（２５８．３ｔｏｎ／ｈ）になるように、バイパスラインＬ３を流れる冷媒の流量を、流量調節弁ＣＶ２によって調節した（第２の制御）。

冷媒冷却器２０では冷却水を用いて冷媒を冷却した。冷却水の流量は６４５．２ｔｏｎ／ｈで一定とした。

表１に、スタートアップ時における各ライン中の冷媒（温水）の運転条件を示す。表２に、スタートアップ時における中圧吸収器の運転条件を示す。熱交換量Ｑおよび平均温度差ΔＴは、中圧吸収器の熱交換（プロセス流体と冷媒との間の熱交換）器における熱交換量および平均温度差をそれぞれ意味する。一方、表３に、設計生産量での通常運転時における各ライン中の冷媒（温水）の運転条件を示す。表４に、設計生産量での通常運転時における中圧吸収器の運転条件を示す。表５に、スタートアップ時および設計生産量での通常運転時における冷媒冷却器の運転条件を示す。

表１および表３に示すとおり、制御弁ＣＶ１、ＣＶ２によって第１および第２の制御を行った結果、ラインＬ１の冷媒（温水）温度はスタートアップ時および通常運転時においてそれぞれ５６．０℃および９０．７℃になった。その結果、表２および表４に示すとおり、中圧吸収器１０の熱交換器における平均温度差はそれぞれ３６．４９℃、１１．０７℃となった。

中圧吸収器１０における熱交換量は、熱交換量Ｑ、総括伝熱係数Ｕ、伝熱面積Ａ、平均温度差ΔＴとすると、
Ｑ＝ＵＡΔＴ
で表される。表２、４中のＵＡ＝Ｑ／ΔＴで求められるＵとＡの積が、スタートアップおよび設計生産量での通常運転時において等しいことから、プラントの運転状況に追従して冷媒の中圧吸収器入口温度（ラインＬ１の温度）が調節され、通常運転時においてはプロセス側と冷媒側の平均温度差ΔＴが小さくなって、熱交換量が調整されていることが分かる。また、熱交換量の小さい通常運転時における冷媒の入り口温度（ラインＬ１の温度）は、中圧吸収器１０の設計条件であるスタートアップケースよりも高くなっており、したがってアンモニウムカーバメートの固結の可能性は少ないと言える。

表５に示す通り、冷媒冷却器２０においても、ＵＡ＝Ｑ／ΔＴで求められるＵとＡの積が、スタートアップおよび設計生産量での通常運転時において等しいことから、冷却水側の流量を変化させることなくプラントの運転状況に追従して冷媒の条件を適切に制御できていることが分かる。

スタートアップおよび設計生産量での通常運転時において、冷媒の総循環量（ラインＬ１の流量）を一定に制御することにより、中圧吸収器の運転パラメータとして冷媒入口温度（ラインＬ１の温度）のみに注目して運転することができている。そのため、冷媒入口温度と冷媒流量の二つを変数として運転を行う場合と比べ、運転性が向上する。

〔比較例１〕
図２に示す装置について、熱物質収支を計算した。この装置は、前述のようなバイパスラインを持たない。冷媒（水）がポンプ３０によって昇圧され、配管Ｌ１を通り中圧吸収器１０の冷却チューブに導入され、プロセス側流体（アンモニウムカーバメート含有流体）と熱交換される。熱交換によって昇温された冷媒は、温度制御弁ＣＶ１が設けられた配管Ｌ２を通り、冷媒冷却器２０へ導入される。冷媒冷却器で冷却された冷媒は、配管Ｌ４を通り、ポンプ３０に導入される。

前述の第１および第２の制御は行わず、その替わりに、中圧吸収器１０のプロセス流体の温度が目標値（実施例１と同じ１０５．８℃）になるように、配管Ｌ２を流れる冷媒の流量、すなわち冷媒の総循環量を流量調節弁（温度制御弁）ＣＶ１によって調節した。

上記以外は実施例１と同様にして、尿素製造プロセスのスタートアップ運転および通常運転の二つのケースについて、熱物質収支をとった。したがって、中圧吸収器１０に供給される未反応ガスおよび吸収液の条件、冷媒冷却器２０に供給される冷却水の条件（冷却水の流量は６４５．２ｔｏｎ／ｈで一定）は、実施例１と同様である。

表６に、スタートアップ時における各ライン中の冷媒（温水）の運転条件を示す。表７に、スタートアップ時における中圧吸収器の運転条件を示す。表８に、設計生産量での通常運転時における各ライン中の冷媒の運転条件を示す。表９に、設計生産量での通常運転時における中圧吸収器の運転条件を示す。

表６および表８のとおり、温度制御弁ＣＶ１による中圧吸収器プロセス側流体の温度制御のみでは、スタートアップ運転時および通常運転時のラインＬ１の冷媒温度はそれぞれ５６．０℃、３８．０℃になる。つまり、冷媒の循環量の調整によって中圧吸収器１０における熱交換量を調整すると、中圧吸収器の冷媒入口温度が３８℃と低くなることがあり、したがって、実施例１と比較して、アンモニウムカーバメートの固結の危険性が増していることが分かる。

〔比較例２〕
図３に示す装置について、熱物質収支を計算した。この装置と、図２に示した装置との相違は、この装置が冷媒の冷媒冷却器出口温度（ラインＬ４の温度）を一定温度（５６．０℃）に制御する制御系を備えることである。具体的には、この装置では、温度指示調節計ＴＩＣが接続された流量調節弁ＣＶ３が、冷却水の冷媒冷却器出口配管に設けられている。したがって、冷却水の流量は変化しうる。

上記以外は比較例１と同様にして、尿素製造プロセスのスタートアップ運転および通常運転の二つのケースについて、熱物質収支をとった。

表１０に、スタートアップ時における各ライン中の冷媒（温水）の運転条件を示す。表１１に、スタートアップ時における中圧吸収器の運転条件を示す。表１２に、通常運転時における各ライン中の冷媒の運転条件を示す。表１３に、通常運転時における中圧吸収器の運転条件を示す。表１４に、スタートアップおよび通常運転時における冷媒冷却器の運転条件を示す。

表１０および表１２のとおり、温度制御弁ＣＶ１による中圧吸収器のプロセス側流体の温度制御を行い、また、冷媒温度を制御するために冷媒冷却器への冷却水供給量を温度制御弁ＣＶ３によって操作することによって、ラインＬ１における冷媒温度（中圧吸収器の熱交換器に供給する冷媒の温度）は何れのケースでも５６．０℃に制御できる。しかし、冷却水流量の調整によって、冷媒冷却器の出口冷媒温度、ひいては中圧吸収器の入口冷媒温度を制御すると、冷却水の冷媒冷却器出口温度が高くなることがあり（通常運転ケースの１０３．５℃）、冷却水トラブルの危険性があることが分かる。また、通常冷却水は中圧吸収器だけではなく、プラント内の他の機器にも供給されており、プラント全体として流量一定の状態で安定運転されている。したがって、比較例２のように中圧吸収器の運転状態に応じて冷却水の流量が変動すると、他の機器に供給されている冷却水の流量が変動するため、プラント全体の運転変動を引き起こすこととなり、運転性がよくないという欠点もある。本発明によれば、このような事態を回避することもできる。

１中圧吸収器の充填塔セクション
２中圧吸収器の熱交換セクション
３ノズル
４充填床
５ノズル
６チューブ
１０中圧吸収器
２０冷媒冷却器
３０ポンプ

Claims

アンモニウムカーバメート含有流体を、冷媒との熱交換によって冷却する熱交換器と、
前記冷媒を、冷却水との熱交換によって冷却する冷媒冷却器と、
前記熱交換器から排出される冷媒を、前記冷媒冷却器を経由して、前記熱交換器に導入する循環ラインと、
前記循環ラインから分岐し、前記冷媒冷却器をバイパスして循環ラインに合流するバイパスラインと
を含む装置を用いて、アンモニウムカーバメート含有流体を冷媒によって冷却するとともに冷媒を冷却水によって冷却する工程；
前記冷媒冷却器を流れる冷媒の流量を操作して、前記アンモニウムカーバメート含有流体の温度をアンモニウムカーバメート含有流体から固体が析出する温度より高い温度に制御する工程；および、
前記バイパスラインを流れる冷媒の流量を操作して、前記熱交換器を流れる冷媒の流量を一定値に制御する工程
を含む、アンモニウムカーバメート含有流体の冷却方法。
前記熱交換器が、尿素製造プラントにおける吸収器に備わる熱交換器である、請求項１記載の方法。
アンモニウムカーバメート含有流体を、冷媒との熱交換によって冷却する熱交換器と、
前記冷媒を、冷却水との熱交換によって冷却する冷媒冷却器と、
前記熱交換器から排出される冷媒を、前記冷媒冷却器を経由して、前記熱交換器に導入する循環ラインと、
前記循環ラインから分岐し、前記冷媒冷却器をバイパスして循環ラインに合流するバイパスラインと、
前記冷媒冷却器を流れる冷媒の流量を操作して、前記アンモニウムカーバメート含有流体の温度をアンモニウムカーバメート含有流体から固体が析出する温度より高い温度に制御する制御系と、
前記バイパスラインを流れる冷媒の流量を操作して、前記熱交換器を流れる冷媒の流量を一定値に制御する制御系と
を含む、アンモニウムカーバメート含有流体の冷却装置。
前記熱交換器が、尿素製造プラントにおける吸収器に備わる熱交換器である、請求項３記載の冷却装置。