JP2018112106A - 液体昇圧装置及び尿素合成プラント - Google Patents

Abstract

【課題】設置スペースを削減しながらキャビテーションを抑制可能な液体昇圧装置を提供する。
【解決手段】液体昇圧装置は、機器設置面に設置され、前記機器設置面よりも上方に液面レベルが位置するように液体を貯留するためのタンクと、前記タンクに接続される吸込口、鉛直方向に沿って配列された複数段のインペラ、および、前記複数段のインペラを通過した前記液体を吐出するための吐出口を含む立形ポンプと、を備え、前記複数段のインペラは、前記複数段のインペラのうち最も下方に位置し、前記吸込口からの前記液体が流入するように構成された初段インペラを含み、前記初段インペラは、前記機器設置面よりも下方に位置する。
【選択図】 図１

Description

本開示は、液体昇圧装置及び尿素合成プラントに関する。

高圧の液体を生成するための液体昇圧装置として、複数段のインペラを有する多段遠心ポンプが用いられている。

例えば、特許文献１には、水平方向に延在する主軸と、主軸に沿って配列された複数段のインペラと、を含む横形の高圧ポンプが開示されている。特許文献１に記載の高圧ポンプにおいて、複数段のインペラの上流側にはブースタポンプが併設されており、該ブースタポンプによって流体の与圧を行い、高圧ポンプの吸込圧を高めるようになっている。

実開平１―１７９１９１号公報

ところで、高圧の液体を生成する液体昇圧装置において、吸込圧力が小さいと、入口側のインペラにおいてキャビテーションが生じやすくなる。
このようなキャビテーションを抑制する手法としては、例えば、特許文献１に記載されるようなブースタポンプを用いたり、あるいは、液体昇圧装置に供給する液体のタンクを該液体昇圧装置よりも上方に設けて水頭を増大させたりすることにより、液体昇圧装置の吸込圧力を上昇させることが挙げられる。
しかしながら、これらの手法では、液体昇圧装置の吸込圧力を上昇させるための設置機器数が増大したり、設置位置が高くなる等、設置スペースが増大する場合がある。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、設置スペースを削減しながらキャビテーションを抑制可能な液体昇圧装置を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る液体昇圧装置は、
機器設置面に設置され、前記機器設置面よりも上方に液面レベルが位置するように液体を貯留するためのタンクと、
前記タンクに接続される吸込口、鉛直方向に沿って配列された複数段のインペラ、および、前記複数段のインペラを通過した前記液体を吐出するための吐出口を含む立形ポンプと、を備え、
前記複数段のインペラは、前記複数段のインペラのうち最も下方に位置し、前記吸込口からの前記液体が流入するように構成された初段インペラを含み、
前記初段インペラは、前記機器設置面よりも下方に位置する。

上記（１）の構成によれば、多段立形ポンプを採用することで、機器設置スペースを削減可能であるとともに、インペラの段数を増やすことで高い吐出圧を確保しつつ、ポンプの回転数を低減可能となる。このようにポンプの回転数を下げることで、初段インペラにおけるキャビテーションを抑制することができる。また、機器設置面よりも下方に初段インペラが位置するように立形ポンプを配置することで、タンク高さを低減しながら、タンクと立形ポンプとのヘッド差を十分に確保して初段インペラにおけるキャビテーションを抑制することができる。
こうして、上記構成（１）により、初段インペラにおけるキャビテーションを抑制可能であるため、タンクと立形ポンプとの間にブースタポンプを設ける必要がなくなり、設備コストの削減及び省スペース化を実現することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記立形ポンプは、
前記機器設置面から掘り下げられて形成された凹部に少なくとも部分的に収容される外部ケーシングと、
前記複数段のインペラを覆うように前記外部ケーシングの内部に設けられる中間ケーシングと、
前記外部ケーシングの上端開口を塞ぐように前記外部ケーシングに取り付けられ、前記吸込口および前記吐出口とそれぞれ連通する第１内部流路及び第２内部流路を有するケーシングカバーと、
を含み、
前記外部ケーシングと前記中間ケーシングとの間には、前記吸込口及び前記第１内部流路から、最も下方に位置する前記初段インペラへと向かう前記液体の流路が形成される。

上記（２）の構成によれば、機器設置面に形成した凹部に立形ポンプの一部を収容することで、液体昇圧装置全体としての機器設置面からの高さを抑えつつ、機器設置面よりも十分に下方に位置する初段インペラに液体を導くことができる。よって、タンク高さを低減しながら、タンクと立形ポンプとのヘッド差を十分に確保して初段インペラにおけるキャビテーションを効果的に抑制することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、
水平方向に沿って延在する出力軸を有し、前記立形ポンプを駆動するように構成された第１モータと、
前記立形ポンプの上方に位置し、前記モータの前記出力軸と前記立形ポンプの回転シャフトとの間に設けられるかさ歯車と、
をさらに備え、
前記第１モータは、平面視において、前記立形ポンプと重ならずに前記立形ポンプの側方に位置する。

上記（３）の構成によれば、平面視において立形ポンプと第１モータとが重なっていないため、第１モータを取り付けたまま、かさ歯車だけを取り外すことで、立形ポンプのメンテナンスを容易に行うことができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、
鉛直方向に沿って延在する出力軸を有し、前記立形ポンプを駆動するように構成された第２モータをさらに備え、
前記第２モータの前記出力軸は、前記立形ポンプの回転軸に直結される。

上記（１）で述べたように、少なくとも幾つかの液体昇圧装置によれば、インペラの段数を増やすことで高い吐出圧を確保しつつ、ポンプの回転数を低減可能である。このため、上記（４）の構成のように、第２モータの出力軸を立形ポンプの回転軸に直結し、増速機を省略することができる。これにより、増速機に供給される潤滑油を循環させるための潤滑油ユニットが不要となり、液体昇圧装置のさらなるコンパクト化及び設備コスト低減が可能となる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の構成において、
前記立形ポンプは、
前記複数段のインペラを収容するケーシングと、
前記インペラとともに回転するように構成された回転シャフトと、
前記ケーシングの前記回転シャフトの貫通部に設けられたタンデムメカニカルシールと、
を含み、
前記タンデムメカニカルシールは、
前記ケーシングに設けられた一対の固定環と、
前記一対の固定環に対してそれぞれ摺動するように前記回転シャフトとともに回転可能に構成された一対の回転環と、
前記一対の回転環のうち、前記一対の固定環の間に位置する一方の回転環に設けられたポンピングリングと、
を含む。

上記（５）の構成では、プロセス流体よりも高圧のバリア流体を用いるダブルメカニカルシールよりも低圧のバッファ流体を用いるタンデムメカニカルシールにより、立形ポンプ内のプロセス流体を密封することができる。また、上記（５）の構成では、ポンピングリングによりバッファ流体を循環させることができるため、バッファ流体を循環させるための補機が不要である。よって、ダブルメカニカルシールを採用する場合に比べて、軸封装置に供給するバリア流体の加圧及び循環のための補機を簡略化することができ、液体昇圧装置の構成を簡素化することができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れかの構成において、前記立形ポンプの吐出圧が１０ＭＰａ以上である。

一般的に、１０ＭＰａ以上の高い吐出圧を得るためには、例えば６０００ｒｐｍ以上の高速で回転する横形ポンプが用いられる。しかし、高回転数の横形ポンプを採用する場合、横形ポンプの初段インペラにおけるキャビテーションが問題となり得る。キャビテーションを抑制するために、例えば、タンクと横形ポンプとの間にブースタポンプを設けることも可能であるが、この場合にはブースタポンプの設置に伴う機器設置スペースの拡大および設備コストの増加が問題となる。
上記（６）の構成のように、立形ポンプの吐出圧が１０ＭＰａ以上の高圧であっても、上記（１）で述べたように、機器設置面よりも下方に初段インペラが位置するように多段立形ポンプを配置することで、初段インペラにおけるキャビテーションを抑制可能である。よって、タンクと立形ポンプとの間にブースタポンプを設ける必要がなくなり、設備コストの削減及び省スペース化を実現することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れかの構成において、前記複数段のインペラは、１０段以上のインペラを含む。

上記（７）の構成によれば、１０段以上のインペラを含む立形ポンプを用いることで、立形ポンプの回転数を低下させても必要な吐出圧を確保可能となる。このため、立形ポンプの回転数低下により、初段インペラにおけるキャビテーションを効果的に抑制することができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の構成において、
前記立形ポンプは、尿素合成プラントにおける原料アンモニアを昇圧するためのアンモニアポンプ、または、尿素合成プラントにおける中間体のカーバメートを昇圧するためのカーバメートポンプの何れかである。

尿素合成プラントにおけるアンモニアポンプ及びカーバメートポンプは、アンモニア又はカーバメートを例えば１０ＭＰａ以上の高圧に昇圧させて、尿素を生成するための反応器に供給するために用いられる。
この点、上記（８）の構成によれば、尿素合成プラントにおけるアンモニアポンプまたはカーバメートポンプとして多段立形ポンプを採用することで、機器設置スペースを削減可能であるとともに、インペラの段数を増やすことで高い吐出圧を確保しつつ、ポンプの回転数を低減可能となる。このようにポンプの回転数を下げることで、初段インペラにおけるキャビテーションを抑制することができる。また、機器設置面よりも下方に初段インペラが位置するように立形ポンプを配置することで、タンク高さを低減しながら、タンクと立形ポンプとのヘッド差を十分に確保して初段インペラにおけるキャビテーションを抑制することができる。
こうして、上記構成（８）により、初段インペラにおけるキャビテーションを抑制可能であるため、タンクと立形ポンプとの間にブースタポンプを設ける必要がなくなり、設備コストの削減及び省スペース化を実現することができる。

（９）本発明の少なくとも一実施形態に係る尿素合成プラントは、
原料アンモニアを昇圧するためのアンモニアポンプと、
中間体のカーバメートを昇圧するためのカーバメートポンプと、
前記アンモニアポンプで昇圧されたアンモニア、前記カーバメートポンプで昇圧されたカーバメート、及び、二酸化炭素が供給される反応器と、
を備え、
前記アンモニアポンプ又は前記カーバメートポンプの少なくとも一方は、上記（１）乃至（８）の何れかに記載の液体昇圧装置の前記立形ポンプである。

上記（９）の構成によれば、尿素合成プラントにおけるアンモニアポンプまたはカーバメートポンプとして多段立形ポンプを採用することで、機器設置スペースを削減可能であるとともに、インペラの段数を増やすことで高い吐出圧を確保しつつ、ポンプの回転数を低減可能となる。このようにポンプの回転数を下げることで、初段インペラにおけるキャビテーションを抑制することができる。また、機器設置面よりも下方に初段インペラが位置するように立形ポンプを配置することで、タンク高さを低減しながら、タンクと立形ポンプとのヘッド差を十分に確保して初段インペラにおけるキャビテーションを抑制することができる。
こうして、上記構成（９）により、初段インペラにおけるキャビテーションを抑制可能であるため、タンクと立形ポンプとの間にブースタポンプを設ける必要がなくなり、設備コストの削減及び省スペース化を実現することができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、設置スペースを削減しながらキャビテーションを抑制可能な液体昇圧装置が提供される。

一実施形態に係る液体昇圧装置の概略構成図である。 一実施形態に係る液体昇圧装置の概略構成図である。 一実施形態に係る立形ポンプの概略構成図である。 一実施形態に係るタンデムメカニカルシールの概略構成図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１及び図２は、それぞれ、一実施形態に係る液体昇圧装置の概略構成図である。図１及び図２に示すように、幾つかの実施形態に係る液体昇圧装置１は、昇圧対象の液体を貯留するためのタンク２と、タンク２から供給される液体を昇圧するための立形ポンプ４と、立形ポンプ４を駆動するためのモータ１２Ａ又は１２Ｂと、を備える。
タンク２は機器設置面ＧＬに設置されており、タンク２内の液面レベルＦＬは、機器設置面ＧＬよりも上方に位置するようになっている。

図１及び図２に示すように、立形ポンプ４の少なくとも一部は、機器設置面ＧＬから掘り下げられて形成された凹部３に収容される。図１及び図２に示す例示的な実施形態では、立形ポンプ４の下部が凹部３に収容されている。

立形ポンプ４は、タンク２に接続される吸込口５と、鉛直方向に沿って配列された複数段のインペラ７と、複数段のインペラ７を通過した液体を吐出するための吐出口６と、を含む。複数段のインペラ７のうち、最も下方に位置するインペラ７は、初段インペラ７Ａである。初段インペラ７Ａは、タンク２が設置される機器設置面ＧＬよりも下方に位置している。

また、立形ポンプ４は、鉛直方向に沿って延在する回転シャフト１０を備えている。回転シャフト１０はモータ１２Ａ又は１２Ｂの出力軸１３Ａ又は１３Ｂと接続されており、複数段のインペラ７は、モータ１２Ａ又は１２Ｂによって駆動されて、回転シャフト１０とともに回転するように構成されている。

立形ポンプ４には、吸込口５を介してタンク２から液体が供給されるようになっている。吸込口５から供給された液体は、初段インペラ７Ａに流入し、初段インペラ７Ａを通過した後、下流側のインペラ７へと順々に流れていく。液体は、複数段のインペラ７を通過する際に、インペラ７の回転エネルギーを受けて昇圧される。複数段のインペラ７のうち最も下流側に設けられる最終段のインペラ７を通過した高圧の液体は、吐出口６を介して、立形ポンプ４から排出されるようになっている。

液体昇圧装置１において上述した多段の立形ポンプ４を採用することにより、複数段のインペラが水平方向に配列される横形の多段ポンプを採用する場合に比べて、機器設置スペースを削減可能であるとともに、インペラ７の段数を増やすことで高い吐出圧を確保しつつ、ポンプの回転数を削減可能となる。このようにポンプの回転数を下げることで、初段インペラ７Ａにおけるキャビテーションを抑制することができる。また、機器設置面ＧＬよりも下方に初段インペラ７Ａが位置するように立形ポンプ４を配置することで、タンク２の設置位置の高さを低減しながら、タンク２と立形ポンプ４とのヘッド差を十分に確保して初段インペラ７Ａにおけるキャビテーションを抑制することができる。
このように、立形ポンプ４を採用することにより、初段インペラ７Ａにおけるキャビテーションを抑制可能であるため、タンク２とポンプ（立形ポンプ４）との間にブースタポンプを設ける必要がなくなり、あるいは、タンク２の設置位置を高く設定する必要がなくなる。よって、液体昇圧装置１における設備コストの削減及び省スペース化を実現することができる。

図１に示す例示的な実施形態では、立形ポンプ４を駆動するためのモータ（第１モータ）１２Ａの出力軸１３Ａは、水平方向に沿って延在している。立形ポンプ４の上方には、モータ１２Ａの出力軸１３Ａと、立形ポンプ４の回転シャフト１０との間で動力を伝達するためのかさ歯車８が設けられている。そして、モータ１２Ａは、平面視において、立形ポンプ４と重ならずに立形ポンプ４の側方に位置している。

このように、立形ポンプ４とモータ１２Ａとが平面視において重ならないようにすることで、モータ１２Ａを取り付けたまま、かさ歯車８だけを取り外すことで、立形ポンプ４のメンテナンスを容易に行うことができる。

図２に示す例示的な実施形態では、立形ポンプ４を駆動するためのモータ（第２モータ）１２Ｂの出力軸１３Ｂは鉛直方向に沿って延在しており、該出力軸１３Ｂは、立形ポンプ４の回転シャフト１０に直結されている。

上述したように、立形ポンプ４では、インペラの段数を増やすことで高い吐出圧を確保しつつ、ポンプの回転数を低減することができるため、モータ１２Ｂの出力軸１３Ｂと立形ポンプ４の回転シャフト１０との間に増速機を設ける必要がない。また、モータ１２Ｂの出力軸１３Ｂ及び立形ポンプ４の回転シャフト１０は、どちらも鉛直方向に沿って延在しているので、出力軸１３Ｂと回転シャフト１０との間で動力伝達方向を変換する機構（例えばかさ歯車）を設ける必要がない。よって、図２に示す実施形態のように、出力軸１３Ｂと回転シャフト１０とが直結された構成とすることができる。これにより、増速機等に供給される潤滑油を循環させるための潤滑油ユニットが不要となるため、液体昇圧装置１のさらなるコンパクト化及び設備コストの低減が可能となる。

図３は、一実施形態に係る立形ポンプ４の概略構成図である。なお、図３中の矢印は、立形ポンプ４で昇圧される液体の流れの向きを示す。

図３に示すように、立形ポンプ４は、上述した複数段のインペラ７と、外部ケーシング１８、中間ケーシング２０、及びケーシングカバー２８を含むケーシングを備えており、複数段のインペラ７は、該ケーシングに収容されている。中間ケーシング２０は、複数段のインペラ７を覆うように外部ケーシング１８の内部に設けられている。ケーシングカバー２８は、外部ケーシング１８の上端開口を塞ぐように外部ケーシング１８に取付けられている。また、複数段のインペラ７とともに回転する回転シャフト１０は、軸受７２，７４によって回転自在に中間ケーシング２０に支持されている。

外部ケーシング１８は、回転シャフト１０の径方向（以下、単に「径方向」と称することがある。）外側に突出するように設けられたフランジ部１８ａを上端部に有し、該フランジ部１８ａに設けられたボルト穴を貫通する複数のボルト２９によって機器設置面ＧＬに固定されている。外部ケーシング１８のうち、フランジ部１８ａよりも下方の部分は、機器設置面ＧＬから掘り下げられて形成された凹部３に収容されている。

ケーシングカバー２８は、回転シャフト１０の周方向に配列されるボルト２９によって、外部ケーシング１８に固定されている。ケーシングカバー２８には、吸込口５に連通する第１内部流路３０、及び、吐出口６と連通する第２内部流路３２が形成されている。また、第２内部流路３２は、複数段のインペラ７のうちケーシングカバー２８に最も近い最終段インペラ７Ｂの出口に連通する環状流路３４を含む。

外部ケーシング１８と中間ケーシング２０との間には、吸込口５及びケーシングカバー２８に形成された第１内部流路３０から、複数段のインペラ７の内最も下方に位置する初段インペラ７Ａへと向かう液体の流路４０が形成されている。

流路４０を流れて初段インペラ７Ａへと向かう液体は、中間ケーシング２０の最下部に位置する吸込みベル２６ｂ（後述する）に導かれて、初段インペラ７Ａへ流れ込むようになっている。
また、複数段のインペラ７を通過して、最終段インペラ７Ｂの出口から流出した流体は、環状流路３４を含む第２内部流路３２を介して、吐出口６から立形ポンプ４の外部に排出されるようになっている。

図３に示すように、吸込口５は、ケーシングカバー２８に取付けられた吸込ノズル３６に設けられていてもよく、吸込口５と第１内部流路３０とは、吸込ノズル３６を貫通するように設けられた貫通孔を介して接続されていてもよい。また、図３に示すように、吐出口６は、ケーシングカバー２８に取付けられた吐出ノズル３８に設けられていてもよく、吐出口６と第２内部流路３２とは、吐出ノズル３８を貫通するように設けられた貫通孔を介して接続されていてもよい。なお、吸込ノズル３６及び吐出ノズル３８は、溶接によってケーシングカバー２８に取付けられていてもよい。

中間ケーシング２０は、回転シャフト１０の軸方向（以下、単に「軸方向」と称することがある。）に積み重ねられる複数のセクション（２２Ａ，２２Ｂ，２４，２６）と、これら複数のセクション（２２Ａ，２２Ｂ，２４，２６）を締結するための複数のタイボルト（４２，４４）と、を含む。

図３に示す例示的な実施形態では、中間ケーシング２０を構成する複数のセクションは、タイボルト（４２，４４）の一端が固定される締結用セクション２４及び吸込みベルセクション２６と、軸方向に積み重ねられた複数の第１セクション２２Ａ及び第２セクション２２Ｂと、を含む。

締結用セクション２４は、軸方向において複数の第１セクション２２Ａを挟んでケーシングカバー２８の反対側に位置している。そして、タイボルト４２の一端は締結用セクション２４に固定されるとともに、タイボルト４２の他端はケーシングカバー２８に固定され、ケーシングカバー２８と締結用セクション２４との間に複数の第１セクション２２Ａが配列されている。

吸込みベルセクション２６は、軸方向において複数段のインペラ７を挟んでケーシングカバー２８とは反対側に位置しており、複数段のインペラ７のうち初段インペラ７Ａに液体を導くための吸込みベル２６ｂを有する。そして、タイボルト４３の一端は締結用セクション２４に固定されるとともに、タイボルト４３の他端は吸込みベルセクション２６に固定され、締結用セクション２４と吸込みベルセクション２６との間に複数の第２セクション２２Ｂが配列されている。

なお、締結用セクション２４は、径方向外側に突出するように設けられたフランジ部２４ａを有し、該フランジ部２４ａには、複数のタイボルト４２及び複数のタイボルト４３がねじ込まれる複数のボルト穴が設けられている。
また、吸込みベルセクション２６は、径方向外側に突出するように設けられたフランジ部２６ａを有し、該フランジ部２６ａには、複数のタイボルト４３がねじ込まれる複数のボルト穴が設けられている。

各セクション（２２Ａ，２２Ｂ，２４）の下端部と、該セクションに隣り合うセクション（２２Ａ，２２Ｂ，２４，２６）の上端部とは、インロー構造２１を有していてもよい。
図３に示す例示的な実施形態では、各セクション（２２Ａ，２２Ｂ，２４）の下端部の外周側縁部において下方に突出するように設けられた凸部と、該セクションに隣り合うセクション（２２Ａ，２２Ｂ，２４，２６）の上端部において、上述の凸部に対応するように設けられた凹部とによってインロー構造が形成されている。
このように、隣り合う複数のセクション間にインロー構造が形成されることにより、各セクション（２２Ａ，２２Ｂ，２４，２６）の径方向における位置決めが容易となる。

幾つかの実施形態では、立形ポンプ４の吐出圧が１０ＭＰａ以上である。

液体昇圧装置１（図１及び図２参照）では、上述した立形ポンプ４を用いるので、ポンプの吐出圧が１０ＭＰａ以上の高圧であっても、機器設置面ＧＬよりも下方に初段インペラ７Ａが位置するように多段の立形ポンプ４を配置することで、初段インペラ７Ａにおけるキャビテーションを抑制可能である。よって、タンク２と立形ポンプ４との間にブースタポンプを設ける必要がなくなり、設備コストの削減及び省スペース化を実現することができる。

幾つかの実施形態では、複数段のインペラ７は、１０段以上のインペラ７を含む。

液体昇圧装置１（図１及び図２参照）において１０段以上のインペラ７を含む立形ポンプ４を用いることで、立形ポンプ４の回転数を低下させても必要な吐出圧を確保可能となる。このため、立形ポンプ４の回転数低下により、初段インペラ７Ａにおけるキャビテーションを効果的に抑制することができる。

幾つかの実施形態では、図３に示すように、ケーシングカバー２８のうち、回転シャフト１０が貫通する貫通部には、回転シャフト１０に作用するスラスト力をバランスさせるためのスラストバランス部８０が設けられている。なお、回転シャフト１０に作用するスラスト力は、軸方向において、複数段のインペラ７の高圧側から低圧側に向かう方向の力、即ち、最終段インペラ７Ｂから初段インペラ７Ａに向かう方向の力である。

スラストバランス部８０は、回転シャフト１０の外周側に取付けられ、回転シャフト１０とともに回転するように構成されたバランススリーブ８２と、バランススリーブ８２の外周側において、ケーシングカバー２８に設けられるバランスブッシュ８４と、を含む。

また、ケーシングカバー２８と回転シャフト１０との間には、軸方向においてスラストバランス部８０を挟んで複数段のインペラ７とは反対側に中間室５４が形成されており、バランススリーブ８２の上側端面に中間室５４の圧力が作用するようになっている。

中間室５４は、ケーシングカバー２８に形成されたバランス内部流路５６、及び、中間ケーシング２０と外部ケーシング１８との間に設けられたバランス管５８を介して、中間段インペラと連通している。なお、本明細書において、「中間段インペラ」とは、初段インペラ７Ａの下流側且つ最終段インペラ７Ｂの上流側の任意のインペラを指す。
すなわち、中間室５４には中間段インペラの圧力Ｐ_Ｍが導入され、バランススリーブ８２の上側端面には、中間段インペラの圧力Ｐ_Ｍが作用するようになっている。

このように、バランススリーブ８２に中間段インペラの圧力Ｐ_Ｍを作用させることで、最終段インペラ７Ｂを通過した液体の圧力（吐出圧Ｐ_Ｄ（＞Ｐ_Ｍ））と中間段インペラの圧力Ｐ_Ｍとの差圧に起因した逆スラスト力（軸方向において上述したスラスト力と逆向きの力）をバランススリーブ８２に作用させることができる。これにより、立形ポンプ４のスラスト力のバランスを実現することができる。

幾つかの実施形態では、図３に示すように、ケーシングの回転シャフト１０の貫通部には、立形ポンプ４内部の液体が外部へ漏出するのを防ぐための軸封装置として、タンデムメカニカルシール４４が設けられる。
なお、図３に示す例示的な実施形態では、ケーシングカバー２８と、ケーシングカバー２８に固定されたシールハウジング部４６と、を含むケーシングに、ケーシングカバー２８及びシールハウジング部４６を回転シャフト１０が貫通するように、貫通部が設けられている。

図４は、一実施形態に係るタンデムメカニカルシール４４の概略構成図である。図４に示すタンデムメカニカルシール４４は、シールハウジング部４６（ケーシング）に取付けられた一対の固定環６０Ａ，６０Ｂと、回転シャフト１０とともに回転可能に構成された一対の回転環６２Ａ，６２Ｂと、を含む。回転環６２Ａ，６２Ｂは、回転シャフト１０の外周側に取付けられ、回転シャフト１０とともに回転するように構成されたシャフトスリーブ６６の外周面に固定されている。

一対の固定環６０Ａ，６０Ｂ、及び、一対の回転環６２Ａ，６２Ｂのうち、軸方向において複数段のインペラ７に近い側に配置される固定環６０Ａ及び回転環６２Ａは、高圧側シール４５Ａを構成し、軸方向において複数段のインペラ７から遠い側に配置される固定環６０Ｂ及び回転環６２Ｂは、低圧側シール４５Ｂを構成している。

一対の回転環６２Ａ，６２Ｂは、回転シャフト１０の回転にともない、一対の固定環６０Ａ，６０Ｂに対してそれぞれ摺動するように構成されている。そして、一対の固定環６０Ａ，６０Ｂと一対の回転環６２Ａ，６２Ｂとの摺動面が互いに接触することによって、流体の漏れを抑制するようになっている。

回転シャフト１０とケーシングカバー２８（ケーシング）の間には、軸方向においてタンデムメカニカルシール４４に隣接して低圧室４８が設けられている。低圧室４８は、ケーシングカバー２８に形成されたフラッシング入口流路５０を介して、外部ケーシング１８と中間ケーシング２０との間に形成される流路４０に連通している。すなわち、低圧室４８には、吸込口５から立形ポンプ４に流入し、複数段のインペラ７によって昇圧される前の低圧の液体が、フラッシング入口流路５０を介して導入される。

また、回転シャフト１０とシールハウジング部４６（ケーシング）との間には、軸方向において一対の固定環６０Ａ，６０Ｂの間に、外部流体（バッファ流体）が供給されるシールチャンバ６７が設けられている。また、シールハウジング部４６には、バッファ入口流路６８及びバッファ出口流路７０が設けられており、これらのバッファ入口流路６８及びバッファ出口流路７０は、立形ポンプ４の外部に設けられた外部流体タンク（不図示）に接続されている。そして、外部流体タンクに貯留された外部流体が、バッファ入口流路６８を介してシールチャンバ６７に導入されるとともに、バッファ出口流路７０を介してシールチャンバ６７から排出されて、外部流体タンクに返送されるようになっている。

一対の回転環６２Ａ，６２Ｂのうち、一対の固定環６０Ａ，６０Ｂの間に位置する一方の回転環６２Ｂ（すなわち、シールチャンバ６７に設けられる一方の回転環）には、ポンピングリング６４が設けられている。タンデムメカニカルシール４４は、ポンピングリング６４によって、シールチャンバ６７からバッファ出口流路７０を介して外部流体タンクへと外部流体を送るように構成されている。

軸封装置として上述したタンデムメカニカルシール４４を用いることにより、ダブルメカニカルシールよりも低圧の外部流体（バッファ流体）を用いて立形ポンプ内のプロセス流体を密封することができる。
また、上述のタンデムメカニカルシール４４を用いることにより、ポンピングリング６４によりバッファ流体を循環させることができるため、バッファ流体を循環させるための補機が不要である。よって、ダブルメカニカルシールを採用する場合に比べて、軸封装置に供給するバリア流体の加圧及び循環のための補機を簡略化することができ、液体昇圧装置１（図１及び図２参照）の構成を簡素化することができる。

幾つかの実施形態に係る尿素合成プラント（不図示）は、上述した立形ポンプ４を含む液体昇圧装置１を含んでいてもよい。
幾つかの実施形態にかかる尿素合成プラントは、アンモニアを昇圧するためのアンモニアポンプと、カーバメートを昇圧するためのカーバメートポンプと、アンモニアポンプで昇圧されたアンモニア、カーバメートポンプで昇圧されたカーバメート、及び、二酸化炭素が供給される反応器と、を備える。そして、アンモニアポンプ又はカーバメートポンプの少なくとも一方は、上述した、幾つかの実施形態に係る液体昇圧装置１の立形ポンプ４である。
例えば、アンモニアポンプが立形ポンプ４である場合、昇圧対象の液体は尿素の原料の液体アンモニアであり、タンク２に貯留される液体アンモニアが、吸込口５を介して、立形ポンプ４に供給される。
また、例えば、カーバメートポンプが立形ポンプ４である場合、昇圧対象の液体は、アンモニアと二酸化炭素との反応により生成される中間体のカーバメート（カルバミン酸アンモニウム）であり、タンク２に貯留される液体カーバメートが、吸込口５を介して、立形ポンプ４に供給される。

上述の尿素合成プラントでは、昇圧されたアンモニア、カーバメート及び二酸化炭素が供給される反応器において、高温高圧下で、アンモニアと二酸化炭素とから、カーバメートが生成される。このようにして生成されたカーバメート及びカーバメートポンプから供給されたカーバメートの一部は、脱水反応により、尿素と水とに分解される。この後、残存するカーバメートは、例えば、分解塔に送られて、加熱されて脱水反応により、尿素と水とに分解される。これらの反応により生成した尿素は製品として分離回収される。また、未反応の残留カーバメートも分離回収され、カーバメートポンプで昇圧されて、再度反応器に供給され、尿素の製造に用いられる。

このように、尿素合成プラントにおけるアンモニアポンプまたはカーバメートポンプとして上述の立形ポンプ４を採用することで、機器設置スペースを削減可能であるとともに、インペラの段数を増やすことで高い吐出圧を確保しつつ、ポンプの回転数を低減可能となる。このようにポンプの回転数を下げることで、初段インペラ７Ａにおけるキャビテーションを抑制することができる。また、機器設置面ＧＬよりも下方に初段インペラ７Ａが位置するように立形ポンプ４を配置することで、タンク２の高さを低減しながら、タンク２と立形ポンプ４とのヘッド差を十分に確保して初段インペラ７Ａにおけるキャビテーションを抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

本明細書において、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
また、本明細書において、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

１ 液体昇圧装置
２ タンク
３ 凹部
４ 立形ポンプ
５ 吸込口
６ 吐出口
７ インペラ
７Ａ 初段インペラ
７Ｂ 最終段インペラ
８ かさ歯車
１０ 回転シャフト
１２Ａ，１２Ｂ モータ
１３Ａ，１３Ｂ 出力軸
１８ 外部ケーシング
１８ａ フランジ部
２０ 中間ケーシング
２１ インロー構造
２２Ａ 第１セクション
２２Ｂ 第２セクション
２４ 締結用セクション
２４ａ フランジ部
２６ 吸込みベルセクション
２６ａ フランジ部
２６ｂ 吸込みベル
２８ ケーシングカバー
２９ ボルト
３０ 第１内部流路
３２ 第２内部流路
３４ 環状流路
３６ 吸込ノズル
３８ 吐出ノズル
４０ 流路
４２ タイボルト
４３ タイボルト
４４ タンデムメカニカルシール
４５Ａ 高圧側シール
４５Ｂ 低圧側シール
４６ シールハウジング部
４８ 低圧室
５０ フラッシング入口流路
５４ 中間室
５６ バランス内部流路
５８ バランス管
６０Ａ，６０Ｂ 固定環
６２Ａ，６２Ｂ 回転環
６４ ポンピングリング
６６ シャフトスリーブ
６７ シールチャンバ
６８ バッファ入口流路
７０ バッファ出口流路
７２ 軸受
７４ 軸受
８０ スラストバランス部
８２ バランススリーブ
８４ バランスブッシュ
ＦＬ 液面レベル
ＧＬ 機器設置面

Claims (9)

1. 機器設置面に設置され、前記機器設置面よりも上方に液面レベルが位置するように液体を貯留するためのタンクと、
   前記タンクに接続される吸込口、鉛直方向に沿って配列された複数段のインペラ、および、前記複数段のインペラを通過した前記液体を吐出するための吐出口を含む立形ポンプと、を備え、
   前記複数段のインペラは、前記複数段のインペラのうち最も下方に位置し、前記吸込口からの前記液体が流入するように構成された初段インペラを含み、
   前記初段インペラは、前記機器設置面よりも下方に位置する
   ことを特徴とする液体昇圧装置。
2. 前記立形ポンプは、
   前記機器設置面から掘り下げられて形成された凹部に少なくとも部分的に収容される外部ケーシングと、
   前記複数段のインペラを覆うように前記外部ケーシングの内部に設けられる中間ケーシングと、
   前記外部ケーシングの上端開口を塞ぐように前記外部ケーシングに取り付けられ、前記吸込口および前記吐出口とそれぞれ連通する第１内部流路及び第２内部流路を有するケーシングカバーと、
   を含み、
   前記外部ケーシングと前記中間ケーシングとの間には、前記吸込口及び前記第１内部流路から、最も下方に位置する前記初段インペラへと向かう前記液体の流路が形成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の液体昇圧装置。
3. 水平方向に沿って延在する出力軸を有し、前記立形ポンプを駆動するように構成された第１モータと、
   前記立形ポンプの上方に位置し、前記モータの前記出力軸と前記立形ポンプの回転シャフトとの間に設けられるかさ歯車と、
   をさらに備え、
   前記第１モータは、平面視において、前記立形ポンプと重ならずに前記立形ポンプの側方に位置する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の液体昇圧装置。
4. 鉛直方向に沿って延在する出力軸を有し、前記立形ポンプを駆動するように構成された第２モータをさらに備え、
   前記第２モータの前記出力軸は、前記立形ポンプの回転軸に直結される
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の液体昇圧装置。
5. 前記立形ポンプは、
   前記複数段のインペラを収容するケーシングと、
   前記インペラとともに回転するように構成された回転シャフトと、
   前記ケーシングの前記回転シャフトの貫通部に設けられたタンデムメカニカルシールと、
   を含み、
   前記タンデムメカニカルシールは、
   前記ケーシングに設けられた一対の固定環と、
   前記一対の固定環に対してそれぞれ摺動するように前記回転シャフトとともに回転可能に構成された一対の回転環と、
   前記一対の回転環のうち、前記一対の固定環の間に位置する一方の回転環に設けられたポンピングリングと、
   を含む
   ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の液体昇圧装置。
6. 前記立形ポンプの吐出圧が１０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の液体昇圧装置。
7. 前記複数段のインペラは、１０段以上のインペラを含むことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の液体昇圧装置。
8. 前記立形ポンプは、尿素合成プラントにおける原料アンモニアを昇圧するためのアンモニアポンプ、または、尿素合成プラントにおける中間体のカーバメートを昇圧するためのカーバメートポンプの何れかであることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の液体昇圧装置。
9. 原料アンモニアを昇圧するためのアンモニアポンプと、
   中間体のカーバメートを昇圧するためのカーバメートポンプと、
   前記アンモニアポンプで昇圧されたアンモニア、前記カーバメートポンプで昇圧されたカーバメート、及び、二酸化炭素が供給される反応器と、
   を備え、
   前記アンモニアポンプ又は前記カーバメートポンプの少なくとも一方は、請求項１乃至８の何れか一項に記載の液体昇圧装置の前記立形ポンプである
   ことを特徴とする尿素合成プラント。

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