JP3650581B2 - アンモニア製造のための方法及びコンバータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、アンモニア合成ガスの接触転化によってアンモニアを製造する方法に関する。
【０００２】
より具体的には、本発明は、シェル側で冷却剤によって冷却された管状反応域内に配置されたアンモニア合成触媒の存在下に、アンモニア合成ガスから高転化率でアンモニアを合成する方法に関する。
【０００３】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
水素及び窒素を含む合成ガスからのアンモニアの合成は発熱プロセスであり、高い転化率を得るためにはこのプロセスを冷却することが必要である。
【０００４】
たとえ、合成ガス中の水素及び窒素の濃度が、アンモニアの生成にとって化学量論的な組成に近い場合でも、触媒床に合成ガスを一回通しただけではアンモニア生成反応は完全なものとはならない。更に、このアンモニア合成が発熱性であるため、触媒床を通過する間に高まる温度が、平衡濃度を低アンモニア濃度側に移行させる。このアンモニア合成プロセスを冷却するための幾つかの方法が知られている。
【０００５】
合成ガスからアンモニアを製造するための通常の方法では、アンモニア合成ガスがアンモニア合成触媒上を通過する所の幾つかの触媒床の間で合成ガスを間接的にもしくは直接冷却する。
【０００６】
直接冷却すると、低温の合成ガスが、部分的に反応した合成ガス中に各触媒床の間において入り込む。この冷却方法の欠点は、部分的に反応したガスが未反応のガスによって希釈され、その結果、該プロセスから生ずる生成物流中のアンモニア濃度が低くなることである。
【０００７】
間接的な冷却方法の場合は、部分的に反応した合成ガスは、低温のガス、通常は、二つの触媒床の出口と入口の間に配置された熱交換器中の新鮮な合成ガスによって冷却される。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
アンモニア合成ガスがアンモニア合成触媒の触媒床中を進行する際に、該プロセスとの連続的な熱的な接触状態にある冷却剤に伝熱することによって上記合成ガスを冷却すると、この合成ガスのアンモニアへの転化率が大いに向上されることがここに見出された。
【０００９】
それゆえ、本発明は、以下の段階、すなわち
− 一つまたはそれ以上の触媒管中に反応域として配置されたアンモニア合成触媒とアンモニア合成ガスとを接触させること、
− 上記反応域からの熱を冷却剤に伝熱することによってこの反応域を連続的に冷却すること、及び
− 上記反応域から、アンモニアを豊富に含む流出流を回収すること、
を含む、アンモニアの製造方法を提供する。
【００１０】
最も一般的な態様では、上記のプロセスは、冷却剤を保持するためのシェル内に配置された一つまたはそれ以上の触媒管を備えたコンバータ中で行われる。合成ガスは上記触媒管の頂部に導入され、そしてアンモニア合成触媒の反応域中に通される。該合成ガス中に含まれる水素及び窒素のアンモニアへの転化の最中に発生する熱は、触媒管の壁を通して、この管を囲む冷却媒体へと連続的に伝達される。該プロセスの連続的な冷却によって、断熱的な温度上昇が実質的に避けられ、それによって該プロセスは、実質的に等温条件下に行われる。合成ガスの等温転化によって、公知のアンモニア合成プロセスと比較して、すなわち部分的に反応した合成ガスを間接的にもしくは直接的に冷却し、冷却されたガスが、断熱的条件下に触媒と接触する方法と比較して、ガスのアンモニアへの転化率が高くなる結果となる。冷却媒体は、反応域からの除去された反応熱を持って、連続的にまたは定期的にコンバータから回収され、そして例えば水または水蒸気との熱交換によって外部冷却され、そして慣用の手段によってコンバータに再循環される。
【００１１】
本発明の特定の態様の一つでは、冷却剤は、触媒管の外壁と、この触媒管を同心的に取り囲む冷却管の内壁によって形成される空間中に保持される。
【００１２】
後者の態様の有利な特徴の一つとして、複数の触媒管を有する反応器のシェルを無しで済ませることができるか、またはこれを、慣用のアンモニア合成コンバータと比較して機械的強度がかなり低い材料から作ることができる。
【００１３】
好ましくは、触媒管を取り囲む冷却管は、触媒管よりも機械的強度が弱くなるよう設計される。触媒管が裂開した場合は、高圧で冷却管の方に漏れる反応中のガスは、冷却管の外側の空間へと排出される。これによって、合成ガスは冷却管の外側で減圧し、そうしてガスと冷却剤との不利な反応が有利に避けられる。
【００１４】
本発明の更に別の課題の一つは、アンモニア合成触媒の存在下にアンモニア合成ガスを反応させ及びこの合成ガスが前記合成触媒中を進行する間にこの反応を冷却することによってアンモニアを製造するためのコンバータであって、このコンバータが、アンモニア合成ガスを受け入れるように及びアンモニア合成触媒を有する反応域を保持するように適合された少なくとも一つの触媒管を含み、そしてこの少なくとも一つの触媒管が、添付の図１に図示されるように、冷却剤を含む容器中に配置されている、上記コンバータを提供することである。
【００１５】
上記のプロセス及び反応器において冷却剤として有用な冷却媒体は、反応域において所望とされる温度よりも低い融点もしくは沸点を有するあらゆる固形または液状の物質であることができ、これには例えば、実際のプロセス条件下に不活性の塩もしくは複数種の塩の混合物、金属または液体などが包含される。これらの冷却剤には、複数種の塩の共融混合物、例えばKNO3、NaNO3 及びNaNO2 を含む混合物（これはデグッサ社から提供されている）、及びNaOHとKOH との共融混合物などが包含される。他の共融塩混合物及び冷却液は、化学工業において周知である。上記プロセスにおける通常の温度条件は300 ℃〜600 ℃であり得る。冷却剤の温度は、上記に記載のようにこの剤を外部冷却することによって、操業温度内の所定のレベルに維持しなければならない。
【００１６】
本発明の更に別の態様の一つでは、触媒管から回収されたアンモニア豊富の生成物ガスからのアンモニアの分離は、高圧下にアンモニアに対し高い親和性を示す吸着剤上に吸着させることによって行われる。使用済みの吸着剤の再生は、例えば公知の圧力変動吸着プロセスにおける酸素または窒素の分離法と類似して、吸着剤の減圧及びアンモニア豊富ガスの回収を介して行われる。更に、該プロセスからのアンモニア豊富流出流中のアンモニアの冷却及び濃縮によって、アンモニアを未転化の合成ガスから分離することができる。生成物ガス中のアンモニアから分離された未反応の合成ガスは、次いで、図２及び図３に図示するように、触媒管に再循環するか、または更に転化させるために次の触媒管に通すことができる。
【００１７】
【実施例】
本発明の特定の態様の一つでは、13.8MPa の圧力の合成供給ガスを350 ℃に予熱し、そして内径が80.1mmの600 本の反応器管を備えた反応器中に導入する。これらの管には、その上部には慣用の鉄アンモニア触媒を、そしてその下部には慣用のルテニウムアンモニア触媒を充填した。合成ガスは上記管中に流入させそして上記アンモニア触媒上で反応させる。触媒管はシェルによって囲まれている。シェルと管との間の空間には、塩溶融物が、管内部のガスの流れ方向とは向流でかつ合成反応との伝熱関係状態において循環されている。上記塩溶融物の循環は、発熱性のアンモニア合成反応から生ずる熱を除去する働きをする。塩溶融物は冷却空間中に360 ℃で導入され、そして反応器から420 ℃の温度で排出される。この熱い溶融物は、反応器の外側で熱交換器において360 ℃に冷却され、この際、塩溶融物から除去された熱は、合成ガスの予熱に利用される。次いで、冷却された塩溶融物はポンプ輸送により反応器に戻される。触媒中を通った後、今やアンモニアを豊富に含む反応した合成ガスは管から排出され、そして反応器から回収される。このガスは、新鮮な合成ガスとの熱交換によって冷却される。
【００１８】
以下の表１には、上記の実験で得られた、反応器の入口及び出口のガス流中の各成分の濃度を記載する。
【００１９】
【表１】
【００２０】
本発明の方法は、ワンスルー(one through) 方式のアンモニア合成セクション並びにより慣用のタイプのアンモニア合成ループ(loop)方式セクションで、あるいはより発展したアンモニア合成ループ方式セクション、例えば供給ガスコンバータ及び／またはパージガスコンバータを含むセクションにおいて類似のまたは他のタイプのアンモニアコンバータとの組み合わせで、使用することができる。アンモニア生成物は、アンモニア豊富流出流中のアンモニアを冷却凝縮あるいは吸着させることによって、合成セクション中のアンモニア豊富生成物ガスから回収することができる。このアンモニアの分離は、各々の反応域の間で及びまたはその後に一つまたはそれ以上の段階で行うことができる。
【発明が属する技術分野】
本発明は、アンモニア合成ガスの接触転化によってアンモニアを製造する方法に関する。
【０００２】
より具体的には、本発明は、シェル側で冷却剤によって冷却された管状反応域内に配置されたアンモニア合成触媒の存在下に、アンモニア合成ガスから高転化率でアンモニアを合成する方法に関する。
【０００３】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
水素及び窒素を含む合成ガスからのアンモニアの合成は発熱プロセスであり、高い転化率を得るためにはこのプロセスを冷却することが必要である。
【０００４】
たとえ、合成ガス中の水素及び窒素の濃度が、アンモニアの生成にとって化学量論的な組成に近い場合でも、触媒床に合成ガスを一回通しただけではアンモニア生成反応は完全なものとはならない。更に、このアンモニア合成が発熱性であるため、触媒床を通過する間に高まる温度が、平衡濃度を低アンモニア濃度側に移行させる。このアンモニア合成プロセスを冷却するための幾つかの方法が知られている。
【０００５】
合成ガスからアンモニアを製造するための通常の方法では、アンモニア合成ガスがアンモニア合成触媒上を通過する所の幾つかの触媒床の間で合成ガスを間接的にもしくは直接冷却する。
【０００６】
直接冷却すると、低温の合成ガスが、部分的に反応した合成ガス中に各触媒床の間において入り込む。この冷却方法の欠点は、部分的に反応したガスが未反応のガスによって希釈され、その結果、該プロセスから生ずる生成物流中のアンモニア濃度が低くなることである。
【０００７】
間接的な冷却方法の場合は、部分的に反応した合成ガスは、低温のガス、通常は、二つの触媒床の出口と入口の間に配置された熱交換器中の新鮮な合成ガスによって冷却される。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
アンモニア合成ガスがアンモニア合成触媒の触媒床中を進行する際に、該プロセスとの連続的な熱的な接触状態にある冷却剤に伝熱することによって上記合成ガスを冷却すると、この合成ガスのアンモニアへの転化率が大いに向上されることがここに見出された。
【０００９】
それゆえ、本発明は、以下の段階、すなわち
− 一つまたはそれ以上の触媒管中に反応域として配置されたアンモニア合成触媒とアンモニア合成ガスとを接触させること、
− 上記反応域からの熱を冷却剤に伝熱することによってこの反応域を連続的に冷却すること、及び
− 上記反応域から、アンモニアを豊富に含む流出流を回収すること、
を含む、アンモニアの製造方法を提供する。
【００１０】
最も一般的な態様では、上記のプロセスは、冷却剤を保持するためのシェル内に配置された一つまたはそれ以上の触媒管を備えたコンバータ中で行われる。合成ガスは上記触媒管の頂部に導入され、そしてアンモニア合成触媒の反応域中に通される。該合成ガス中に含まれる水素及び窒素のアンモニアへの転化の最中に発生する熱は、触媒管の壁を通して、この管を囲む冷却媒体へと連続的に伝達される。該プロセスの連続的な冷却によって、断熱的な温度上昇が実質的に避けられ、それによって該プロセスは、実質的に等温条件下に行われる。合成ガスの等温転化によって、公知のアンモニア合成プロセスと比較して、すなわち部分的に反応した合成ガスを間接的にもしくは直接的に冷却し、冷却されたガスが、断熱的条件下に触媒と接触する方法と比較して、ガスのアンモニアへの転化率が高くなる結果となる。冷却媒体は、反応域からの除去された反応熱を持って、連続的にまたは定期的にコンバータから回収され、そして例えば水または水蒸気との熱交換によって外部冷却され、そして慣用の手段によってコンバータに再循環される。
【００１１】
本発明の特定の態様の一つでは、冷却剤は、触媒管の外壁と、この触媒管を同心的に取り囲む冷却管の内壁によって形成される空間中に保持される。
【００１２】
後者の態様の有利な特徴の一つとして、複数の触媒管を有する反応器のシェルを無しで済ませることができるか、またはこれを、慣用のアンモニア合成コンバータと比較して機械的強度がかなり低い材料から作ることができる。
【００１３】
好ましくは、触媒管を取り囲む冷却管は、触媒管よりも機械的強度が弱くなるよう設計される。触媒管が裂開した場合は、高圧で冷却管の方に漏れる反応中のガスは、冷却管の外側の空間へと排出される。これによって、合成ガスは冷却管の外側で減圧し、そうしてガスと冷却剤との不利な反応が有利に避けられる。
【００１４】
本発明の更に別の課題の一つは、アンモニア合成触媒の存在下にアンモニア合成ガスを反応させ及びこの合成ガスが前記合成触媒中を進行する間にこの反応を冷却することによってアンモニアを製造するためのコンバータであって、このコンバータが、アンモニア合成ガスを受け入れるように及びアンモニア合成触媒を有する反応域を保持するように適合された少なくとも一つの触媒管を含み、そしてこの少なくとも一つの触媒管が、添付の図１に図示されるように、冷却剤を含む容器中に配置されている、上記コンバータを提供することである。
【００１５】
上記のプロセス及び反応器において冷却剤として有用な冷却媒体は、反応域において所望とされる温度よりも低い融点もしくは沸点を有するあらゆる固形または液状の物質であることができ、これには例えば、実際のプロセス条件下に不活性の塩もしくは複数種の塩の混合物、金属または液体などが包含される。これらの冷却剤には、複数種の塩の共融混合物、例えばKNO3、NaNO3 及びNaNO2 を含む混合物（これはデグッサ社から提供されている）、及びNaOHとKOH との共融混合物などが包含される。他の共融塩混合物及び冷却液は、化学工業において周知である。上記プロセスにおける通常の温度条件は300 ℃〜600 ℃であり得る。冷却剤の温度は、上記に記載のようにこの剤を外部冷却することによって、操業温度内の所定のレベルに維持しなければならない。
【００１６】
本発明の更に別の態様の一つでは、触媒管から回収されたアンモニア豊富の生成物ガスからのアンモニアの分離は、高圧下にアンモニアに対し高い親和性を示す吸着剤上に吸着させることによって行われる。使用済みの吸着剤の再生は、例えば公知の圧力変動吸着プロセスにおける酸素または窒素の分離法と類似して、吸着剤の減圧及びアンモニア豊富ガスの回収を介して行われる。更に、該プロセスからのアンモニア豊富流出流中のアンモニアの冷却及び濃縮によって、アンモニアを未転化の合成ガスから分離することができる。生成物ガス中のアンモニアから分離された未反応の合成ガスは、次いで、図２及び図３に図示するように、触媒管に再循環するか、または更に転化させるために次の触媒管に通すことができる。
【００１７】
【実施例】
本発明の特定の態様の一つでは、13.8MPa の圧力の合成供給ガスを350 ℃に予熱し、そして内径が80.1mmの600 本の反応器管を備えた反応器中に導入する。これらの管には、その上部には慣用の鉄アンモニア触媒を、そしてその下部には慣用のルテニウムアンモニア触媒を充填した。合成ガスは上記管中に流入させそして上記アンモニア触媒上で反応させる。触媒管はシェルによって囲まれている。シェルと管との間の空間には、塩溶融物が、管内部のガスの流れ方向とは向流でかつ合成反応との伝熱関係状態において循環されている。上記塩溶融物の循環は、発熱性のアンモニア合成反応から生ずる熱を除去する働きをする。塩溶融物は冷却空間中に360 ℃で導入され、そして反応器から420 ℃の温度で排出される。この熱い溶融物は、反応器の外側で熱交換器において360 ℃に冷却され、この際、塩溶融物から除去された熱は、合成ガスの予熱に利用される。次いで、冷却された塩溶融物はポンプ輸送により反応器に戻される。触媒中を通った後、今やアンモニアを豊富に含む反応した合成ガスは管から排出され、そして反応器から回収される。このガスは、新鮮な合成ガスとの熱交換によって冷却される。
【００１８】
以下の表１には、上記の実験で得られた、反応器の入口及び出口のガス流中の各成分の濃度を記載する。
【００１９】
【表１】
本発明の方法は、ワンスルー(one through) 方式のアンモニア合成セクション並びにより慣用のタイプのアンモニア合成ループ(loop)方式セクションで、あるいはより発展したアンモニア合成ループ方式セクション、例えば供給ガスコンバータ及び／またはパージガスコンバータを含むセクションにおいて類似のまたは他のタイプのアンモニアコンバータとの組み合わせで、使用することができる。アンモニア生成物は、アンモニア豊富流出流中のアンモニアを冷却凝縮あるいは吸着させることによって、合成セクション中のアンモニア豊富生成物ガスから回収することができる。このアンモニアの分離は、各々の反応域の間で及びまたはその後に一つまたはそれ以上の段階で行うことができる。
Claims (8)
- 以下の段階、すなわち
− 一つまたはそれ以上の触媒管中に反応域として配置されたアンモニア合成触媒とアンモニア合成ガスとを接触させること；
− 冷却剤との伝熱関係によって上記反応域を冷却すること； 及び
− 上記反応域からアンモニア豊富流出流を回収すること；
を含み、ここで上記冷却剤が、反応域中の温度よりも低い融点を有する塩、複数種の塩の混合物及び金属から選択される、アンモニアの製造方法。 - アンモニア合成ガスを、二つまたはそれ以上の反応域中に配置されたアンモニア合成触媒と接触させ、その際、アンモニア豊富流出流を各反応域の間で途中で回収する、請求項１の方法。
- アンモニア豊富流出流を、未転化のアンモニア合成ガスの流れとアンモニア生成物流とに分離し、この未転化のアンモニア合成ガスを反応域に再循環する、請求項１の方法。
- 流出流を冷却し、アンモニアを凝縮することによって上記の分離を行う、請求項２または３の方法。
- 流出流中に含まれるアンモニアを吸着することによって上記の分離を行う、請求項２または３の方法。
- それぞれ一つの触媒管を同心的に取り囲む各冷却管中に冷却剤を循環させる、請求項１の方法。
- アンモニア合成ガスを受け入れるように及びアンモニア合成触媒の反応域を保持するように適合された少なくとも一つの触媒管、及び
少なくとも一つの触媒管を同心的に取り囲み、かつ反応域中の温度よりも低い融点を有する塩、複数種の塩の混合物及び金属から選択された冷却剤を収容するように適合された少なくとも一つの冷却管、
を含む、アンモニア製造のためのコンバータ。 - 冷却管の壁が、触媒管の壁よりも弱い機械的強度を有する、請求項７のコンバータ。
Applications Claiming Priority (3)
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| DKPA199801398 | 1998-10-30 | ||
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