JP2888709B2 - 化学プラントにおける化学反応容器の交換方法 - Google Patents

化学プラントにおける化学反応容器の交換方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、化学反応プロセスを利
用するプラントにおいて用いられる化学反応容器を交換
するための新たに運転を開始するな方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に工業上使用する化学反応プロセス
では、反応温度がそのプロセスの主要条件となる場合が
多く、通常、常温に比べて高温側での化学反応プロセス
の例が多い。そのような化学反応プロセスに用いられる
化学反応容器群において、その中の一部の化学反応容器
の運転が不調となり、交換が必要となった場合には、例
えば、その運転温度が高ければ高い程、放熱によるクー
ルダウンに長時間を要しているのが現状であり、時間的
損失はもちろんその放熱時の散逸する熱量も損失とな
り、交換が合理的に行われているとは言いがたい。
【０００３】さらに、プラント運転の観点からは、解列
された反応容器の分だけの収量低下を余儀なくされる
か、あるいは収量低下が許されないときには残存運転中
の個々の反応容器に過負荷をかけてプラントの運転を図
ることとなる。いずれの場合であっても、より早く新し
い化学反応容器を残存運転中の個々の反応容器と同じレ
ベルまで反応環境を整える、すなわち新規並列用の反応
容器の起動準備を終了させることが望まれる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来は新規並列用の化
学反応容器を起動準備するために外部熱源を利用したス
タンバイ装置を用い、常温待機より高温度への立上げを
行っている。この手法においても不調機器のクールダウ
ンに要する時間的損失及び新規機器の昇温のための外部
熱源の利用による損失等を伴い、合理的とはいえない。
【０００５】本発明は、以上の状況を鑑み、時間的にも
熱的にもより合理的に化学反応容器を交換する方法を提
供することを目的とする。本発明は、例えば、運転温度
が高い一般化学反応利用のプロセス工業や水素製造装
置、燃料電池等における化学反応プロセス等における化
学反応容器の交換方法として特に有効に機能する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成すべ
く、本発明においては、基本的に、化学反応プロセスを
利用するプラントであって１もしくは複数の化学反応容
器から構成され、プラント運転中と休止中とでは、前記
化学反応容器の温度が異なるプラントにおいて、化学反
応容器の一部又は全部を交換する場合に、運転を続けて
きた化学反応容器側の持つ熱量あるいは該容器側で発生
しうる電力等のエルネギー資質を、新たにプラント運転
の開始される化学反応容器側に移転することにより達成
される。
【０００７】すなわち、両化学反応容器を交換するにあ
たり、運転中若しくは運転中止直後の化学反応容器の保
有する熱容量あるいは利用可能な電気エネルギーを評価
する一方、交換のために準備された新たにプラントへ並
列される化学反応容器の温度も評価し、両化学反応容器
を熱的にまず同様の状態とするよう、両者の熱交換を行
なうことにより、昇温したい容器への熱供給、冷却した
い容器からの熱除去を同時に行なうことが可能となり、
交換を合理的に行うことができる。
【０００８】この熱交換操作において、好ましくは、熱
交換用媒体とその流路及び熱交換用媒体の循環のための
圧力源、さらには弁等の流路切替機構及び媒体供給排出
系等必要に応じ用いられる。また、一般に化学反応の最
も促進しうる温度条件、容器を構成する部材の強度等の
観点から、熱応力を可能な限り小さく抑えるための条件
を設定すること、あるいは、過大な圧力による破損等を
未然に防止すること、等の必要性から化学反応プロセス
における反応場の条件として温度、圧力の適合条件が要
求される場合が多い。この要求に適合するために、熱交
換用媒体の循環１の圧力を制御手段を設けること、ある
いは熱交換中あるいは交換終了後にさらにヒートポンプ
システムあるいは外部エネルギー資質として電気ヒータ
等を用いて温度制御を行うことは特に好ましい態様であ
る。
【０００９】また、本発明において化学反応容器が電力
を発生し得る形態のものである場合には、交換時に既存
化学反応容器の発生し得る電力をエネルギー資質として
利用可能である。なすわち、一般に化学反応を進行させ
る時の投入エネルギーは電気の形態であること、また、
化学反応自体が、ミクロには、電子の授受によって進行
することが多いため、反応容器の昇温と降温の両方向へ
の並進操作においては、いずれか一方の容器内の反応
が、電子を動かすポテンシャル場を大きくする方向に作
用していることが推定されるからである。
【００１０】化学反応容器の台数が一台のみの場合にお
いては、交換時において、反応生成物の収量は一度零と
なるが、その場合であっても、新たに運転を開始する新
規化学反応容器についての本発明の適用は根本的には同
様である。上記反応容器間の熱交換は、熱交換用媒体循
環のための配管手段、流路切替手段、強制循環手段、熱
交換用媒体貯溜手段、及びそれらの制御手段等を特別に
用意することなく行うことも可能である。即ち、程良く
断熱された一つの閉じた空間に、温度差のある２つの反
応容器を配置することで、空間の空気等の熱交換媒体に
より熱伝導、あるいは輻射熱によって、両者間の熱交換
は行いうる。
【００１１】次に、熱的に平衡状態に到った２つの反応
容器についてさらにいずれか一方について昇温が必要な
場合には、もしその反応容器が電気ヒータを準備してい
るものについては、適宜の手段例えば外部電源を利用し
てそのヒータを加熱することにより、また、低温熱源側
より熱を回収し、高温熱源側へ投入するヒートポンプを
用いることにより、さらには運転中の主プロセス系統上
からの微少量の高温流体の抽出による前記熱交換用媒体
の二次的熱交換による間接的加熱等の手段により、適宜
行うことは好ましい態様である。
【００１２】また、本発明の方法は、運転を続けてきた
化学反応容器側の持つ高い熱量を常温にある新たに運転
を開始する化学反応容器側に移転する場合ははもちろん
のこと、運転を続けてきた化学反応容器側の持つ冷熱を
常温にある新たに運転を開始する化学反応容器側に移転
する場合をも含むものであり、従って、本発明におい
て、「エネルギー資質の移転」というときは、その両方
の移転の態様をいうものである。
【００１３】さらに、本発明において、熱交換を行うの
に必要な設備ではあるが、通常運転中には不必要であっ
て、交換時のみに必要な設備については、メンテナンス
用として一架台に必要なパーツを集中的に固定配置とす
ることは好ましい態様である。そのために、熱交換用媒
体循環のための配管手段、流路切替手段、強制循環手
段、熱交換用媒体貯溜手段及びそれらの制御手段を一体
構成したメンテナンススキッドを別途用意して、反応容
器の交換時の工法、反応容器の配置等を標準化し、各反
応容器の据付時における工数の低減と信頼性向上を図る
ことによって、化学プラントにおける化学反応容器の交
換方法をより合理的なものとすることができる。
【００１４】
【作用】上述の如くの構成を有する本発明に係る化学反
応容器の交換方法によれば、運転を休止すべき化学反応
容器は、それが高温の場合ばかりでなく低温の場合であ
っても、より早く常温レベルに戻り、また、運転を開始
すべき化学反応容器は、より早く運転点温度に近づく。
このため、熱的なロスが極少化される。また、同時に自
然放熱に比べ、同一温度に到達するまでの所要時間が短
縮可能となる。従って、プラントの機器メンテナンス
上、待ちの時間の減少が図られ利用率の向上をもたら
し、また、残存プラントとして運転中の化学反応容器へ
の負荷率上昇期間の低減をももたらす。
【００１５】
【実施例】以下、本発明の一実施例を水素ガス製造プラ
ントを例にとり説明する。図１は水素ガス製造プラント
に用いられる水素ガス製造装置の代表的な例として、Ｌ
ＮＧ等を改質して水素ガスを製造する装置（すなわち化
学反応容器）１０の概要を示している。反応容器１０
は、プロセス系統として、改質用の燃料供給系１、改質
反応に必要な熱量を供給するための燃料供給系２、その
燃焼のための空気供給系３とを有し、また、回収系統と
しての水素ガス排出系４と燃焼ガスの排出系５とを有す
る。各系統は１つの反応容器１０内の反応場を介して結
合されている。反応容器内の改質部、燃焼部において、
改質触媒、燃焼触媒の助けによって、吸熱反応であるハ
イドロカーボンから水素ガスへの変換（改質）が行われ
る。
【００１６】図２に示すよう、通常水素ガス製造プラン
トにおいては、このような化学反応容器１０が複数個設
置され化学反応容器群５０を構成している。この水素ガ
ス製造プラントの運転中に、化学反応容器群５０の中の
一つの化学反応容器１０Ａの運転が不調となり交換が必
要となったために、化学反応容器１０Ａを停止し、常温
にて待機中の反応容器１０Ｂと交換するものとする。交
換すべき両反応容器１０Ａ、１０Ｂは、後述するメンテ
ナンススキッド６０上に運ばれ、そこにセットされる。
【００１７】図３はメンテナンススキッド６０の配管系
を示す説明図である。メンテナンススキッド６０はフレ
ーム６１上に、化学反応容器１０Ａ、１０Ｂ内の通常運
転用配管経路に接続する配管６２、６３、６４、６５の
先端を露出しており、運転が不調となり交換が必要とな
った化学反応容器１０Ａ及び常温にて待機中の反応容器
１０Ｂは該配管を介してそれぞれメンテナンススキッド
６０に対して接続されかつセットされる。
【００１８】メンテナンススキッド６０は不活性ガスの
ような熱交換に必要な媒体を格納したタンク６６、及び
熱交換用媒体を循環させるための送風機６７を有してお
り、前記配管６２、６３、６４、６５、熱交換用媒体格
納タンク６６、送風機６７とは、スキッド内部の配管系
及び弁機構により、熱交換用媒体格納タンク６６内の熱
交換用媒体が化学反応容器１０Ａ内部の配管経路を通過
した後に他方の化学反応容器１０Ｂ内部の配管経路を通
過し、その後に大気に排出されるように接続されてい
る。それにより、化学反応容器１０Ａの持つエルネギー
資質例えば熱量は、新たに運転を開始する新規化学反応
容器側に移転することとなり、循環を継続することによ
り、両者は熱交換の結果として温度平衡状態に到達す
る。
【００１９】もちろん、空気を熱交換用媒体として用い
得る場合には、熱交換用媒体格納タンク６６は必ずしも
必要でなく、弁機構を切り換えて、直接空気を吸引して
一方のすなわち交換が必要となった化学反応容器１０Ａ
側から他方の反応容器１０Ｂ側に循環させ、その後排気
するように構成してもよい。また、熱交換用媒体格納タ
ンク６６は、循環前に系統内をパ−ジする目的でのみ用
いることもできる。
【００２０】両化学反応容器が温度平衡状態に到達した
後に、新しい容器１０Ｂをメンテナンススキッド６０か
ら取り外し、先に取り外した容器１０Ａの位置に装備す
ることにより、化学反応容器の交換は終了する。上記の
方法によれば、運転停止直後の化学反応容器と起動用の
反応容器との間での熱交換を行なうことにより通常廃棄
されていた熱量を有効利用することができ、自然放熱に
より停止時降温を行いまた外部エネルギーにより起動時
昇温する場合に比較して、時間的及びエネルギー的損失
を大幅に低減できることが理解されよう。また、化学反
応容器が循環する流体の圧力に依存する種類のものであ
る場合には、特に図示しないが、メンテナンススキッド
６０の配管系に圧力制御機構を介在させて熱交換に必要
な媒体の循環圧力を制御する構成とする。
【００２１】図４は本発明の他の実施例を示している。
左側の化学反応容器１０Ａは、運転を続けてきたもので
高温状態にある。また右側の化学反応容器１０Ｂが、こ
れから新規に並列させるものであり、通常は常温又は低
温状態にある。図においてメンテナンススキッドはその
配管系のみを模式的に示している。この実施例において
も両化学反応容器の反応部における運転中に使用する配
管内の反応に用いられたガスを不活性ガスで置換した後
に、メンテスキッド上に配設してメンテナンススキッド
の配管類と結合させる。その際に、化学反応容器側の配
管に設けられた仕切弁（図示しない）を閉鎖した状態で
メンテスキッド上に配設されたメンテナンススキッド配
管類と結合させる。また、メンテナンススキットの前記
配管先端部（６２、６３、６４、６５、図３）に設けた
仕切弁７を閉鎖した状態でメンテナンススキッド配管中
は熱交換用媒体格納タンク６６からの上記熱交換用不活
性ガスで充満させる。この充満操作については、事前に
行なうか、連結後に行なうかは任意である。
【００２２】次に、化学反応容器側の配管に設けられた
仕切弁及びメンテススキッド配管中の仕切弁７を開き、
両反応容器の均圧化操作を実施する。均圧操作後はメン
テススキッド配管中の他の仕切弁７、７の開閉操作を行
い、閉鎖した循環系を構成した後にブロワ６３を起動す
る。本操作によって熱交換用媒体の両反応容器１０Ａ、
１０Ｂ間の循環が始まり、媒体による熱移動がスタート
する。
【００２３】図５は本発明のさらに他の実施例を示して
いる。この例は、例えば水素製造装置であるためのプロ
セス上の制約条件として急激な温度変化による熱応力の
発生防止、及び、容器内圧を許容条件下に抑えねばなら
ない種類の化学反応容器である場合の交換方法に好適な
例である。すなわち、この実施例においては、熱交換用
媒体の温度を温度計４１により監視してその情報に基づ
きファン６７の流量制御によって環流量を調節するよう
になっている。また、特に図示しないが、さらに循環流
路中に差圧系を配置して、熱交換用媒体の圧力を監視
し、圧力をも制御しながら熱交換を行なうことも有効な
方法である。なお、図５において、TEは検温手段、TCは
制御手段を示している。
【００２４】また、図５において、１１は電気ヒータを
示しており、本発明による交換方法において、特に昇温
する方の化学反応容器に対して昇温のための補助的手段
として用いられる。具体的には、熱交換用循環媒体によ
る昇温での温度上昇に加えて、ハード上の裕度が十分あ
るような場合、若しくは、反応容器の一部については大
きな温度変化率を許容するような場合に、並用して昇温
可能とするために用いられる。
【００２５】図６はさらに他の実施例を示している。こ
の場合の化学反応容器は例えば燃料電池のようにまた、
燃料の供給により発電反応を行うような反応容器の場合
に好適な例を示している。すなわち、この高温側化学反
応容器自体は、即反応可能な状態にあり、単に燃料ガス
を供給してやれば反応するものであるために、通常の送
電系統ラインの電気的結合を解き、低温側化学反応容器
のヒータ１１への電気系統を生かすことにより、昇温熱
源として使用することを可能としている。図６に示すよ
うに、このシステムの場合には、メンテナンススキッド
上に、開閉器３４、変換器３１、他の電源３５からの切
換器３２、昇温すべき側のヒータ電源入切スイッチ３３
等を備えるようにし、運転を続けてきた既存化学反応容
器側の持つ電気的エルネギー資質を、新たに運転を開始
する新規化学反応容器側に設けたヒータ１１に供給する
ことにより、加熱を行う。この加熱は主たるエネルギー
資質移転手段として用いることもでき、また、前記のよ
うに補助的加熱手段として用いることもできる。
【００２６】更に、図６の設備の積極的な利用方法とし
て、特に昇温すべき側の電荷担体の移動を可能とするた
めの動作温度以上の温度まで引き上げるために使用する
方法がある。一般に燃料電池の場合、容器温度を最終的
には、それ以上にまで引き上げねばならない。このため
には、上記の循環ガス温度を昇温するか、この電気ヒー
タの併用による方法が合理的である。このヒータ併用の
場合について細かく見るならば、循環ガス流の流路につ
いての制約がある。即ち、高温側／低温側の各容器温度
が平衡に達した時に、両電池の連結配管をアイソレーシ
ョンし、別途準備した燃料ガスを電池に投入することに
よって発電反応を再開させ、その出力される電気によっ
てヒータを働かせる方法である。つまり、ガス流の制御
面での手続き上の制約が生ずるということである。更に
ヒータ併用時の別方法によって低温側容器の昇温が可能
である。その具体的な方法としては、解列すべき化学反
応容器を、解列前に、電気的に低温側ヒータへの切替え
を実施し、先にヒータ昇温を実施する方法である。この
ヒータにより、基礎昇温後、解列し、残った熱容量によ
って、前述の方法によって運転点温度まで昇温する方式
である。
【００２７】図７はヒートポンプシステムによる熱交換
の場合を説明するブロック図である。ヒートポンプの基
礎原理として、温度の異なる２つの閉じた系を前提に、
低い方の熱源から熱を回収する系、それを高い方の熱源
に入力することを可能とする系の全体として３つの系の
合成されたものと解釈することができる。本発明の一態
様として、このヒートポンプシステムによる熱交換の原
理を、前述の循環媒体による熱平衡後に、さらに停止す
べき側から熱を回収して昇温に必要な側へ熱を投入する
のに用いる。すなわち、図７に示すように、メンテナン
ススキッド６０の熱交換用媒体循環のための配管系にお
ける排出端Ｔ１と吸入端Ｔ２とをヒートポンプシステム
７０に接続し、熱平衡状態となった後の既存化学反応容
器側の持つ熱量をヒートポンプシステムを利用してさら
に新たに運転を開始する新規化学反応容器側に移転する
ようにする。
【００２８】なお、図示のものはヒートポンプの方式と
して、圧縮式のものを示しているが、化学蓄熱式のもの
であつても差し支えない。図８は本発明のさらに他の態
様を示している。この例においては、運転を継続してい
る化学反応容器の配管系から高温流体を一部抽出して熱
交換器７０に導く一方、メンテナンススキッド６０の配
管系から熱交換用媒体を前記熱交換器７０に導き、そこ
において、前記高温流体と熱交換用媒体との熱交換を行
うことにより熱交換用媒体を間接的に加熱するようにし
ている。それにより、新たに使用する化学反応容器の運
転温度への昇温をより加速することが可能となる。
【００２９】なお、上記の説明は本発明の幾つかの実施
例の説明にすぎず、他に多くの変形例が存在する。例え
ば、運転を続けてきた既存の化学反応容器側の配管と新
たに運転を開始する化学反応容器側の配管とを接続する
のに、特別に設計したメンテナンススキッドを用いて接
続しているが、これは最も好ましい態様を示しているに
すぎず、交換すべき化学反応容器の種類あるいは化学反
応プロセスが許す場合にはメンテナンススキッドを用い
ずに直接的に二つの反応容器の配管を接続し、その状態
で適宜の手段により空気等の熱交換用媒体を強制循環さ
せるようにしてもよいものである。
【００３０】さらに、運転を続けてきた既存化学反応容
器側が常温より低温であり、新たに運転を開始する新規
化学反応容器側が常温に維持されているような場合にお
ける交換方法としても本発明は利用可能であることは容
易に理解されよう。
【００３１】
【発明の効果】上記方法によって、化学反応容器をメン
テナンスする際に、基本的に考慮すべき容器交換におい
て、熱的な損失の低減及び起動すべき化学反応容器の運
転点への移行段階での所要時間を短縮化することが可能
となると共に、停止せずに継続して運転している残存プ
ラントとしての化学反応容器への過負荷運転等の期間を
短くできるので、プラントのメンテナビリティーの向上
と共に、全プラントの利用率向上に貢献することが可能
となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 化学反応容器の一例を示す概略図。
【図２】 本発明による化学プラントにおける化学反応
容器の交換方法の一例を示す説明図。
【図３】 メンテナンススキッドを示す拡大説明図。
【図４】 本発明による化学反応容器の交換方法の他の
例を示す説明図。
【図５】 本発明による化学反応容器の交換方法のさら
に他の例を示す説明図。
【図６】 本発明による化学反応容器の交換方法のさら
に他の例を示す説明図。
【図７】 本発明による化学反応容器の交換方法のさら
に他の例を示す図であってヒートポンプシステムを併用
する場合の図。
【図８】 本発明による化学反応容器の交換方法のさら
に他の例を示す説明図。
【符号の説明】
１０Ａ…交換により運転を停止する化学反応容器 １０Ｂ…交換により運転を開始する化学反応容器 ６０……メンテナンススキッド ６６……熱交換用媒体貯溜手段 ６７……熱交換用媒体循環用のブロワ
フロントページの続き (72)発明者 清木 信宏 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所 機械研究所内 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) B01J 19/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 １以上の化学反応容器を有しプラント運
    転中と休止中とでは化学反応容器の温度が異なる化学プ
    ラントにおける前記化学反応容器の１又は２以上を交換
    する方法であって、運転を続けてきた化学反応容器側の
    持つエネルギー資質を、新たに運転を開始する化学反応
    容器側に移転した後、該受熱後の化学反応容器をプラン
    トに設置することを特徴とする化学プラントにおける化
    学反応容器の交換方法。
  2. 【請求項２】 １以上の化学反応容器を有しプラント運
    転中と休止中とでは化学反応容器の温度が異なる化学プ
    ラントにおける前記化学反応容器の１又は２以上を交換
    する方法であって、運転を続けてきた化学反応容器側の
    持つエネルギー資質を、新たに運転を開始する化学反応
    容器側に移転し、熱交換の結果到達する両化学反応容器
    の温度平衡状態後に、さらにヒートポンプシステムを用
    いて、新たに運転を開始する化学反応容器側をさらに運
    転点温度に近づけた後、該受熱後の化学反応容器をプラ
    ントに設置することを特徴とする化学プラントにおける
    化学反応容器の交換方法。
  3. 【請求項３】 熱交換用媒体循環のための配管手段、流
    路切替手段、強制循環手段、熱交換用媒体貯溜手段、及
    びそれらの制御手段を、一体構成したことを特徴とす
    る、請求項１又は２記載の化学プラントにおける化学反
    応容器の交換方法に用いるためのメンテナンススキッ
    ド。
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