JP2018203602A - アンモニア増産システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 アンモニア合成ループを備えたアンモニア製造プラントにおいて、既存設備全体を大きく改造する必要がなく、アンモニアの増産に必要な機器や装置を追設することで、容易にアンモニアの増産量を変更可能な、アンモニア増産システム及び方法を提供する。
【解決手段】 本発明のアンモニア増産システム１では、アンモニア合成ループからのパージガスを熱交換器１０で加熱し、この加熱されたパージガスから、直列に配置された複数の反応器２０を用いてアンモニアを合成するとともに、複数の反応器２０の間の中間生成ガスを複数の冷却器３０で冷却し、気液分離器４０にて、複数の反応器２０で最終的に得られた生成ガスからアンモニア４２を分離し、アンモニアを分離したオフガス４１をアンモニア製造プラントのアンモニア回収ユニットに供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アンモニア増産システム及び方法に関する。

アンモニア合成プロセスは、特開昭６１−１０６４０３号公報に記載されているように、例えば天然ガス等を用い、水蒸気改質反応等によって水素と窒素を所定の割合で含む合成ガスを得て、この合成ガスからアンモニア合成ループにてアンモニアを合成している。このアンモニア合成ループでは、反応器でアンモニアを含む生成ガスを得た後、アンモニアを凝縮、回収して未反応の水素と窒素などを含むガス混合物を得て、これを、圧縮機を介して反応器へ戻している。このガス混合物は、水素と窒素の他に、メタン及びアルゴン等の不活性成分を含有するので、アンモニア合成ループ内に不活性物質が過度に蓄積するのを避けるために、アンモニア合成ループからパージ流が通常抜き出される。これをパージガスという。パージガスは通常、アンモニア回収ユニット（ＡＲＵ）で処理され、パージガス中のアンモニアが回収されるとともに、残りのオフガスは、プラント内の燃料系統で直接使用されたりしている。

このようなアンモニア合成ループを用いたアンモニア製造プラントにおいて、アンモニアを更に増産するための試みが数多くなされている。例えば、特開２０００−１４３２３８号公報には、アンモニア合成ループのパージガスを転化して追加的なアンモニアを生成する直立型でシェルアンドチューブ型の等温アンモニア転化器が開示されている。このアンモニア転化器は、垂直に延びるシェル側で加圧水を沸騰させることで、アンモニア転化器内を等温にて操作でき、パージガスをアンモニア転化器に１回通過させるだけで、アンモニアの製造量を大きくすることができることが記載されている。

特開昭６１−１０６４０３号公報 特開２０００−１４３２３８号公報

上述した方法の他にも、アンモニアを増産するためにいくつかの方法が考えられる。例えば、ＡＲＵにおいて、パージガス中のアンモニアが分離されたあとのオフガスは、水素を未だに含有しているので、この水素を回収するＨＲＵ（水素回収ユニット）をＡＲＵの後流に新たに設置し、ここで回収した水素を、アンモニア合成ループに供給する合成ガスに加えて、アンモニア合成反応に再利用することが考えられる。その他にも、アンモニア合成ループの前流の工程である水蒸気改質工程の一次改質の直前に、プレリフォーマ―を設置し、これにより改質容量を増加させることも考えられる。しかし、ＨＲＵをＡＲＵの後流に設置する方法は、合成ガス中で水素が増加するため、不足分の窒素を供給する必要があること、また、水蒸気改質工程における二次改質での空気供給量を増加させる必要があるため二次改質以降の既存設備全体を改造（処理量能力増強のため）する必要があること、といった問題点がある。また、プレリフォーマ―を設置する方法は、天然ガスの処理量の増加に伴って、一次改質以降の既存設備全体を改造（処理量能力増強のため）する必要があること、といった問題点がある。更に、特開２０００−１４３２３８号公報に記載された方法では、運転が複雑化し反応のコントロールが難しいという問題がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑み、アンモニア合成ループを備えたアンモニア製造プラントにおいて、既存設備全体の大幅な改造をする必要がなく、アンモニアの増産に必要な機器や装置を追設することで、容易にアンモニアの増産量を変更可能な、アンモニア増産システム及び方法を提供することを目的とする。

本発明は、その一態様として、アンモニア製造プラントからパージされるパージガスを使用してアンモニアをさらに製造するために、前記アンモニア製造プラントに追設されるアンモニア増産システムであって、前記パージガスを加熱する熱交換器と、前記熱交換器で加熱されたパージガスからアンモニアを合成する直列に配置された複数の反応手段と、前記複数の反応手段の間の中間生成ガスを冷却する冷却手段と、前記複数の反応手段で得られた生成ガスからアンモニアを分離する気液分離器とを備え、前記気液分離器で前記アンモニアを分離したオフガスが、前記アンモニア製造プラントのアンモニア回収ユニットへ供給される構成となっている。

前記複数の反応手段は、それぞれ別個の反応器としても、これら全部を一つの反応塔としても、又は一部を一つの反応塔として残りを一つ又は複数の反応器としてもよい。

前記中間冷却手段は、前記中間生成ガスと冷却材との間で熱交換を行う熱交換器としても、前記中間生成ガスを冷却材と混合する混合器としても、又はこれらの組み合わせ（例えば、前記中間冷却手段が複数の場合、そのうちの一部（例えば複数の反応器の間に配置される中間冷却手段）を前記熱交換器とし、その他（例えば一つの反応塔内の複数の反応手段の間に配置される中間冷却手段）を前記混合器とする）としてもよい。前記熱交換器に使用する冷却材は、水、空気、前記パージガスの一部、循環冷媒、又はこれらの組み合わせとしてもよい。前記混合器の冷却材には、前記パージガスの一部を使用する。

本発明のアンモニア増産システムは、前記冷却材を予熱する予熱手段を更に備えてもよい。前記予熱手段は、前記冷却材と、前記中間生成ガス若しくは前記生成ガスとの間で熱交換する熱交換器としてもよいし、又は前記冷却材を前記加熱されたパージガスの一部と混合する混合器としてもよい。

本発明のアンモニア増産システムは、前記オフガスの一部を前記熱交換器に供給する循環ラインを更に備えてもよい。

本発明のアンモニア増産システムは、前記複数の反応手段の各出口に、前記中間生成ガス又は前記生成ガスのアンモニア濃度および温度を測定する測定器と、前記測定器で測定されたアンモニア濃度および温度の測定値から、前記複数の反応手段におけるアンモニアの合成の反応を制御する制御装置とを更に備えてもよい。

本発明のアンモニア増産システムは、前記生成ガスを除塵する除塵装置を更に備えてもよい。

更に、前記中間冷却手段が、前記中間生成ガスを冷却材と混合する混合器である場合、前記混合器は、前記中間生成ガス中に前記冷却材を噴出する複数の分散ノズルを備えてもよいし、前記中間生成ガス中に前記冷却材の旋回流が発生するように配置された噴射ノズルを備えてもよいし、又は前記中間生成ガスの流路に充填された分散媒体を備えてもよい。前記複数の分散ノズルは、前記中間生成ガスの流路に配置された前記冷却材の複数の配管に間隔を空けて設けてもよいし、又は前記中間生成ガスの流路に配置された前記冷却材の配管の先端部分に設けてもよい。

本発明は、別の態様として、アンモニア製造プラントからパージされるパージガスを使用してアンモニアをさらに製造するためのアンモニア増産方法であって、前記パージガスを加熱するステップと、直列に配置された複数の反応手段を用いて、前記加熱されたパージガスから前記アンモニアを合成するステップと、前記複数の反応手段の間の中間生成ガスを冷却するステップと、前記複数の反応手段で得られた生成ガスからアンモニアを分離するステップと、前記分離ステップで前記アンモニアを分離したオフガスを、前記アンモニア製造プラントのアンモニア回収ユニットに供給するステップとを含むものである。

前記冷却ステップは、前記中間生成ガスと冷却材との間で熱交換を行い冷却すること、前記中間生成ガスを冷却材と混合して冷却すること、又はこれらの組み合わせ（例えば、前記冷却ステップが複数回行われる場合、そのうちの一部を前記熱交換とし、その他を前記混合器とする）を含んでもよい。前記熱交換器に使用する冷却材は、水、空気、前記パージガスの一部、循環冷媒、又はこれらの組み合わせとしてもよい。前記混合器の冷却材には、前記パージガスの一部を使用する。

本発明に係るアンモニア増産方法は、前記冷却材を予熱する予熱ステップを更に含んでよい。前記予熱ステップは、前記冷却材と、前記中間生成ガス若しくは前記生成ガスとの間で熱交換して予熱することを含んでよいし、又は前記冷却材を前記加熱されたパージガスの一部と混合して予熱することを含んでもよい。

本発明に係るアンモニア増産方法は、前記オフガスの一部を前記熱交換器に供給する循環ステップを更に含んでもよい。

本発明に係るアンモニア増産方法は、前記複数の反応手段の各出口で、前記中間生成ガス又は前記生成ガスのアンモニア濃度および温度を測定するステップと、前記測定されたアンモニア濃度および温度の測定値から、前記複数の反応手段におけるアンモニアの合成の反応を制御するステップとを更に含んでもよい。

本発明に係るアンモニア増産方法は、前記生成ガスを除塵するステップを更に含んでもよい。

前記冷却ステップが、前記中間生成ガスを冷却材と混合して冷却することを含む場合、前記混合は、前記中間生成ガス中に前記冷却材を複数の分散ノズルから噴出することを含んでもよいし、前記中間生成ガス中に前記冷却材の旋回流が発生するように噴射することを含んでもよいし、又は分散媒体が充填された前記中間生成ガスの流路に前記中間生成ガスと前記冷却材とを流通させることを含んでもよい。

本発明によれば、本来、アンモニア製造プラントのアンモニア合成ループからパージして、ＡＲＵで処理されるはずのパージガスを利用し、このパージガスを加熱した後、直列に配置された複数の反応手段を用いて、アンモニアを合成するとともに、これら複数の反応手段の間の中間生成ガスを冷却し、複数の反応手段で得られた最終的な生成ガスからアンモニアを分離し、このアンモニアを分離したオフガスを、ＡＲＵ処理するという構成にしたことから、アンモニア製造プラントのアンモニア合成ループまでの既存プロセスを大きく改造する必要がなく、上記のアンモニアの増産に必要な複数の反応手段などの機器や装置を追設することで、容易にアンモニアの増産量を変更可能な、アンモニア増産システム及び方法を提供することができる。

本発明に係るアンモニア増産システムの一実施の形態である、中間冷却タイプのアンモニア増産システムを示す模式図である。 本発明に係るアンモニア増産システムの一実施の形態である、クエンチタイプのアンモニア増産システムを示す模式図である。 本発明に係るアンモニア増産システムの一実施の形態である、中間冷却タイプとクエンチタイプを組み合わせたアンモニア増産システムを示す模式図である。 本発明に係るアンモニア増産システムの一実施の形態である、中間冷却タイプであって循環ループを使用したアンモニア増産システムを示す模式図である。 本発明に係るアンモニア増産システムの一実施の形態である、冷却器にクエンチ用のパージガスを使用し中間冷却タイプとクエンチタイプを組み合わせたアンモニア増産システムを示す模式図である。 本発明に係るアンモニア増産システムの一実施の形態である、冷媒循環型のクエンチタイプのアンモニア増産システムを示す模式図である。 本発明に係るアンモニア増産システムの一実施の形態である、予熱器を備えるクエンチタイプのアンモニア増産システムを示す模式図である。 本発明に係るアンモニア増産システムの一実施の形態である、中間冷却タイプと予熱器を備えるクエンチタイプを組み合わせたアンモニア増産システムを示す模式図である。 本発明に係るアンモニア増産システムの一実施の形態である、高温ガス混合式のクエンチタイプのアンモニア増産システムを示す模式図である。 本発明に係るアンモニア増産システムの一実施の形態である、中間冷却タイプと高温ガス混合式のクエンチタイプを組み合わせたアンモニア増産システムを示す模式図である。 本発明に係るアンモニア増産システムの一実施の形態である、別の予熱器を備えるクエンチタイプのアンモニア増産システムを示す模式図である。 本発明に係るアンモニア増産システムの一実施の形態である、中間冷却タイプと別の予熱器を備えるクエンチタイプを組み合わせたアンモニア増産システムを示す模式図である。 本発明に係るアンモニア増産システムの一実施の形態である、センサーを設置したクエンチタイプのアンモニア増産システムを示す模式図である。 本発明に係るアンモニア増産システムの一実施の形態である、センサーを設置した冷媒循環型のクエンチタイプのアンモニア増産システムを示す模式図である。 本発明に係るアンモニア増産システムの一実施の形態である、除塵装置を備えたアンモニア増産システムを示す模式図である。 本発明に係るアンモニア増産システムで用いる中間生成ガスをパージガスと混合して冷却する混合器について、その混合器の一実施形態を模式的に示す平面図である。 図１６に示す混合器の一部を模式的に示す斜視図である。 本発明に係るアンモニア増産システムで用いる中間生成ガスをパージガスと混合して冷却する混合器について、その混合器の別の実施形態を模式的に示す側面図である。 図１８に示す混合器の使用形態を示す平面図である。 本発明に係るアンモニア増産システムで用いる中間生成ガスをパージガスと混合して冷却する混合器について、その混合器の更に別の実施形態を模式的に示す平面図である。 本発明に係るアンモニア増産システムで用いる中間生成ガスをパージガスと混合して冷却する混合器について、その混合器の異なる実施形態を模式的に示す側面図である。 本発明に係るアンモニア増産システムが追設されたアンモニア製造プラントを示す模式図である。 アンモニア合成反応と冷却を複数回繰り返す場合における反応器内の操作温度とアンモニア濃度の関係の一例を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明に係るアンモニア増産システムおよび方法の実施の形態について説明する。

図１に示すように、本実施の形態であるアンモニア増産システム１Ａは、パージガスを加熱する熱交換器１０と、熱交換器１０で加熱されたパージガスからアンモニアを合成する複数の反応器２０と、複数の反応器２０の間の中間生成ガスを冷却する複数の冷却器３０と、複数の反応器２０で最終的に得られた生成ガスからアンモニアを分離する気液分離器４０とを備える。図中、複数の反応器２０として、第１反応器２０ａ、第２反応器２０ｂ、第３反応器２０ｃが順に直列に配置されているが、反応器の数は特にこれに限定されるものではない。また、複数の冷却器３０として、第１冷却器３０ａ、第２冷却器３０ｂが配置されているが、反応器と同様に特にこのような数に限定されるものではない。このアンモニア増産システム１は、図２２に示すアンモニア製造プラント２２０において、アンモニア合成ループ２３０と、アンモニア合成ループ２３０からパージされるパージガス中のアンモニアを回収するアンモニア回収ユニット（ＡＲＵ）２２８との間に設置される。

先ず、アンモニア製造プラント２２０について簡単に説明すると、このアンモニア製造プラント２２０では、天然ガスが、水蒸気改質装置（一次改質、二次改質を含む）２２１、一酸化炭素転化装置２２２、及び二酸化炭素除去装置・一酸化炭素除去装置２２３等を経て水素及び窒素を所定の割合で含む合成ガスを得て、これをアンモニア合成ループ２３０にてアンモニア合成する。

なお、本明細書において、天然ガスとは、ガス田から産出される天然ガスのみならず、油田から石油に随伴して産出される随伴ガスや、シェールガス等の非在来型天然ガスを広く含むものである。原料ガスとしての天然ガスには、製品ガスとしての天然ガスの主成分であるメタンの他、Ｃ２以上の炭化水素が含まれている。

アンモニア合成ループ２３０では、水素及び窒素を所定の割合で含む合成ガスをアンモニア合成塔２３１に導入し、触媒存在下で反応させアンモニアを得る。ここで得られたアンモニア含有ガスは、複数の冷却器を備える冷却システム２３２へ送られ、冷却された後、気液分離器２３３よりライン２３４を経て液体アンモニアが得られる。液体アンモニアから分離されたオフガスは、オフガス戻しライン２３５を介して、アンモニア合成塔２３１に戻され、オフガスに含まれる未反応の水素及び窒素をアンモニア合成反応に再利用される。オフガス戻しライン２３５は、オフガスが冷却システム２３２の一部の冷却器の冷媒として利用されるように構成されており、例えば、アンモニア含有ガスを約１０℃に下げる冷却器２３２ｃの冷媒として利用された後、圧縮機２３６で加圧し、アンモニア含有ガスの流れ方向に対して前記冷却器２３２ｃの上流側に隣接する冷却器２３２ｂの冷媒として利用される。

一方で、アンモニア合成ループ２３０を循環するガス中には、未反応の水素、窒素や、生成するアンモニアの他、メタン及びアルゴン等の不活性成分が蓄積することから、パージガスライン２２５を介して、循環するガスの一部をパージする。このパージガスは、パージガスライン２２５に設けた冷却器２２６で冷却された後、気液分離器２２７で液体アンモニアを分離した後、アンモニア増産システム１へ送られる。そして、詳しくは後述するが、本発明のアンモニア増産方法が実施された後、オフガスがＡＲＵ２２８に送られる。なお、パージガスライン１１は、図中、冷却システム２３２の後流位置に設けられているが、特にこの位置に限定されない。また、合成ガスの供給ライン２２４も同様の位置に設けられているが、特にこの位置に限定されない。

アンモニア増産システム１は、アンモニア合成ループ２３０とＡＲＵ２２８との間に設けられることが特に好ましいが、前述のようにアンモニア増産システム１はアンモニア製造プロセス中に様々な箇所に適宜に設置又は離脱することが可能であるため、必要に応じてアンモニア合成ループ２３０とＡＲＵ２２８との間以外の箇所に設けることもできる。アンモニア増産システム１を、本実施形態のようにアンモニア合成ループ２３０とＡＲＵ２２８との間に設けることで、既存設備の改造部分が極めて少なくでき、追設工事中の製品生産量に与える影響を抑えることができ、製造状況に臨機応変に、継続的かつ低コストで、運転することが可能となる。また、この位置への設置は、アンモニア合成に必要な高圧条件を保持でき、アンモニア増産システムで分離収集できなかったアンモニアは後流の既存のＡＲＵで補足されるため、完全な分離収集を行う必要がないといった利点もある。

次に、図１に示すアンモニア増産システム１の構成について説明する。パージガスを加熱する熱交換器１０には、アンモニア合成ループ２３０からパージガスが送られてくるパージガスライン１１と、熱交換されたパージガスを第１反応器２０ａへ送るためのライン１２と、直列に配置された複数の反応器２０ａ、２０ｂ、２０ｃで順次反応して最終的に得られた生成ガスを熱交換器１０へその熱源として送るためのライン１７と、熱交換により冷却された生成ガスを気液分離器４０へ送るためのライン１８が設けられている。このライン１８には、生成ガスを更に冷却する冷却器５０が設けられている。

複数の反応器２０は、上述したように、第１反応器２０ａ、第２反応器２０ｂ、及び第３反応器２０ｃが直列に配置されており、複数の反応器２０の間に、つまり第１反応器２０ａと第２反応器２０ｂの間及び第２反応器２０ｂと第３反応器２０ｃの間に、それぞれ冷却器３０ａ及び冷却器３０ｂが設けられている（本発明では、このような配置を、「中間冷却タイプ」と呼ぶ）。また、第１反応器２０ａには、加熱されたパージガスが供給されるライン１２と、第１反応器２０ａで得られた中間生成ガスを第１冷却器３０ａに送るためのライン１３とが設けられている。第２反応器２０ｂには、第１冷却器３０ａで冷却された中間生成ガスを第２反応器２０ｂに送るためのライン１４と、第２反応器２０ｂで得られた中間生成ガスを第２冷却器３０ｂに送るためのライン１５とが設けられている。第３反応器２０ｃには、第２冷却器３０ｂで冷却された中間生成ガスを第３反応器２０ｃに送るためのライン１６と、第３反応器２０ｃで得られた最終的な生成ガスを熱交換器１０へ送るライン１７とが設けられている。

反応器２０には、水素および窒素からアンモニアを合成する反応を促進するアンモニア合成触媒が充填されており、分散供給されたパージガス中の有効成分が効率的に反応するようにしている。その他、反応器の種類については、気体同士の反応が進行するものであればよく、特に限定されない。例えば、各反応器２０は、内部が複数の段に分かれていてもよく、それぞれの段にアンモニア合成触媒が充填されていてもよい。

アンモニア合成触媒としては、特に制約は無く、鉄系触媒やルテニウム系触媒などを用いることができる。

複数の冷却器３０は、複数の反応器２０のアンモニア合成反応が発熱反応であることから、温度が上昇した中間生成ガスを次の反応器に供給するために、適切な温度に冷却するものである。冷却器５０は、次工程である気液分離器４０のためにアンモニアが液化するまで冷却するものである。なお、冷却器５０は、所望の温度に調節するために複数台設けることができる。冷却器３０に用いる冷却材としては、メタノール、エチレングリコール、アンモニア等の有機冷媒、ハイドロフルオロカーボン等の代替フロン系の溶媒、空気、またはボイラ水等の水が挙げられる。冷却器５０も、必要により、水以外の上述の冷却材を使用してもよい。

気液分離器４０には、冷却器５０で冷却された生成ガスのライン１９と、気液分離して得られた液体アンモニアのライン４２と、気液分離して得られた液体アンモニア以外のガスをＡＲＵ２２８に送るためのライン４１とが設けられている。気液分離器４０は、生成ガス中のアンモニアよりも低い沸点を有するガス成分（水素、窒素、メタン、不活性成分）を液体アンモニアから分離できる構成を有するものであれば、特に限定されない。

このような構成によれば、先ず、アンモニア製造プラント２２０のアンモニア合成ループ２３０からパージされたパージガスを、パージガスライン１１から熱交換器に供給し、複数の反応器２０で最終的に得られた生成ガスで、所定の温度まで加熱する。このように加熱されたパージガスを第１反応器２０ａに供給してアンモニア合成反応を行う。第１反応器２０ａで得られた中間生成ガスは、発熱反応によって温度が上昇しているため、第１冷却器３０ａで再び所定の温度まで冷却する。冷却された中間生成ガスは多くの水素および窒素を含んでいるので、第２反応器２０ｂに供給して再びアンモニア合成反応を行う。第２反応器２０ｂで得られた中間生成ガスも、発熱反応によって温度が上昇しているため、第２冷却器３０ｂで再び所定の温度まで冷却する。冷却された中間生成ガスは依然として多くの水素および窒素を含んでいるので、第３反応器２０ｃに供給して再びアンモニア合成反応を行う。このようにアンモニア合成反応と冷却を繰り返し、パージガスに含まれる水素および窒素からアンモニアを合成する。最終的に得られた生成ガスは、冷却器５０で所定の温度まで冷却し、気液分離器４０にて、液体アンモニアとガスに分離する。アンモニア製造プラント２２０に加えて、このアンモニア増産システム１で追加のアンモニアを合成することができる結果、アンモニア増産が達成される。液体アンモニアが分離されたガスは、ライン４１を経てＡＲＵ２２８に送り、従来と同様に処理される。

熱交換器１０では、温度の低いパージガスと非常に高温の生成ガスを熱交換するため、システム全体で非常にエネルギー効率良く、パージガスをアンモニア合成反応に適した温度に加熱することができる。

複数の反応器２０を直列に設置することで、反応器の数の増減は比較的容易に行えるため、アンモニアの増産率を調節することができる。また、直立型の等温アンモニア転化器を１塔設ける従来技術では、運転が複雑化し反応のコントロールが比較的に困難であるが、本実施の形態のように、直列に配置された複数の反応器２０の間に中間生成ガスを冷却する複数の冷却器３０を設置することで、各反応器２０ａ〜２０ｃのアンモニア合成反応の温度制御や、各冷却器３０ａ、３０ｂの冷却温度の制御が容易となり、これによってパージガスから効率良くアンモニア合成、回収することができる。

複数の反応器２０と複数の冷却器３０によって、水素と窒素からアンモニアを合成する反応における、反応器内の操作温度とアンモニア濃度の関係の一例を図２３に示す。この反応は平衡反応であり、図２３中の実線は平衡線、波線はパージガスが第１から第３反応器２０ａ〜２０ｃまでのプロセスを経る場合の操作温度及びアンモニア濃度の変化を示す。

図２３の平衡線に示すように温度が高いほど平衡に達するアンモニア濃度が低くなるため、第１反応器２０ａで得られた高温の中間生成ガスＢを、第１冷却器３０ａで冷却する。この際、中間生成ガスのアンモニア濃度は、Ｃまで冷却しても、低下しない。そして、この中間生成ガスＣを第２反応器２０ｂで反応させ、得られた高温の中間生成ガスＤを第２冷却器３０ｂで冷却する。この際、上述したように、中間生成ガスを再びＥまで冷却しても、アンモニア濃度は低下しない。よって、この中間生成ガスを第３反応器２０ｃでＦまで反応させ、アンモニア濃度が例えば約２０％と高濃度となるまで、アンモニアを更に合成することができる。このように反応と冷却を繰り返すことで、パージガスからアンモニアを効率的に高い濃度まで合成することができる。なお、図２３に示すように、ガス中のアンモニア濃度が高くなると平衡の温度が低くなるため、このような繰り返しには限界がある。複数の反応器２０の反応器の数は、２以上が好ましく、３以上がより好ましい。反応器の数の上限は一般には設備コストとの関係から制約される。また、中間生成ガスを冷却してどれくらいまで温度を下げるかについては、反応の活性の程度、反応速度、反応時間、製造コスト、生産量等によって適宜変更することができる。

図２に示す実施の形態について説明する。なお、図１に示す実施の形態と同様の構成については同じ符号を付し、その構成および作用についての詳しい説明は省略する。

本実施の形態アンモニア増産システム１Ｂは、図１の複数の反応器２０の替りに、複数の反応部７１が直列的に配置された１つの反応塔７０が設けられている。また、図１の複数の冷却器３０の替りに、反応塔７０の複数の反応部７１の間に配置された複数の混合器７２が設けられている。複数の反応部７１は、反応塔７０の塔頂部から塔底部へ向かって順に、第１反応部７１ａ、第２反応部７１ｂ、第３反応部７１ｃが配置されている。反応塔７０にパージガスを供給するライン１２は、反応塔７０の塔頂部に設けられている。また、反応塔７０で最終的に得られる生成ガスを冷却器５０に送るライン１７は、反応塔７０の塔底部に設けられている。アンモニア合成ループ２３０からのパージガスライン１１は、パージガスの一部を熱交換器１０へ送るライン２１と、パージガスの一部を反応塔７０の混合器７２へ送るクエンチライン２６とに分岐している。そして、反応塔７０の複数の混合器７２には、パージガスの一部を第１混合器７２ａ、第２混合器７２ｂにそれぞれ送るクエンチライン２６ａ、２６ｂが設けられている（本発明では、このような構成を「クエンチタイプ」と呼ぶ）。なお、反応塔７０内の複数の反応部７１および複数の混合器７２の段数、及びそれに対応したライン２６の支管の設置数は、図１の中間冷却タイプと同様に適宜変更することができる。

反応塔７０内の複数の反応部７１は、図１の実施の形態の反応器２０と同様にアンモニア合成反応を促進する金属触媒が充填されている。

このような構成によれば、先ず、パージガスライン１１からの低温のパージガスを、熱交換器１０で加熱した後、ライン１２を経て反応塔７０の塔頂部から第１反応部７１ａに供給する。第１反応部７１ａでアンモニア合成反応を行って得られた中間生成ガスは、発熱反応によって温度が上昇しているため、第１混合器７２ａで、クエンチライン２６ａからの低温のパージガスを混合することで、所定の温度に冷却する。この中間生成ガスとパージガスの混合ガスは、第２反応部７１ｂでアンモニア合成反応を行う。発熱反応によって温度が上昇した中間生成ガスは、第２混合器７２ｂでクエンチライン２６ｂからの低温のパージガスを混合することで、再び所定の温度に冷却する。そして、第３反応部７１ｃでアンモニア合成反応を行い、最終的に得られた生成ガスは、反応塔７０の塔底部からライン１７を経て冷却器５０、気液分離器４０に送り、液体アンモニアを得ることで、アンモニア増産が達成される。図１の中間冷却タイプでは熱交換器である冷却器３０で冷却材として、水などの冷媒を別途使用しなければならなかったが、本実施の形態のクエンチタイプでは、冷却材としてパージガスを中間生成ガスに混合して使用することで、冷媒の使用に比べて運転コストを抑えることができる。

図３に示す実施の形態について説明する。なお、図１、図２に示す実施の形態と同様の構成については同じ符号を付し、その構成および作用についての詳しい説明は省略する。

本実施の形態では、図１の中間冷却タイプと図２のクエンチタイプを組み合わせたアンモニア増産システム１Ｃを説明する。すなわち、第１反応塔７０ａと第２反応塔７０ｂが直列に配置されている。第１反応塔７０ａには第１反応部７１ａと第２反応部７１ｂが塔頂部から塔底部に向かって順に配置され、第２反応塔７０ｂには第３反応部７１ｃと第４反応部７１ｄが塔頂部から塔底部に向かって順に配置されている。第１反応塔７０ａ内の第１反応部７１ａと第２反応部７１ｂとの間に第１混合器７２ａが配置され、第１反応塔７０ａと第２反応塔との間には冷却器３０ｃが配置され、第２反応塔７０ｂの第３反応部７１ｃと第４反応部７１ｄとの間に第２混合器７２ｃが配置されている。また、第１混合器７２ａ、第２混合器７２ｃには、中間生成ガスに混合して冷却するためのパージガスのライン２６ａ、２６ｃがそれぞれ設けられている。なお、複数の反応塔７０、複数の反応部７１、複数の混合器７２、冷却器３０、及びそれに対応したライン２６の設置数は、図１の中間冷却タイプと同様に適宜変更することができる。

このような構成によれば、先ず、パージガスライン１１からの低温のパージガスを、熱交換器１０で加熱した後、ライン１２を経て第１反応塔７０ａの塔頂部から第１反応部７１ａに供給する。第１反応部７１ａでアンモニア合成反応を行って得られた高温の中間生成ガスは、第１混合器７２ａで、クエンチライン２６ａからの低温のパージガスを混合することで、所定の温度に冷却する。この中間生成ガスとパージガスの混合ガスは、第２反応部７１ｂでアンモニア合成反応を行い、高温の中間生成ガスは、ライン１３を経て冷却器３０ｃで冷却材との熱交換により所定の温度に冷却し、ライン１４を経て第２反応塔７０ｂに供給する。そして、第３反応部７１ｃでアンモニア合成反応を行って得られた高温の中間生成ガスは、第２混合器７２ｃでクエンチライン２６ｃからの低温のパージガスを混合することで、再び所定の温度に冷却する。そして、第４反応部７１ｄでアンモニア合成反応を行い、最終的に得られた生成ガスは、第２反応塔７０ｂの塔底部からライン１７を経て冷却器５０、気液分離器４０に送り、液体アンモニアを得ることで、アンモニア増産が達成される。このように、別途冷却材を用いる冷却器３０及びパージガスとの混合で冷却する混合器７２を併用することで、反応プロセス中の中間生成ガスの温度の調整がよりしやすくなるため、更に効率的にアンモニアを増産することができる。

図４に示す実施の形態について説明する。なお、図１に示す実施の形態と同様の構成については同じ符号を付し、その構成および作用についての詳しい説明は省略する。

本実施の形態では、図１に示す実施の形態の中間冷却タイプのアンモニア増産システム１に、循環ループ４４を設置した形態を説明する。気液分離器４０には、分離した液体アンモニアのライン４２と、液体アンモニアが分離されたガスのライン４１が設けられている。後者のライン４１は、アンモニアを更に回収するためにＡＲＵ２２８に接続されているが、このライン４１に、当該ガスの一部をパージガスライン１１に送る循環ループ４４が設けられている。この循環ループ４４は、ライン４１を流れるガスの一部を取り出すライン４５と、ガスを圧縮する圧縮機４７と、圧縮されたガスをパージガスライン１１へ送るライン４６とを備えている。

圧縮機４７は、対象ガスをパージガスラインの受入圧力にまで昇圧することができる性能を有することが好ましい。

このような構成によれば、気液分離器４０で液体アンモニアが分離されたガスは、ライン４５によりその一部を圧縮機４７に送り、ここで再圧縮した後に、ライン４６を経てパージガスライン１１へと送る。そして、複数の反応器２０にパージガスとともにアンモニア合成反応に使用する。このようにガスを循環させることにより、液体アンモニアが分離されたガスに依然として残る未反応の水素および窒素を再度、アンモニア合成反応に利用できるので、複数の反応器２０に１度通過させる場合と比べ、更に効率的にアンモニアを増産することができる。循環させるガスの割合は、特に制約はなく、運転コストやアンモニア増産率などから適宜決定することができる。また、図２に示す形態に適宜変更することができる。

また、このような循環ループ４４により、図１に示す実施の形態を複数システム直列に設置するよりも機器点数を少なくすることができるため、アンモニア増産システム１Ｄを設置するための費用が抑えられる。

図５に示す実施の形態について説明する。なお、図３に示す実施の形態と同様の構成については同じ符号を付し、その構成および作用についての詳しい説明は省略する。

本実施の形態では、中間冷却用の冷却器３０ｃの代わりに、パージガスを冷却材として用いる冷却器３０ｄを設置したアンモニア増産システム１Ｅを説明する。この冷却器３０ｄには、アンモニア合成ループ２３０からの低温のパージガスの一部を冷却器３０ｄに供給するクエンチライン２６ｄと、冷却器３０ｄで加熱されたパージガスをライン２１へ送るライン２１ｄとが設けられている。

このような構成によれば、第１反応塔７０ａからの中間生成ガスが、冷却器３０ｄで低温のパージガスと熱交換することにより、所定の温度まで下げてから次の第２反応塔７０ｂへ供給する。一方、冷却器３０ｄで温度が上がったパージガスは、ライン２１ｄ、２１を経て熱交換器１０へ供給する。このように図３の冷却器３０ｃの代わりに、パージガスの一部を冷却材として用いる冷却器３０ｄを使用することで、別途中間冷却用の冷却材を使用せず、アンモニア増産できる。つまり、中間冷却用の冷媒が不要になった分、運転コストを削減することができる。また、冷却器３０ｄで温度が上がったパージガスを、熱交換器１０に送ることで再度反応に利用することができるため、熱効率が良い。

図６に示す実施の形態について説明する。なお、図２に示す実施の形態と同様の構成については同じ符号を付し、その構成および作用についての詳しい説明は省略する。

本実施の形態では、図２に示す実施の形態の熱交換器１０に代えて、ライン１１からのパージガスを、後述する循環する冷却材と熱交換して加熱する熱交換器１０ｆを設置したアンモニア増産システム１Ｆを説明する。反応塔７０ｆの内部には、第１、第２、第３の各反応部７１ａ、７１ｂ、７１ｃの後流側に中間生成ガスを冷却材と熱交換して冷却する第１、第２、第３の各冷却器６０ａ、６０ｂ、６０ｃが設置されている。そして、これら第１、第２、第３冷却器６０ａ、６０ｂ、６０ｃには、熱交換器１０ｆでパージガスにより冷却された冷却材をそれぞれに供給し、冷却器６０で温度が上がった各冷却材を再び熱交換器１０ｆに戻す循環ライン６５が設けられている。また反応塔７０ｆには、熱交換器１０ｆで加熱されたパージガスが供給されるライン１２ｆと、生成ガスを冷却器５０、気液分離器４０を送るライン１７ｆが設けられている。

循環ライン６５を流れる冷却材は、反応塔７０ｆの中間生成ガスに対しては冷媒として、反応塔７０ｆへ供給するパージガスに対しては熱媒として作用するものが好ましいが、特に限定されない。

このような構成によれば、パージガスライン１１からのパージガスを、熱交換器１０ｆで冷却材により加熱した後、ライン１２ｆを介して反応塔７０ｆの塔頂部へ供給する。反応塔７０ｆ内では、第１反応部７１ａでアンモニア合成反応が行われ、温度が上昇した中間生成ガスが、第１冷却器６０ａにて、熱交換器１０ｆで冷却された冷却材により冷却される。そして、この中間生成ガスが、同様にして第２反応部７１ｂ、第３反応部７１ｃでアンモニア合成反応が行われた後、第２冷却器６０ｂ、第３冷却器６０ｃで冷却材により冷却される。反応塔７０ｆの塔底部から出た生成ガスは、ライン１７ｆを介して冷却器５０、気液分離器４０へと送る。このように循環ライン６５の冷却材が、反応塔７０ｆに対しては冷媒として、反応塔７０ｆに供給されるパージガスに対しては熱媒として作用し、よって、熱効率が更に向上し、製造コストを削減することができる。

図７に示す実施の形態について説明する。なお、図２に示す実施の形態と同様の構成については同じ符号を付し、その構成および作用についての詳しい説明は省略する。

本実施の形態では、図２に示す実施の形態に予熱器８０を新たに設置したアンモニア増産システム１Ｇを説明する。この予熱器８０には、反応塔７０の塔底部からの生成ガスを熱交換器１０へ送るライン１７ｇと、パージガスライン１１からのパージガスの一部を第１及び第２混合器７２ａ、７２ｂへそれぞれ供給するライン２６ｇが設けられており、生成ガスとパージガスとの間で熱交換するように予熱器８０は構成されている。

このような構成によれば、パージガスライン１１の低温のパージガスは、その一部が熱交換器１０を経て反応塔７０に供給されるとともに、別の一部がクエンチライン２６を経て予熱器８０に導入される。予熱器８０では、パージガスは、反応塔７０の塔底部からの生成ガスによって予熱され、その後、クエンチライン２６ｇを経て反応塔７０の第１及び第２混合器７２ａ、７２ｂに導入され、中間生成ガスを冷却するために混合される。これにより、例えば図２では、反応塔７０の内部に低温のパージガスを混合した際、部分的にアンモニアの露点温度以下となる箇所（例えば、反応塔７０内へパージガスを供給するライン２６の供給口付近）が生じ、アンモニアが凝縮した場合に、腐食が進む原因となるが、パージガスを予熱器８０で事前に露点温度以上に間接予熱することによって、これを防ぐことができる。これにより、機器交換、改修の回数が減り、計画的にアンモニアを生産することができる。予熱器８０におけるパージガスの予熱温度の上限は、特に限定されない。

図８に示す実施の形態について説明する。なお、図３、７に示す実施の形態と同様の構成については同じ符号を付し、その構成および作用についての詳しい説明は省略する。

本実施の形態では、図３に示す実施の形態に予熱器８０を新たに設置したアンモニア増産システム１Ｈを説明する。第１及び第２反応塔７０ａ、７０ｂには、それぞれ、第１及び第２混合器７２ａ、７２ｃにパージガスの一部を送るライン２６ｇ、２６ｈが設けられているが、これらクエンチライン２６ｇ、２６ｈには、それぞれ第１及び第２予熱器８０ａ、８０ｂが設けられている。第１反応塔７０ａの塔底部から中間生成ガスを第２反応塔の塔頂部へ送るライン１３ｈには、塔底部と中間冷却用の冷却器３０ｃとの間に第１予熱器８０ａが設けられている。第２反応塔７０ｂから生成ガスを熱交換器１０へ送るライン１７ｈには、第２予熱器８０ｂが設けられている。

このような構成によれば、パージガスライン１１の低温のパージガスは、その一部が熱交換器１０を経て反応塔７０に供給されるとともに、別の一部がクエンチライン２６を経て第１及び第２予熱器８０ａ、８０ｂにそれぞれ導入される。第１予熱器８０ａでは、パージガスは、第１反応塔７０ａの塔底部からの中間生成ガスによって予熱され、その後、クエンチライン２６ｇを経て第１反応塔７０ａの第１混合器７２ａに導入され、中間生成ガスを冷却するために混合される。また、第２予熱器８０ｂでは、パージガスは、第２反応塔７０ｂの塔底部からの生成ガスによって予熱され、その後、クエンチライン２６ｈを経て第２反応塔７０ｂの第２混合器７２ｃに導入され、中間生成ガスを冷却するために混合される。これにより、図７に示す実施形態の作用・効果と同様に、クエンチ用のパージガスをアンモニアの露点温度以上に間接予熱することによって、アンモニアの凝縮による腐食を防ぐことができる。

図９に示す実施の形態について説明する。なお、図２に示す実施の形態と同様の構成については同じ符号を付し、その構成および作用についての詳しい説明は省略する。

本実施の形態では、図２に示す実施の形態において、反応塔７０の混合器７２に供給する低温のパージガスに、熱交換器１０で加熱した高温のパージガスを混合する形態である高温ガス混合式のアンモニア増産システム１Ｉを説明する。熱交換器１０で熱せられたパージガスを反応塔７０に供給するライン１２には、その一部を、パージガスを反応塔７０の混合器７２に供給するクエンチライン２６に混合する予熱用混合ライン９０が設けられている。この予熱用混合ライン９０は、ライン１２からの高温のパージガスを、第１及び第２混合器７２ａ、７２ｂへ低温のパージガスを供給するクエンチライン２６ａ、２６ｂに、それぞれ供給するライン９０ａ、９０ｂに分岐している。

このような構成によれば、パージガスライン１１の低温のパージガスは、その一部が熱交換器１０を経て反応塔７０に供給されるとともに、別の一部がクエンチライン２６ａ、２６ｂを経て反応塔７０の第１及び第２混合器７２ａ、７２ｂに導入されるが、その際、予熱用混合ライン９０を介して熱交換器１０で加熱されたパージガスが混合され、予め加熱される。そのため、図２では、上述したように反応塔７０に低温のパージガスを混合した際、部分的にアンモニアの露点温度以下となる箇所が生じるおそれがあるが、クエンチライン２６から送られてくる低温のパージガスをライン９０からの高温のパージガスと混合し、事前に露点温度以上に予熱することによって、これを防ぐことができる。これにより、機器交換、改修の回数が減り、計画的にアンモニアを生産することができる。

図１０に示す実施の形態について説明する。なお、図３及び図９に示す実施の形態と同様の構成については同じ符号を付し、その構成および作用についての詳しい説明は省略する。

本実施の形態では、図３に示す実施の形態において、第１及び第２反応塔７０ａ、７０ｂの第１及び第２混合器７２ａ、７２ｃに供給する低温のパージガスに、熱交換器１０で加熱した高温のパージガス、第２反応塔７０ｂに供給する中間生成ガスをそれぞれ混合する形態である、高温ガス混合式のアンモニア増産システム１Ｊを説明する。熱交換器１０で熱せられたパージガスを第１反応塔７０ａに供給するライン１２には、その一部を、パージガスを第１反応塔７０ａの第１混合器７２ａに供給するクエンチライン２６ａに混合する予熱用混合ライン９０が設けられている。また、第１反応塔７０ａからの中間生成ガスを中間冷却用の冷却器３０ｃで冷却した後の中間生成ガスのライン１４には、その一部を、パージガスを第２反応塔７０ｂの第２混合器７２ｃに供給するクエンチライン２６ｃに混合するライン９１が設けられている。

このような構成によれば、パージガスライン１１の低温のパージガスは、その一部が熱交換器１０を経て第１反応塔７０ａに供給されるとともに、別の一部がクエンチライン２６ａ、２６ｃを経て第１及び第２反応塔７０ａ、７０ｂの第１及び第２混合器７２ａ、７２ｃに導入されるが、その際、予熱用混合ライン９０を介して熱交換器１０で加熱されたパージガスと、ライン９１を介して冷却された中間生成ガスとがそれぞれ混合され、予め加熱される。図９に示す実施形態の作用・効果と同様に、クエンチ用のパージガスをアンモニアの露点温度以上に予熱することによって、アンモニアの凝縮による腐食を防ぐことができる。これにより、機器交換、改修の回数が減り、計画的にアンモニアを生産することができる。

図１１に示す実施の形態について説明する。なお、図２に示す実施の形態と同様の構成については同じ符号を付し、その構成および作用についての詳しい説明は省略する。

本実施の形態では、図２に示す実施の形態の冷却器５０を、生成ガスとクエンチ用のパージガスとの熱交換器５１に代えたアンモニア増産システム１Ｋを説明する。この熱交換器５１には、反応塔７０で生成し、熱交換器１０で熱交換された後の生成ガスのライン１８と、反応塔７０内の中間生成ガスを冷却するために混合器７２に供給するパージガスのクエンチライン２６とが設けられており、生成ガスとパージガスとの間で熱交換するように熱交換器５１は構成されている。

なお、このような熱交換器５１と、図２の冷却器５０とを両方設けることもでき、その場合、生成ガスの流れ方向に沿って、熱交換器５１、冷却器５０の順に設けてもその逆でもよい。また、冷却器５０は複数設けてもよい等、適宜変更することができる。

このような構成によれば、反応塔７０で生成された生成ガスは、熱交換器１０で熱交換され、冷却された後、ライン１８を経て熱交換器５１に供給され、パージガスライン１１からクエンチライン２６を経て送られてきた低温のパージガスとの熱交換によって更に冷却されてから気液分離器４０に導入される。熱交換器５１で予熱されたパージガスは、クエンチライン２６ａ、２６ｂを経て反応塔７０の第１及び第２混合器７２ａ、７２ｂにそれぞれ供給される。これにより、例えば図２では、上述したように、反応塔７０にクエンチ用のパージガスを混合した際、部分的にアンモニアの露点温度以下となる箇所が生じるおそれがあるが、熱交換器５１にて生成ガスで事前にアンモニアの露点温度以上に予熱することによって、これを防ぐことができる。これにより、機器交換、改修の回数が減り、計画的にアンモニアを生産することができる。

図１２に示す実施の形態について説明する。なお、図３及び図１１に示す実施の形態と同様の構成については同じ符号を付し、その構成および作用についての説明は省略する。

本実施の形態では、図３に示す実施の形態の冷却器５０を、生成ガスとクエンチ用のパージガスとの熱交換器５１に代えたアンモニア増産システム１Ｌを説明する。この熱交換器５１には、第２反応塔７０ｂで生成し、熱交換器１０で熱交換された後の生成ガスのライン１８と、第１及び第２反応塔７０ａ、７０ｂ内の中間生成ガスを冷却するために第１及び第２混合器７２ａ、７２ｃに供給するパージガスのクエンチライン２６とが設けられており、生成ガスとパージガスとの間で熱交換するように熱交換器５１は構成されている。

このような構成によれば、第２反応塔７０ｂで生成された生成ガスは、熱交換器１０で熱交換され、冷却された後、ライン１８を経て熱交換器５１に供給され、パージガスライン１１からクエンチライン２６を経て送られてきた低温のパージガスとの熱交換によって更に冷却されてから気液分離器４０に導入される。熱交換器５１で予熱されたパージガスは、クエンチライン２６ｄ、２６ｅを経て第１及び第２反応塔７０ａ、７０ｂの第１及び第２混合器７２ａ、７２ｃにそれぞれ供給される。これにより、図１１に示す実施形態と同様に、クエンチ用のパージガスをアンモニアの露点温度以上に予熱することによって、アンモニアの凝縮による腐食を防ぐことができる。これにより、機器交換、改修の回数が減り、計画的にアンモニアを生産することができる。

図１３に示す実施の形態について説明する。なお、図２に示す実施の形態と同様の構成については同じ符号を付し、その構成および作用についての詳しい説明は省略する。また、図１、図３に示す形態に適宜変更することができる。

本実施の形態では、図２に示す実施の形態の反応塔７０内の複数の反応部７１の各出口に、アンモニア濃度測定器（ＡＴ）１２０及び温度測定器（ＴＴ）１３０が設けられている。また、ＡＴ１２０及びＴＴ１３０は、制御装置（図示省略）と通信可能に接続されている。この制御装置は、反応塔７０の複数の反応部７１におけるアンモニア合成反応を制御するように構成されている。例えば、制御装置は、測定したアンモニア濃度および温度のデータに基づいて、反応塔７０の塔頂部へ供給するパージガスの流量の増減を調整したり、反応塔７０内の複数の混合器７２へ送る冷却用のパージガスの流量の増減を調整する機能を有している。なお、ガスの流量を調整するバルブ等については図示省略している。

ＡＴ１２０及びＴＴ１３０は、どちらも中間生成ガス中のアンモニア濃度および温度を測定できる機器であれば特に限定されるものではない。例えば、測定端子（図示省略）を反応塔７０内に設け、ＡＴ１２０及びＴＴ１３０とそれぞれ有線または無線の通信ライン１２１及び１３１で、通信可能に接続されている。また、ＡＴ１２０及びＴＴ１３０は、反応塔７０内の複数の反応部７１のうち、一部の出口に設置することもできるし、ＡＴ１２０またはＴＴ１３０のうち、一方だけを反応部７１一部の出口に設置することもできる。

このような構成によれば、反応塔７０の運転中、ＡＴ１２０及びＴＴ１３０によって、オンラインで、複数の反応部７１出口における中間生成ガス中のアンモニア濃度および温度のデータを取得する。これらデータは、制御装置（図示省略）に送られ、複数の反応部７１が、上述した図２３で示すようなアンモニア濃度および温度となるように反応塔７０を制御する。例えば、反応塔７０の塔頂部に供給するパージガスの流量を増減するようにバルブ等（図示省略）の開閉を指示する信号を送ったり、第１及び第２混合器７２ａ、７２ｂへ送る冷却用のパージガスの流量をそれぞれ増減するようにバルブ等（図示省略）の開閉を指示する信号を送る。このように反応温度及びアンモニア濃度を継続して把握できるため、運転条件(温度、流量)を制御(最適化)することができる。また、触媒劣化や反応の進行の程度を把握しやすいため、より計画的にアンモニアを増産することができる。

図１４に示す実施の形態について説明する。なお、図６、１３に示す実施の形態と同様の構成については同じ符号を付し、その構成および作用についての詳しい説明は省略する。

本実施の形態では、図６に示す実施の形態の反応塔７０内の複数の反応部７１の各出口に、図１３と同様に、ＡＴ１２０及びＴＴ１３０が設けられている。そして、これらは制御装置（図示省略）と通信可能に接続されている。この制御装置は、反応塔７０の複数の反応部７１におけるアンモニア合成反応を制御するように構成されており、例えば、制御装置は、測定したアンモニア濃度および温度のデータに基づいて、反応塔７０へ供給するパージガスの流量の増減を調整したり、循環ライン６５における複数の冷却器６０への冷却材の流量の増減を調整する機能を有している。なお、ガス及び冷却材の流量を調整するバルブ等については図示省略している。

このような構成によれば、反応塔７０の運転中、ＡＴ１２０及びＴＴ１３０によって、オンラインで、複数の反応部７１出口における中間生成ガス中のアンモニア濃度および温度のデータを取得する。これらデータは、制御装置（図示省略）に送られ、複数の反応部７１が、上述した図２３で示すようなアンモニア濃度および温度となるように反応塔７０を制御する。例えば、反応塔７０の塔頂部に供給するパージガスの流量を増減するようにバルブ等（図示省略）の開閉を指示する信号を送ったり、循環ライン６５における第１、第２及び第３冷却器６０ａ、６０ｂ、６０ｃへ送る冷却材の流量をそれぞれ増減するようにバルブ等（図示省略）の開閉を指示する信号を送る。これにより図１３に示す実施形態と同様の効果・作用を得ることができる。

図１５に示す実施の形態について説明する。なお、図３に示す実施の形態と同様の構成については同じ符号を付し、その構成および作用についての説明は省略する。また、図１、図２に示す形態に適宜変更することができる。

本実施の形態では、図３に示す構成に加えて、除塵装置９５が設けられている。除塵装置９５は、熱交換器１０で冷却された生成ガスを冷却器５０に送るライン１８に設置されている。

除塵装置９５としては、生成ガス中に含まれる粉塵などの粒子をガスから分離、除去する構成であれば特に限定されるものではなく、例えばバグフィルタ等を使用することができる。

このような構成によれば、反応塔７０でアンモニア合成反応にて得た生成ガスが除塵装置９５に導入されると、反応塔７０から飛散した触媒粉を除塵装置９５で回収することができるため、後段の既存プラント内に設置されているフィルタ負荷を低減することができる。これにより、フィルタ等の機器交換の回数やトラブルの回数が減り、計画的にアンモニア増産を行うことができる。

次に、反応塔７０内に設置される中間生成ガスとパージガスとを混合する混合器７２の具体的な構成について説明する。先ず、パージガスを噴出する複数の分散ノズルが、塔内の中間生成ガスの流路全体にわたって配置されている実施の形態について、図１６、１７を参照して説明する。

図１７は、本実施の形態の混合器１６０の一部である、パージガスを吹き出すための複数の分散ノズル１６２が設けられた供給支管１６１を示す斜視図であり、図１６は、これを複数備えた混合器１６０が反応塔内の中間生成ガス流路７３に設置されている状態を示す平面図である。図１７に示すように、管状の供給支管１６１の長手方向に沿って、複数の分散ノズル１６２が設けられている。供給支管１６１の分散ノズルと反対側に、供給本管１６３が設けられている。図１６に示すように、中間生成ガス流路７３において、ガスの流れ方向に対して垂直方向に、供給本管１６３が延びており、この供給本管１６３に前記の供給支管１６１が複数、平行に配置されている。図１６では、３つの供給支管１６１ａ、１６１ｂ、１６１ｃを示したが、これに限定されず、流路全体に均一に分散ノズル１６２が配置できる数が好ましい。また、図１６に示すように、流路の断面形状が円形の場合、複数の供給支管１６１の長さは、流路の形状に合わせて異なるものである。

複数の供給支管１６１ａ、１６１ｂ、１６１ｃの供給本管１６３への設置間隔は等間隔であっても不規則な間隔であってもよいが、好ましくは等間隔である。また、供給支管１６１における複数の分散ノズル１６２の設置間隔は等間隔であっても不規則な間隔であってもよいが、好ましくは等間隔である。

このような構成によれば、反応塔の中間生成ガス流路７３の内部全体にわたって、多数の分散ノズル１６２からパージガスを、中間生成ガスに対して向流方向に供給することができるため、中間生成ガスと効率よく均等にパージガスを混合することができる。

次に、パージガスを噴出する複数の分散ノズルが、塔内の中間生成ガスの流路の中心部に配置されている実施の形態について、図１８、１９を参照して説明する。

本実施の形態は、中間生成ガスにパージガスを分散させる別の方法である。図１８は、本実施の形態の混合器１８０を示す側面図であり、図１９は、これが反応塔内の中間生成ガス流路７３に設置されている状態を示す平面図である。図１８、図１９に示すように、供給本管１８３はＬ字型の形状をしており、そのＬ字型の一方の先端部に円筒状のパンチングプレート１８１が設置されている。この円筒状のパンチングプレート１８１の中心軸が中間生成ガス流路７３の中心部に位置するように設けられている。

パンチングプレート１８１の全周側面には、分散ノズル１８２が複数配置されており、パージガスがここからのみ中間生成ガス流路７３の内部壁面に向かって半径方向に（図中の分散方向１８７に）噴出される。また、パンチングプレート１８１の先端面である上面１８６は、パージガスが分散ノズル１８２から分散するように塞がれていることが好ましいが、必要に応じて分散ノズルをここに設けてもよい。

このような構成によれば、パンチングプレート１８１に配置された複数の分散ノズル１８２からパージガスを噴出することによって、中間生成ガス流路７３の中心部から側面方向に向かって、３６０度全方向にクエンチ用のパージガスを供給することができるため、効率よく均等にパージガスを中間生成ガスに混合することができる。

更に、中間生成ガス中にパージガスの旋回流を発生させる噴射ノズルの実施の形態について、図２０を参照して説明する。

図２０は、本実施の形態の混合器２００が、反応塔内の中間生成ガス流路７３に設置されている状態を示す平面図である。図２０のように、偏芯ノズル２０１は、中間生成ガス流路７３の中心方向ではなく、流路の内部側面に沿った方向にパージガスを吹き込むように、設置されている。例えば、中間生成ガス流路７３の断面形状が、図のように円形である場合、円の接線方向に偏芯ノズル２０１が延びるように配置されている。

このような構成によれば、偏芯ノズル２０１からパージガスを噴出することによって、中間生成ガス流路７３の内部側面に沿って供給されたパージガスが旋回流を発生させ、効率よく均等にパージガスを中間生成ガスに混合させることができる。

また、中間生成ガス流路に分散媒体を充填させた実施の形態について、図２１を参照して説明する。

本実施の形態は、中間生成ガスにパージガスを分散させる別の方法である。図２１は、本実施の形態の混合器２１０が反応塔内の中間生成ガス流路７３に設置されている状態を示す側面図であり、この混合器２１０は、複数の反応部７１ａ、７１ｂの間の中間生成ガス流路７３において、流路内にパージガスを供給する供給ノズル２１１と、供給ノズル２１１の下方（次の反応部７１ｂ側）に、中間生成ガス流路７３全体にわたって複数の充填剤２１２が充填された分散層２１３とを備えている。

充填剤２１２はパージガスを分散できるものならば、特に限定されないが、好ましくはアルミナボールである。分散層２１３における充填剤２１２を充填する高さは、供給ノズル２１１からのパージガスが流路全体に分散できるだけの高さであるならば、特に限定されない。

このような構成によれば、供給ノズル２１１から供給されたパージガスが中間生成ガス流路全体にわたって充填された充填剤２１２と接触することにより、中間生成ガス流路７３の一部に偏在することを避け、効率よく均等にパージガスを中間生成ガスと混合させることができる。

１ アンモニア増産システム
１０ 熱交換器
１１ パージガスライン
２０ 反応器
２６ クエンチライン
３０ 冷却器
４０ 気液分離器
４１ オフガス
４２ アンモニア
４４ 循環ループ
４７ 圧縮機
５０ 冷却器
５１ 熱交換器
６０ 冷却器
６５ 循環ライン
７０ 反応塔
７１ 反応部
７２ 混合器
７３ 中間生成ガス流路
８０ 予熱器
９０ 予熱用混合ライン
９５ 除塵装置
１２０ アンモニア濃度測定器
１３０ 温度測定器
１６０、１８０、２００、２１０ 混合器
１６２、１８２ 分散ノズル
１８１ パンチングプレート
２０１ 偏芯ノズル
２１２ 充填剤
２２０ アンモニア製造プラント
２２１ 水蒸気改質装置
２２２ 一酸化炭素転化装置
２２３ 二酸化炭素除去装置・一酸化炭素除去装置
２２４ 供給ライン
２２５ パージガスライン
２２６ 冷却器
２２７ 気液分離器
２２８ アンモニア回収ユニット（ＡＲＵ）
２３０ アンモニア合成ループ
２３１ アンモニア合成塔
２３２ 冷却システム
２３３ 気液分離器
２３５ オフガス戻しライン
２３６ 圧縮機

Claims (20)

1. アンモニア製造プラントからパージされるパージガスを使用してアンモニアをさらに製造するために、前記アンモニア製造プラントに追設されるアンモニア増産システムであって、
   前記パージガスを加熱する熱交換器と、
   前記熱交換器で加熱されたパージガスからアンモニアを合成する直列に配置された複数の反応手段と、
   前記複数の反応手段の間の中間生成ガスを冷却する中間冷却手段と、
   前記複数の反応手段で得られた生成ガスからアンモニアを分離する気液分離器と
   を備え、前記気液分離器で前記アンモニアを分離したオフガスが、前記アンモニア製造プラントのアンモニア回収ユニットへ供給される構成である、アンモニア増産システム。
2. 前記複数の反応手段が、それぞれ別個の反応器、一つの反応塔、又はこれらの組み合わせである、請求項１に記載のアンモニア増産システム。
3. 前記中間冷却手段が、前記中間生成ガスと冷却材との間で熱交換を行う熱交換器、前記中間生成ガスを冷却材と混合する混合器、又はこれらの組み合わせである、請求項１に記載のアンモニア増産システム。
4. 前記冷却材が、水、空気、前記パージガスの一部、循環冷媒、又はこれらの組み合わせである、請求項３に記載のアンモニア増産システム。
5. 前記冷却材を予熱する予熱手段を更に備える、請求項１に記載のアンモニア増産システム。
6. 前記予熱手段が、前記冷却材と、前記中間生成ガス若しくは前記生成ガスとの間で熱交換する熱交換器、又は前記冷却材を前記加熱されたパージガスの一部と混合する混合器である、請求項５に記載のアンモニア増産システム。
7. 前記オフガスの一部を前記熱交換器に供給する循環ラインを更に備える、請求項１に記載のアンモニア増産システム。
8. 前記複数の反応手段の各出口に、前記中間生成ガス又は前記生成ガスのアンモニア濃度および温度を測定する測定器と、
   前記測定器で測定されたアンモニア濃度および温度の測定値から、前記複数の反応手段におけるアンモニアの合成の反応を制御する制御装置と
   を更に備える、請求項１に記載のアンモニア増産システム。
9. 前記生成ガスを除塵する除塵装置を更に備える、請求項１に記載のアンモニア増産システム。
10. 前記中間冷却手段が、前記中間生成ガスを冷却材と混合する混合器であり、前記混合器が、前記中間生成ガス中に前記冷却材を噴出する複数の分散ノズル、前記中間生成ガス中に前記冷却材の旋回流が発生するように配置された噴射ノズル、又は前記中間生成ガスの流路に充填された分散媒体を備える、請求項１に記載のアンモニア増産システム。
11. 前記複数の分散ノズルが、前記中間生成ガスの流路に配置された前記冷却材の複数の配管に間隔を空けて設けられている、又は前記中間生成ガスの流路に配置された前記冷却材の配管の先端部分に設けられている、請求項１０に記載のアンモニア増産システム。
12. アンモニア製造プラントからパージされるパージガスを使用してアンモニアをさらに製造するためのアンモニア増産方法であって、
    前記パージガスを加熱するステップと、
    直列に配置された複数の反応手段を用いて、前記加熱されたパージガスからアンモニアを合成するステップと、
    前記複数の反応手段の間の中間生成ガスを冷却するステップと、
    前記複数の反応手段で得られた生成ガスからアンモニアを分離するステップと、
    前記分離ステップで前記アンモニアを分離したオフガスを、前記アンモニア製造プラントのアンモニア回収ユニットに供給するステップと
    を含む、アンモニア増産方法。
13. 前記冷却ステップが、前記中間生成ガスと冷却材との間で熱交換を行い冷却すること、前記中間生成ガスを冷却材と混合して冷却すること、又はこれらの組み合わせを含む、請求項１２に記載のアンモニア増産方法。
14. 前記冷却材が、水、空気、前記パージガスの一部、循環冷媒、又はこれらの組み合わせである、請求項１３に記載のアンモニア増産方法。
15. 前記冷却材を予熱する予熱ステップを更に含む、請求項１２に記載のアンモニア増産方法。
16. 前記予熱ステップが、前記冷却材と、前記中間生成ガス若しくは前記生成ガスとの間で熱交換して予熱すること、又は前記冷却材を前記加熱されたパージガスの一部と混合して予熱することを含む、請求項１５に記載のアンモニア増産方法。
17. 前記オフガスの一部を前記熱交換器に供給する循環ステップを更に含む、請求項１２に記載のアンモニア増産方法。
18. 前記複数の反応手段の各出口で、前記中間生成ガス又は前記生成ガスのアンモニア濃度および温度を測定するステップと、
    前記測定されたアンモニア濃度および温度の測定値から、前記複数の反応手段におけるアンモニアの合成の反応を制御するステップと
    を更に含む、請求項１２に記載のアンモニア増産方法。
19. 前記生成ガスを除塵するステップを更に含む、請求項１２に記載のアンモニア増産方法。
20. 前記冷却ステップが、前記中間生成ガスを冷却材と混合して冷却することを含み、前記混合が、前記中間生成ガス中に前記冷却材を複数の分散ノズルから噴出すること、前記中間生成ガス中に前記冷却材の旋回流が発生するように噴射すること、又は分散媒体が充填された前記中間生成ガスの流路に前記中間生成ガスと前記冷却材とを流通させることを含む、請求項１２に記載のアンモニア増産方法。

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