JP6878912B2 - 二酸化炭素の製造方法 - Google Patents
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Description
しかし、アンモニアの需給バランスの関係から、アンモニア製造工場の停止等が生じており、新たな二酸化炭素の供給源が必要となっている。そのような新たな供給源として、大量の化石燃料を使用する火力発電所等の動力発生設備として使用されるボイラーやガスタービン等の産業設備や、分解炉において、エタン、プロパン、ナフサ、ガスオイル等の広範囲な炭化水素原料を無触媒下にて高温短時間で熱分解して、エチレン、プロピレン、ブテン等のオレフィンおよびベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族化合物を生成し、これを分離精製するエチレンプラント等が検討される。
ところで、上記のエチレンプラントの分解炉は、発電所ボイラーとは対照的に−35PaG〜−15PaGの微負圧の条件にて運転されることが多い。そして、万が一、エチレンプラントから二酸化炭素を含む排ガスを回収している際、その二酸化炭素回収設備に不調が生じた場合、排ガスの回収速度に変化が生じ、その結果、圧力変動による衝撃波、すなわち圧力変動波が発生する事が知られている(非特許文献1)。その圧力変動波がエチレンプラントのエチレン分解炉に伝播すると、分解炉の圧力が変動し、場合によっては、陽圧に転じるおそれがあり、分解炉の安定運転に支障を与える可能性がある。
即ち、本発明は以下を要旨とする。
(−5.39923)×t1+(2.472132)×θ+(−117.342)×t2+(0.416792)×ΔU+91.99513≦15 …(1)
[2]上記エチレン分解炉は、−35PaG以上−15PaG未満で運転されることを特徴とする[1]に記載の二酸化炭素の製造方法。
この排ガス設備11によって、エチレン分解炉10で発生した二酸化炭素を含む排ガスは回収され、煙突より外方に排出される。
そして、上記排ガス取り出し配管22の一方の端部は、上記の位置から上記排ガス設備11内部に挿入され、後記する条件の下、この端部が配置される。
なお、この角度θは、上記排ガスの流れ方向を0radとし、排ガス取り出し配管22が排ガス設備11の壁面に最も近い側の面と反対側の面に、上記排ガスの流れ方向に対して90°(=π/2rad)の角度を持って形成された開口部22aの角度を90°(=π/2rad)とする。同様に、排ガス取り出し配管22が排ガス設備11の壁面に最も近い側の面に、上記排ガスの流れ方向に対して90°(=π/2rad)の角度を持って形成された開口部22aの角度についても90°(=π/2rad)とする。
(−5.39923)×t1+(2.472132)×θ+(−117.342)×t2+(0.416792)×ΔU+91.99513≦15 …(1)
t1(秒)は、計画的に二酸化炭素製造設備21を停止させるときにも適用されるが、定数の符号がマイナスであり、短時間に上記排ガス取り出し配管22を流れる上記排ガスの量の減少が生じる場合、具体的には、ブロア24の1つ又は複数の停止又は不調、それ以外の二酸化炭素製造設備21の不調等による上記排ガス量の減少、二酸化炭素製造設備21の緊急停止等により、短時間に上記排ガス量の減少が生じた場合に、式(1)の結果に大きな影響を与えることとなる。
θは、上記したように、開口部22aの角度であり、一般的には、他の条件によっては、上記排ガスの流れ方向と反対方向であってもよいが、上記排ガスの流れ方向、すなわち、エチレン分解炉に向かう方向と反対方向に設けられるのがより好ましい。より好ましい範囲は、0〜90°(=π/2rad)となる。なお、270°(=3π/2rad)〜0°(360°)は、排ガス設備11の壁面に開口部22aが向くことになるが0°〜90°(=π/2rad)の場合と同様の効果が得られると考えられる。即ち本発明では0〜180°と360〜180°とを区別せず、排ガス取り出し配管の一方の端部の開口部の向く方向をθrad(0≦θ≦π)とした。
t2(秒)は、圧力変動波がエチレン分解炉に到達する時間であるが、圧力変動波は気体中を伝播するので、音波とほぼ同様の速度を有する。このため、この時間t2は、実質上、分解炉10から二酸化炭素製造設備21までの距離、すなわち、排ガス取り出し配管22の長さ、及び排ガス取り出し配管22の一方の端部の開口部から分解炉10までの最短経路の距離の合計値で決定される。
ΔUは、排ガス取り出し配管22を流れる排ガスの速度低下により生じる運動エネルギー減少量である。排ガス取り出し配管22を流れる排ガスの質量は、単位体積当たりの質量が一定なので、排ガス取り出し配管22の径が定まると一定化するので、定数に組み込むことができる。このため、例えば、図4に示すように、速度がv1からv2に低下したとすると、ΔUは、((v1)2−(v2)2)の定数倍となる。
このため、上記式(1)の「(−5.39923)×t1+(2.472132)×θ+(−117.342)×t2+(0.416792)×ΔU+91.99513」の値が15以下というのは、エチレン分解炉における圧力変動幅が15Pa以下であることを意味する。
下記の実施例及び比較例においては、数値流体力学(CFD)のソフトを用いて圧力変動値を計算した。
[数値流体力学(CFD)ソフト]
数値流体力学(CFD)は、対象事例が関わる流体及びその他の物理現象を詳細に計算するエンジニアリング手法である。そして、CFDソフトでは、エチレン分解炉出口から二酸化炭素製造設備入口までのダクトおよび煙突の形状、内部構造物を3次元で実物どおりにモデル化する事ができ、内部のガスの流れや圧力分布などを詳細に求めることが出来る。また計算は定常計算および非定常計算のいずれにも適用可能であり、エチレン分解炉から二酸化炭素製造設備まで通常運転されている場合には定常計算を行い、二酸化炭素製造設備に不調が生じた後の設備内の圧力変動を求める際には非定常計算を行うことにより、エチレン分解炉に伝播する圧力波の大きさを求めることができ、圧力変動幅を求めることができる。
・使用ソフト…ANSYS CFX(ANSYS社製、ver16.2)
この流体解析ソフトを用いた計算手順は、以下のとおりである。
1)分解炉ダクト12の入口条件として分解炉発生ガス量を設定。
2)排ガス取出し配管22の出口における流量を設定。
3)排ガス取出し配管22の出口において、所定時間経過後に、流量が所定量まで低下するように変更。
4)分解炉ダクト12の入口における圧力変動値を計算。
エチレン分解炉(総排ガス量44万Nm3/hr)の一部排ガス(10万Nm3/hr、23%相当)を排ガス取出し配管から抜出す設備(取出し配管は直径1.5mの円形配管)において、排ガス送り出し設備(例えばブロワー)の送り出し量が3秒間で10万Nm3/hr(ガス線速15.7m/sec)から5万Nm3/hr(ガス線速7.9m/sec)に変化した場合におけるエチレン分解炉への圧力影響を15Pa以内に抑えるため、排ガス取出し口(排ガス取出し配管の開口部。以下同様)をエチレン分解炉からの距離が333m(音速347m/secと仮定すると伝播時間=0.96sec)、排ガス取出し配管の向きはガスの流れ方向と0°(=3.14radian)の角度をなすように設置した。この場合における式(1)の計算値は10Paとなった。本条件において、流体解析ソフト(CFX ver16.2)を用いてエチレン分解炉における圧力変動値を計算した。流体解析ソフトを用いた計算は以下手順で行った。
1)分解炉入口条件として分解炉発生ガス量を設定(44万Nm3/hr)
2)排ガス取出し配管出口における流量を設定(10万Nm3/hr,ガス線速15.7m/sec)
3)排ガス取出し配管出口において、3秒後に5万Nm3/hr(ガス線速7.9m/sec)まで低下するように変更
4)分解炉入口における圧力変動値を計算
その結果、エチレン分解炉における圧力変動は10Paとなり、15Pa以内であることから、エチレンプラントへの影響が無い事が分かった。
エチレン分解炉(総排ガス量44万Nm3/hr)の一部排ガス(10万Nm3/hr、23%相当)を排ガス取出し配管から抜出す設備(取出し配管は直径1.5mの円形配管)において、排ガス送り出し設備(例えばブロワー)の送り出し量が3秒間で10万Nm3/hr(ガス線速15.7m/sec)から5万Nm3/hr(ガス線速7.9m/sec)に変化した場合におけるエチレン分解炉への圧力影響を15Pa以内に抑えるため、排ガス取出し口をエチレン分解炉からの距離が321m(音速347m/secと仮定すると伝播時間=0.93sec)、排ガス取出し配管の向きはガスの流れ方向と90°(=1.57radian)の角度をなすように設置した。この場合における式(1)の計算値は9Paとなった。本条件において、流体解析ソフト(CFX ver16.2)を用いてエチレン分解炉における圧力変動値を計算した。流体解析ソフトを用いた計算は以下手順で行った。
1)分解炉入口条件として分解炉発生ガス量を設定(44万Nm3/hr)
2)排ガス取出し配管出口における流量を設定(10万Nm3/hr,ガス線速15.7m/sec)
3)排ガス取出し配管出口において、3秒後に5万Nm3/hr(ガス線速7.9m/sec)まで低下するように変更
4)分解炉入口における圧力変動値を計算
その結果、エチレン分解炉における圧力変動は10Paとなり、15Pa以内であることから、エチレンプラントへの影響が無い事が分かった。
エチレン分解炉(総排ガス量44万Nm3/hr)の一部排ガス(10万Nm3/hr、23%相当)を排ガス取出し配管から抜出す設備(取出し配管は直径1.5mの円形配管)において、排ガス送り出し設備(例えばブロワー)の送り出し量が1秒間で10万Nm3/hr(ガス線速15.7m/sec)から5万Nm3/hr(ガス線速7.9m/sec)に変化した場合におけるエチレン分解炉への圧力影響を15Pa以内に抑えるため、排ガス取出し口をエチレン分解炉からの距離が333m(音速347m/secと仮定すると伝播時間=0.96sec)、排ガス取出し配管の向きはガスの流れ方向と0°(=0radian)の角度をなすように設置した。この場合における式(1)の計算値は13Paとなった。本条件において、流体解析ソフト(CFX ver16.2)を用いてエチレン分解炉における圧力変動値を計算した。流体解析ソフトを用いた計算は以下手順で行った。
1)分解炉入口条件として分解炉発生ガス量を設定(44万Nm3/hr)
2)排ガス取出し配管出口における流量を設定(10万Nm3/hr,ガス線速15.7m/sec)
3)排ガス取出し配管出口において、1秒後に5万Nm3/hr(ガス線速7.9m/sec)まで低下するように変更
4)分解炉入口における圧力変動値を計算
その結果、エチレン分解炉における圧力変動は12Paとなり、15Pa以内であることから、エチレンプラントへの影響が無い事が分かった。
エチレン分解炉(総排ガス量44万Nm3/hr)の一部排ガス(10万Nm3/hr、23%相当)を排ガス取出し配管から抜出す設備(取出し配管は直径1.5mの円形配管)において、排ガス送り出し設備(例えばブロワー)の送り出し量が3秒間で10万Nm3/hr(ガス線速15.7m/sec)から5万Nm3/hr(ガス線速7.9m/sec)に変化した場合におけるエチレン分解炉への圧力影響を15Pa以内に抑えるため、排ガス取出し口をエチレン分解炉からの距離が333m(音速347m/secと仮定すると伝播時間=0.96sec)、排ガス取出し配管の向きはガスの流れ方向と0°(=0radian)の角度をなすように設置した。この場合における式(1)の計算値は2Paとなった。本条件において、流体解析ソフト(CFX ver16.2)を用いてエチレン分解炉における圧力変動値を計算した。流体解析ソフトを用いた計算は以下手順で行った。
1)分解炉入口条件として分解炉発生ガス量を設定(44万Nm3/hr)
2)排ガス取出し配管出口における流量を設定(10万Nm3/hr,ガス線速15.7m/sec)
3)排ガス取出し配管出口において、3秒後に5万Nm3/hr(ガス線速7.9m/sec)まで低下するように変更
4)分解炉入口における圧力変動値を計算
その結果、エチレン分解炉における圧力変動は2Paとなり、15Pa以内であることから、エチレンプラントへの影響が無い事が分かった。
エチレン分解炉(総排ガス量44万Nm3/hr)の一部排ガス(8万Nm3/hr、18%相当)を排ガス取出し配管から抜出す設備(取出し配管は直径1.5mの円形配管)において、排ガス送り出し設備(例えばブロワー)の送り出し量が2秒間で8万Nm3/hr(ガス線速12.6m/sec)から4万Nm3/hr(ガス線速6.3m/sec)に変化した場合におけるエチレン分解炉への圧力影響を15Pa以内に抑えるため、排ガス取出し口をエチレン分解炉からの距離が333m(音速347m/secと仮定すると伝播時間=0.92sec)、排ガス取出し配管の向きはガスの流れ方向と90°(=1.57radian)の角度をなすように設置した。この場合における式(1)の計算値は2Paとなった。本条件において、流体解析ソフト(CFX ver16.2)を用いてエチレン分解炉における圧力変動値を計算した。流体解析ソフトを用いた計算は以下手順で行った。
1)分解炉入口条件として分解炉発生ガス量を設定(44万Nm3/hr)
2)排ガス取出し配管出口における流量を設定(8万Nm3/hr,ガス線速12.6m/sec)
3)排ガス取出し配管出口において、2秒後に4万Nm3/hr(ガス線速6.3m/sec)まで低下するように変更
4)分解炉入口における圧力変動値を計算
その結果、エチレン分解炉における圧力変動は3Paとなり、15Pa以内であることから、エチレンプラントへの影響が無い事が分かった。
エチレン分解炉(総排ガス量44万Nm3/hr)の一部排ガス(10万Nm3/hr、23%相当)を排ガス取出し配管から抜出す設備(取出し配管は直径1.5mの円形配管)において、排ガス送り出し設備(例えばブロワー)の送り出し量が3秒間で10万Nm3/hr(ガス線速15.7m/sec)から5万Nm3/hr(ガス線速7.9m/sec)に変化した場合におけるエチレン分解炉への圧力影響を15Pa以内に抑えるため、排ガス取出し口をエチレン分解炉からの距離が333m(音速347m/secと仮定すると伝播時間=0.89sec)、排ガス取出し配管の向きはガスの流れ方向と90°(=1.57radian)の角度をなすように設置した。この場合における式(1)の計算値は14Paとなった。本条件において、流体解析ソフト(CFX ver16.2)を用いてエチレン分解炉における圧力変動値を計算した。流体解析ソフトを用いた計算は以下手順で行った。
1)分解炉入口条件として分解炉発生ガス量を設定(44万Nm3/hr)
2)排ガス取出し配管出口における流量を設定(10万Nm3/hr,ガス線速15.7m/sec)
3)排ガス取出し配管出口において、3秒後に5万Nm3/hr(ガス線速7.9m/sec)まで低下するように変更
4)分解炉入口における圧力変動値を計算
その結果、エチレン分解炉における圧力変動は13Paとなり、15Pa以内であることから、エチレンプラントへの影響が無い事が分かった。
エチレン分解炉(総排ガス量44万Nm3/hr)の一部排ガス(14万Nm3/hr、32%相当)を排ガス取出し配管から抜出す設備(取出し配管は直径1.5mの円形配管)において、排ガス送り出し設備(例えばブロワー)の送り出し量が1秒間で14万Nm3/hr(ガス線速22.0m/sec)から7万Nm3/hr(ガス線速11.0m/sec)に変化した場合において、排ガス取出し口をエチレン分解炉からの距離が115m(音速347m/secと仮定すると伝播時間=0.33 sec)、排ガス取出し配管の向きはガスの流れ方向と90°(=1.57radian)の角度をなすように設置した。この場合における式(1)の計算値は132Paとなった。本条件において、流体解析ソフト(CFX ver16.2)を用いてエチレン分解炉における圧力変動値を計算した。流体解析ソフトを用いた計算は以下手順で行った。
1)分解炉入口条件として分解炉発生ガス量を設定(44万Nm3/hr)
2)排ガス取出し配管出口における流量を設定(14万Nm3/hr,ガス線速22.0m/sec)
3)排ガス取出し配管出口において、1秒後に7万Nm3/hr(ガス線速11.0m/sec)まで低下するように変更
4)分解炉入口における圧力変動値を計算
その結果、エチレン分解炉における圧力変動は141Paとなり、エチレンプラントへの影響がある事が分かった。
エチレン分解炉(総排ガス量44万Nm3/hr)の一部排ガス(10万Nm3/hr、23%相当)を排ガス取出し配管から抜出す設備(取出し配管は直径1.5mの円形配管)において、排ガス送り出し設備(例えばブロワー)の送り出し量が3秒間で10万Nm3/hr(ガス線速15.7m/sec)から5万Nm3/hr(ガス線速7.9m/sec)に変化した場合において、排ガス取出し口をエチレン分解炉からの距離が285m(音速347m/secと仮定すると伝播時間=0.82sec)、排ガス取出し配管の向きはガスの流れ方向と90°(=1.57radian)の角度をなすように設置した。この場合における式(1)の計算値は22Paとなった。本条件において、流体解析ソフト(CFX ver16.2)を用いてエチレン分解炉における圧力変動値を計算した。流体解析ソフトを用いた計算は以下手順で行った。
1)分解炉入口条件として分解炉発生ガス量を設定(44万Nm3/hr)
2)排ガス取出し配管出口における流量を設定(10万Nm3/hr,ガス線速15.7m/sec)
3)排ガス取出し配管出口において、3秒後に5万Nm3/hr(ガス線速7.9m/sec)まで低下するように変更
4)分解炉入口における圧力変動値を計算
その結果、エチレン分解炉における圧力変動は23Paとなり、エチレンプラントへの影響がある事が分かった。
11 排ガス設備
12 分解炉ダクト
13 連結ダクト
14 集約ダクト
15 排ガス煙突
21 二酸化炭素製造設備
22 排ガス取り出し配管
22a 開口部
23 水洗塔
24 ブロア
25 吸収塔
Claims (2)
- エチレン分解炉、及びこのエチレン分解炉から排出される排ガスを回収、排出するための排ガス設備を有するエチレンプラントから排出される排ガスを用いて二酸化炭素を製造する二酸化炭素の製造方法において、
上記排ガス設備と上記二酸化炭素を製造する二酸化炭素製造設備とは排ガス取り出し配管により連結され、この排ガス取り出し配管の一方の端部は、上記排ガス設備の内部に挿入され、
上記排ガス取り出し配管を流れる上記排ガスの量の減少が生じたとき、その減少開始から減少終了までの時間をt1秒、
上記排ガス設備の内部に挿入された上記排ガス取り出し配管の一方の端部の開口部のある部分の排ガスの流れ方向を基準としたとき、この排ガス取り出し配管の一方の端部の開口部の向く方向をθrad(0≦θ≦π)、
上記排ガス取り出し配管を流れる上記排ガスの量が減少するときに生じる圧力変動波が前記エチレン分解炉に到達する時間をt2秒、
上記排ガス取り出し配管を流れる上記排ガスの速度低下により生じる運動エネルギー減少量をΔU(J)、
としたとき、下記の式(1)を満たすことにより、上記二酸化炭素製造設備の不調により生じる圧力変動幅を15Pa以下に抑制することを特徴とする二酸化炭素の製造方法。
(−5.39923)×t1+(2.472132)×θ+(−117.342)×t2+(0.416792)×ΔU+91.99513≦15 …(1) - 上記エチレン分解炉は、−35PaG以上−15PaG未満で運転されることを特徴とする請求項1に記載の二酸化炭素の製造方法。
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