冷壁水平アンモニアコンバーター
アンモニアを生成するためのシステムおよび方法。内殻の内側に配置された反応ゾーンに窒素と水素とを供給することができる。内殻は、空間が内殻と外殻の間に形成されるように外殻の内側に配置することができる。反応ゾーンは、空間と間接的に熱交換する少なくとも１つの触媒床を備えることができる。窒素と水素とは、少なくとも１つの触媒の存在下で反応ゾーンで反応することによってアンモニアを含む排出物を生成することができる。排出物は、内殻から回収し、冷却することによって冷却排出ストリームを提供することができる。冷却流体は、空間の少なくとも一部分を通って流れ、内殻の外側と流体連結するように外殻に供給することができる。冷却排出物の少なくとも一部分は、冷却流体の少なくとも一部分を提供することができる。次いで、冷却流体は、アンモニア生成物として外殻から回収することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本態様は、一般的には、発熱合成のための方法に関する。より詳細には、本発明の態様は、１つまたは２つ以上の触媒床を使用してアンモニアおよび他の化学薬品を合成するための方法に関する。
【０００２】
関連技術の説明
従来の発熱化学合成反応器は、圧力外殻（ｏｕｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｈｅｌｌ）の内側に配置された触媒格納バスケットまたは「バスケット」に格納された触媒床を有する発熱反応チャンバーを特徴とする。触媒床は、圧力外殻が発熱合成反応に固有の高温に直接暴露されないようにバスケット内に格納される。圧力外殻は、通常、バスケットの外側と圧力外殻の内側の間に形成した環状空間内に反応器用供給原料ガス（ｆｅｅｄ ｇａｓ）を流すことによって冷却される。バスケットで行われる発熱反応から供給原料ガスに伝達される熱は、供給原料ガスが触媒床まで進む前に供給原料ガスを所要の反応温度まで予熱する。次いで、予熱供給原料ガスは、直接にまたは内部熱交換器を介して触媒床まで進み、流れの少なくとも一部分がアンモニアまたは他の公知の化合物などの副生物に転換される。
【０００３】
バスケットと圧力外殻の間の環状空間における発熱合成によって発生する熱および圧力は、相当に大きい。バスケットの設計では、バスケットの壁厚を増加させ、バスケットが発熱プロセス中に発生する熱を乗り切るのに必要な他の金属学的なパラメータを選択することによって、触媒床内の反応の物理的な実際条件を考慮しなければならない。圧力外殻の設計でも、こうした物理的な実際条件を考慮しなければならないが、それは外殻が、とりわけバスケット内に導入する前に供給原料ガスを予熱する際に大きな熱および圧力に暴露されるためである。金属学的な要件のために、発熱反応チャンバーの設計および構築に大きなコストを要するおそれがある。したがって、アンモニアまたは他の公知の化学薬品の製造に使用されるような反応チャンバーを含めての発熱反応チャンバーの金属学的な必要条件を低減できる新規なシステムおよび方法を提供する必要性が存在する。
【０００４】
本発明の上記特性を詳細に理解するために、態様を参照することによって上記においてごく簡略に説明した本発明のより詳細な説明を得ることができる。なお、この態様の一部は添付の図面で例示されている。しかし、添付の図面は、本発明の典型的な態様を例示するのみであり、したがって、本発明の範囲を限定するものとみなすべきでないことに留意されたい。というのは、本発明は同等な効果を有する他の態様をも許容するからである。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】１つまたは２つ以上の態様に従って、アンモニアおよび／または他の化学薬品を生成するための例示的な冷壁（ｃｏｌｄ ｗａｌｌ）合成反応器の略図を示す。
【図２】１つまたは２つ以上の態様に従って、冷壁合成反応器を使用してアンモニアを生成するための例示的なシステムの略図を示す。
【図３】１つまたは２つ以上の態様に従って、１つまたは２つ以上の１次合成反応器および１つまたは２つ以上の２次合成反応器を使用してアンモニアを生成するための例示的なシステムの略図を示す。
【０００６】
詳細な説明
これから詳細な説明を提供する。添付の特許請求の範囲はそれぞれ、別個の発明を定義するものであり、その発明は、特許権の侵害を防止するために、特許請求の範囲に規定した多様な要素または限定事項に対応する等価物をも包含するものと認識される。文脈に応じて、以下で「発明」と指定されるものはすべて、一部の場合ではある特定の態様のみを指すことがある。「発明」と指定されるものが、１つまたは２つ以上の特許請求の範囲で引用されている主題事項を指すが、必ずしもすべての特許請求の範囲では引用されていない主題事項を指すと認識される場合もある。これから、特定の態様、バージョンおよび例を含めての発明のそれぞれを以下で詳細に説明するが、発明は、これらの態様、バージョンまたは例に限定されるものではない。これらが含まれているのは、本特許内の情報を入手可能な情報および技術と組み合わせた場合に当業者が本発明物を作製および使用することを可能にするためである。
【０００７】
アンモニアを包含する、１つまたは２つ以上の化学薬品を合成するためのシステムおよび方法が提供される。少なくとも１つの特定の態様では、窒素と水素は、内殻の内側に配置された反応ゾーンに供給することができる。内殻は、空間が内殻と外殻の間に形成するように外殻の内側に配置することができる。反応ゾーンは、空間と間接的に熱交換する少なくとも１つの触媒床を備えることができる。窒素と水素とは、少なくとも１つの触媒の存在下で反応ゾーンで反応することによってアンモニアを含む排出物を生成することができる。排出物は、内殻から回収し、冷却することによって冷却排出ストリームを提供することができる。冷却流体は、空間の少なくとも一部分を通って流れ、内殻の外側と流体連結するように外殻に提供することができる。冷却排出物の少なくとも一部分は、冷却流体の少なくとも一部分を提供することができる。次いで、冷却流体は、アンモニア生成物として外殻から回収することができる。
【０００８】
少なくとも１つの他の特定の態様では、合成反応器が提供される。反応器は、外殻の内側に配置された内殻を備えることができる。第１の空間は内殻の内側に生成させることができる。第１の空間は、反応ゾーンと呼称することができる。第２の空間は内殻と外殻の間に形成させることができる。１つまたは２つ以上の態様では、第２の空間の少なくとも一部分は、環状空間であってよい。内殻および外殻は、任意の形状または大きさであってよい。合成反応器は、第１の空間に配置された１つまたは２つ以上の触媒床を備えることができる。１つまたは２つ以上の態様では、１つまたは２つ以上の触媒は、１つまたは２つ以上の触媒床中に配置することができる。触媒床中の触媒は、１つまたは２つ以上の化学薬品、例えば、アンモニアを合成するように改変することができる。
【０００９】
運転に際しては、合成反応器は、プラントまたは施設における１次および／または２次合成ユニットであってよい。１つまたは２つ以上の態様では、供給原料ストリーム（ｆｅｅｄ ｓｔｒｅａｍ）は反応ゾーン内に導入することができ、触媒と供給原料ストリームとの間で発熱反応を行わせることができる。１つまたは２つ以上の態様では、冷却流体を第２の空間内に進めることによって内殻および外殻を冷却することができる。１つまたは２つ以上の態様では、外殻は、その温度を内殻の温度よりも低い温度に維持することができるように冷却することができる。合成反応器は、冷壁合成反応器と称呼することができる。
【００１０】
図１は、１つまたは２つ以上の態様に従って、アンモニアおよび／または他の化学薬品を生成するための例示的な冷壁合成反応器の略図を示す。１つまたは２つ以上の態様では、反応器１０は、外殻１２の内側に配置された内殻２０を備えることができる。反応ゾーン２４は、内殻２０の内側に生成することができる。空間１４は、内殻２０と外殻１２の間に形成することができる。１つまたは２つ以上の触媒床２５は、内殻２０の内側に配置することができる。反応器１０は、１つまたは２つ以上の管１５、１つまたは２つ以上の内殻の入口３０および１つまたは２つ以上の内殻の出口３５を備えることができる。１つまたは２つ以上の管１５、１つまたは２つ以上の内殻の入口３０および１つまたは２つ以上の内殻の出口３５は、反応ゾーン２４と流体連結することができる。外殻１２は、１つまたは２つ以上の外殻の入口４０および１つまたは２つ以上の外殻の出口４５を備えることができる。１つまたは２つ以上の外殻の入口４０および１つまたは２つ以上の外殻の出口４５は、空間１４と流体連結することができる。１つまたは２つ以上の態様では、内殻２０および管１５は、外殻１２の内側に第１のプレナムを生成することができる。外殻１２は、内殻２０を囲む第２のプレナムを生成することができる。１つまたは２つ以上の態様では、外殻１２、１つまたは２つ以上の外殻の入口４０および１つまたは２つ以上の外殻の出口４５は、内殻２０を囲む第２のプレナムを生成することができる。
【００１１】
１つまたは２つ以上の態様では、内殻２０は、円形断面を含めての任意の形状の断面を有することができる。１つまたは２つ以上の態様では、内殻２０は、内殻２０の内側および／または外側上に配置されたフィン（示さず）を備えることができる。フィンは、反応ゾーン２４および／または内殻２０から空間１４への熱伝達を促進することができる。
【００１２】
１つまたは２つ以上の態様では、内殻２０および１つまたは２つ以上の触媒床２５は、１つまたは２つ以上の管１５によって外殻１２の内側に支持することができる。内殻２０は、内殻２０および外殻１２に付けた２次構造物（示さず）によって支持することができる。内殻２０は、任意の公知支持構造概念体によって外殻１２の内側に支持することができる。１つまたは２つ以上の態様では、内殻２０は、外殻１２の内側に取り外しができるように配置することができる。触媒床２５は、任意の公知支持構造概念体によって内殻２０の内側に支持することができる。１つまたは２つ以上の態様では、１つまたは２つ以上のバッフル板（示さず）は、２つ以上の触媒床２５を分離することができる。
【００１３】
１つまたは２つ以上の態様では、１つまたは２つ以上の触媒床２５は、水素と窒素とを反応させることによってアンモニアを創出することができる触媒を含むことができる。１つまたは２つ以上の触媒床２５に含まれる触媒は、１つまたは２つ以上の白金族金属、炭素系触媒、マグネタイトおよび／またはそれらの組合せであってよい。
【００１４】
１つまたは２つ以上の態様では、内殻１２は、円形断面を含めての任意の形状の断面を有することができる。１つまたは２つ以上の態様では、外殻１２は、外殻１２の内側および／または外側上に配置されたフィン（示さず）を備えることができる。フィンは、外殻１２から空間１４への熱伝達を促進することができる。
【００１５】
示されてはいないが、１つまたは２つ以上の内殻２０は、外殻１２の内側に配置することができる。１つまたは２つ以上の内殻２０は、互いに流体連結することができ、互いに直列および／または並列に配列することができる。１つまたは２つ以上の態様では、１つまたは２つ以上の内殻２０は、それぞれの内殻２０内に配置された１つまたは２つ以上の触媒床２５を有することによって１つまたは２つ以上の反応ゾーン２４を画定することができる。
【００１６】
１つまたは２つ以上の態様では、内殻２０内の全体のコンポーネントは、ステンレス鋼、インコロイ、インコネル、チタン、他の高合金金属および／またはそれらの組合せを含めての材料を使用して構築することができる。１つまたは２つ以上の態様では、外殻１２は、炭素鋼、他の低合金金属および／またはそれらの組合せを含めての材料を使用して構築することができる。低合金金属は、高合金金属よりも安価であることができる。例えば、低合金金属は高合金金属に比較してより安価に購入することができる。低合金金属を使用してコンポーネントを製作することは、高合金金属を使用することに比較してより安価にすることもできる。１つまたは２つ以上の態様では、外殻１２は、内殻２０よりも低いコストで製造することができる。１つまたは２つ以上の態様では、高合金金属は、８重量％以上のニッケルおよび／またはクロムを含有する金属として定義される。１つまたは２つ以上の態様では、高合金金属は、６重量％以上のニッケルおよび／またはクロムを含有する金属として定義される。１つまたは２つ以上の態様では、低合金金属は、６重量％未満のニッケルおよび／またはクロムを含有する金属として定義される。
【００１７】
図１の合成反応器１０は、一般的には、触媒床２５を直列に有する水平構造として示されているが、このことによって、本明細書に記載の１つまたは２つ以上の態様における方向および／または触媒床構造が制限を受けることは一切ないということが理解されよう。例えば、合成反応器１０は、一般的な垂直構造で設置することができる。垂直構造では、１つまたは２つ以上の触媒床２５は、反応ゾーン２４において上下に配置することができる。流体は、垂直に配向された合成反応器１０の頂部から垂直に配向された合成反応器１０の底部に向かって反応ゾーン２４内を流れることができる。
【００１８】
１つまたは２つ以上の態様では、合成反応器１０を運転する間、供給原料ストリーム３２は、窒素と水素とを含むことができ、内殻の入口３０に供給することができる。供給原料ストリーム３２は、反応ゾーン２４内を進むことができる。供給原料ストリーム３２は、それぞれの触媒床２５の頂部から底部に流れることができる。供給原料ストリーム３２は、直接にまたは内殻２０の内側に配置された熱交換器（示さず）を介して１つまたは２つ以上の触媒床２５の上を流れることができる。触媒床２５の触媒と供給原料ストリーム３２との間で行われる反応のために、排出物３７を生成することができ、この排出物３７は、供給原料ストリーム３２よりもアンモニア含量を増加させることができる。排出物３７は、内殻の出口３５から回収し、さらに加工することができる。上述したように、供給原料ストリーム３２の流れの方向は、非限定的であり、１つまたは２つ以上の態様では、供給原料ストリーム３２は、それぞれの触媒床２５の底部から頂部に流れることができる。
【００１９】
冷却流体２２などの冷却媒体を使用することによって供給原料ストリーム３２と触媒床２５の触媒との反応によって発生する熱を除去することができる。１つまたは２つ以上の態様では、冷却流体２２は、外殻の入口４０に供給することができる。空間１４は、内殻２０の少なくとも一部分上に冷却流体２２を進めることができ、反応ゾーン２４と間接的に熱交換する関係が可能になる。冷却流体２２は、供給原料ストリーム３２と１つまたは２つ以上の触媒床２５の触媒との間の反応によって発生する反応熱の少なくとも一部分を除去することができる。次いで、冷却流体は、外殻の出口４５に進むことができ、外殻の出口４５から回収して、以下で議論されているようにまたは本技術分野で公知のようにさらに使用することができる。内殻２０と外殻１２の双方について、１つの入口３０、４０および１つの出口３５、４５のみが示されているが、入口３０、４０および出口３５、４５の数に対する制限はないことを理解されたい。
【００２０】
１つまたは２つ以上の態様では、冷却流体２２は、供給原料ストリーム３２に対して向流方向で空間１４内を流れることができる。１つまたは２つ以上の態様では、冷却流体２２は、供給原料ストリーム３２に対して並流方向で空間１４内を流れることができる。
【００２１】
１つまたは２つ以上の態様では、冷却流体２２は、任意の流体であってよい。１つまたは２つ以上の態様では、冷却流体２２は、内殻２０からおよび外殻１２からの熱を伝達することができる。１つまたは２つ以上の態様では、外殻１２は、その温度が内殻２０の温度よりも低い温度に維持できるように冷却することができ、合成反応器１０は、冷壁合成反応器１０と呼称することができる。１つまたは２つ以上の態様では、反応ゾーン２４の平均温度は、約６００°Ｆから約９５０°Ｆの間の温度に維持することができ、外殻１２の平均温度は、約１００°Ｆから約６００°Ｆの間の温度に維持することができる。
【００２２】
反応ゾーン２４および外殻１２の平均温度は、約９５°Ｆから約６００°Ｆの間の温度を有することができる冷却流体２２を導入することによって維持することができる。１つまたは２つ以上の態様では、反応ゾーン２４および外殻１２の平均温度は、約９５°Ｆから約４００°Ｆの間の温度を有し、供給原料ストリームの質量流速の約１０％と約１００％の間の質量流速を有する冷却流体２２を導入することによって維持することができる。
【００２３】
１つまたは２つ以上の態様では、１つまたは２つ以上の冷壁合成反応器１０は、プラントまたは施設で運転することができる。１つまたは２つ以上の冷壁合成反応器１０は、お互いに並列および／または直列にプラントで配列することができる。１つまたは２つ以上の冷壁合成反応器１０は、プラントにおいて１次および／または２次合成ユニットであってよい。
【００２４】
図２は、１つまたは２つ以上の態様に従って、冷壁合成反応器を使用してアンモニアを生成するための例示的なシステムの略図を示す。１つまたは２つ以上の態様では、アンモニアプラント１００は、冷壁合成反応器１０を備えることができる。冷壁合成反応器１０は、１次合成ループの一部分としてアンモニアプラント１００用の１次アンモニア反応器になることができる。１次合成ループは、１つまたは２つ以上の冷壁合成反応器１０、１つまたは２つ以上の改質装置５０、１つまたは２つ以上のコンディショニングユニット５１、１つまたは２つ以上の冷却器または凝縮器／精製ユニット５２、１つまたは２つ以上のアンモニア回収ユニット５５および１つまたは２つ以上の水素回収ユニット６５を備えることができる。冷壁合成反応器１０は、外殻１２、内殻２０、内殻２０と外殻１２の間に形成した空間１４および内殻２０内に生成した反応ゾーン２４を備えることができる。
【００２５】
運転に際しては、改質装置５０は、アンモニア合成のための適切な圧力および温度で冷壁合成反応器１０に合成ガスまたは供給原料ストリーム３２を供給することができる。１つまたは２つ以上の態様では、供給原料ストリーム３２は、冷壁合成反応器１０に供給する前にコンディショニングユニット５１で加熱調整および／または圧縮することができる。１つまたは２つ以上の態様では、供給原料ストリーム３２は、約９０から１００体積％純度を有する窒素および水素を含むことができる。供給原料ストリーム３２は、約９７．５から９９．５体積％純度を有する窒素および水素を含むことができる。１つまたは２つ以上の態様では、供給原料ストリーム３２は、約５０から約７５体積％の水素および約２５から約４０体積％の窒素を含むことができる。
【００２６】
供給原料ストリーム３２は、反応ゾーン２４で反応することができ、生成した排出物３７は、アンモニアを凝縮させるための冷却および／または熱コンディショニングのために１つまたは２つ以上の冷却器５２に進めることができる。少なくともいくらかの冷却をした後に、冷却排出物３７の少なくとも一部分は、冷壁合成反応器１０からの熱を冷却または伝達するために冷却流体２２の少なくとも一部分として空間１４に進めることができる。冷却流体２２が冷壁合成反応器１０を出た後に、冷却流体２２は、アンモニアを凝縮および精製するために１つまたは２つ以上の冷却器５２に進めることができ、本技術分野で公知の方式で精製アンモニア９３を得ることができる。
【００２７】
１つまたは２つ以上の態様では、部分精製されたアンモニアのスリップストリーム８４は、アンモニア蒸留用の補給流体として使用するためにアンモニア回収ユニット５５に転用することができる。低圧アンモニアと、冷却器５２の冷却部からの非凝縮性ガスおよび他の蒸気とを含むフラッシュさせた冷却液スリップストリーム５４は、アンモニア回収ユニット５５に転用することによって水蒸気および非凝縮性ガスを分離することができる。アンモニア回収ユニット５５は、冷却器５２に純度を上げた低圧アンモニア蒸気８２を戻すことができる。アンモニア回収ユニット５５は、通常、供給原料ストリーム３２の質量流速の約０．１〜０．５％の低質量流速で低圧廃ガス６２を生成することができる。
【００２８】
高圧パージガス５６は、アンモニア回収ユニット５５から抜き取ることによって、１次合成ループに蓄積するおそれのあるアルゴン、二酸化炭素およびメタンなどの不活性ガスを除去することができる。パージガス５６の少なくとも一部分５８は、水素回収ユニット６５に送ることができる。水素は、低圧水素６８として回収することができ、高圧水素７３は、供給原料ガス３２と一緒に改質装置５０および冷壁アンモニア合成ユニット１０にリサイクルさせることができる。主として窒素と、少量のアルゴン、二酸化炭素およびメタンとを含む廃ガス６４は、廃ガス６２と一緒に６６に流すことができる。パージガス５６の別の部分は、供給原料６０として２次合成ループまたはユニットに供給することができるが、図には示していない。２次合成ユニットは、本技術分野で公知の１つまたは２つ以上の２次合成ユニットおよび／または１つまたは２つ以上の冷壁合成反応器１０であってよい。
【００２９】
１つまたは２つ以上の態様では、アンモニアプラント１００をスタートアップさせた初期の間、供給原料ストリーム３２の少なくとも一部分は、空間１４に進み、初期の冷却流体３２のチャージとして空間１４で働かせることができる。１つまたは２つ以上の態様では、供給原料ストリーム３２の少なくとも一部分は、空間１４の初期チャージとして空間１４に供給する前に１つまたは２つ以上の冷却器５２に進めることができる。
【００３０】
冷却流体２２は、外殻１２の平均温度を約１００°Ｆから約６００°Ｆの間に維持できるように冷壁合成反応器１０から熱を除去することができる。１つまたは２つ以上の態様では、冷却流体２２の平均温度は、約２００°Ｆから５００°Ｆの間に維持することができる。冷却流体２２の平均温度は、約４００°Ｆから５００°Ｆの間に維持することができる。１つまたは２つ以上の態様では、冷却流体２２の質量流速は、供給原料ストリーム３２の約１０％〜約１００％の間に維持することができる。１つまたは２つ以上の態様では、冷却流体２２の質量流速は、供給原料ストリーム３２の約９０％〜約１００％の間に維持することができる。１つまたは２つ以上の態様では、冷却流体２２は、冷却流体２２を約２００°Ｆから５００°Ｆの間に維持できる１次合成ループのある箇所で冷壁合成反応器１０に進めることができる。
【００３１】
１つまたは２つ以上の態様では、冷却流体２２は、反応ゾーン２４の平均温度を約６００°Ｆから約９５０°Ｆの間に維持できるように冷壁合成反応器１０から熱を除去することができる。冷却流体２２は、反応ゾーン２４の平均温度を約５７０°Ｆから約１２００°Ｆの間に維持できるように冷壁合成反応器１０から熱を除去することができる。
【００３２】
図３は、１つまたは２つ以上の態様に従って、１つまたは２つ以上の１次合成反応器および１つまたは２つ以上の２次合成反応器を使用してアンモニアを生成するための例示的なシステムの略図を示す。１つまたは２つ以上の態様では、アンモニアプラント２００は、１次アンモニア合成ループ１１０と統合された２次反応器として冷壁合成反応器１０を組み込むことができる。１つまたは２つ以上の態様では、１つまたは２つ以上の冷壁合成反応器１０は、元のアンモニアプラントの１次アンモニアループ１１０の中にｉｎ ｓｉｔｕで２次反応器として組み込むことができる。１次アンモニアループ１１０は、改質装置５０、１次アンモニア合成ユニット１２１、アンモニア凝縮および精製または冷却ユニット５２、アンモニア回収ユニット５５ならびに水素回収ユニット６５を備えることができ、これらはすべて本技術分野で公知である。
【００３３】
運転に際しては、窒素および水素からなる供給原料ストリーム３２は、約９５〜１００体積％の純度を有するもののとすることができる。１つまたは２つ以上の態様では、供給原料ストリーム３２は、約９７．５〜９９．５体積％の純度を有することができる。改質装置５０は、アンモニアを合成するための適切な圧力で供給原料ストリーム３２を供給することができる。供給原料ストリーム３２は、１次アンモニア合成ユニット１２１に進めることができ、富アンモニア生成物ガス１１１は、冷却および凝縮のために冷却ユニット５２に流れることができる。貧アンモニア供給原料１１３は、改質装置５０に再循環させることができ、貧アンモニア供給原料蒸気のスリップ８４は、アンモニア回収ユニット５５に転用することによって水蒸気および非凝縮性ガスを分離することができる。再循環供給原料１１３との平衡状態で生成した凝縮物は、冷却ユニット５２において補給冷媒として使用することができる。補給冷媒および富アンモニア生成物ガス１１１は、冷却ユニット５２内で複数の段階を介して（示さず）循環的に凝縮およびフラッシュすることができ、本技術分野で公知の方式で精製アンモニア９３を得ることができる。
【００３４】
部分精製されたアンモニア冷媒のスリップストリーム１１７は、アンモニア蒸留用の補給液体として使用するためにアンモニア回収ユニット５５に転用することができる。低圧アンモニアと、冷却系からの非凝縮性ガスおよび他の蒸気とを含むフラッシュ冷媒スリップストリーム５４は、アンモニア回収ユニット５５に転用することによって水蒸気および非凝縮性ガスを分離することができる。アンモニア回収ユニット５５は、冷却サブシステムに純度を上げた低圧アンモニア蒸気８２を戻すことができる。アンモニア回収ユニット５５は、低圧廃ガス６２を生成することができる。
【００３５】
高圧パージガス５６は、アンモニア回収ユニット５５から抜き取ることによって、１次アンモニア合成ループ１１０に蓄積するおそれのあるアルゴン、二酸化炭素およびメタンなどの不活性ガスを除去することができる。パージガス５６の一部分５８は、水素回収ユニット６５に送ることができる。低圧水素６８として回収された水素および高圧水素７３は、改質装置５０および１次アンモニア合成ユニット１２１にリサイクルさせることができる。主として窒素と、少量のアルゴン、二酸化炭素およびメタンとを含む廃ガス６４は、廃ガス６２と一緒にストリーム６６に流れることができる。
【００３６】
パージガス５６の別の部分は、内殻２０、外殻１２、反応ゾーン２４および空間１４を有する冷壁合成反応器１０を備える２次アンモニア合成ループに、２次アンモニア生成物または供給原料６０として供給することができる。１つまたは２つ以上の態様では、冷壁合成反応器１０は、排出物３７を冷却するための冷却ユニット５２と流体連結することができる。１つまたは２つ以上の態様では、供給原料６０が反応ゾーン２４内を通過した後、冷壁合成反応器１０は、富アンモニア排出物３７を生成することができ、その排出物３７は、いくらか冷却するために冷却ユニット５２に進めることができる。いくらか冷却した後、冷却排出物または冷却流体２２は、冷却のために冷壁合成反応器１０内に戻し、アンモニア回収ユニット１４５に供給することができる。１つまたは２つ以上の態様では、冷壁合成反応器１０を出た冷却流体２２は、アンモニア回収ユニット５５に進めることができる。アンモニア回収ユニット１４５は、アンモニア蒸留用の補給液体として冷却器５２から部分精製されたアンモニア冷媒１２３を取り込むことができ、高濃度アンモニア蒸気１３６をストリーム８２に戻すことができる。貧アンモニアストリーム１４８は、窒素および水素と、かなり高圧の他のガスとを含むことができ、望ましいならば、改質装置５０および１次合成ユニット１２１にリサイクルすることができる。運転に際しては、２次合成によって、供給原料６０のプラント生産性を約５〜５０％、例えば、１０〜２５％改善することができる。
【００３７】
冷却流体２２は、外殻１２の平均温度を約１００°Ｆから約６００°Ｆの間に維持できるように冷壁合成反応器１０から熱を除去することができる。１つまたは２つ以上の態様では、冷却流体２２の平均温度は、約２００°Ｆから５００°Ｆの間に維持することができる。１つまたは２つ以上の態様では、冷却流体２２の質量流速は、供給原料ストリーム３２の約５０％〜約９０％の間に維持することができ、冷却流体蒸気２２の温度は、約１００°Ｆ〜約６００°Ｆの間に維持することができる。冷却流体２２は、反応ゾーン２４の平均温度を約５７０°Ｆから約１２００°Ｆの間に維持できるように冷壁合成反応器１０から熱を除去することができる。冷却流体２２は、反応ゾーン２４の平均温度を約６００°Ｆから約９５０°Ｆの間に維持できるように冷壁合成反応器１０から熱を除去することができる。
【００３８】
１組の上限数値および１組の下限数値を使用して、ある種の態様および特徴を説明してきた。別段の指示がない限り、任意の下限から任意の上限までの範囲も企図されていることが理解されよう。ある種の下限値、上限値および範囲は、以下の１つまたは２つ以上の特許請求の範囲に出現することができる。数値はすべて、示された値の「約」または「およそ」の値であり、実験誤差および変動を考慮に入れており、この実験誤差および変動は、当業者には予想できるはずのものである。
【００３９】
１組の上限数値および１組の下限数値を使用して、ある種の態様および特徴を説明してきた。別段の指示がない限り、任意の下限から任意の上限までの範囲も企図されている。ある種の下限値、上限値および範囲は、以下の１つまたは２つ以上の特許請求の範囲に出現する。数値はすべて、示された値の「約」または「およそ」の値であり、実験誤差および変動を考慮に入れており、この実験誤差および変動は、当業者には予想できるはずのものである。
【００４０】
多様な用語を上記において定義した。特許請求の範囲で使用された用語が上記において定義されていない場合、当業者がその用語に与えた最も広い定義のうち少なくとも１つの印刷刊行物または発行された特許において示されたものが与えられるべきである。さらに、本願に引用した特許、試験手順およびその他の書類はすべて、参照により本明細書に完全に組み込まれるものとする。ただし、その開示が本出願に矛盾しない限りにおいて、ならびに、かかる組み込むことが許されるすべての司法制度における範囲においてである。
【００４１】
前記した事項は、本発明の態様を対象とするものであるが、その基本的な範囲から逸脱しない限りにおいて本発明の他の態様およびさらなる態様を構築することが可能であり、その範囲は以下の特許請求の範囲によって定められる。
【技術分野】
【０００１】
本態様は、一般的には、発熱合成のための方法に関する。より詳細には、本発明の態様は、１つまたは２つ以上の触媒床を使用してアンモニアおよび他の化学薬品を合成するための方法に関する。
【０００２】
関連技術の説明
従来の発熱化学合成反応器は、圧力外殻（ｏｕｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｈｅｌｌ）の内側に配置された触媒格納バスケットまたは「バスケット」に格納された触媒床を有する発熱反応チャンバーを特徴とする。触媒床は、圧力外殻が発熱合成反応に固有の高温に直接暴露されないようにバスケット内に格納される。圧力外殻は、通常、バスケットの外側と圧力外殻の内側の間に形成した環状空間内に反応器用供給原料ガス（ｆｅｅｄ ｇａｓ）を流すことによって冷却される。バスケットで行われる発熱反応から供給原料ガスに伝達される熱は、供給原料ガスが触媒床まで進む前に供給原料ガスを所要の反応温度まで予熱する。次いで、予熱供給原料ガスは、直接にまたは内部熱交換器を介して触媒床まで進み、流れの少なくとも一部分がアンモニアまたは他の公知の化合物などの副生物に転換される。
【０００３】
バスケットと圧力外殻の間の環状空間における発熱合成によって発生する熱および圧力は、相当に大きい。バスケットの設計では、バスケットの壁厚を増加させ、バスケットが発熱プロセス中に発生する熱を乗り切るのに必要な他の金属学的なパラメータを選択することによって、触媒床内の反応の物理的な実際条件を考慮しなければならない。圧力外殻の設計でも、こうした物理的な実際条件を考慮しなければならないが、それは外殻が、とりわけバスケット内に導入する前に供給原料ガスを予熱する際に大きな熱および圧力に暴露されるためである。金属学的な要件のために、発熱反応チャンバーの設計および構築に大きなコストを要するおそれがある。したがって、アンモニアまたは他の公知の化学薬品の製造に使用されるような反応チャンバーを含めての発熱反応チャンバーの金属学的な必要条件を低減できる新規なシステムおよび方法を提供する必要性が存在する。
【０００４】
本発明の上記特性を詳細に理解するために、態様を参照することによって上記においてごく簡略に説明した本発明のより詳細な説明を得ることができる。なお、この態様の一部は添付の図面で例示されている。しかし、添付の図面は、本発明の典型的な態様を例示するのみであり、したがって、本発明の範囲を限定するものとみなすべきでないことに留意されたい。というのは、本発明は同等な効果を有する他の態様をも許容するからである。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】１つまたは２つ以上の態様に従って、アンモニアおよび／または他の化学薬品を生成するための例示的な冷壁（ｃｏｌｄ ｗａｌｌ）合成反応器の略図を示す。
【図２】１つまたは２つ以上の態様に従って、冷壁合成反応器を使用してアンモニアを生成するための例示的なシステムの略図を示す。
【図３】１つまたは２つ以上の態様に従って、１つまたは２つ以上の１次合成反応器および１つまたは２つ以上の２次合成反応器を使用してアンモニアを生成するための例示的なシステムの略図を示す。
【０００６】
詳細な説明
これから詳細な説明を提供する。添付の特許請求の範囲はそれぞれ、別個の発明を定義するものであり、その発明は、特許権の侵害を防止するために、特許請求の範囲に規定した多様な要素または限定事項に対応する等価物をも包含するものと認識される。文脈に応じて、以下で「発明」と指定されるものはすべて、一部の場合ではある特定の態様のみを指すことがある。「発明」と指定されるものが、１つまたは２つ以上の特許請求の範囲で引用されている主題事項を指すが、必ずしもすべての特許請求の範囲では引用されていない主題事項を指すと認識される場合もある。これから、特定の態様、バージョンおよび例を含めての発明のそれぞれを以下で詳細に説明するが、発明は、これらの態様、バージョンまたは例に限定されるものではない。これらが含まれているのは、本特許内の情報を入手可能な情報および技術と組み合わせた場合に当業者が本発明物を作製および使用することを可能にするためである。
【０００７】
アンモニアを包含する、１つまたは２つ以上の化学薬品を合成するためのシステムおよび方法が提供される。少なくとも１つの特定の態様では、窒素と水素は、内殻の内側に配置された反応ゾーンに供給することができる。内殻は、空間が内殻と外殻の間に形成するように外殻の内側に配置することができる。反応ゾーンは、空間と間接的に熱交換する少なくとも１つの触媒床を備えることができる。窒素と水素とは、少なくとも１つの触媒の存在下で反応ゾーンで反応することによってアンモニアを含む排出物を生成することができる。排出物は、内殻から回収し、冷却することによって冷却排出ストリームを提供することができる。冷却流体は、空間の少なくとも一部分を通って流れ、内殻の外側と流体連結するように外殻に提供することができる。冷却排出物の少なくとも一部分は、冷却流体の少なくとも一部分を提供することができる。次いで、冷却流体は、アンモニア生成物として外殻から回収することができる。
【０００８】
少なくとも１つの他の特定の態様では、合成反応器が提供される。反応器は、外殻の内側に配置された内殻を備えることができる。第１の空間は内殻の内側に生成させることができる。第１の空間は、反応ゾーンと呼称することができる。第２の空間は内殻と外殻の間に形成させることができる。１つまたは２つ以上の態様では、第２の空間の少なくとも一部分は、環状空間であってよい。内殻および外殻は、任意の形状または大きさであってよい。合成反応器は、第１の空間に配置された１つまたは２つ以上の触媒床を備えることができる。１つまたは２つ以上の態様では、１つまたは２つ以上の触媒は、１つまたは２つ以上の触媒床中に配置することができる。触媒床中の触媒は、１つまたは２つ以上の化学薬品、例えば、アンモニアを合成するように改変することができる。
【０００９】
運転に際しては、合成反応器は、プラントまたは施設における１次および／または２次合成ユニットであってよい。１つまたは２つ以上の態様では、供給原料ストリーム（ｆｅｅｄ ｓｔｒｅａｍ）は反応ゾーン内に導入することができ、触媒と供給原料ストリームとの間で発熱反応を行わせることができる。１つまたは２つ以上の態様では、冷却流体を第２の空間内に進めることによって内殻および外殻を冷却することができる。１つまたは２つ以上の態様では、外殻は、その温度を内殻の温度よりも低い温度に維持することができるように冷却することができる。合成反応器は、冷壁合成反応器と称呼することができる。
【００１０】
図１は、１つまたは２つ以上の態様に従って、アンモニアおよび／または他の化学薬品を生成するための例示的な冷壁合成反応器の略図を示す。１つまたは２つ以上の態様では、反応器１０は、外殻１２の内側に配置された内殻２０を備えることができる。反応ゾーン２４は、内殻２０の内側に生成することができる。空間１４は、内殻２０と外殻１２の間に形成することができる。１つまたは２つ以上の触媒床２５は、内殻２０の内側に配置することができる。反応器１０は、１つまたは２つ以上の管１５、１つまたは２つ以上の内殻の入口３０および１つまたは２つ以上の内殻の出口３５を備えることができる。１つまたは２つ以上の管１５、１つまたは２つ以上の内殻の入口３０および１つまたは２つ以上の内殻の出口３５は、反応ゾーン２４と流体連結することができる。外殻１２は、１つまたは２つ以上の外殻の入口４０および１つまたは２つ以上の外殻の出口４５を備えることができる。１つまたは２つ以上の外殻の入口４０および１つまたは２つ以上の外殻の出口４５は、空間１４と流体連結することができる。１つまたは２つ以上の態様では、内殻２０および管１５は、外殻１２の内側に第１のプレナムを生成することができる。外殻１２は、内殻２０を囲む第２のプレナムを生成することができる。１つまたは２つ以上の態様では、外殻１２、１つまたは２つ以上の外殻の入口４０および１つまたは２つ以上の外殻の出口４５は、内殻２０を囲む第２のプレナムを生成することができる。
【００１１】
１つまたは２つ以上の態様では、内殻２０は、円形断面を含めての任意の形状の断面を有することができる。１つまたは２つ以上の態様では、内殻２０は、内殻２０の内側および／または外側上に配置されたフィン（示さず）を備えることができる。フィンは、反応ゾーン２４および／または内殻２０から空間１４への熱伝達を促進することができる。
【００１２】
１つまたは２つ以上の態様では、内殻２０および１つまたは２つ以上の触媒床２５は、１つまたは２つ以上の管１５によって外殻１２の内側に支持することができる。内殻２０は、内殻２０および外殻１２に付けた２次構造物（示さず）によって支持することができる。内殻２０は、任意の公知支持構造概念体によって外殻１２の内側に支持することができる。１つまたは２つ以上の態様では、内殻２０は、外殻１２の内側に取り外しができるように配置することができる。触媒床２５は、任意の公知支持構造概念体によって内殻２０の内側に支持することができる。１つまたは２つ以上の態様では、１つまたは２つ以上のバッフル板（示さず）は、２つ以上の触媒床２５を分離することができる。
【００１３】
１つまたは２つ以上の態様では、１つまたは２つ以上の触媒床２５は、水素と窒素とを反応させることによってアンモニアを創出することができる触媒を含むことができる。１つまたは２つ以上の触媒床２５に含まれる触媒は、１つまたは２つ以上の白金族金属、炭素系触媒、マグネタイトおよび／またはそれらの組合せであってよい。
【００１４】
１つまたは２つ以上の態様では、内殻１２は、円形断面を含めての任意の形状の断面を有することができる。１つまたは２つ以上の態様では、外殻１２は、外殻１２の内側および／または外側上に配置されたフィン（示さず）を備えることができる。フィンは、外殻１２から空間１４への熱伝達を促進することができる。
【００１５】
示されてはいないが、１つまたは２つ以上の内殻２０は、外殻１２の内側に配置することができる。１つまたは２つ以上の内殻２０は、互いに流体連結することができ、互いに直列および／または並列に配列することができる。１つまたは２つ以上の態様では、１つまたは２つ以上の内殻２０は、それぞれの内殻２０内に配置された１つまたは２つ以上の触媒床２５を有することによって１つまたは２つ以上の反応ゾーン２４を画定することができる。
【００１６】
１つまたは２つ以上の態様では、内殻２０内の全体のコンポーネントは、ステンレス鋼、インコロイ、インコネル、チタン、他の高合金金属および／またはそれらの組合せを含めての材料を使用して構築することができる。１つまたは２つ以上の態様では、外殻１２は、炭素鋼、他の低合金金属および／またはそれらの組合せを含めての材料を使用して構築することができる。低合金金属は、高合金金属よりも安価であることができる。例えば、低合金金属は高合金金属に比較してより安価に購入することができる。低合金金属を使用してコンポーネントを製作することは、高合金金属を使用することに比較してより安価にすることもできる。１つまたは２つ以上の態様では、外殻１２は、内殻２０よりも低いコストで製造することができる。１つまたは２つ以上の態様では、高合金金属は、８重量％以上のニッケルおよび／またはクロムを含有する金属として定義される。１つまたは２つ以上の態様では、高合金金属は、６重量％以上のニッケルおよび／またはクロムを含有する金属として定義される。１つまたは２つ以上の態様では、低合金金属は、６重量％未満のニッケルおよび／またはクロムを含有する金属として定義される。
【００１７】
図１の合成反応器１０は、一般的には、触媒床２５を直列に有する水平構造として示されているが、このことによって、本明細書に記載の１つまたは２つ以上の態様における方向および／または触媒床構造が制限を受けることは一切ないということが理解されよう。例えば、合成反応器１０は、一般的な垂直構造で設置することができる。垂直構造では、１つまたは２つ以上の触媒床２５は、反応ゾーン２４において上下に配置することができる。流体は、垂直に配向された合成反応器１０の頂部から垂直に配向された合成反応器１０の底部に向かって反応ゾーン２４内を流れることができる。
【００１８】
１つまたは２つ以上の態様では、合成反応器１０を運転する間、供給原料ストリーム３２は、窒素と水素とを含むことができ、内殻の入口３０に供給することができる。供給原料ストリーム３２は、反応ゾーン２４内を進むことができる。供給原料ストリーム３２は、それぞれの触媒床２５の頂部から底部に流れることができる。供給原料ストリーム３２は、直接にまたは内殻２０の内側に配置された熱交換器（示さず）を介して１つまたは２つ以上の触媒床２５の上を流れることができる。触媒床２５の触媒と供給原料ストリーム３２との間で行われる反応のために、排出物３７を生成することができ、この排出物３７は、供給原料ストリーム３２よりもアンモニア含量を増加させることができる。排出物３７は、内殻の出口３５から回収し、さらに加工することができる。上述したように、供給原料ストリーム３２の流れの方向は、非限定的であり、１つまたは２つ以上の態様では、供給原料ストリーム３２は、それぞれの触媒床２５の底部から頂部に流れることができる。
【００１９】
冷却流体２２などの冷却媒体を使用することによって供給原料ストリーム３２と触媒床２５の触媒との反応によって発生する熱を除去することができる。１つまたは２つ以上の態様では、冷却流体２２は、外殻の入口４０に供給することができる。空間１４は、内殻２０の少なくとも一部分上に冷却流体２２を進めることができ、反応ゾーン２４と間接的に熱交換する関係が可能になる。冷却流体２２は、供給原料ストリーム３２と１つまたは２つ以上の触媒床２５の触媒との間の反応によって発生する反応熱の少なくとも一部分を除去することができる。次いで、冷却流体は、外殻の出口４５に進むことができ、外殻の出口４５から回収して、以下で議論されているようにまたは本技術分野で公知のようにさらに使用することができる。内殻２０と外殻１２の双方について、１つの入口３０、４０および１つの出口３５、４５のみが示されているが、入口３０、４０および出口３５、４５の数に対する制限はないことを理解されたい。
【００２０】
１つまたは２つ以上の態様では、冷却流体２２は、供給原料ストリーム３２に対して向流方向で空間１４内を流れることができる。１つまたは２つ以上の態様では、冷却流体２２は、供給原料ストリーム３２に対して並流方向で空間１４内を流れることができる。
【００２１】
１つまたは２つ以上の態様では、冷却流体２２は、任意の流体であってよい。１つまたは２つ以上の態様では、冷却流体２２は、内殻２０からおよび外殻１２からの熱を伝達することができる。１つまたは２つ以上の態様では、外殻１２は、その温度が内殻２０の温度よりも低い温度に維持できるように冷却することができ、合成反応器１０は、冷壁合成反応器１０と呼称することができる。１つまたは２つ以上の態様では、反応ゾーン２４の平均温度は、約６００°Ｆから約９５０°Ｆの間の温度に維持することができ、外殻１２の平均温度は、約１００°Ｆから約６００°Ｆの間の温度に維持することができる。
【００２２】
反応ゾーン２４および外殻１２の平均温度は、約９５°Ｆから約６００°Ｆの間の温度を有することができる冷却流体２２を導入することによって維持することができる。１つまたは２つ以上の態様では、反応ゾーン２４および外殻１２の平均温度は、約９５°Ｆから約４００°Ｆの間の温度を有し、供給原料ストリームの質量流速の約１０％と約１００％の間の質量流速を有する冷却流体２２を導入することによって維持することができる。
【００２３】
１つまたは２つ以上の態様では、１つまたは２つ以上の冷壁合成反応器１０は、プラントまたは施設で運転することができる。１つまたは２つ以上の冷壁合成反応器１０は、お互いに並列および／または直列にプラントで配列することができる。１つまたは２つ以上の冷壁合成反応器１０は、プラントにおいて１次および／または２次合成ユニットであってよい。
【００２４】
図２は、１つまたは２つ以上の態様に従って、冷壁合成反応器を使用してアンモニアを生成するための例示的なシステムの略図を示す。１つまたは２つ以上の態様では、アンモニアプラント１００は、冷壁合成反応器１０を備えることができる。冷壁合成反応器１０は、１次合成ループの一部分としてアンモニアプラント１００用の１次アンモニア反応器になることができる。１次合成ループは、１つまたは２つ以上の冷壁合成反応器１０、１つまたは２つ以上の改質装置５０、１つまたは２つ以上のコンディショニングユニット５１、１つまたは２つ以上の冷却器または凝縮器／精製ユニット５２、１つまたは２つ以上のアンモニア回収ユニット５５および１つまたは２つ以上の水素回収ユニット６５を備えることができる。冷壁合成反応器１０は、外殻１２、内殻２０、内殻２０と外殻１２の間に形成した空間１４および内殻２０内に生成した反応ゾーン２４を備えることができる。
【００２５】
運転に際しては、改質装置５０は、アンモニア合成のための適切な圧力および温度で冷壁合成反応器１０に合成ガスまたは供給原料ストリーム３２を供給することができる。１つまたは２つ以上の態様では、供給原料ストリーム３２は、冷壁合成反応器１０に供給する前にコンディショニングユニット５１で加熱調整および／または圧縮することができる。１つまたは２つ以上の態様では、供給原料ストリーム３２は、約９０から１００体積％純度を有する窒素および水素を含むことができる。供給原料ストリーム３２は、約９７．５から９９．５体積％純度を有する窒素および水素を含むことができる。１つまたは２つ以上の態様では、供給原料ストリーム３２は、約５０から約７５体積％の水素および約２５から約４０体積％の窒素を含むことができる。
【００２６】
供給原料ストリーム３２は、反応ゾーン２４で反応することができ、生成した排出物３７は、アンモニアを凝縮させるための冷却および／または熱コンディショニングのために１つまたは２つ以上の冷却器５２に進めることができる。少なくともいくらかの冷却をした後に、冷却排出物３７の少なくとも一部分は、冷壁合成反応器１０からの熱を冷却または伝達するために冷却流体２２の少なくとも一部分として空間１４に進めることができる。冷却流体２２が冷壁合成反応器１０を出た後に、冷却流体２２は、アンモニアを凝縮および精製するために１つまたは２つ以上の冷却器５２に進めることができ、本技術分野で公知の方式で精製アンモニア９３を得ることができる。
【００２７】
１つまたは２つ以上の態様では、部分精製されたアンモニアのスリップストリーム８４は、アンモニア蒸留用の補給流体として使用するためにアンモニア回収ユニット５５に転用することができる。低圧アンモニアと、冷却器５２の冷却部からの非凝縮性ガスおよび他の蒸気とを含むフラッシュさせた冷却液スリップストリーム５４は、アンモニア回収ユニット５５に転用することによって水蒸気および非凝縮性ガスを分離することができる。アンモニア回収ユニット５５は、冷却器５２に純度を上げた低圧アンモニア蒸気８２を戻すことができる。アンモニア回収ユニット５５は、通常、供給原料ストリーム３２の質量流速の約０．１〜０．５％の低質量流速で低圧廃ガス６２を生成することができる。
【００２８】
高圧パージガス５６は、アンモニア回収ユニット５５から抜き取ることによって、１次合成ループに蓄積するおそれのあるアルゴン、二酸化炭素およびメタンなどの不活性ガスを除去することができる。パージガス５６の少なくとも一部分５８は、水素回収ユニット６５に送ることができる。水素は、低圧水素６８として回収することができ、高圧水素７３は、供給原料ガス３２と一緒に改質装置５０および冷壁アンモニア合成ユニット１０にリサイクルさせることができる。主として窒素と、少量のアルゴン、二酸化炭素およびメタンとを含む廃ガス６４は、廃ガス６２と一緒に６６に流すことができる。パージガス５６の別の部分は、供給原料６０として２次合成ループまたはユニットに供給することができるが、図には示していない。２次合成ユニットは、本技術分野で公知の１つまたは２つ以上の２次合成ユニットおよび／または１つまたは２つ以上の冷壁合成反応器１０であってよい。
【００２９】
１つまたは２つ以上の態様では、アンモニアプラント１００をスタートアップさせた初期の間、供給原料ストリーム３２の少なくとも一部分は、空間１４に進み、初期の冷却流体３２のチャージとして空間１４で働かせることができる。１つまたは２つ以上の態様では、供給原料ストリーム３２の少なくとも一部分は、空間１４の初期チャージとして空間１４に供給する前に１つまたは２つ以上の冷却器５２に進めることができる。
【００３０】
冷却流体２２は、外殻１２の平均温度を約１００°Ｆから約６００°Ｆの間に維持できるように冷壁合成反応器１０から熱を除去することができる。１つまたは２つ以上の態様では、冷却流体２２の平均温度は、約２００°Ｆから５００°Ｆの間に維持することができる。冷却流体２２の平均温度は、約４００°Ｆから５００°Ｆの間に維持することができる。１つまたは２つ以上の態様では、冷却流体２２の質量流速は、供給原料ストリーム３２の約１０％〜約１００％の間に維持することができる。１つまたは２つ以上の態様では、冷却流体２２の質量流速は、供給原料ストリーム３２の約９０％〜約１００％の間に維持することができる。１つまたは２つ以上の態様では、冷却流体２２は、冷却流体２２を約２００°Ｆから５００°Ｆの間に維持できる１次合成ループのある箇所で冷壁合成反応器１０に進めることができる。
【００３１】
１つまたは２つ以上の態様では、冷却流体２２は、反応ゾーン２４の平均温度を約６００°Ｆから約９５０°Ｆの間に維持できるように冷壁合成反応器１０から熱を除去することができる。冷却流体２２は、反応ゾーン２４の平均温度を約５７０°Ｆから約１２００°Ｆの間に維持できるように冷壁合成反応器１０から熱を除去することができる。
【００３２】
図３は、１つまたは２つ以上の態様に従って、１つまたは２つ以上の１次合成反応器および１つまたは２つ以上の２次合成反応器を使用してアンモニアを生成するための例示的なシステムの略図を示す。１つまたは２つ以上の態様では、アンモニアプラント２００は、１次アンモニア合成ループ１１０と統合された２次反応器として冷壁合成反応器１０を組み込むことができる。１つまたは２つ以上の態様では、１つまたは２つ以上の冷壁合成反応器１０は、元のアンモニアプラントの１次アンモニアループ１１０の中にｉｎ ｓｉｔｕで２次反応器として組み込むことができる。１次アンモニアループ１１０は、改質装置５０、１次アンモニア合成ユニット１２１、アンモニア凝縮および精製または冷却ユニット５２、アンモニア回収ユニット５５ならびに水素回収ユニット６５を備えることができ、これらはすべて本技術分野で公知である。
【００３３】
運転に際しては、窒素および水素からなる供給原料ストリーム３２は、約９５〜１００体積％の純度を有するもののとすることができる。１つまたは２つ以上の態様では、供給原料ストリーム３２は、約９７．５〜９９．５体積％の純度を有することができる。改質装置５０は、アンモニアを合成するための適切な圧力で供給原料ストリーム３２を供給することができる。供給原料ストリーム３２は、１次アンモニア合成ユニット１２１に進めることができ、富アンモニア生成物ガス１１１は、冷却および凝縮のために冷却ユニット５２に流れることができる。貧アンモニア供給原料１１３は、改質装置５０に再循環させることができ、貧アンモニア供給原料蒸気のスリップ８４は、アンモニア回収ユニット５５に転用することによって水蒸気および非凝縮性ガスを分離することができる。再循環供給原料１１３との平衡状態で生成した凝縮物は、冷却ユニット５２において補給冷媒として使用することができる。補給冷媒および富アンモニア生成物ガス１１１は、冷却ユニット５２内で複数の段階を介して（示さず）循環的に凝縮およびフラッシュすることができ、本技術分野で公知の方式で精製アンモニア９３を得ることができる。
【００３４】
部分精製されたアンモニア冷媒のスリップストリーム１１７は、アンモニア蒸留用の補給液体として使用するためにアンモニア回収ユニット５５に転用することができる。低圧アンモニアと、冷却系からの非凝縮性ガスおよび他の蒸気とを含むフラッシュ冷媒スリップストリーム５４は、アンモニア回収ユニット５５に転用することによって水蒸気および非凝縮性ガスを分離することができる。アンモニア回収ユニット５５は、冷却サブシステムに純度を上げた低圧アンモニア蒸気８２を戻すことができる。アンモニア回収ユニット５５は、低圧廃ガス６２を生成することができる。
【００３５】
高圧パージガス５６は、アンモニア回収ユニット５５から抜き取ることによって、１次アンモニア合成ループ１１０に蓄積するおそれのあるアルゴン、二酸化炭素およびメタンなどの不活性ガスを除去することができる。パージガス５６の一部分５８は、水素回収ユニット６５に送ることができる。低圧水素６８として回収された水素および高圧水素７３は、改質装置５０および１次アンモニア合成ユニット１２１にリサイクルさせることができる。主として窒素と、少量のアルゴン、二酸化炭素およびメタンとを含む廃ガス６４は、廃ガス６２と一緒にストリーム６６に流れることができる。
【００３６】
パージガス５６の別の部分は、内殻２０、外殻１２、反応ゾーン２４および空間１４を有する冷壁合成反応器１０を備える２次アンモニア合成ループに、２次アンモニア生成物または供給原料６０として供給することができる。１つまたは２つ以上の態様では、冷壁合成反応器１０は、排出物３７を冷却するための冷却ユニット５２と流体連結することができる。１つまたは２つ以上の態様では、供給原料６０が反応ゾーン２４内を通過した後、冷壁合成反応器１０は、富アンモニア排出物３７を生成することができ、その排出物３７は、いくらか冷却するために冷却ユニット５２に進めることができる。いくらか冷却した後、冷却排出物または冷却流体２２は、冷却のために冷壁合成反応器１０内に戻し、アンモニア回収ユニット１４５に供給することができる。１つまたは２つ以上の態様では、冷壁合成反応器１０を出た冷却流体２２は、アンモニア回収ユニット５５に進めることができる。アンモニア回収ユニット１４５は、アンモニア蒸留用の補給液体として冷却器５２から部分精製されたアンモニア冷媒１２３を取り込むことができ、高濃度アンモニア蒸気１３６をストリーム８２に戻すことができる。貧アンモニアストリーム１４８は、窒素および水素と、かなり高圧の他のガスとを含むことができ、望ましいならば、改質装置５０および１次合成ユニット１２１にリサイクルすることができる。運転に際しては、２次合成によって、供給原料６０のプラント生産性を約５〜５０％、例えば、１０〜２５％改善することができる。
【００３７】
冷却流体２２は、外殻１２の平均温度を約１００°Ｆから約６００°Ｆの間に維持できるように冷壁合成反応器１０から熱を除去することができる。１つまたは２つ以上の態様では、冷却流体２２の平均温度は、約２００°Ｆから５００°Ｆの間に維持することができる。１つまたは２つ以上の態様では、冷却流体２２の質量流速は、供給原料ストリーム３２の約５０％〜約９０％の間に維持することができ、冷却流体蒸気２２の温度は、約１００°Ｆ〜約６００°Ｆの間に維持することができる。冷却流体２２は、反応ゾーン２４の平均温度を約５７０°Ｆから約１２００°Ｆの間に維持できるように冷壁合成反応器１０から熱を除去することができる。冷却流体２２は、反応ゾーン２４の平均温度を約６００°Ｆから約９５０°Ｆの間に維持できるように冷壁合成反応器１０から熱を除去することができる。
【００３８】
１組の上限数値および１組の下限数値を使用して、ある種の態様および特徴を説明してきた。別段の指示がない限り、任意の下限から任意の上限までの範囲も企図されていることが理解されよう。ある種の下限値、上限値および範囲は、以下の１つまたは２つ以上の特許請求の範囲に出現することができる。数値はすべて、示された値の「約」または「およそ」の値であり、実験誤差および変動を考慮に入れており、この実験誤差および変動は、当業者には予想できるはずのものである。
【００３９】
１組の上限数値および１組の下限数値を使用して、ある種の態様および特徴を説明してきた。別段の指示がない限り、任意の下限から任意の上限までの範囲も企図されている。ある種の下限値、上限値および範囲は、以下の１つまたは２つ以上の特許請求の範囲に出現する。数値はすべて、示された値の「約」または「およそ」の値であり、実験誤差および変動を考慮に入れており、この実験誤差および変動は、当業者には予想できるはずのものである。
【００４０】
多様な用語を上記において定義した。特許請求の範囲で使用された用語が上記において定義されていない場合、当業者がその用語に与えた最も広い定義のうち少なくとも１つの印刷刊行物または発行された特許において示されたものが与えられるべきである。さらに、本願に引用した特許、試験手順およびその他の書類はすべて、参照により本明細書に完全に組み込まれるものとする。ただし、その開示が本出願に矛盾しない限りにおいて、ならびに、かかる組み込むことが許されるすべての司法制度における範囲においてである。
【００４１】
前記した事項は、本発明の態様を対象とするものであるが、その基本的な範囲から逸脱しない限りにおいて本発明の他の態様およびさらなる態様を構築することが可能であり、その範囲は以下の特許請求の範囲によって定められる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下を含む、アンモニアを製造するための方法：
反応ゾーンに窒素と水素とを供給するステップであって、該反応ゾーンが内殻の内側に配置され、前記内殻と外殻の間に空間が形成されるように内殻が外殻の内側に配置され、前記反応ゾーンが、空間と間接的に熱交換する少なくとも１つの触媒を含む少なくとも１つの触媒床を備える上記ステップ、
前記反応ゾーンで窒素と水素とを反応させることによってアンモニアを含む排出物を生成するステップ、
前記内殻からの排出物を回収するステップ、
回収した排出物を冷却することによって冷却排出ストリームを提供するステップ、
冷却流体が、空間の少なくとも一部分を通って流れ、前記内殻の外部と流体連結するように冷却流体を外殻に供給するステップを含み、
冷却排出物の少なくとも一部分が、冷却流体の少なくとも一部分を提供し、
前記外殻からの冷却流体をアンモニア生成物として回収するステップ。
【請求項２】
冷却流体が約５７０°Ｆから約１，２００°Ｆの反応ゾーン温度を維持する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
冷却流体が約１００°Ｆから約６００°Ｆの温度に外殻を維持し、冷却流体が約６００°Ｆから約９５０°Ｆの温度に反応ゾーンを維持する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
反応ゾーンが、空間中の冷却流体と間接的に熱交換する２つ以上の触媒床を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
外殻が、炭素鋼、他の低合金金属およびそれらの組合せからなる群から選択される１つまたは２つ以上の材料から構築されている、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
内殻および反応ゾーンが、ステンレス鋼、インコロイ、インコネル、チタン、他の高合金金属およびそれらの組合せからなる群から選択される１つまたは２つ以上の材料から構築されている、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
約１：１から約１：４のモル比を提供するのに十分な速度で反応ゾーンに窒素と水素とを供給する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
触媒床中の触媒が、マグネタイト、白金族金属、炭素系触媒およびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
１次アンモニア合成ループから反応ゾーンにパージガスを導入するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
以下を備える、供給原料ストリーム中の窒素と水素とをアンモニアに転換するシステム：
外殻内に配置された内殻と該内殻内に配置された反応ゾーンとを備え、前記内殻と前記外殻の間に空間が形成され、前記反応ゾーンが前記空間と間接的に熱交換する１つまたは２つ以上の触媒床を備える反応器、
供給原料ストリームを反応ゾーン内に導入する第１の入口、
排出物を反応ゾーンから排出する第１の出口であって、第１の入口、反応ゾーンおよび第１の出口が前記外殻を貫通する第１のプレナムを提供する上記第１の出口と、
冷却流体を空間内に導入する第２の入口、
冷却流体を空間から排出する第２の出口。
【請求項１１】
第２の入口、外殻および第２の出口が、第１のプレナムを囲む第２のプレナムを提供する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
第２のプレナムが、炭素鋼、他の低合金金属およびそれらの組合せからなる群から選択される材料を使用して構築されている、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
触媒床が少なくとも１つの触媒を含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１４】
触媒が、マグネタイト、白金族金属、炭素系触媒およびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
以下を含む、元のアンモニアプラントを転換アンモニアプラントに転換するための方法：
供給原料ストリームを反応させることによってアンモニアを生成するための２次アンモニア合成ループを設置するステップであって、該２次アンモニア合成ループが冷却ユニットに流体連結した冷壁合成反応器を備え、該冷壁合成反応器が外殻内に配置された内殻と該内殻内に配置された反応ゾーンとを備え、空間が前記内殻と前記外殻の間に形成され、前記反応ゾーンが、前記空間と間接的に熱交換する１つまたは２つ以上の触媒床を備え、該触媒床が少なくとも１つの触媒を含む上記ステップ、
第１の入口を通って前記反応ゾーン内に供給原料ストリームを導入するステップ、
第１の出口を通って前記反応ゾーンから排出物を排出するステップであって、前記第１の入口、前記反応ゾーンおよび前記第１の出口が前記外殻を貫通する第１のプレナムを提供する前記ステップ、
第２の入口を通って前記空間内に冷却流体を導入するステップ、
第２の出口を通って前記空間から冷却流体を排出するステップ。
【請求項１６】
２次アンモニア合成ループが、２次アンモニア生成物から富アンモニアストリームを分離し、改質装置用の供給原料にリサイクルするための残渣ガスを得るためのアンモニア回収ユニットを備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
冷壁合成反応器の外殻が、炭素鋼、他の低合金金属およびそれらの組合せからなる群から選択される材料を使用して構築されている、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
冷壁合成反応器の内殻および反応ゾーンが、ステンレス鋼、インコロイ、インコネル、チタン、他の高合金金属およびそれらの組合せからなる群から選択される材料を使用して構築されている、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
触媒が、マグネタイト、白金族金属、炭素系触媒およびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
１次アンモニア合成ループから冷壁合成反応器にパージガスを導入するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１】
以下を含む、アンモニアを製造するための方法：
反応ゾーンに窒素と水素とを供給するステップであって、該反応ゾーンが内殻の内側に配置され、前記内殻と外殻の間に空間が形成されるように内殻が外殻の内側に配置され、前記反応ゾーンが、空間と間接的に熱交換する少なくとも１つの触媒を含む少なくとも１つの触媒床を備える上記ステップ、
前記反応ゾーンで窒素と水素とを反応させることによってアンモニアを含む排出物を生成するステップ、
前記内殻からの排出物を回収するステップ、
回収した排出物を冷却することによって冷却排出ストリームを提供するステップ、
冷却流体が、空間の少なくとも一部分を通って流れ、前記内殻の外部と流体連結するように冷却流体を外殻に供給するステップを含み、
冷却排出物の少なくとも一部分が、冷却流体の少なくとも一部分を提供し、
前記外殻からの冷却流体をアンモニア生成物として回収するステップ。
【請求項２】
冷却流体が約５７０°Ｆから約１，２００°Ｆの反応ゾーン温度を維持する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
冷却流体が約１００°Ｆから約６００°Ｆの温度に外殻を維持し、冷却流体が約６００°Ｆから約９５０°Ｆの温度に反応ゾーンを維持する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
反応ゾーンが、空間中の冷却流体と間接的に熱交換する２つ以上の触媒床を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
外殻が、炭素鋼、他の低合金金属およびそれらの組合せからなる群から選択される１つまたは２つ以上の材料から構築されている、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
内殻および反応ゾーンが、ステンレス鋼、インコロイ、インコネル、チタン、他の高合金金属およびそれらの組合せからなる群から選択される１つまたは２つ以上の材料から構築されている、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
約１：１から約１：４のモル比を提供するのに十分な速度で反応ゾーンに窒素と水素とを供給する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
触媒床中の触媒が、マグネタイト、白金族金属、炭素系触媒およびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
１次アンモニア合成ループから反応ゾーンにパージガスを導入するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
以下を備える、供給原料ストリーム中の窒素と水素とをアンモニアに転換するシステム：
外殻内に配置された内殻と該内殻内に配置された反応ゾーンとを備え、前記内殻と前記外殻の間に空間が形成され、前記反応ゾーンが前記空間と間接的に熱交換する１つまたは２つ以上の触媒床を備える反応器、
供給原料ストリームを反応ゾーン内に導入する第１の入口、
排出物を反応ゾーンから排出する第１の出口であって、第１の入口、反応ゾーンおよび第１の出口が前記外殻を貫通する第１のプレナムを提供する上記第１の出口と、
冷却流体を空間内に導入する第２の入口、
冷却流体を空間から排出する第２の出口。
【請求項１１】
第２の入口、外殻および第２の出口が、第１のプレナムを囲む第２のプレナムを提供する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
第２のプレナムが、炭素鋼、他の低合金金属およびそれらの組合せからなる群から選択される材料を使用して構築されている、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
触媒床が少なくとも１つの触媒を含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１４】
触媒が、マグネタイト、白金族金属、炭素系触媒およびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
以下を含む、元のアンモニアプラントを転換アンモニアプラントに転換するための方法：
供給原料ストリームを反応させることによってアンモニアを生成するための２次アンモニア合成ループを設置するステップであって、該２次アンモニア合成ループが冷却ユニットに流体連結した冷壁合成反応器を備え、該冷壁合成反応器が外殻内に配置された内殻と該内殻内に配置された反応ゾーンとを備え、空間が前記内殻と前記外殻の間に形成され、前記反応ゾーンが、前記空間と間接的に熱交換する１つまたは２つ以上の触媒床を備え、該触媒床が少なくとも１つの触媒を含む上記ステップ、
第１の入口を通って前記反応ゾーン内に供給原料ストリームを導入するステップ、
第１の出口を通って前記反応ゾーンから排出物を排出するステップであって、前記第１の入口、前記反応ゾーンおよび前記第１の出口が前記外殻を貫通する第１のプレナムを提供する前記ステップ、
第２の入口を通って前記空間内に冷却流体を導入するステップ、
第２の出口を通って前記空間から冷却流体を排出するステップ。
【請求項１６】
２次アンモニア合成ループが、２次アンモニア生成物から富アンモニアストリームを分離し、改質装置用の供給原料にリサイクルするための残渣ガスを得るためのアンモニア回収ユニットを備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
冷壁合成反応器の外殻が、炭素鋼、他の低合金金属およびそれらの組合せからなる群から選択される材料を使用して構築されている、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
冷壁合成反応器の内殻および反応ゾーンが、ステンレス鋼、インコロイ、インコネル、チタン、他の高合金金属およびそれらの組合せからなる群から選択される材料を使用して構築されている、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
触媒が、マグネタイト、白金族金属、炭素系触媒およびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
１次アンモニア合成ループから冷壁合成反応器にパージガスを導入するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公表番号】特表２０１１−５２１８７６（Ｐ２０１１−５２１８７６Ａ）
【公表日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５１１５９３（Ｐ２０１１−５１１５９３）
【出願日】平成２１年５月７日（２００９．５．７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／００２８２８
【国際公開番号】ＷＯ２００９／１４５８６５
【国際公開日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【出願人】（５０８３６４７４９）ケロッグ ブラウン アンド ルート エルエルシー (10)
【公表日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月７日（２００９．５．７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／００２８２８
【国際公開番号】ＷＯ２００９／１４５８６５
【国際公開日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【出願人】（５０８３６４７４９）ケロッグ ブラウン アンド ルート エルエルシー (10)
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