JPH0798643B2 - アンモニア合成ガスの製造方法 - Google Patents

アンモニア合成ガスの製造方法

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JPH0798643B2 JP61196453A JP19645386A JPH0798643B2 JP H0798643 B2 JPH0798643 B2 JP H0798643B2 JP 61196453 A JP61196453 A JP 61196453A JP 19645386 A JP19645386 A JP 19645386A JP H0798643 B2 JPH0798643 B2 JP H0798643B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明はアンモニア合成ガスに関し、さらに詳しくはリ
ホーミング可能炭化水素原料からアンモニア合成ガスを
製造する方法に関する。
アンモニア合成ガスを製造するための確立された慣用方
法には下記の如き段階が含まれる： （ａ） 原料及びスチームを外部から加熱された触媒に
通すことにより原料を１次スチームリホーミングに付
し、これにより、水素、炭素酸化物類、メタン及び未反
応スチームを含む１次リホーミング済ガスを作り、 （ｂ） この１次リホーミング済ガスを空気との反応に
よる２次リホーミングに付し、そして得られる混合物を
触媒上にその混合物が平衡にもたらされるように通過さ
せる。この段階は空気を導入しそしてメタン含量を低い
水準にまで減少させる効果をもつ。
（ｃ） ２次リホーミング済ガス流をスチームとの接触
シフト反応に付す。これは一酸化炭素を二酸化炭素に変
えると共にさらに水素を生成させる作用をなす。
（ｄ） 未反応スチームを凝縮により除去し、二酸化炭
素のほとんどを、再生可能液体吸収済でのスクラビング
により除去する。
（ｅ） 残留一酸化炭素及び二酸化炭素をメタン化反応
により除去する。
上記の方法において、高品位熱は、１次リホーミング段
階に熱を供給する炉の煙道ガスから、及び２次リホーミ
ング及びシフト反応両段階よりもたらされる高温ガスか
ら、スチームの形で回収される。またスチームは、アン
モニア合成段階のような後続（下流側）の操作からの熱
回収によっても作られうる。エネルギーは、このような
スチームを、１基またはそれ以上のタービンを介して圧
力降下させることにより、または発電を経てスチームか
ら回収される。それらのタービンは、２次リホーミング
段階へ空気を供給する空気コンプレッサー、合成ガスコ
ンプレッサー、メタン化段階の下流側のアンモニア合成
ループ中の循環機、及びアンモニア製造プラント中のそ
の他多くの機械類を駆動するものでありうる。しかし、
１次リホーミング段階の炉、及び二酸化炭素除去段階の
再生可能吸収剤装置は、大型で高価な設備であるので、
それらを別のもので取り換えるためのいくつかの提案が
なされてきている。
殊に英国特許第2126573号明細書には、１次リホーミン
グ段階を省略（割愛）し、そして二酸化炭素除去段階を
圧力変動吸着（PSA）装置で置き換えることからなる方
法が記載されており、その特定具体例における方法は下
記の工程からなっている。
燃焼式加熱機で炭化水素を加熱し； 飽和加湿によりその炭化水素にスチームを添加し； その加熱された炭化水素を空気と反応させ（その際に添
加される空気の量は、アンモニア合成ガスにおいて必要
とされるよりも実質的に過剰の窒素が導入されるような
量とし）； 冷却しそしてシフト反応段階でいく分かの一酸化炭素を
変化させ； さらにそのガスを冷却し、そしてそのガスをPSA段階で
アンモニア合成ガス流と廃ガスとに分離し（この廃ガス
は二酸化炭素、過剰の窒素、一酸化炭素、メタン及び多
少の水素を含み、燃料として使用される）； そしてそのアンモニア合成ガス流をメタン化処理する。
この特定具体例におけるPSA及びメタン化両段階にわた
る水素回収率（すなわちPSA装置への供給物中の水素量
に対するメタン化反応済ガス中の水素量の割合）は、わ
ずか72.4％であるが、我々は、ここに英国特許第212657
3号のものと同じ一般的な方式で応用することができし
かも実質的に高い水素回収率で実施できる改善法を案出
した。
本発明では、高い水素回収率は、炭化水素原料を、空気
（もしくは酸素富化または酸素低減空気）及びスチーム
からなりかつ高温度の気体流と、反応させることにより
達成できるものである。このようにすると、導入される
窒素の過剰量、すなわちPSA処理で除去されるべき過剰
窒素量を制限することができ、従ってより高い水素回収
率の達成が可能となる。
従って、本発明は、 （ａ） 空気、酸素低減空気及び酸素富化空気から選択
された15〜35容量％の範囲の酸素含量を有する窒素／酸
素含有気体と、スチームと、からなる加熱されたガス流
を作り、 （ｂ） 炭化水素原料流をその加熱されたガス流と反応
させて、炭素酸化物類、水素、窒素、メタン、貴ガス
類、及び過剰スチームを含む改質されたガス流を作り、
その際の両反応体の割合及び反応条件は該改質ガス流中
の「水素及び一酸化炭素の合計」：「窒素」の容量比が
少なくとも1.2であるようなものとし、 （ｃ） その改質ガス流を冷却し、そして冷却された改
質ガス流を、乾燥基準で１容量％以下の一酸化炭素含量
を有するシフト反応済ガス流を生成させるような反応条
件下で接触シフト反応に付し、 （ｄ） そのシフト反応済ガス流を冷却し、それから未
反応スチームを液体水として分離して原料ガス流を作
り、 （ｅ） その原料ガス流から炭素酸化物類、メタン及び
過剰の窒素を除去し、その際に二酸化炭素及び一酸化炭
素の少なくとも一部、過剰の窒素及びメタンを圧力変動
吸着法により除去し、水素及び窒素を含む製品ガス流
と；二酸化炭素、窒素、メタン、一酸化炭素及びいく分
かの水素を含む廃ガス流と；を作り、そして （ｆ） その廃ガス流を燃焼させ、燃焼生成物との熱交
換により、工程（ａ）用のスチーム及び／または窒素／
酸素含有気体を加熱することにより該スチーム及び該窒
素／酸素含有気体から得られる加熱されたガス流が700
℃以上の温度を有するようにする。
ことからなるアンモニア合成ガスの製造方法が提供され
る。
炭化水素原料は、大気圧において250℃以下の沸点を有
するのが好ましく、従ってLPGまたは天然ガスが好まし
い。原料が４個またはそれ以上の炭素原子を有する炭化
水素を著しい割合で含むならば、550℃以下の温度にお
いてスチームを用いての予備的な触媒反応でその原料を
「メタンに富む」ガスに転化するのが望ましいことがあ
る。
窒素及び酸素を含む気体は空気であるのが好ましいが、
酸素を富化（強化）した空気または酸素を低減した空気
も（そのような空気が利用できるならば）使用してよ
い。便宜上、この明細書においては、以下「窒素及び酸
素を含有する気体、あるいは窒素／酸素含有気体」を単
に「空気」と略称することがある。
空気及び／またはスチーム、または両者の混合物を、炭
化水素原料との反応に先立って、加熱して、加熱された
空気／スチーム混合物が700℃以上、殊に750〜850℃の
温度となるようにする。本発明のかかる特徴の基礎は、
スチーム及び空気は、炭化水素原料と異なり、そのよう
に強く加熱しても望ましくない副反応を受けないことに
ある。空気とスチームとの混合物は、空気と熱水とを接
触させて、水蒸気飽和空気を生じさせることにより作る
のが好都合であり、得られる飽和空気を次いでPSA廃ガ
ス燃焼生成物との熱交換により加熱してから、炭化水素
原料と反応させる。空気／スチーム混合物が水蒸気飽和
処理によって作られる場合、加熱されたスチーム／空気
混合物の使用のもう一つの利点は、その反応に必要とさ
れる空気の容量が炭化水素原料のそれよりも大きいの
で、空気の水蒸気飽和処理によって導入されるスチーム
の容量（炭化水素原料の単容量当りの）、すなわち熱の
量が、炭化水素原料を水蒸気飽和処理する場合よりも、
大きいことである。
炭化水素原料は、単独でまたはスチームと共に、（炭化
水素原料の安定性に応じて）実用的にできるだけ高い温
度にまで予熱されてもよい。メタンについてのかかる予
熱温度は、スチームが存在しない場合に400〜500℃であ
り、あるいはスチームと混合された場合には500〜650℃
であるのが典型的である。
スチーム／空気混合物と炭化水素原料との反応は、10〜
50絶対バール、好ましくは20〜40絶対バールの範囲の圧
力で好都合に実施される。
強い予熱の結果として、炭化水素原料との反応に必要と
される酸素の量を、極めて低く、例えば炭化水素原料中
の炭素１原子当り0.2〜0.6分子の酸素の範囲とすること
ができる。これにより、改質（リホーミング済）ガス中
で「水素＋一酸化炭素」：「窒素」の規定容量比を達成
可能となる。このリホーミング段階から出る改質（リホ
ーミング済）ガスの温度は800〜950℃の範囲内であるの
が好ましい。比較的小割合の空気及びそのような出口温
度の使用は、改質ガス流中の比較的高いメタン含量（例
えば、乾燥基準で0.5〜1.5容量％）に対応するが、本発
明においては、これは不利とならない。なんとなればこ
のメタンの燃料価（発熱量）がPSA廃ガスの燃焼で回収
されるからである。
加熱された空気／スチーム混合物と炭化水素原料との間
の反応は、２次リホーミング器におけるように、フレー
ム域での燃焼、及び得られる混合物を耐火物担持第VIII
族金属触媒上へ通して混合物を平衡化させることによっ
て、実施できる。別法として、その燃焼は、例えば耐火
物担持白金触媒により接触されてもよい。いずれの場合
にも、触媒はハニカム・タイプのものが好ましい。
高温のリホーミング（改質）済ガスを、次いで冷却す
る。この冷却は、水との熱交換によりスチーム（好まし
くは20絶対バール以上の圧力のスチーム）を発生させる
ことによって行なうのが好ましい。本発明を、在来（現
存）アンモニアプラントの合成ガス発生段階に代るもの
として使用しようとする場合には、そのスチーム圧力
は、当該プラントのスチーム系統に適合するように選択
できる。スチームを工程用（反応用）スチームとして直
接に使用する場合（この場合にはスチーム圧力は、炭化
水素原料をスチーム／空気混合物と反応させる圧力より
も高くなければならない）、あるいはスチーム凝縮式タ
ービンで使用する場合には、通常、20〜60絶対バールの
範囲のスチーム圧力で充分であるけれども、さらに高い
圧力、例えば70絶対バール以上、おそらく140絶対バー
ル以上の圧力は、スチームを通過式タービンで圧力降下
させ（すなわち膨張により仕事をさせ）そしてその排出
スチームを工程用（反応用）スチームとして使用する場
合に、適当であろう。所望ならば、スチームを、前述の
ように空気を水蒸気飽和させるための熱水源として使用
することもできる。冷却工程の後に、改質（リーホーミ
ング済）ガス流は、典型的には400℃以下、好ましくは3
20℃以下の温度を有する。
シフト反応は、シフト反応済ガスが乾燥基準で１容量％
以下、好ましくは0.5容量％以下の一酸化炭素含量を有
するようになる条件下で実施される。かかる好ましい出
口一酸化炭素含量を達成するには、シフト反応出口温度
は200〜280℃の範囲内であるのが好ましい。この目的の
ために、改質ガスをシフト反応前に充分適切に冷却し
て、そのようなシフト反応出口温度が断熱式シフト触媒
床を用いて達成されるようにできる。しかし、シフト反
応を冷媒、特に加圧水との間接熱交換関係で実施して、
出口温度が入口温度よりも10℃ないし30℃低くなるよう
にするのが好ましい。シフト反応の発熱、及びガス流の
顕熱からのこのような熱回収の程度は、そのような単一
熱回収操作の結果としての熱損失の回避と共に、好適な
場合にはシフト段階がリホーミング（改質）段階で必要
とされるスチームの全てを供給しうることを意味するも
のである。従って、そのような水冷式シフト段階で得ら
れる熱水は、リホーミング段階で使用されるべき空気／
スチーム混合物を作るための空気と接触させることがで
きる。そのようなシフト段階で得られる熱水は、その空
気と接触されるときに部分的沸とう状態にあってもよ
く、あるいは沸とうさせて、そして次に空気と接触させ
られるべき空気との間接熱交換において凝縮されてもよ
い。かかるシフト段階は、欧州特許第157480号明細書中
にさらに詳しく記載されている。シフト反応触媒は、担
体上の金属銅であるのが適当である。
シフト反応後、シフト反応済ガスを冷却するが、好まし
くはこの冷却は水との熱交換により行なって、熱水を生
じさせるようにする。この熱水は、そのような水冷式シ
フト段階で生じるスチームまたは一層高温の熱水との熱
交換によるさらに一層の加熱をするための供給物とし
て、及び／または高温の改質（リホーミング済）ガスの
冷却デスチームを発生するボイラーへ供給するためのボ
イラー供給水として、使用できる。所望ならば、シフト
反応済ガスの冷却は、少なくとも一部は冷水との直接熱
交換により行なうことができ、その場合には得られる熱
水は直接接触工程、例えば空気の水蒸気飽和工程、のた
めに使用できる。
シフト反応後の冷却の程度は、シフト反応済ガス中の過
剰スチームを凝縮させる程度であり、その凝縮水は次に
分離される。
本発明の若干の応用において、殊に本発明を現存のプラ
ントの改善のために用いる場合には、シフト反応済ガス
中の二酸化炭素のいく分かを、慣用の湿式二酸化炭素除
去処理法によって除去して、現存プラントのこの部分の
使用をはかることができる。湿式の二酸化炭素除去段階
がある場合には、この段階は乾燥基準で１〜５容量％の
二酸化炭素を含むガス流を与えるように操作するのが好
ましい。二酸化炭素吸収剤は感圧力式のもの（特にメチ
ルジエタノールアミンのような第３アミン）、あるいは
ポリエチレングリコールジアルキルエーテル（市販品と
して「selexol」がある）のような物理的溶剤であるの
が好ましい。なんとなれば、そのような溶剤は、例えば
モノエタノールアミンや炭酸カリウム水溶液よりもはる
かに少ない再生熱を必要とするにすぎないからである。
もし湿式二酸化炭素除去段階があるならば、再生のため
に必要とされる熱の一部またはすべては、シフト反応済
ガスと、再生を受けている二酸化炭素吸収剤と、の間接
熱交換により供給しうる。
シフト反応済ガスを冷却し、それから凝縮水を分離した
後、及び湿式二酸化炭素除去段階を行なう場合にはその
後に、このガス流はPSA段階に付される。湿式二酸化炭
素除去段階を実施し、しかもこれを除去処理後のガス中
に１容量％以下の二酸化炭素含量を与えるように実施す
る場合には、湿式二酸化炭素除去後のガスを、PSA段階
に先立ってメタン化処理するのが好ましい。本発明で用
いるPSA段階は、欧州特許第157480号、同第178833号ま
たは同第183358号明細書に記載された公知のタイプのも
のであるのが、典型的である。
PSA段階においては、下流側での諸操作に望ましい割合
で水素及び窒素を含む製品ガス流が、小割合の水素、過
剰の窒素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン及びアルゴ
ンを含む廃ガスと共に得られる。これは、製品ガス流中
への窒素のブレーク・スルー（漏出）が、製品ガスに所
望の窒素含量（吸着工程全体にわたり累積して）を与え
る程度まで起こるように、吸着工程を実施することによ
り達成される。かかる製品ガス流は、一般にいく分かの
アルゴンを含むことになる。その理由は、普通PSA段階
で完全には分離されないからである。PSA吸着剤は、慣
用の活性炭、ゼオライトＡ、もしくはシリカゲル・タイ
プまたはそれらの組合せであってよい。窒素よりも一酸
化炭素を優先的に吸着する吸着剤、例えばモルデナイト
またはナトリウム・カルシウムゼオライトＸを用いて、
製品ガス中の低い一酸化炭素含量を得られるようにする
のが有利であろう。
乾燥基準で１容量％以下の出口一酸化炭素含量を与える
ようにシフト反応を実施する結果として、製品ガス流の
一酸化炭素含量は、若干の場合には、二酸化炭素含量を
アンモニア合成触媒（殊にルテニウムからなる触媒）に
毒作用を与えない濃度にまで低減するための後続のメタ
ン化段階を必要としない程まで充分に低まることがあ
る。別の場合には、殊にアンモニア合成を鉄触媒で実施
する場合には、メタン化段階を含むのが望ましいであろ
う（但し、多くの場合、単に工程の事故保険手段として
使用されよう）。PSAの次にメタン化段階を設ける場合
には、いく分かの水素がメタン化反応において消費され
るので、PSA段階における窒素の漏出の程度は、メタン
化後のガス流がアンモニア合成ガスに所望される水素：
窒素比を有するような程度であるべきことは、了解され
よう。アンモニア合成についての水素：窒素の化学量論
比は3:1であるが、若干の場合には、2.7:1のような低い
水素：窒素比あるいは3.1:1のような高い水素：窒素比
を用いてアンモニア合成工程を実施するのが好ましいこ
とがある。
本発明方法においては、PSA廃ガスを燃焼させて、スチ
ーム及び／または空気を加熱するための熱を得る。若干
の場合には、かかる燃焼の前にPSA廃ガスから二酸化炭
素を分離するのが望ましいことがある。別法として、欧
州特許第178833号明細書に記載されるようなPSA法を用
いて二酸化炭素に富む廃ガス流と二酸化炭素に乏しい廃
ガス流とを別々に得て、その二酸化炭素に乏しい廃ガス
流のみを燃焼工程において使用することもできる。殊
に、燃焼のために使用されるべき廃ガス流が１絶対バー
ル以上、特に３〜５絶対バールの圧力を有し、従ってそ
れがガスタービン中で圧力降下されて有用な動力を回収
し、そして所望ならばそれが二酸化炭素回収のためにす
ぐに処理されうる状態にあるように、PSA段階を操作す
るのが好ましい。
燃焼されるべき廃ガスは（殊にそれが可成りの量の二酸
化炭素を含む場合には）、触媒式燃焼器において燃焼さ
れるのが好ましく、所望ならば廃ガスは燃焼に先立って
圧縮してもよい。燃焼生成物は、次いで、リホーミング
（改質）段階へ供給されるべき空気及び／またはスチー
ムと熱交換され、次いで好ましくはガス・タービン中で
膨張されて仕事をなすようにするのが適当である。この
ようなタービンは、直接に、または発電を経て、プラン
ト中の１またはそれ以上の大型機械、特に燃焼用空気、
及びリホーミング段階へ供給されるべき工程用（反応
用）空気を供給する空気コンプレッサー、及びもし使用
されるならば、燃焼前に廃ガスを圧縮するためのコンプ
レッサー、を駆動しうる。このようにすると、廃ガスの
メタン分からの有用なエネルギーの高回収率が達成で
き、従ってリホーミング段階における比較的制限された
量の空気の使用の結果としてリホーミング済（改質済）
ガス中に存在するメタンからの有用なエネルギーの高回
収率が達成できる。
本発明によるアンモニア合成ガス製造のための好ましい
一方法を添付図のフローシートにより以下説明する。
この態様において、空気は、ライン10を経て第１段階空
気コンプレッサー11へ供給され、ここで中度の圧力にま
で圧縮される。この圧縮空気の一部は、ライン12を経
て、触媒式燃焼器13へ供給され、ここでライン14を経て
燃焼器13へ供給されるPSA廃ガス流の燃焼用の空気とし
て働く。燃焼生成物は、ライン15を経て、熱交換器16
へ、次いでライン17を経てタービン18へ供給される。タ
ービン18からの排出流は、ライン19を経て、熱交換器20
〜21、次いでライン22を経て大気中へ放出される。ター
ビン18はコンプレッサー11、第２段階空気コンプレッサ
ー23及び発電機24を駆動する。
コンプレッサー11からの圧縮空気の残部は、ライン25を
経て熱交換器26へ供給され、ここで冷却され、次いで第
２段階空気コンプレッサーへ供給されて、ここで工程
（反応）圧力まで圧縮される。この圧縮空気はコンプレ
ッサー23からライン28を経て水蒸気飽和化塔27へ供給さ
れる。塔27では、圧縮空気は、ライン29を経て塔27へ供
給される熱水と接触される。得られる水蒸気飽和空気
は、次いでライン30を経て熱交換器20へ送られる。さら
にスチームが入手（利用）可能であれば、それをライン
31を経て水蒸気飽和空気に添加してもよい。このスチー
ム／空気混合物（流れＡ）は熱交換器20においてタービ
ン排出流との熱交換によって過熱され、次いでライン32
を経て熱交換器16へ供給され、ここでこの過熱スチーム
／空気混合物は、触媒式燃焼器13からの燃焼生成物との
熱交換により強く加熱される。得られる高温スチーム／
空気混合物（流れＢ）は、次いでライン33を経て部分酸
化反応器34へ供給される。所望ならば熱交換器20を省略
して、スチーム／空気混合物が飽和化塔27から直接に熱
交換器16へ供給されるようにできる。
天然ガスを〔これにアンモニア合成ループ（図示せず）
からのパージ流を添加して〕、ライン35を経て熱交換器
36へ供給して加熱し、次いでライン37を経て脱硫器38へ
送る。この脱硫器は、コバルト・モリブテナ・アルミナ
顆粒の床及びそれに続く酸化亜鉛顆粒床を含む。得られ
る脱硫ガス（流れＣ）をライン39を経て部分酸化反応器
34へ供給する。
部分酸化反応器34では、その脱流天然ガスは、ライン33
を経て供給される高温スチーム／空気混合物により（炎
を形成する適当な設計のバーナーで、または燃焼作用触
媒上で）部分的に燃焼され、この部分燃焼混合物は耐火
物担持ニッケル触媒40上で平衡にもたらされる。得られ
る高温の改質（リホーミング済）ガス流は典型的には80
0〜950℃であり、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、窒
素、スチーム、少量の貴ガス類及び少量のメタンを含
む。この高温の改質ガス流（流れＤ）は次いでライン41
を経て一連の熱交換器群へ供給されて300℃以下にまで
冷却され、ここから（流れＥとして）シフト反応器42へ
供給される。この一連の熱交換器は、第１熱交換器43、
並列の２基の熱交換器44及び36、ならびに熱交換器45か
らなる。
シフト反応器42は、周囲の外殻空隙中の水との熱交換に
よって冷却された管47中に配置されたペレット化銅・酸
化亜鉛・アルミナ触媒46を含んでいる。シフト反応器中
で、改湿ガス中の一酸化炭素はスチームと反応して、二
酸化炭素及び水素を生成させる。シフト反応条件は、一
酸化炭素含量が乾燥基準で１容量％以下にまで低減され
るような条件である。シフト反応済ガス（流れＦ）は次
いでライン48を経て、熱交換器49へ供給されて冷却さ
れ、その冷却されたシフト反応済ガス流は次いでライン
50を経て充填塔51へ供給され、ここで、ライン52を経て
塔51へ供給されて充填材を流下する水との接触によって
スチームがそのガスから除かれる。次いでそのガス流を
塔51からライン54を経て二酸化炭素除去塔53へ供給する
ことにより、二酸化炭素の一部をそのガス流から除去す
る。塔53では、そのガス流は、再生装置（図示せず）か
らライン55を経て塔53へ供給される吸収材溶液と接触す
る。その再生装置には二酸化炭素を負荷された吸収剤溶
液がライン56を経て供給される。かくして二酸化炭素含
量の低減されたガス流は、次いで塔53からライン57を経
て圧力変動吸着（PSA）装置58へ供給される。別法にお
いては、二酸化炭素除去塔53を省略し、そしてガス流を
塔51から直接にPSA装置58へ供給する。
PSA装置58は４〜12床の吸着剤、例えば活性炭、または
カルシウムゼオライトＡ、またはナトリウム・カルシウ
ムゼオライトＹを含み、また吸着−圧力平衡化−減圧−
パージ−再加圧の一連の工程を実施するようにプログラ
ムされた制御機構を有している。PSA装置は、二つの排
出流、すなわちライン59の製品流Ｇ、及びライン60の廃
ガス流Ｈを与える。PSAサイクルの吸着工程では、炭素
酸化物類とメタン、及びいく分かのアルゴンと窒素が吸
着され、吸着されないガスは製品流Ｇをなす。各吸着工
程は、吸着工程全体にわたり積分（累積）したときに、
製品流が約３の水素：窒素モル比を有するようにするに
足る窒素漏出が生じた時点で、停止する。得られる製品
流Ｇは、ライン59を経て（多くの場合はメタン化及び乾
燥段階を経てから）、アンモニア合成ループ（図示せ
ず）へ供給される。メタン化段階が設けられている場
合、吸着工程における窒素漏出の程度は、メタン化後の
水素：窒素モル比が所望の水準、すなわち約３にあるよ
うな程度とすべきである。
PSA装置からの廃ガス流Ｈは、窒素、一酸化炭素、メタ
ン、貴ガス、いく分かの水素、及び二酸化炭素をも含む
が、二酸化炭素の量は、PSA装置の前に二酸化炭素段階
があるか否かによって左右される。もし廃ガス流Ｈ中の
二酸化炭素含量が高く、そして二酸化炭素が回収される
べきであるならば、その廃ガスを二酸化炭素除去塔61へ
送る。この塔61は塔53に類似するものである。ガスは塔
61からライン62を経て熱交換器21へ送られる。もし廃ガ
ス流Ｈの二酸化炭素含量が低いか、二酸化炭素回収が必
要とされない場合には、塔61を迂回させて、廃ガスをPS
A装置58から熱交換器21へ直接に供給する。熱交換器21
では、廃ガスは、タービン18からの排出流との熱交換に
よって加熱され、そして加熱された廃ガスはライン14を
経て触媒式燃焼器13へ供給される。
工程用（反応用）補充水は、塔51へ冷水を供給するライ
ン52を経て系へ供給される。塔51で、その水は上向きに
上昇するシフト反応済ガスと接触して、そのシフト反応
済ガスから水分を凝縮させる。得られる熱水流は塔51の
底から取り出され、再循環水と合流されて、ライン63を
経て熱交換器49へ供給され、ここでシフト反応済ガスと
の熱交換により加熱され、次いでライン64を経て熱交換
器65へ供給され、ここでシフト反応器42の外殻内で発生
された凝縮しつつあるスチームとの熱交換によりさらに
加熱される。この加熱された水（これは水とスチームと
の混合物であることもある）は、次いでライン29を経て
水蒸気飽和化塔27の頂部へ供給される。飽和化塔27から
の過剰の冷却された水は底から取り出され、ライン66を
経て、ライン63へ供給される再循環水として供給され
る。所望ならば、ライン52を経て供給される補充水以外
に、１またはそれ以上の補充水供給（図示せず）を行な
ってもよい。工程（反応）用水は沸とうしないか、また
は凝縮しつつあるスチームとの熱交換においてのみ沸と
う（熱交換器65中）するだけであるので、それは、ボイ
ラー給水品質のものである必要はない。
予め脱気されそして腐食防止剤で処理されてあるボイラ
ー給水は、ライン67を経て、熱交換器45へ供給される。
この熱交換器45はボイラー給水加熱器として作用する。
この加熱されたボイラー給水は、次いでライン68を経て
スチームドラム69へ供給される。アンモニア合成ループ
（図示せず）での熱回収からもたらされるスチーム及び
／または熱水もライン70を経てライン68へ、そして熱交
換器43へ供給される。この熱交換器43は高温のシフト反
応済ガスによって加熱されている。熱交換器43はボイラ
ーとして作用する。スチームはスチームドラム69の頂部
からライン72を経て取り出され、過熱器として作用する
熱交換器44へ供給され、次いで高圧スチーム使用部門へ
供給される。高圧スチームは、例えば、プラントと関連
する１またはそれ以上の機械を直接にまたは発電を介し
て駆動する１またはそれ以上のタービン；あるいは尿素
プラント；で使用される。もしこの高圧スチームが70絶
対バール以上の圧力であるならば、それらのタービンか
らの排出流はライン31を経て飽和化空気へ供給されるス
チーム源として使用できる。もし高圧スチームの圧力が
70絶対バール以下であるならば、そのスチームの一部
は、ライン31を経て飽和化空気へ供給されるスチームと
して直接に使用することができ、一部は、低圧スチーム
使用部門または凝縮器へ排出流を向けているタービンを
駆動するのに使用できる。
高圧スチームによって駆動されるタービン、及びタービ
ン18によって得られる動力は、空気コンプレッサー11及
び23のみでなく、プラント中の種々他の機械（図示せ
ず）、例えば、合成ガスコンプレッサー、合成ループ循
環機、冷却用コンプレッサー（使用の場合）及び種々の
液体用ポンプをも駆動するのに足りるものでなければな
らない。
塔53を用いる二酸化炭素除去段階は、もしも二酸化炭素
が製品としてあるいは尿素プラントでの使用のために必
要とされるならば、もしもPSA段階58が小さい廃ガス流
量または相対的に高い廃ガス圧力を使用するように設計
されているならば、あるいはもしも部分酸化反応器34に
おける原料組成、温度、圧力及び空気：原料比の条件が
低い水素：二酸化炭素比をもたらすものであるならば、
使用するのが好ましい。本発明の方法を、現存のプラン
トの慣用合成ガス発生段階の代りに用いてその現存プラ
ントを改善する場合には、現存プラントの二酸化炭素除
去段階を使用できるが、その二酸化炭素除去段階の容量
（能力）が低く過ぎるおそれがある。なんとなれば慣用
法と比較して本発明では 2CH4＋O2＋2H2O→2CO2＋6H2 の全体反応で一層多くの水素が生成され、また CH4＋2H2O→CO2＋4H2O の全体反応で一層少ない水素が生成されるからである。
PSA装置58は、現存の二酸化炭素除去段階の能力を不足
にする程度まで二酸化炭素を除去する。さらに経済的に
は、現存二酸化炭素除去段階を、シフト反応済ガスの二
酸化炭素含量を従来の１％未満ではなく数％まで低減さ
せるように設計されたより簡単な装置に、あるいは圧力
従属吸収剤を用いる装置によって置き換える（このよう
な吸収剤は慣用の炭酸カリウムまたはエタノールアミン
系よりも再生におけるエネルギー使用量が少ないからで
ある）。
塔61におけるPSA廃ガスからの二酸化炭素除去は、例え
ば、もしも高純度二酸化炭素が販売用製品として必要と
されるような場合には、採用される。
従来法のように、本発明方法はエネルギーに関して自家
充足式とすることができる。ライン59を介して製品ガス
を供給されるアンモニア合成ループが現存プラントと同
じ圧力及び生産量で運転されると仮定すると、これら二
つのプロセスは下記のように対比できる。
エネルギー消費部門 本発明方法は、合成ガス圧縮及び循環においてわずかに
少ないエネルギーを用いる。なぜならば、本発明方法に
おける製品ガスは、メタン化の後（もしこれが必要とさ
れるならば）、より少ない貴ガス及びメタンを含むから
である。
本発明の方法は空気圧縮において約２倍ものエネルギー
を使用する。なぜならば、典型的には本発明方法の化学
量論的計算では６モルの水素を生成させるに約１モルの
酸素が必要とされるが、慣用法における全体的反応は典
型的には、 1.75CH4＋0.5O2＋2.5H2O→1.75CO2＋6H2 であり、従って典型的には６モルの水素を生成させるの
にわずか0.5モルの酸素が必要とされるにすぎないから
である（この計算はもちろん概算にすぎない。なんとな
ればいく分かの水素がガス流からPSA廃ガス中へ失なわ
れ、またいく分かの水素がメタン化段階で消費されるか
らである。メタン化工程は従来慣用法においては必要で
あり、本発明方法では必要とされることもあるがその必
要度は低い）。
上述のように、本発明方法では、二酸化炭素除去段階に
おいて必要とされるエネルギーが従来法よりも少ない。
エネルギー回収 介質（リホーミング済）ガス流の温度は、本発明方法に
おいては過剰窒素の使用の結果として従来法におけるよ
りも低くなりうるが、水素の単位生産量当りの改質ガス
の全体容積は従来法におけるよりも大きく、またそのガ
スは好ましい態様のシフト反応段階が使用される場合に
はシフト反応において一層強く冷却される。その正味効
果は、従来法と比較して、改質ガスからの水素回収率の
増加をもたらすことである。
本発明の好ましい方法においては、350℃以上の温度で
のシフト段階はないので、シフト反応済ガスの冷却は高
圧スチーム発生に貢献しない。他方、シフト段階よりも
上流で一層多くの熱が回収され、そしてシフト反応熱の
発生は熱水と空気との熱交換による工程用（反応用）ス
チーム発生のために向けられるので、一層効率的に使用
される。
本発明の方法においては炉煙道ガスがないので、それか
らの熱回収はない。その結果、アンモニア単位生産量当
りの発生スチーム量は、従来法よりも実質的に少ない。
従来法において廃ガスから回収されるエネルギーの量
は、少ない。その理由はアンモニア合成パージガス、ま
たはそのようなパージガスからの水素回収後に得られる
残留ガスが、その目的のために利用されるに過ぎないか
らである。しかし本発明方法では、PSA廃ガスを燃焼さ
せ、そしてエネルギーを、燃焼生成物から熱交換によ
り、また燃焼生成物をタービン中で圧力効果させること
により、二面的に回収する。この熱回収は、従来法にお
いて煙道ガスから得られたエネルギー回収を補うのに充
分である。
日産420トンの量でアンモニアを生産するプラントの合
成ガス発生段階における流れＡ〜Ｈについて計算で求め
た温度Ｔ（℃）、圧力Ｐ（絶対バール）、及びガス流量
を下表に示す。そのフローシートは、上記の具体例のも
のと同様であるが、湿式二酸化炭素除去段階、すなわち
塔53及び61を除いたものである。この計算は原料として
メタンを使用することを仮定したものである。
PSA段階での水素回収率は、PSA装置58の入口における比
較的高い水素／窒素容量比（すなわち1.48）の結果とし
て93.5％である。この水素／窒素比は下記のような結果
を順次もたらす。
シフト反応器42における比較的完全なシフト反応（乾燥
基準で0.17容量％の一酸化炭素含量までの反応）； 部分酸化反応段階を中度の空気供給量で運転（炭化水素
原料中の炭素原子１個当り0.51モルの酸素）； 空気／スチーム混合物の強い予熱（800℃まで）； 及び 改質（リホーミング済）ガス中の比較的高いメタン含量
（乾燥基準で0.94容量％）。
【図面の簡単な説明】
添付図面は、本発明によるアンモニア合成ガス製造方法
の一具体例のフローシートである。 空気:10、 触媒式燃焼器:13、 水蒸気飽和化（加湿）塔:27、 空気コンプレッサー:11,23、 部酸化反応器:34、 炭化水素原料:35、 シフト反応器:42、 圧力変動吸着（PSA）装置:58、 二酸化炭素除去塔:53,61。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】アンモニア合成ガスの製造方法であって、
    以下の（ａ）〜（ｅ）の工程： （ａ） 以下の（a i）及び（a ii）の工程によって、
    外部加熱リホーマーを使用せずに炭化水素原料をスチー
    ムリホーミングして、炭素酸化物類、水素、窒素、メタ
    ン、貴ガス類及び過剰のスチームを含む改質されたガス
    流を生成する工程； （a i） 該炭化水素原料、スチーム及び加熱ガスを、
    耐火物で担持されたVIII族金属触媒を含むリホーマーに
    供給する工程；ここで、該加熱ガスは、窒素と酸素とを
    含み、その酸素含有量は15〜35容量％であり、且つ空
    気、酸素低減空気及び酸素富化空気から選択される、 （a ii） 該リホーマー中において、窒素と酸素とを含
    む該加熱ガスによって該炭化水素原料の部分燃焼を行
    い、燃焼生成物を該触媒上に通す工程； （ｂ） 改質されたガス流を冷却し、該冷却されたガス
    流を接触シフト反応に付して、一酸化炭素含量が減少し
    たシフト反応済ガス流を生成する工程； ここで、工程（ａ）及び（ｂ）における反応物の割合及
    び操作条件は、シフト反応済ガス中の窒素の量が、該ア
    ンモニア合成ガスに要求される窒素の量よりも多くなる
    ように、窒素が導入されるものである； （ｃ） シフト反応済ガス流を冷却し、それから未反応
    スチームを液体水として分離して粗製原料ガスを生成す
    る工程； （ｄ） 該粗製原料ガス流から炭素酸化物類、メタン及
    び過剰の窒素を除去し、その際に二酸化炭素及び一酸化
    炭素の少なくとも一部、過剰の窒素及びメタンを圧力変
    動吸着法により除去して、水素及び窒素を含む製品ガス
    流と、二酸化炭素、窒素、メタン、一酸化炭素及びいく
    分かの水素を含む廃ガス流とを生成する工程；および （ｅ） 該廃ガス流を燃焼させ、その燃焼生成物との熱
    交換によって、工程（a i）における反応器へ供給する
    スチーム及び／または窒素と酸素とを含むガスに熱を供
    給する工程； から成り： 該圧力変動吸着法により除去されるべき窒素の量を減少
    し、該圧力変動吸着法における水素の回収を一層効率的
    にするために、 （ｉ） 加熱ガス流として、スチーム及び窒素と酸素と
    を含むガスを工程（a i）に供給し、ここで、該加熱ガ
    ス流の温度は工程（ｅ）における熱交換の結果700℃以
    上であり、それによって工程（ａ）において必要とされ
    る窒素と酸素とを含む該ガスの量を減じ； （ii） 工程（ａ）における反応物の割合及び操作条件
    を、該改質ガス流中の水素及び一酸化炭素の合計と窒素
    との比が少なくとも1.2になるように選択し；そして （iii） シフト反応済ガス中の一酸化炭素含量が乾燥
    基準で１容量％以下となるような条件でシフト反応を行
    う； ことを特徴とする、アンモニア合成ガスの製造方法。
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