温度制御システム、炭化水素合成反応装置、炭化水素合成反応システムおよび温度制御方法
【課題】反応容器内の温度を高精度に制御すること。
【解決手段】反応容器３０の底部３０ａに配設され、内部を液体冷媒が流通する下除熱部３２ａと、反応容器３０において下除熱部３２ａよりも上方に配設され、内部を液体冷媒が流通する上除熱部３２ｂと、を備え、下除熱部３２ａには、第１温調部１２１により温度が調節された液体冷媒が供給され、上除熱部３２ｂには、第１温調部１２１とは異なる第２温調部１２２により温度が調節された液体冷媒が供給される温度制御システム１００を提供する。
【解決手段】反応容器３０の底部３０ａに配設され、内部を液体冷媒が流通する下除熱部３２ａと、反応容器３０において下除熱部３２ａよりも上方に配設され、内部を液体冷媒が流通する上除熱部３２ｂと、を備え、下除熱部３２ａには、第１温調部１２１により温度が調節された液体冷媒が供給され、上除熱部３２ｂには、第１温調部１２１とは異なる第２温調部１２２により温度が調節された液体冷媒が供給される温度制御システム１００を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度制御システム、炭化水素合成反応装置、炭化水素合成反応システムおよび温度制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、天然ガスから液体燃料を合成するための方法の一つとして、天然ガスを改質して一酸化炭素ガス（ＣＯ）と水素ガス（Ｈ２）とを主成分とする合成ガスを生成し、この合成ガスを原料ガスとしてフィッシャー・トロプシュ合成反応（以下、「ＦＴ合成反応」という。）により触媒を用いて炭化水素を合成し、さらにこの炭化水素を水素化・精製することで、ナフサ（粗ガソリン）、灯油、軽油、ワックス等の液体燃料製品を製造するＧＴＬ（Ｇａｓ Ｔｏ Ｌｉｑｕｉｄｓ：液体燃料合成）技術が開発されている。
【０００３】
このＧＴＬ技術に用いられる炭化水素合成反応装置では、例えば下記特許文献１に示されるような構成が知られているが、この種の炭化水素合成反応装置は一般に、反応容器の内部で、合成ガス中の一酸化炭素ガスと水素ガスとをＦＴ合成反応させることで炭化水素を合成する。反応容器内には、媒体液（例えば、液体の炭化水素など）中に固体の触媒粒子（例えば、コバルト触媒など）を懸濁させてなるスラリーが収容されている。
この炭化水素合成反応装置では、合成ガスは、反応容器の底部から投入された後、反応容器内のスラリーと接触して炭化水素化合物を合成しながら反応容器内を上昇する。このように、合成ガスが反応容器の底部から供給されることから、一酸化炭素ガスと水素ガスとは、反応容器の底部側においてＦＴ合成反応し易い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００４／０２３５９６９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、ＦＴ合成反応は発熱反応であることから、反応容器の底部側において一酸化炭素ガスと水素ガスとがＦＴ合成反応すると、反応容器の底部側の温度が上昇する。これにより、反応容器の底部側においてＦＴ合成反応が更に促進されることとなり、その結果、反応容器内におけるＦＴ合成反応が、反応容器の底部側に集中するおそれがある。この場合、炭化水素化合物の生産量が低下したり、反応容器の底部側の温度が極めて高くなったりする可能性がある。なおこのように、反応容器内の温度が局所的ではあるものの極めて高くなる可能性があることから、反応容器には高い耐熱性を具備させておく必要があり、反応容器の設計に温度条件の制約があるという問題もある。
【０００６】
本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、反応容器内の温度を高精度に制御することができる温度制御システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
請求項１に係る温度制御システムは、内部で発熱反応が生じる反応容器内の反応熱を回収し、前記反応容器内の温度を制御する温度制御システムであって、前記反応容器の底部に配設され、内部を液体冷媒が流通する下除熱部と、前記反応容器において前記下除熱部よりも上方に配設され、内部を液体冷媒が流通する上除熱部と、を備え、前記下除熱部には、第１温調部により温度が調節された液体冷媒が供給され、前記上除熱部には、前記第１温調部とは異なる第２温調部により温度が調節された液体冷媒が供給されることを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、下除熱部に、第１温調部により温度が調節された液体冷媒が供給され、かつ上除熱部に、第２温調部により温度が調節された液体冷媒が供給されるので、下除熱部と上除熱部とに温度が異なる液体冷媒を供給することができる。これにより、下除熱部による反応熱の回収量と、上除熱部による反応熱の回収量と、を異ならせることができる。
【０００９】
したがって、反応容器の底部側の温度が局所的に上昇しようとしたときに、下除熱部に供給される液体冷媒の温度を第１温調部により低めることで、下除熱部による反応熱の回収量を高めることができる。これにより、反応容器の底部側の温度が上昇するのを抑制することができる。
しかもこのとき、前述のように下除熱部による反応熱の回収量と、上除熱部による反応熱の回収量と、を異ならせることができるので、下除熱部による反応熱の回収量を高めるのに伴って、上除熱部による反応熱の回収量が高くなりすぎるのを抑えることが可能になる。これにより、反応容器において下除熱部よりも上側に位置する部分で、反応熱を適度に回収しつつも過度に回収するのを抑制することができる。
【００１０】
また、請求項２に係る温度制御システムは、前記底部内の温度を測定する反応熱温度測定部を備え、前記第１温調部は、前記反応熱温度測定部の測定結果に基づいて制御されていることを特徴とする。
【００１１】
この場合、第１温調部が、反応熱温度測定部の測定結果に基づいて制御されているので、反応容器の底部における反応熱量が変動したとしても、その変動に追従するように、下伝熱部に供給される液体冷媒の温度を調節することができる。
【００１２】
また、請求項３に係る温度制御システムは、前記第１温調部は、液体冷媒が気液平衡状態で収容された冷媒ドラムと、前記冷媒ドラム内の圧力を制御する圧力制御部と、を備え、前記圧力制御部は、前記反応熱温度測定部により測定された前記底部内の実温度が、前記底部内の温度設定値に対して有する偏差に基づいて前記冷媒ドラム内の圧力を制御することで、前記冷媒ドラム内の液体冷媒の温度を制御することを特徴とする。
【００１３】
この場合、冷媒ドラム内に液体冷媒が気液平衡状態で収容されていることから、冷媒ドラム内の圧力と液体冷媒の温度とがほぼ１対１で対応している。これを利用して、圧力制御部が、冷媒ドラム内の圧力を制御することで、冷媒ドラムから下除熱部に供給される液体冷媒の温度を直接制御し、下除熱部による反応熱の回収量を制御する。
すなわち、この温度制御システムでは、まず、反応容器の底部内の実温度が温度設定値に対して有する偏差に基づいて、圧力制御部が冷媒ドラム内の圧力を制御する。すると、冷媒ドラム内の気液平衡状態の相関関係に応じて冷媒ドラム内の液体冷媒の温度が変化する。この液体冷媒は下除熱部に供給されるため、液体冷媒の温度変化に応じて下除熱部にて回収される熱量が変化する。
【００１４】
また、請求項４に係る温度制御システムは、前記冷媒ドラムには、その内部に液体冷媒を補給する冷媒補給部が設けられ、前記冷媒補給部は、前記冷媒ドラムの気相部内に配設されていることを特徴とする。
【００１５】
この場合、冷媒補給部が、冷媒ドラムの気相部内に配設されているので、冷媒補給部から冷媒ドラム内の温度よりも低温の液体冷媒が補給されたとしても、この液体冷媒と冷媒ドラム内の蒸気との間で熱移動が行われ、液体冷媒が蒸気と同じ温度となって冷媒ドラム内の液相部に蓄えられるため、冷媒ドラム内の気相部と液相部との間に温度差が生じない。
【００１６】
また、請求項５に係る温度制御システムは、前記冷媒補給部には、液体冷媒を前記気相部に散布する散布部が形成されていることを特徴とする。
【００１７】
この場合、冷媒補給部に、液体冷媒を前記気相部に散布する散布部が形成されているので、冷媒補給部から補給される液体冷媒の表面積を大きくすることで、冷媒ドラム内の蒸気と液体冷媒との間で熱移動をより円滑に行わせることができる。
【００１８】
また、請求項６に係る温度制御システムは、前記冷媒補給部は、管状に形成され、前記散布部は、前記冷媒補給部に形成された貫通孔により構成されていることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項７に係る温度制御システムは、前記下除熱部で生じた蒸気と液体冷媒との混相流体を前記冷媒ドラムに戻す戻り配管と、前記冷媒ドラム内の蒸気を系外に排出する蒸気出口配管と、液体冷媒からなる補給水を、前記系外に排出される蒸気の量に見合った補給水量、前記戻り配管に供給する補給配管と、を備えていることを特徴とする。
【００２０】
また、請求項８に係る温度制御システムは、前記冷媒ドラム内の比較的高い温度と補給水の比較的低い温度との差分と前記反応器内の反応熱量との積に基づいて前記補給水量を決定する制御手段と、前記制御手段で決定された前記補給水量に応じて前記補給配管から前記戻り配管に供給する補給水量を設定する補給水調整手段と、を更に備えていることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項９に係る温度制御システムは、前記制御手段で決定する補給水量は次式によって演算されるようにしたことを特徴とする。
ＷＬ３＝Ｑ／{Ｃｐ×（ｔ１−ｔ３）＋ｒ}
但し、ＷＬ３：補給水量
Ｑ：前記底部内での反応熱量
Ｃｐ：液体冷媒の比熱
ｔ１：前記冷媒ドラムまたは前記底部内の温度
ｔ３：補給水の温度
ｒ：液体冷媒の蒸発潜熱。
【００２２】
また、請求項１０に係る温度制御システムは、前記戻り配管と前記補給配管との合流部において、前記補給配管は前記戻り配管内の混相流体の進行方向に沿って前記戻り配管と鋭角の角度で接続されていることを特徴とする。
【００２３】
また、請求項１１に係る温度制御システムは、前記補給配管には、蒸気の逆流を防ぐシール部が設けられていることを特徴とする。
【００２４】
また、請求項１２に係る温度制御システムは、前記戻り配管と前記補給配管との合流部において、前記補給配管に補給水を前記戻り配管内に噴霧するスプレーノズルが設けられていることを特徴とする。
【００２５】
また、請求項１３に係る炭化水素合成反応装置は、水素ガスおよび一酸化炭素ガスを主成分とする合成ガスと、媒体液中に触媒粒子を懸濁させてなるスラリーとを接触させることによって炭化水素化合物を合成する炭化水素合成反応装置であって、前記スラリーを収容するとともに前記合成ガスが供給される反応容器と、前記温度制御システムと、を備えていることを特徴とする。
【００２６】
また、請求項１４に係る炭化水素合成反応システムは、前記炭化水素合成反応装置と、炭化水素原料を改質して前記合成ガスを生成し、前記合成ガスを前記反応容器に供給する合成ガス生成ユニットと、前記炭化水素化合物から液体燃料を製造するアップグレーディングユニットと、を備えていることを特徴とする。
【００２７】
また、請求項１５に係る温度制御方法は、内部で発熱反応が生じる反応容器の底部に配設され、内部を液体冷媒が流通する下除熱部と、前記反応容器において前記下除熱部よりも上方に配設され、内部を液体冷媒が流通する上除熱部と、を備える温度制御システムを用い、前記反応容器内の反応熱を回収し、前記反応容器内の温度を制御する温度制御方法であって、前記下除熱部に供給する液体冷媒の温度を、前記上除熱部に供給する液体冷媒の温度よりも低くすることを特徴とする。
【００２８】
この発明では、下除熱部に供給する液体冷媒の温度を、上除熱部に供給する液体冷媒の温度よりも低くするか、若しくは単独で流量を増やして回収熱量を増大させることができる。したがって、反応容器の底部側の温度が上昇するのを抑制することが可能で、かつ反応容器において下除熱部よりも上側に位置する部分で、反応熱を適度に回収しつつも過度に回収するのを抑制することができる。
【発明の効果】
【００２９】
請求項１に係る発明によれば、反応容器の底部側の温度が上昇するのを抑制することが可能で、かつ反応容器において下除熱部よりも上側に位置する部分で、反応熱を適度に回収しつつも過度に回収するのを抑制することができるので、反応容器内の温度を高精度に制御することができる。
また前述のように、反応容器内の温度を高精度に制御するという作用効果を、下除熱部と上除熱部とに温度が異なる液体冷媒を供給することにより奏功させることができる。したがって、例えば下除熱部および上除熱部をそれぞれ流通する液体冷媒の流量調節などをしなくてもよく、前述の作用効果を簡便かつ確実に奏功させることができる。
【００３０】
請求項２に係る発明によれば、発熱容器の底部における反応熱量が変動したとしても、その変動に追従するように、下伝熱部に供給される液体冷媒の温度を調節することができるので、前述の作用効果を確実に奏功させることができる。
【００３１】
請求項３に係る発明によれば、圧力制御部が、反応容器の底部内における実温度の温度設定値に対する偏差に基づいて冷媒ドラム内の圧力を制御することにより、下除熱部に供給される液体冷媒の温度を変化させ、下除熱部にて回収される熱量を調節することができる。したがって、反応容器の底部内の実温度が温度設定値に対して高い場合には、下除熱部により回収される熱量が多くなるように、また、前記実温度が温度設定値に対して低い場合には、下除熱部により回収される熱量が少なくなるように、冷媒ドラム内の圧力を制御することで、反応容器の底部内の温度を、温度設定値を目標に制御することができる。
また、圧力制御部が、下除熱部に供給する液体冷媒の温度と１対１に対応する冷媒ドラムの圧力を制御することで、冷媒ドラムから下除熱部に供給される液体冷媒の温度を直接制御することができる。したがって、外部で温度を制御した液体冷媒を冷媒ドラムへ供給することで、冷媒ドラム内の液体冷媒の温度を制御する方法よりも、反応容器の底部内の温度制御を迅速に行うことができる。これにより、前述の作用効果を確実に奏功させることができる。
なお前述のように、外部で温度を制御した液体冷媒を冷媒ドラムへ供給することで、冷媒ドラム内の液体冷媒の温度を制御する方法では、外部から供給された液体冷媒と、冷媒ドラム内の液体冷媒と、の温度が均一になりにくく、反応容器の温度制御が高精度になされないおそれがある。
【００３２】
請求項４に係る温度制御システムによれば、冷媒補給部が、冷媒ドラムの気相部内に配設されているので、気相部にて液体冷媒と冷媒ドラム内の蒸気との間で効率よく熱の移動が行われるため、冷媒補給部から補給される液体冷媒を系外にて予熱しなくとも冷媒ドラム内で気相部と液相部との温度差が生じず、冷媒ドラム内の圧力と温度とを、気液平衡状態の相関関係に確実に保つことができる。
【００３３】
請求項５に係る温度制御システムによれば、冷媒ドラム内の蒸気と液体冷媒との間で熱移動をより円滑に行わせることができるので、冷媒ドラム内の圧力と温度とを、気液平衡状態の相関関係に一層確実に保つことができる。
【００３４】
請求項６に係る温度制御システムによれば、散布部が、冷媒補給部に形成された貫通孔により構成されているので、液体冷媒を確実に散布することができる。
【００３５】
請求項７に係る温度制御システムによれば、下除熱部で生じた蒸気と液体冷媒との混相流体を冷媒ドラムに戻す戻り配管に、系外に排出された蒸気の量に見合った補給水量を供給する補給配管を設けたから、系外に排出する蒸気流量に見合った補給水量を戻り配管に合流させて戻り配管内の飽和温度にある蒸気流量と直接混合させることで、冷媒ドラムに供給される前に、補給水を加熱・蒸発させることができることになり、冷媒ドラム内の気液温度を常に飽和温度に維持できる。
しかも、補給水を直接冷媒ドラムへ供給する場合と比較して、構造の複雑化や設備の大型化を避けて冷媒ドラム内の温度を均一に制御できる。
【００３６】
請求項８に係る温度制御システムによれば、冷媒ドラム内の比較的高い温度と補給水の比較的低い温度との差分と反応器内の反応熱量との積に基づいて補給水量を決定する制御手段と、決定された補給水量に応じて補給配管から戻り配管に補給水を供給する補給水調整手段と、を更に備えているから、補給水量は系外に排出する蒸気流量と同等となるように制御手段によって正確に演算できて補給水量が蒸気流量を超えないように正確に制限することができることになり、合流部での全凝縮によるハンマリングを確実に防止することができる。
【００３７】
請求項９に係る温度制御システムによれば、制御手段で決定する補給水量は、具体的には次式によって演算されるから、補給水量は系外に排出する蒸気流量と同等またはそれ以下となるように正確に演算できて補給水量が蒸気流量を超えないように制限できる。
ＷＬ３＝Ｑ／{Ｃｐ×（ｔ１−ｔ３）＋ｒ}
但し、ＷＬ３：補給水量
Ｑ：気泡塔型反応器の底部内での反応熱量
Ｃｐ：液体冷媒の比熱
ｔ１：冷媒ドラムまたは気泡塔型反応器の底部内の温度
ｔ３：補給水の温度
ｒ：液体冷媒の蒸発潜熱。
【００３８】
請求項１０に係る温度制御システムによれば、戻り配管と補給配管との合流部において、補給配管は混相流体の進行方向に沿って戻り配管と鋭角の角度で接続されているから、補給配管の補給水を、戻り配管の蒸気と液体冷媒との混相流体に合流させる際、混相流体の流れ方向に沿って補給水の給水を行うことができるため、合流時に補給水が混相流体に衝突して衝撃によるハンマリングの発生を防止できる。
【００３９】
請求項１１に係る温度制御システムによれば、補給配管には、蒸気の逆流を防ぐシール部が設けられているから、補給水の供給量が少ない場合、戻り配管内の蒸気が補給配管内に逆流して凝縮によるハンマリングが生じることを防止できる。
【００４０】
請求項１２に係る温度制御システムによれば、戻り配管と補給配管との合流部において、補給配管に補給水を戻り配管内に噴霧するスプレーノズルが設けられているから、補給水を補給配管から合流部で戻り配管に供給する際、スプレーノズルで補給水を噴霧して均等に分散させて混相流体の蒸気に接触させれば、補給水の偏りによる急激な蒸気凝縮を抑制してハンマリングの発生を防止できる。
【００４１】
請求項１３に係る発明によれば、前記温度制御システムを備えているので、反応容器の底部側の温度が局所的に上昇するのを抑制することができる。
【００４２】
請求項１４に係る発明によれば、前記炭化水素合成反応装置を備えているので、反応容器の底部側の温度が局所的に上昇するのを抑制することができる。
【００４３】
請求項１５に係る発明によれば、反応容器の底部側の温度が上昇するのを抑制することが可能で、かつ反応容器において下除熱部よりも上側に位置する部分で、反応熱を適度に回収しつつも過度に回収するのを抑制することができるので、反応容器内の温度を高精度に制御することができる。
また前述のように、反応容器内の温度を高精度に制御するという作用効果を、下除熱部と上除熱部とに温度が異なる液体冷媒を供給することにより奏功させることができる。したがって、例えば下除熱部および上除熱部をそれぞれ流通する液体冷媒の流量調節などをしなくてもよく、前述の作用効果を簡便かつ確実に奏功させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施形態に係る液体燃料合成システムの全体構成を示す概略図である。
【図２】図１に示す液体燃料合成システムを構成する温度制御システムの概略フローである。
【図３】図１に示す冷媒ドラムの横断面図である。
【図４】図１に示す冷媒ドラムの縦断面図である。
【図５】本発明の一参考例に係る冷媒ドラムの構断面図である。
【図６】本発明の一参考例に係る温度制御システムの概略フローである。
【図７】本発明の第２実施形態に係る温度制御システムの概略フローである。
【図８】図７に示す温度制御システムにおける水と蒸気の循環路とその流量及び温度とを示す説明図である。
【図９】図７に示す温度制御システムにおける第一変形例に係る戻り配管と補給配管との合流部を示す説明図である。
【図１０】図７に示す温度制御システムにおける第二変形例に係る戻り配管と補給配管との合流部を示す説明図である。
【図１１】図７に示す温度制御システムにおける第三変形例に係る戻り配管と補給配管との合流部を示す説明図である。
【図１２】図７に示す温度制御システムにおける気泡塔型反応器の出口と合流後の戻り配管とにおける蒸気の割合の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下、本発明の一実施形態に液体燃料合成システムの一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【００４６】
（液体燃料合成システム）
図１に示すように、液体燃料合成システム（炭化水素合成反応システム）１は、天然ガス等の炭化水素原料を液体燃料に転換するＧＴＬプロセスを実行するプラント設備である。この液体燃料合成システム１は、合成ガス生成ユニット３と、ＦＴ合成ユニット（炭化水素合成反応装置）５と、アップグレーディングユニット７とから構成される。合成ガス生成ユニット３は、炭化水素原料である天然ガスを改質して一酸化炭素ガスと水素ガスを含む合成ガスを製造する。ＦＴ合成ユニット５は、製造された合成ガスからＦＴ合成反応により液体の炭化水素化合物を生成する。アップグレーディングユニット７は、ＦＴ合成反応により合成された液体の炭化水素化合物を水素化・精製して液体燃料その他の製品（ナフサ、灯油、軽油、ワックス等）を製造する。以下、これら各ユニットの構成要素について説明する。
【００４７】
まず、合成ガス生成ユニット３について説明する。
合成ガス生成ユニット３は、例えば、脱硫反応器１０と、改質器１２と、排熱ボイラー１４と、気液分離器１６および１８と、脱炭酸装置２０と、水素分離装置２６とを主に備える。脱硫反応器１０は、水素化脱硫装置等で構成されて原料である天然ガスから硫黄成分を除去する。改質器１２は、脱硫反応器１０から供給された天然ガスを改質して、一酸化炭素ガス（ＣＯ）と水素ガス（Ｈ２）とを主成分として含む合成ガスを製造する。排熱ボイラー１４は、改質器１２にて生成した合成ガスの排熱を回収して高圧スチームを発生する。気液分離器１６は、排熱ボイラー１４において合成ガスとの熱交換により加熱された水を気体（高圧スチーム）と液体とに分離する。気液分離器１８は、排熱ボイラー１４にて冷却された合成ガスから凝縮分を除去し気体分を脱炭酸装置２０に供給する。脱炭酸装置２０は、吸収塔（第２吸収塔）２２と、再生塔２４と、を有する。吸収塔２２では、気液分離器１８から供給された合成ガスに含まれる炭酸ガスが吸収液によって吸収される。再生塔２４では、炭酸ガスを吸収した吸収液が炭酸ガスを放散し、吸収剤が再生される。水素分離装置２６は、脱炭酸装置２０により炭酸ガスが分離された合成ガスから、当該合成ガスに含まれる水素ガスの一部を分離する。ただし、上記脱炭酸装置２０は場合によっては設けないこともある。
【００４８】
改質器１２では、例えば、下記の化学反応式（１）、（２）で表される水蒸気・炭酸ガス改質法を用い、二酸化炭素と水蒸気によって天然ガスが改質され、一酸化炭素ガスと水素ガスとを主成分とする高温の合成ガスが製造される。なお、この改質器１２における改質法は、上記の水蒸気・炭酸ガス改質法に限定されない。例えば、水蒸気改質法、酸素を用いた部分酸化改質法（ＰＯＸ）、部分酸化改質法と水蒸気改質法の組合せである自己熱改質法（ＡＴＲ）、炭酸ガス改質法などを利用することもできる。
【００４９】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２ ・・・（１）
ＣＨ４＋ＣＯ２→２ＣＯ＋２Ｈ２ ・・・（２）
【００５０】
水素分離装置２６は、脱炭酸装置２０又は気液分離器１８と気泡塔型反応器３０とを接続する主配管から分岐した分岐ライン上に設けられる。この水素分離装置２６は、例えば、圧力差を利用して水素の吸着と脱着を行う水素ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ：圧力変動吸着）装置などで構成できる。この水素ＰＳＡ装置は、並列配置された複数の吸着塔（図示せず。）内に吸着剤（ゼオライト系吸着剤、活性炭、アルミナ、シリカゲル等）を有している。各吸着塔で水素の加圧、吸着、脱着（減圧）、パージの各工程を順番に繰り返すことで、合成ガスから分離した純度の高い水素ガス（例えば９９．９９９％程度）を、連続して供給することができる。
【００５１】
水素分離装置２６における水素ガス分離方法は、上記の水素ＰＳＡ装置による圧力変動吸着法に限定されない。例えば、水素吸蔵合金吸着法、膜分離法、或いはこれらの組合せなどを用いてもよい。
【００５２】
水素吸蔵合金法は、例えば、冷却／加熱されることで水素を吸着／放出する性質を有する水素吸蔵合金（ＴｉＦｅ、ＬａＮｉ５、ＴｉＦｅ０．７〜０．９Ｍｎ０．３〜０．１、又はＴｉＭｎ１．５など）を用いて、水素ガスを分離する手法である。水素吸蔵合金法では、例えば水素吸蔵合金が収容された複数の吸着塔において、水素吸蔵合金の冷却による水素の吸着と、水素吸蔵合金の加熱による水素の放出とが交互に繰り返される。これにより、合成ガス中の水素ガスを分離・回収することができる。
【００５３】
膜分離法は、芳香族ポリイミド等の高分子素材の膜を用いて、混合ガスから膜透過性に優れた水素ガスを分離する手法である。この膜分離法は、分離対称の相変化を必要としないため、運転に必要なエネルギーが小さくて済み、ランニングコストが小さい。また、膜分離装置の構造が単純でコンパクトなため、設備コストが低く設備の所要面積も小さくて済む。さらに、分離膜には駆動装置がなく、安定運転範囲が広いため、保守管理が容易であるという利点がある。
【００５４】
次に、ＦＴ合成ユニット５について説明する。
ＦＴ合成ユニット５は、例えば、気泡塔型反応器（反応容器）３０と、分離器３６と、気液分離器３８と、第１精留塔４０と、を主に備える。気泡塔型反応器３０は、上記合成ガス生成ユニット３で製造された合成ガス、即ち、一酸化炭素ガスと水素ガスとからＦＴ合成反応により液体炭化水素化合物を合成する。分離器３６は、気泡塔型反応器３０の中央部に接続され、触媒と液体炭化水素化合物を分離する。気液分離器３８は、気泡塔型反応器３０の塔頂に接続され、未反応合成ガス及び気体炭化水素化合物を冷却する。第１精留塔４０は、気泡塔型反応器３０から分離器３６、気液分離器３８を介して供給された液体炭化水素化合物を各留分に分留する。
【００５５】
このうち、気泡塔型反応器３０は、合成ガスから液体の炭化水素化合物を合成する反応器の一例であり、ＦＴ合成反応により合成ガスから液体の炭化水素化合物を合成するＦＴ合成用反応器として機能する。この気泡塔型反応器３０は、例えば、塔型の容器内部に主に触媒粒子と媒体油（媒体液、液体の炭化水素）とからなるスラリーが貯留された気泡塔型スラリー床式反応器で構成される。この気泡塔型反応器３０は、ＦＴ合成反応により合成ガスから気体又は液体の炭化水素化合物を合成する。詳細には、この気泡塔型反応器３０では、原料ガスである合成ガスは、気泡塔型反応器３０の底部の分散板から気泡となって供給され、媒体油中に触媒粒子が懸濁されたスラリー内を通過する。そして、懸濁状態の中で下記化学反応式（３）に示すように、合成ガスに含まれる水素ガスと一酸化炭素ガスとが反応して炭化水素化合物が合成される。
【００５６】
【化１】
【００５７】
なお、このＦＴ合成反応は発熱反応であるため、気泡塔型反応器３０は、温度制御システム８０を構成する伝熱管（下除熱部、上除熱部）３２ａ、３２ｂが内部に配設された熱交換器型になっている。気泡塔型反応器３０には、冷媒として例えば水（ＢＦＷ：Ｂｏｉｌｅｒ Ｆｅｅｄ Ｗａｔｅｒ）が供給され、上記ＦＴ合成反応の反応熱を、スラリーと水との熱交換により中圧スチームとして回収できるようになっている。
【００５８】
次に、アップグレーディングユニット７について説明する。アップグレーディングユニット７は、例えば、ワックス留分水素化分解反応器５０と、中間留分水素化精製反応器５２と、ナフサ留分水素化精製反応器５４と、気液分離器５６，５８，６０と、第２精留塔７０と、ナフサ・スタビライザー７２とを備える。ワックス留分水素化分解反応器５０は、第１精留塔４０の塔底に接続されている。中間留分水素化精製反応器５２は、第１精留塔４０の中央部に接続されている。ナフサ留分水素化精製反応器５４は、第１精留塔４０の塔頂に接続されている。気液分離器５６，５８，６０は、これら水素化反応器５０，５２，５４のそれぞれに対応して設けられている。第２精留塔７０は、気液分離器５６，５８から供給された液体炭化水素化合物を分留する。ナフサ・スタビライザー７２は、気液分離器６０から供給された、及び第２精留塔７０から分留されたナフサ留分の液体炭化水素化合物を精留する。その結果、ナフサ・スタビライザー７２は、ブタン及びブタンより軽質の成分をオフガスとして排出し、炭素数５以上の成分を製品のナフサとして回収する。
【００５９】
次に、以上のような構成の液体燃料合成システム１により、天然ガスから液体燃料を合成する工程（ＧＴＬプロセス）について説明する。
【００６０】
液体燃料合成システム１には、天然ガス田又は天然ガスプラントなどの外部の天然ガス供給源（図示せず。）から、炭化水素原料としての天然ガス（主成分がＣＨ４）が供給される。上記合成ガス生成ユニット３は、この天然ガスを改質して合成ガス（一酸化炭素ガスと水素ガスを主成分とする混合ガス）を製造する。
【００６１】
具体的には、まず、上記天然ガスは、水素分離装置２６によって分離された水素ガスとともに脱硫反応器１０に導入される。脱硫反応器１０では、導入された水素ガスと水素化脱硫触媒により、天然ガスに含まれる硫黄分が硫化水素に転換される。更に、脱硫反応器１０では、生成した硫化水素が例えばＺｎＯ等の脱硫剤により吸着除去される。このようにして天然ガスを予め脱硫しておくことにより、改質器１２及び気泡塔型反応器３０等で用いられる触媒の活性が硫黄により低下することを防止できる。
【００６２】
このようにして脱硫された天然ガス（二酸化炭素を含んでもよい。）は、二酸化炭素供給源（図示せず。）から供給される二酸化炭素（ＣＯ２）ガスと、排熱ボイラー１４で発生した水蒸気とが混合された上で、改質器１２に供給される。改質器１２では、例えば、上述した水蒸気・炭酸ガス改質法により、二酸化炭素と水蒸気とにより天然ガスが改質され、一酸化炭素ガスと水素ガスとを主成分とする高温の合成ガスが製造される。このとき、改質器１２には、例えば、改質器１２が備えるバーナー用の燃料ガスと空気（エア）とが供給されている。そして、当該バーナーにおける燃料ガスの燃焼熱により、吸熱反応である上記水蒸気・炭酸ガス改質反応に必要な反応熱がまかなわれている。
【００６３】
このようにして改質器１２で製造された高温の合成ガス（例えば、９００℃、２．０ＭＰａＧ）は、排熱ボイラー１４に供給され、排熱ボイラー１４内を通過する水との熱交換により冷却（例えば４００℃）される。そして、合成ガスの排熱が水により回収される。このとき、排熱ボイラー１４において合成ガスにより加熱された水は気液分離器１６に供給される。そして、この合成ガスにより加熱された水は、気液分離器１６において高圧スチーム（例えば３．４〜１０．０ＭＰａＧ）と、水とに分離される。分離された高圧スチームは、改質器１２または他の外部装置に供給され、分離された水は排熱ボイラー１４に戻される。
【００６４】
一方、排熱ボイラー１４において冷却された合成ガスは、凝縮した液体分が気液分離器１８において分離・除去された後、脱炭酸装置２０の吸収塔２２、又は気泡塔型反応器３０に供給される。吸収塔２２では、吸収塔２２の内部に貯留されている吸収液によって、合成ガスに含まれる炭酸ガスが吸収され、当該合成ガスから炭酸ガスが除去される。吸収塔２２内で炭酸ガスを吸収した吸収液は、吸収塔２２から排出され、再生塔２４に導入される。再生塔２４に導入された吸収液は、例えばスチームで加熱されてストリッピング処理され、炭酸ガスを放散する。放散された炭酸ガスは、再生塔２４から排出されて改質器１２に導入され、上記改質反応に再利用される。
【００６５】
このようにして、合成ガス生成ユニット３で製造された合成ガスは、上記ＦＴ合成ユニット５の気泡塔型反応器３０に供給される。このとき、気泡塔型反応器３０に供給される合成ガスの組成比は、ＦＴ合成反応に適した組成比（例えば、Ｈ２：ＣＯ＝２：１（モル比））に調整されている。なお、気泡塔型反応器３０に供給される合成ガスは、脱炭酸装置２０と気泡塔型反応器３０とを接続する配管に設けられた圧縮器（図示せず。）により、ＦＴ合成反応に適した圧力（例えば３．６ＭＰａＧ程度）まで昇圧される。
【００６６】
また、上記脱炭酸装置２０により炭酸ガスが分離された合成ガスの一部は、水素分離装置２６にも供給される。水素分離装置２６では、上記のように圧力差を利用した吸着、脱着（水素ＰＳＡ）により、合成ガスに含まれる水素ガスが分離される。当該分離された水素は、ガスホルダー（図示せず。）等から圧縮機（図示せず。）を介して、液体燃料合成システム１内において水素を利用して所定反応を行う各種の水素利用反応装置（例えば、脱硫反応器１０、ワックス留分水素化分解反応器５０、中間留分水素化精製反応器５２、ナフサ留分水素化精製反応器５４など）に連続して供給される。
【００６７】
次いで、上記ＦＴ合成ユニット５は、上記合成ガス生成ユニット３によって製造された合成ガスから、ＦＴ合成反応により、液体炭化水素化合物を合成する。
【００６８】
具体的には、上記脱炭酸装置２０において炭酸ガスが分離された合成ガスは、気泡塔型反応器３０に導入され、気泡塔型反応器３０内に貯留された触媒を含むスラリー内を通過する。この際、気泡塔型反応器３０内では、上述したＦＴ合成反応により、当該合成ガスに含まれる一酸化炭素と水素ガスとが反応して、炭化水素化合物が生成する。さらに、このＦＴ合成反応時には、気泡塔型反応器３０の伝熱管３２ａ、３２ｂ内を通過（流通）する水（液体冷媒）によって、ＦＴ合成反応の反応熱が回収され、反応熱によって加熱された水が気化して水蒸気となる。
【００６９】
このようにして、気泡塔型反応器３０で合成された液体炭化水素化合物は、気泡塔型反応器３０の中央部から触媒粒子を含んだスラリーとして排出されて、分離器３６に導入される。分離器３６では、導入されたスラリーが触媒（固形分）と、液体炭化水素化合物を含んだ液体分とに分離される。分離された触媒の一部は気泡塔型反応器３０に戻され、液体分は第１精留塔４０に導入される。気泡塔型反応器３０の塔頂からは、ＦＴ合成反応において反応しなかった合成ガスと、ＦＴ合成反応により生成した気体炭化水素化合物と、を含む気体副生成物が排出される。気泡塔型反応器３０から排出された気体副生成物は、気液分離器３８に導入される。気液分離器３８では、導入された気体副生成物が冷却され、凝縮した液体炭化水素化合物と、ガス分とに分離される。分離された液体炭化水素化合物は、気液分離器３８から排出され、第１精留塔４０に導入される。分離されたガス分は、気液分離器３８から排出され、その一部が気泡塔型反応器３０に再導入される。気泡塔型反応器３０では、再導入されたガス分に含まれる未反応の合成ガス（ＣＯとＨ２）がＦＴ合成反応に再利用される。また、気液分離器３８から排出されたガス分の一部は、オフガスとして燃料に使用されたり、このガス分からＬＰＧ（液化石油ガス）相当の燃料が回収されたりする。
【００７０】
第１精留塔４０では、上記のようにして気泡塔型反応器３０から分離器３６、気液分離器３８を介して供給された液体炭化水素化合物（炭素数は多様）が、ナフサ留分（沸点が約１５０℃より低い）と、中間留分（沸点が約１５０〜３５０℃）と、ワックス留分（沸点が約３５０℃を超える）とに分留される。この第１精留塔４０の塔底から排出されるワックス留分の液体炭化水素化合物（主としてＣ２１以上）は、ワックス留分水素化分解反応器５０に導入される。第１精留塔４０の中央部から排出される灯油・軽油に相当する中間留分の液体炭化水素化合物（主としてＣ１１〜Ｃ２０）は、中間留分水素化精製反応器５２に導入される。第１精留塔４０の塔頂から排出されるナフサ留分の液体炭化水素化合物（主としてＣ５〜Ｃ１０）は、ナフサ留分水素化精製反応器５４に導入される。
【００７１】
ワックス留分水素化分解反応器５０は、第１精留塔４０の塔底から排出された炭素数の多いワックス留分の液体炭化水素化合物（概ねＣ２１以上）を、上記水素分離装置２６から供給された水素ガスを利用して水素化分解して、炭素数を２０以下に低減する。この水素化分解反応では、炭素数の多い炭化水素化合物のＣ−Ｃ結合が切断される。これにより、炭素数の多い炭化水素化合物が炭素数の少ない炭化水素化合物へと転換される。また、ワックス留分水素化分解反応器５０においては、水素化分解反応と並行して、直鎖状飽和炭化水素化合物（ノルマルパラフィン）を水素化異性化して分岐状飽和炭化水素化合物（イソパラフィン）を生成する反応も進行する。これにより、ワックス留分水素化分解生成物の、燃料油基材として要求される低温流動性が向上する。さらに、ワックス留分水素化分解反応器５０においては、原料であるワックス留分に含まれるアルコール等の含酸素化合物の水素化脱酸素反応及びオレフィンの水素化反応も進行する。水素化分解されワックス留分水素化分解反応器５０から排出された液体炭化水素化合物を含む生成物は、気液分離器５６に導入され、気体と液体とに分離される。分離された液体炭化水素化合物は、第２精留塔７０に導入され、分離された気体分（水素ガスを含む。）は、中間留分水素化精製反応器５２及びナフサ留分水素化精製反応器５４に導入される。
【００７２】
中間留分水素化精製反応器５２では、第１精留塔４０の中央部から排出された炭素数が中程度である灯油・軽油に相当する中間留分の液体炭化水素化合物（概ねＣ１１〜Ｃ２０）が水素化精製される。中間留分水素化精製反応器５２では、水素分離装置２６からワックス留分水素化分解反応器５０を介して供給された水素ガスが、水素化精製に用いられる。この水素化精製反応においては、上記液体炭化水素化合物中に含まれるオレフィンが水素化されて飽和炭化水素化合物を生成するとともに、上記液体炭化水素化合物中に含まれるアルコール等の含酸素化合物が水素化脱酸素され飽和炭化水素化合物と水とに転換される。更に、この水素化精製反応においては、直鎖状飽和炭化水素化合物（ノルマルパラフィン）を異性化して分岐状飽和炭化水素化合物（イソパラフィン）に転換する水素化異性化反応が進行し、生成油の燃料油として要求される低温流動性を向上させる。水素化精製された液体炭化水素化合物を含む生成物は、気液分離器５８で気体と液体に分離される。分離された液体炭化水素化合物は、第２精留塔７０に導入され、気体分（水素ガスを含む。）は、上記水素化反応に再利用される。
【００７３】
ナフサ留分水素化精製反応器５４では、第１精留塔４０の上部から排出された炭素数が少ないナフサ留分の液体炭化水素化合物（概ねＣ１０以下）が、水素化精製される。ナフサ留分水素化精製反応器５４では、水素分離装置２６からワックス留分水素化分解反応器５０を介して供給された水素ガスが、水素化精製に用いられる。この結果、水素化精製された液体炭化水素化合物を含む生成物は、気液分離器６０で気体と液体に分離される。分離された液体炭化水素化合物は、ナフサ・スタビライザー７２に導入され、分離された気体分（水素ガスを含む。）は、上記水素化反応に再利用される。このナフサ留分の水素化精製においては、主としてオレフィンの水素化及びアルコール等の含酸素化合物の水素化脱酸素が進行する。
【００７４】
第２精留塔７０では、上記のようにしてワックス留分水素化分解反応器５０及び中間留分水素化精製反応器５２から供給された液体炭化水素化合物をＣ１０以下の炭化水素化合物（沸点が約１５０℃より低い）と、灯油（沸点が約１５０〜２５０℃）と、軽油（沸点が約２５０〜３５０℃）と、ワックス留分水素化分解反応器５０からの未分解ワックス分（沸点約３５０℃を超える）とに分留する。第２精留塔７０の塔底からは未分解のワックス留分が得られ、これはワックス留分水素化分解反応器５０の上流にリサイクルされる。第２精留塔７０の中央部からは灯油及び軽油が排出される。一方、第２精留塔７０の塔頂からは、Ｃ１０以下の気体炭化水素化合物が排出されて、ナフサ・スタビライザー７２に導入される。
【００７５】
さらに、ナフサ・スタビライザー７２では、上記ナフサ留分水素化精製反応器５４から供給された、及び第２精留塔７０において分留されたＣ１０以下の炭化水素化合物が蒸留され、製品としてのナフサ（Ｃ５〜Ｃ１０）が得られる。これにより、ナフサ・スタビライザー７２の塔底からは、高純度のナフサが排出される。一方、ナフサ・スタビライザー７２の塔頂からは、製品対象外である炭素数が所定数以下（Ｃ４以下）の炭化水素化合物を主成分とするオフガスが排出される。このオフガスは、燃料ガスとして使用されたり、このオフガスからＬＰＧ相当の燃料が回収されたりする。
【００７６】
次に、気泡塔型反応器３０内の反応熱を回収し、気泡塔型反応器３０内の温度を制御する温度制御システム１００について説明する。この温度制御システム１００は、前述のようにスラリーを収容する気泡塔型反応器３０に設けられており、気泡塔型反応器３０にその底部３０ａから供給された合成ガスがスラリーと接触することにより生じるＦＴ合成反応（発熱反応）の反応熱を回収するものである。
【００７７】
（第１実施形態）
図２に示すように、温度制御システム１００は、前記伝熱管３２ａ、３２ｂを備えている。伝熱管３２ａ、３２ｂとしては、気泡塔型反応器３０の底部３０ａ内に配設された下伝熱管（下除熱部）３２ａと、気泡塔型反応器３０において下伝熱管３２ａよりも上方に位置する部分内に配設された上伝熱管（上除熱部）３２ｂと、が備えられている。図示の例では、上伝熱管３２ｂは、上下方向に間隔をあけて２つ配置されており、これらの２つの上伝熱管３２ｂは、気泡塔型反応器３０の頂部３０ｂ内と、気泡塔型反応器３０において頂部３０ｂと底部３０ａとの間に位置する中央部３０ｃ内と、に配置されている。
【００７８】
そして本実施形態では、下伝熱管３２ａには、第１温調部１２１により温度が調節された水が供給され、上伝熱管３２ｂには、第１温調部１２１とは異なる第２温調部１２２により温度が調節された水が供給されている。
【００７９】
第１温調部１２１は、水が気液平衡状態で収容された冷媒ドラム１０１と、冷媒ドラム１０１内の圧力を制御する圧力制御部１１８と、を備えている。
冷媒ドラム１０１と下伝熱管３２ａとは、流量を調整可能なポンプ１０４が設けられた行き配管１１３により接続されており、冷媒ドラム１０１内の水は、冷媒ドラム１０１の底部からポンプ１０４により下伝熱管３２ａに送られる。
下伝熱管３２ａにて一部の水が蒸発した蒸気および水の混相流体は、下伝熱管３２ａと冷媒ドラム１０１とを接続する戻り配管１１２を通って冷媒ドラム１０１に戻される。
【００８０】
圧力制御部１１８は、冷媒ドラム１０１内の蒸気を排出する蒸気出口配管１１１と、該蒸気出口配管１１１に設けられた圧力調節弁１０３と、該圧力調節弁１０３を制御することで冷媒ドラム１０１内の圧力を設定する圧力設定部１０９と、を備えている。
蒸気出口配管１１１を通って排出された蒸気は、系外の蒸気ユーザーに供給される。なお、蒸気出口配管１１１の下流側には、図示しないスチームトラップが設けられていてもよい。
【００８１】
圧力設定部１０９は、蒸気出口配管１１１を通した冷媒ドラム１０１内の蒸気の排出量を、圧力調節弁１０３を用いて制御することにより、冷媒ドラム１０１内の圧力を設定する。圧力設定部１０９には、気泡塔型反応器３０内の温度を測定する反応熱温度測定部１０６から、気泡塔型反応器３０の底部３０ａ内の測定結果が送出されており、圧力設定部１０９は、この測定結果に基づいて冷媒ドラム１０１内の圧力を設定する。
なお反応熱温度測定部１０６は、例えば、気泡塔型反応器３０において上下方向に互いに離間して配置された図示しない複数の温度センサにより構成すること等が可能である。
【００８２】
ところで、圧力制御部１１８により蒸気出口配管１１１を通して系外に排出された蒸気に見合った量の補給水（水）は、補給配管１１０を通して補給される。
この補給配管１１０には、図３および図４に示すように、冷媒ドラム１０１の長手方向に沿って延設された補給水内管（冷媒補給部）１１４が接続されている。補給水内管１１４は、冷媒ドラム１０１の蒸気相中に設置されている。
【００８３】
補給水内管１１４の側面１１４ａには、管軸方向に沿って孔（貫通孔）１１５が１個以上設けられ、同じく管端１１４ｂにも孔１１５が１個以上設けられている。そして、これらの孔１１５は、補給水を補給水内管１１４から蒸気相中に散水（散布）する散水部（散布部）１１９を構成している。なお孔１１５は、散水ノズルであってもよい。
【００８４】
また、冷媒ドラム１０１の蒸気相内には、前記戻り配管１１２に接続された戻り内部配管１１２ａも設けられている。戻り内部配管１１２ａからは、下伝熱管３２ａにて一部蒸発した蒸気および水の混相流体が、冷媒ドラム１０１内に供給される。戻り内部配管１１２ａは、補給水内管１１４よりも上方に位置し、かつ補給水内管１１４の鉛直上方を回避した位置に配置されている。そして、戻り内部配管１１２ａは、補給水内管１１４側に向けて湾曲されており、これにより、戻り内部配管１１２ａ内を流通した蒸気が、補給水内管１１４に向けて供給されることとなる。
【００８５】
なお図２に示すように、補給配管１１０からの補給水の補給量は、冷媒ドラム１０１内の水面レベル（液面レベル）を測定するレベル測定部１１７の測定結果に基づいて、レベル調節弁１０２により調節される。
【００８６】
ここで第２温調部１２２は、前記第１温調部１２１とほぼ同様に構成されている。第２温調部１２２においては、第１温調部１２１における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
第２温調部１２２における行き配管１１３は、ポンプ１０４よりも下流側において分岐されており、各分岐先において両上伝熱管３２ｂに各別に接続されている。
【００８７】
また、第２温調部１２２における戻り配管１１２は、両上伝熱管３２ｂから各別に延設された後、途中で合流し、その後、冷媒ドラム１０１に接続されている。
そして第２温調部１２２における圧力設定部１０９には、反応熱温度測定部１０６から、気泡塔型反応器３０の頂部３０ｂ内および中央部３０ｃ内の各測定結果が送出されており、圧力設定部１０９は、これらの測定結果に基づいて冷媒ドラム１０１内の圧力を設定する。
【００８８】
以上のように構成された温度制御システム１００の運用の一例について説明する。
この温度制御システム１００では、第１温調部１２１は、水の温度を第２温調部１２２よりも低く調節する。これにより、下伝熱管３２ａによる反応熱の回収量を、上伝熱管３２ｂによる反応熱の回収量よりも多くすることができる。なおこのとき、下伝熱管３２ａによる反応熱の回収量と、上伝熱管３２ｂによる反応熱の回収量と、の比を、例えば約３：１にすること等が可能である。
【００８９】
さらに本実施形態では、第１温調部１２１が、水の温度を第２温調部１２２よりも低く調節することにより、気泡塔型反応器３０の底部３０ａ内の実温度を、気泡塔型反応器３０において底部３０ａよりも上側に位置する中央部３０ｃ内および頂部３０ｂ内の実温度よりも低くする。このとき例えば、気泡塔型反応器３０の底部３０ａ内の実温度を、例えば約２００℃とし、気泡塔型反応器３０の中央部３０ｃおよび頂部３０ｂ内の実温度を、例えば約２３０℃とすることが可能である。
【００９０】
ここで気泡塔型反応器３０の底部３０ａ内、中央部３０ｃ内および頂部３０ｂ内の実温度は、前記反応熱温度測定部１０６により測定することが可能である。
そこで本実施形態では、第１温調部１２１における圧力制御部１１８は、反応熱温度測定部１０６により測定された気泡塔型反応器３０の底部３０ａ内の実温度が、底部３０ａ内の温度設定値に対して有する偏差に基づいて冷媒ドラム１０１内の圧力を制御することで、冷媒ドラム１０１内の水の温度を制御する。
【００９１】
すなわち、冷媒ドラム１０１内の蒸気相（気相部）と水相（液相部）とは気液平衡状態であるため、冷媒ドラム１０１の蒸気相圧力と冷媒ドラム１０１の水相の温度とは一定の相関関係にある。したがって、気泡塔型反応器３０の底部３０ａの温度設定値に対し、反応熱温度測定部１０６により測定された底部３０ａの実温度に偏差が生じた場合、圧力制御部１１８を作動させ冷媒ドラム１０１の蒸気相圧力を変更する。
【００９２】
すると、冷媒ドラム１０１内の水相の温度が変化し下伝熱管３２ａにて回収する熱量を変化させることが可能になり、気泡塔型反応器３０の底部３０ａの温度を温度設定値に近づけることができる。なお、水温と飽和水蒸気圧との関係の一例について示すと、１９５℃での飽和水蒸気圧は、約１４７６０．７５ｈＰａ程度であり、１７０℃での飽和水蒸気圧は、約８２４９．２０ｈＰａ程度であり、１４０℃での飽和水蒸気圧は、約３７０６．５７ｈＰａ程度である。
【００９３】
また第２温調部１２２についても同様に、反応熱温度測定部１０６により測定された気泡塔型反応器３０の中央部３０ｃ内および頂部３０ｂ内の実温度が、気泡塔型反応器３０の中央部３０ｃ内および頂部３０ｂ内の温度設定値に対して有する偏差に基づいて、第２温調部１２２の圧力制御部１１８が、冷媒ドラム１０１内の圧力を制御することで、冷媒ドラム１０１内の水の温度を制御する。
【００９４】
なお、以上のように圧力制御部１１８により蒸気出口配管１１１を通して蒸気が排出されたとき、冷媒ドラム１０１内の水面レベルが下降することにより、補給水内管１１４から補給水が供給される。このとき、補給水内管１１４から没水しない位置で補給水を供給することで、低温の補給水と蒸気相の蒸気とで熱交換がされ、補給水が低温のまま冷媒ドラム１０１の底部に流れる状況が回避できる。
【００９５】
さらに、補給水内管１１４の側面１１４ａおよび管端１１４ｂの孔１１５から補給水を散水させることにより、補給水と蒸気との接触面積を増やして熱交換の効率を向上させ、低温の補給水と蒸気の温度との熱交換の効率を高めることができる。これにより、蒸気相と水相との間の温度差がなくなり、冷媒ドラム１０１の蒸気相圧力と冷媒ドラム１０１内の水相の温度とは、気液平衡状態に基づいた相関関係が常に保たれることとなる。
【００９６】
なお、図５に示す参考例のように、補給水内管１１４が冷媒ドラム１０１内にて没水していると、比重の大きな低温の補給水は補給水内管１１４の側面開孔１１６からほとんど出ずに、直接冷媒ドラム１０１の底部に流れるため、冷媒ドラム１０１内の蒸気相と水相との間に温度差が生じる。すると、冷媒ドラム１０１の蒸気相圧力と冷媒ドラム１０１内の水相の温度との相関関係が崩れるおそれがある。
【００９７】
以上説明したように、本発明に係る温度制御システム１００によれば、下伝熱管３２ａに、第１温調部１２１により温度が調節された水が供給され、かつ上伝熱管３２ｂに、第２温調部１２２により温度が調節された水が供給されるので、下伝熱管３２ａと上伝熱管３２ｂとに温度が異なる水を供給することができる。これにより、下伝熱管３２ａによる反応熱の回収量と、上伝熱管３２ｂによる反応熱の回収量と、を異ならせることができる。
【００９８】
したがって、気泡塔型反応器３０の底部３０ａ側の温度が局所的に上昇しようとしたときに、下伝熱管３２ａに供給される水の温度を第１温調部１２１により低めることで、下伝熱管３２ａによる反応熱の回収量を高めることができる。これにより、気泡塔型反応器３０の底部３０ａ側の温度が上昇するのを抑制することができる。
しかもこのとき、前述のように下伝熱管３２ａによる反応熱の回収量と、上伝熱管３２ｂによる反応熱の回収量と、を異ならせることができるので、下伝熱管３２ａによる反応熱の回収量を高めるのに伴って、上伝熱管３２ｂによる反応熱の回収量が高くなりすぎるのを抑えることが可能になる。これにより、気泡塔型反応器３０において下伝熱管３２ａよりも上側に位置する中央部３０ｃおよび頂部３０ｂで、反応熱を適度に回収しつつも過度に回収するのを抑制することができる。
【００９９】
以上のように、気泡塔型反応器３０の底部３０ａ側の温度が上昇するのを抑制することが可能で、かつ気泡塔型反応器３０の中央部３０ｃおよび頂部３０ｂで、反応熱を適度に回収しつつも過度に回収するのを抑制することができるので、気泡塔型反応器３０内の温度を高精度に制御することができる。
また前述のように、気泡塔型反応器３０内の温度を高精度に制御するという作用効果を、下伝熱管３２ａと上伝熱管３２ｂとに温度が異なる水を供給することにより奏功させることができる。したがって、例えば図６に示す参考例のように、行き配管１１３に設けられた流路調整弁１１３ａを調整することにより、下伝熱管３２ａおよび上伝熱管３２ｂをそれぞれ流通する水の流量調節などをしなくてもよく、前述の作用効果を簡便かつ確実に奏功させることができる。
【０１００】
また、圧力制御部１１８が、気泡塔型反応器３０の底部３０ａ内における実温度の温度設定値に対する偏差に基づいて冷媒ドラム１０１内の圧力を制御することにより、下伝熱管３２ａに供給される水の温度を変化させ、下伝熱管３２ａにて回収される熱量を調節することができる。したがって、気泡塔型反応器３０の底部３０ａ内の実温度が温度設定値に対して高い場合には、下伝熱管３２ａにより回収される熱量が多くなるように、また、前記実温度が温度設定値に対して低い場合には、下伝熱管３２ａにより回収される熱量が少なくなるように、冷媒ドラム１０１内の圧力を制御することで、気泡塔型反応器３０の底部３０ａ内の温度を、温度設定値を目標に制御することができる。
【０１０１】
また、圧力制御部１１８が、下伝熱管３２ａに供給する水の温度と１対１に対応する冷媒ドラム１０１の圧力を制御することで、冷媒ドラム１０１から下伝熱管３２ａに供給される水の温度を直接制御することができる。したがって、外部で温度を制御した水を冷媒ドラム１０１へ供給することで、冷媒ドラム１０１内の水の温度を制御する方法よりも、気泡塔型反応器３０の底部３０ａ内の温度制御を迅速に行うことができる。これにより、前述の作用効果を確実に奏功させることができる。
なお前述のように、外部で温度を制御した水を冷媒ドラム１０１へ供給することで、冷媒ドラム１０１内の水の温度を制御する方法では、外部から供給された水と、冷媒ドラム１０１内の水と、の温度が均一になりにくく、気泡塔型反応器３０の温度制御が高精度になされないおそれがある。
【０１０２】
また、補給水内管１１４が、冷媒ドラム１０１の蒸気相内に配設されているので、補給水内管１１４から冷媒ドラム１０１内の温度よりも低温の水が補給されたとしても、この水と冷媒ドラム１０１内の蒸気との間で熱移動が行われ、水が蒸気と同じ温度となって冷媒ドラム１０１内の蒸気相に蓄えられるため、冷媒ドラム１０１内の蒸気相と蒸気相との間に温度差が生じない。
このように、蒸気相にて水と冷媒ドラム１０１内の蒸気との間で効率よく熱の移動が行われるため、補給水内管１１４から補給される水を系外にて予熱しなくとも冷媒ドラム１０１内で蒸気相と蒸気相との温度差が生じず、冷媒ドラム１０１内の圧力と温度とを、気液平衡状態の相関関係に確実に保つことができる。
【０１０３】
また、補給水内管１１４に、水を前記蒸気相に散布する散水部１１９が形成されているので、補給水内管１１４から補給される水の表面積を大きくすることで、冷媒ドラム１０１内の蒸気と水との間で熱移動をより円滑に行わせることができる。これにより、冷媒ドラム１０１内の圧力と温度とを、気液平衡状態の相関関係に一層確実に保つことができる。
【０１０４】
また、散水部１１９が、補給水内管１１４に形成された孔１１５により構成されているので、水を確実に散布することができる。
【０１０５】
（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態の温度制御システムを説明する。
ここで、この第２実施形態においては、前記第１実施形態に比べて第１温調部１２１および第２温調部１２２が異なっている。また、この第２実施形態においては、前記第１実施形態と同様に、第２温調部１２２は、第１温調部１２１とほぼ同様に構成されている。
そこで、この第２実施形態では、第１温調部１２１について説明し、それ以外の説明は省略する。また第１温調部１２１についても、第１実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
なお図７においては、図面の見易さのため、上伝熱管３２ｂおよび第２温調部１２２の図示を省略するとともに、気泡塔型反応器３０を模式的に示している。
【０１０６】
図７に示すように、補給配管１１０は、戻り配管１１２の途中の合流部２０１で接続されており、蒸気出口配管１１１から系外に排出された蒸気排出量に見合った量の補給水を冷媒ドラム１０１へ補給する。これにより、比較的低温（例えば温度ｔ３とする）の補給水は、戻り配管１１２内において気泡塔型反応器３０で蒸発させられた比較的高温（例えば温度ｔ１とする。ｔ１＞ｔ３）の蒸気と直接混合して加熱され、飽和温度となる。
しかも、合流部２０１より下流側の戻り配管１１２内の蒸気量は冷媒ドラム１０１から蒸気出口配管１１１によって排出される蒸気量に等しいかそれ以下とし、水の流量は冷媒ドラム１０１から行き配管１１３によって気泡塔型反応器３０に供給される水の流量にほぼ等しくなるように制御されるものとする。
なお、補給配管１１０には補給水の温度を測定する補給温度測定部２０２が設けられている。そして、補給配管１１０の補給水は、戻り配管１１２で蒸気となって冷媒ドラム１０１内へ供給される。
【０１０７】
また、蒸気出口配管１１１には系外への蒸気排出量を測定する蒸気排出量測定手段２０３が設けられている。さらに、気泡塔型反応器３０には、気泡塔型反応器３０内の反応熱量Ｑを測定する反応熱量測定部２０４が設けられている。さらにまた、冷媒ドラム１０１内の水相の温度は、冷媒ドラム１０１の底部に設けられた水相温度測定部２０５により測定可能となっている。なお本実施形態では、反応熱量測定部２０４は、気泡塔型反応器３０の底部３０ａ、頂部３０ｂ、および中央部３０ｃの各内部の反応熱量Ｑを測定する構成となっている。
【０１０８】
また、温度制御システム２００には、補給配管１１０からの補給水量が蒸気出口排管１１１から系外へ排出される蒸気量を超えないように補給水量を制御する制御手段２０６が設けられている。この制御手段２０６では、冷媒ドラム１０１内の水相温度を測定する水相温度測定部２０５、気泡塔型反応器３０における反応熱温度測定部１０６、反応熱量測定部２０４、補給配管１１０内の補給水温度を測定する補給温度測定部２０２による各測定値が入力され、補給水量が蒸気出口排管１１１から排出される蒸気量を超えないように演算して決定される。
演算された補給水量のデータは補給配管１１０に設けた流量調整手段２０７に出力され、レベル調節弁１０２の開度を調整して補給水量を制御することになる。なお、流量調整手段２０７とレベル調節弁１０２は補給水量調整手段を構成する。
これらによって補給水量ＷＬ３が蒸気流量ＷＶ１を超えないように制御される。
【０１０９】
つぎに、制御手段２０６による補給水量の演算方法の一例について説明する。
図８に示すように、蒸気出口配管１１１で排出される蒸気量をＷＶ１，温度をｔ１，行き配管１１３で気泡塔型反応器３０に供給される水の流量をＷＬ４、温度ｔ１、気泡塔型反応器３０から戻り配管１１２へ吐出される蒸気量をＷＶ２、水の流量をＷＬ２、各温度ｔ１、補給配管１１０から戻り配管１１２へ供給される水の流量をＷＬ３、温度ｔ３、合流後の戻り配管１１２から冷媒ドラム１０１へ戻される蒸気量をＷＶ１、水の流量をＷＬ４、各温度ｔ１とする。なお、水の流量は単位ｋｇ／ｈ，蒸気の流量は単位ｋｇ／ｈとし、温度は℃とする。
また、気泡塔型反応器３０での反応熱量をＱ（ｋｃａｌ／ｈ）、水の蒸発潜熱をｒ（ｋｃａｌ／ｋｇ）、水の比熱をＣｐ（ｋｃａｌ／ｋｇ／℃）とする。
【０１１０】
まず、物質収支により、補給配管１１０が合流した後の戻り配管１１２における蒸気発生量ＷＶ１と補給水量ＷＬ３は等しいため、次式（１）式が成り立つ。
ＷＶ１＝ＷＬ３ …（１）
上記（１）式を導き出す手順について以下に説明する。
図８において、まず冷媒ドラム１０１から供給される温度ｔ１の水の流量ＷＬ４は気泡塔型反応器３０で反応熱を回収することで、温度ｔ１の蒸気流量ＷＶ２＋水流量ＷＬ２となるから、気泡塔型反応器３０で相変化する入出の物質収支を示すと下記（２）式になる。
ＷＬ４＝ＷＶ２＋ＷＬ２ …（２）
更に、補給配管１１０から補給水量ＷＬ３が供給されることで、戻り配管１１２と補給配管１１０の合流部２０１での物質収支（給水＋相変化）は次の式（３）になる。
ＷＶ２＋ＷＬ２＋ＷＬ３＝ＷＶ１＋ＷＬ４ …（３）
（２）式を（３）式に代入して整理すると次式になる。
ＷＶ１＝ＷＬ３ …（１）
【０１１１】
また、補給水量ＷＬ３の温度は低温ｔ３であり、他は高温ｔ１（＞ｔ３）である。戻り配管１１２と補給配管１１０の合流部２０１においては、蒸気凝集量＝給水予熱量／蒸発潜熱となるから、
（ＷＶ２−ＷＶ１）×ｒ＝ＷＬ３×Ｃｐ×（ｔ１−ｔ３） …（４）
となる。
反応熱量Ｑと気泡塔型反応器３０での蒸気発生量ＷＶ２との関係は以下の通りである。
ＷＶ２＝Ｑ／ｒ …（５）
そして、式（１）と（５）を（４）式に代入して整理する。
ＷＬ３＝Ｑ／{Ｃｐ×（ｔ１−ｔ３）＋ｒ} …（６）
このようにして、反応熱量Ｑと給水温度ｔ１，ｔ３との関係から補給水量ＷＬ３を求めることができる。
なお、反応熱量Ｑは、別途測定される反応率や冷媒ドラム１０１と気泡塔型反応器３０の温度差から求めることができる。
【０１１２】
本実施形態による温度制御システム２００は上述の構成を有しており、次にその制御方法について説明する。
例えば、給水用のポンプ１０４を駆動することで、冷媒ドラム１０１から温度ｔ１の水の流量ＷＬ４が気泡塔型反応器３０へ供給される。気泡塔型反応器３０で発生する発熱反応に伴う反応熱により下伝熱管３２ａ内で水流量ＷＬ４は一部が蒸発されて温度ｔ１の蒸気流量ＷＶ２と水の流量ＷＬ２の二相となり、この二相流体（混相流体）は戻り配管１１２によって給送される。
【０１１３】
また、冷媒ドラム１０１内の蒸気相と水相とは、上述した水の流量ＷＬ４をポンプ１０４により気泡塔型反応器３０に向けて排出することで水面が低下するため、これをレベル測定部１１７で測定し、その測定結果に基づいて補給配管１１０に設けたレベル調節弁１０２によって補給水量が調整されて供給される。
一方、補給配管１１０では、制御手段２０６で決定された比較的低温ｔ３の補給水量ＷＬ３が補給されて、戻り配管１１２との合流部２０１で戻り配管１１２内の二相流体（ＷＶ２＋ＷＬ２）と合流する。すると、合流部２０１では、温度ｔ３の補給水量ＷＬ３が戻り配管１１２内で高温ｔ１の蒸気ＷＶ２と直接混合して加熱され、飽和温度ｔ１の蒸気となる。しかも、一部の蒸気が凝縮することで戻り配管１１２内の水の流量は、冷媒ドラム１０１から行き配管１１３に供給される水流量ＷＬ４と同じになる。
そして、合流部２０１以降の戻り配管１１２では、温度ｔ１の蒸気流量ＷＶ１と水の流量ＷＬ４となって冷媒ドラム１０１内の水面の上方に吐出される。
【０１１４】
ここで、制御手段２０６による補給水量ＷＬ３の制御方法について説明する。
冷媒ドラム１０１内の水相温度を測定する水相温度測定部２０５で測定した温度ｔ１と、気泡塔型反応器３０の温度を測定する反応熱温度測定部１０６で測定した温度ｔ１と、反応熱量測定部２０４で測定した反応熱量Ｑと、補給配管１１０の補給温度測定部２０２で測定した補給水の温度ｔ３とが制御手段２０６に入力される。そして、制御手段２０６では上記（６）式により補給水量ＷＬ３を演算する。
この補給水量ＷＬ３の演算値を流量調整手段２０７に出力してレベル調節弁１０２を作動させて補給水流量ＷＬ３を補給配管１１０に供給し、合流部２０１で戻り配管１１２に合流させて冷媒ドラム１０１へ吐出させることになる。
【０１１５】
そして、冷媒ドラム１０１内では、蒸気相と水相の水面が設定レベルに調整され、蒸気相圧力と水相の温度とは、気液平衡状態に基づいた相関関係が常に保たれる。
また、蒸気出口配管１１１によって冷媒ドラム１０１内から蒸気流量ＷＶ１が系外に排出されると共に、補給水量ＷＬ３が戻り配管１１２との合流部２０１で蒸気と水との二相流体と合流して冷媒ドラム１０１内に供給される。しかも、制御手段２０６によって、蒸気流量ＷＶ１と補給水量ＷＬ３は等しく制御されるため、或いは補給水量ＷＬ３が蒸気流量ＷＶ１以下に制御されるため、冷媒ドラム１０１内の水面は一定に調整される。
【０１１６】
上述のように本実施形態による温度制御システム２００によれば、蒸気出口配管１１１によって系外に排出する蒸気流量ＷＶ１に等しい比較的低温ｔ３の補給水量ＷＬ３を補給配管１１０から戻り配管１１２に合流させて、戻り配管１１２内の飽和温度ｔ１にある蒸気流量ＷＶ２と直接混合させることができるから、補給水量を瞬時に加熱して蒸発させることができる。そのため、冷媒ドラム１０１内の気液温度を常に飽和温度に維持できる。
更に、制御手段２０６によって、補給水量ＷＬ３が系外に排出する蒸気流量ＷＶ１と同等となるように演算でき、補給水量ＷＬ３が蒸気流量ＷＶ１を超えないように補給水量を正確に制限することができて、合流部２０１での全凝縮によるハンマリングを防止することができる。
しかも、構造の複雑化や設備の大型化を避けて冷媒ドラム１０１内の温度を均一に制御できる。
【０１１７】
（第２実施形態に係る変形例）
次に、前記温度制御システム２００において、補給配管１１０が合流部２０１で戻り配管１１２に合流する際のハンマリングを防止するための構成について図９から図１１により変形例として説明する。
【０１１８】
（第１変形例）
図９は第１変形例による合流部２０１の構成を示すものである。図９において、補給配管１１０は戻り配管１１２の二相流体の流れ方向に対して鋭角αをなすように連結して合流する。これにより戻り配管１１２を流れる蒸気と水の二相流体に対して補給水がスムーズに合流して蒸発するため、ハンマリングを生じない。
【０１１９】
（第２変形例）
次に、図１０に示す第２変形例による合流部では、補給配管１１０は戻り配管１１２の二相流体の流れ方向に対して鋭角をなすように連結して合流すると共に、合流部２０１の上流側の補給配管１１０では例えば略Ｕ字形状の凹部１１０ａを形成して凹部１１０ａ内に水を残留充填させた水シール部２１０がシール部として設けられている。
この構成によれば、補給水量ＷＬ３が少ない場合、戻り配管１１２内の蒸気が補給配管１１０内に逆流しようとしても水シール部２１０で停止させられる。そのため、戻り配管１１２内の蒸気が補給配管１１０内に逆流して凝縮によるハンマリングが発生することを防止できる。
なお、蒸気の逆流を防ぐシール部として、水シール部２１０に代えて逆止弁を設けてもよい。
【０１２０】
（第３変形例）
図１１は第３変形例による合流部２０１の構成を示すものである。図１１において、補給配管１１０は戻り配管１１２の二相流体の流れ方向に対して鋭角をなすように連結しており、しかも補給配管１１０の先端部には戻り配管１１２内で補給水を分散して噴霧するスプレーノズル２２０が形成されている。これにより、戻り配管１１２の蒸気と水に合流する補給水は、スプレーノズル２２０で広く噴霧されるため、急激な蒸気凝縮を抑制してハンマリングを防止できる。
なお、実施形態による温度制御システム２００においては、上述した第１から第３変形例の構成のいずれか二つまたは三つを組み合わせて構成してもよい。
【０１２１】
（第２実施形態に係る検証試験）
次に本発明の実施形態による温度制御システム２００の検証試験について説明する。
まず、図８において、冷媒ドラム１０１内の温度や行き配管１１３を通して供給する水量ＷＬ４や気泡塔型反応器３０で生成される水量ＷＬ２の各水温ｔ１、そして蒸気流量ＷＶ１、ＷＶ２の温度ｔ１をいずれも１９５℃の飽和温度とする。そして、補給水量ＷＬ３の水温ｔ３を１１０℃とする。
さらに、反応熱量Ｑ＝８００００００ｋｃａｌ／ｈ（測定値（計算による））
水の蒸発潜熱ｒ＝４７０ｋｃａｌ／ｋｇ（物性置（定数））
水の比熱Ｃｐ＝１ｋｃａｌ／ｋｇ／℃（物性置（定数））
スチームドラム圧力＝１．３ＭＰａＧ
ポンプ１０４の循環量ＷＬ４＝６８０００ｋｇ／ｈ
とする。
【０１２２】
上記の条件下において、温度制御システム２００の制御手段２０６において、冷媒ドラム１０１内の温度の均一化と液面レベルの一定化を図って、系外への蒸気の流量ＷＶ１と同一量になる補給水量ＷＬ３を決定するには上記（６）式によって行う。即ち、（６）式に上記の各数値を代入すると、
ＷＬ３＝Ｑ／{Ｃｐ×（ｔ１−ｔ３）＋ｒ}
＝８００００００／{１×（１９５−１１０）＋４７０}
＝１４４００ｋｇ／ｈ
となる。
【０１２３】
また、（１）式により蒸気の流量ＷＶ１は補給水量ＷＬ３と等しいから
ＷＶ１＝ＷＬ３＝１４４００ｋｇ／ｈ
となる。また、（５）式により気泡塔型反応器３０内での蒸気発生量ＷＶ２を求めると、
ＷＶ２＝Ｑ／ｒ
＝８００００００／４７０
＝１７０００ｋｇ／ｈ
となる。また、気泡塔型反応器３０の出口における水の流量ＷＬ２を（２）式から求めると
ＷＬ２＝ＷＬ４−ＷＶ２
＝６８０００−１７０００
＝５１０００ｋｇ／ｈ
となる。
【０１２４】
次に図１２は、温度制御システム２００において、戻り配管１１２と補給配管１１０との合流部２０１の前後位置での蒸気割合の変化を示す検証試験のグラフである。
図１２において、スチームタンク２から気泡塔型反応器３０へ供給される水の循環量ＷＬ４に対する気泡塔型反応器３０内で生成される蒸気ＷＶ２の割合（ＷＶ２／ＷＬ４）を横軸にとり、合流部２０１の前後における戻り配管１１２内の二相流体中の蒸気量の割合を気相部の割合として縦軸にとった。
そして、水の循環量ＷＬ４に対する気泡塔型反応器３０内で生成される蒸気ＷＶ２の割合（ＷＶ２／ＷＬ４）を変化させた場合における、戻り配管１１２中の合流部２０１の前後における二相液体中の蒸気量（気相部）の割合を測定した。
【０１２５】
図１２において、破線Ｍは、気泡塔型反応器３０の出口（戻り配管１１２）での気相（蒸気）の割合（ＷＶ２／（ＷＬ２＋ＷＶ２））、実線Ｎは、補給配管１１０が合流した後の戻り配管１１２での気相（蒸気）の割合（ＷＶ１／（ＷＶ１＋ＷＬ４）の変化を示している。
図１２に示すグラフにおいて、スタート時点では気泡塔型反応器３０での蒸発割合は０であるが（ＷＶ２／ＷＬ４＝０）、気泡塔型反応器３０の温度上昇に伴い蒸気ＷＶ２の発生量は増加する。気泡塔型反応器３０での循環流量ＷＬ４に対する蒸発量ＷＶ２の割合（ＷＶ２／ＷＬ４）は通常３０％で運転される。これを通常運転ポイントとする。この状態で、気泡塔型反応器３０の出口で生成された蒸気量ＷＶ２の割合（ＷＶ２／ＷＬ４）から補給水ＷＬ３合流後の戻り配管１１２での蒸気量ＷＶ１の割合（ＷＶ１／（ＷＶ１＋ＷＬ４））への変化は約１％程度の低下にすぎなかった。
【０１２６】
また、気泡塔型反応器３０での循環流量ＷＬ４に対する蒸発量ＷＶ２の割合（ＷＶ２／ＷＬ４）が０を超えて〜３５％の全範囲において、破線Ｍで示す蒸気量の割合（ＷＶ２／（ＷＬ２＋ＷＶ２））から合流後の戻り配管１１２における実線Ｎで示す蒸気量の割合（ＷＶ１／（ＷＶ１＋ＷＬ４））に変化しても、その変化は１％〜３％程度の範囲内であり、極めて低いためハンマリングは起こらなかった。
ここで、戻り配管１１２の補給配管１１０との合流部２０１において、戻り配管１１２内の蒸気ＷＶ２の全凝縮が起こればハンマリングが生じる可能性があるが、本検証試験では、上記のように補給水量ＷＬ３の合流後の戻り配管１１２内での蒸気ＷＶ１の割合の変化は約１％〜３％の範囲であり、蒸気流量ＷＶ１と補給水量ＷＬ３のバランスがとれているため、ハンマリングは生じない。
【０１２７】
なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、前記実施形態では、液体燃料合成システム１に供給される炭化水素原料として、天然ガスを用いたが、かかる例に限定されず、例えば、アスファルト、残油など、その他の炭化水素原料を用いてもよい。
【０１２８】
また、前記実施形態では、気泡塔型反応器３０における合成反応として、ＦＴ合成反応による液体炭化水素の合成を例示したが、本発明はかかる例に限定されない。気泡塔型反応器３０における合成反応としては、例えば、オキソ合成（ヒドロホルミル化反応）「Ｒ−ＣＨ＝ＣＨ２＋ＣＯ＋Ｈ２→Ｒ−ＣＨ２ＣＨ２ＣＨＯ」、メタノール合成「ＣＯ＋２Ｈ２→ＣＨ３ＯＨ」、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）合成「３ＣＯ＋３Ｈ２→ＣＨ３ＯＣＨ３＋ＣＯ２」などにも適用することができる。
【０１２９】
また前記実施形態では、図１に示すように、反応後流体（反応生成物）が気泡塔型反応器３０の頂部３０ｂから導出されているが、気泡塔型反応器３０から反応後流体を導出する位置は、適宜変更することが可能である。例えば、反応後流体が、気泡塔型反応器３０の中央部３０ｃ（側面）や底部３０ａから導出されていてもよく、気泡塔型反応器３０の頂部３０ｂ、中央部３０ｃおよび底部３０ａのうちの複数箇所から導出されていてもよい。なお、反応後流体を導出する位置は、例えば気泡塔型反応器３０内の発熱反応の種類などに応じて変更してもよい。
【０１３０】
また前記実施形態では、水として水を採用したが、水でなくてもよい。
さらに前記実施形態では、下伝熱管３２ａにて一部蒸発した蒸気および水の混相流体が、戻り配管１１２を通って冷媒ドラム１０１に戻されるものとしたが、該混相流体は冷媒ドラム１０１に戻されなくてもよい。
【０１３１】
また前記実施形態では、第１温調部１２１および第２温調部１２２のいずれも、冷媒ドラム１０１および圧力制御部１１８を備えているものとしたが、これに限られるものではなく、液体冷媒である水の温度を調節する構成であれば、適宜構成を変更することが可能である。
【０１３２】
また前記実施形態では、上伝熱管３２ｂは２つ設けられているものとしたが、これに限られるものではない。
さらに前記実施形態では、気泡塔型反応器３０の底部３０ａ内の実温度を、気泡塔型反応器３０において底部３０ａよりも上側に位置する中央部３０ｃ内および頂部３０ｂ内の実温度よりも低くするものとしたが、これに限られるものではなく、底部３０ａ内の実温度を、中央部３０ｃ内および頂部３０ｂ内の実温度と同等にしてもよい。
【０１３３】
その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【０１３４】
１ 液体燃料合成システム（炭化水素合成反応システム）
３ 合成ガス生成ユニット
５ ＦＴ合成ユニット（炭化水素合成反応装置）
７ アップグレーディングユニット
３０ 気泡塔型反応器（反応容器）
３０ａ 底部
３２ａ 下伝熱管（下除熱部）
３２ｂ 上伝熱管（上除熱部）
１００ 温度制御システム
１０１ 冷媒ドラム
１０６ 反応熱温度測定部
１１０ 補給配管
１１１ 蒸気出口配管
１１２ 戻り配管
１１４ 補給水内管（冷媒補給部）
１１５ 孔（貫通孔）
１１８ 圧力制御部
１２１ 第１温調部
１２２ 第２温調部
２０１ 合流部
２０６ 制御手段
２１０ シール部
２２０ スプレーノズル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度制御システム、炭化水素合成反応装置、炭化水素合成反応システムおよび温度制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、天然ガスから液体燃料を合成するための方法の一つとして、天然ガスを改質して一酸化炭素ガス（ＣＯ）と水素ガス（Ｈ２）とを主成分とする合成ガスを生成し、この合成ガスを原料ガスとしてフィッシャー・トロプシュ合成反応（以下、「ＦＴ合成反応」という。）により触媒を用いて炭化水素を合成し、さらにこの炭化水素を水素化・精製することで、ナフサ（粗ガソリン）、灯油、軽油、ワックス等の液体燃料製品を製造するＧＴＬ（Ｇａｓ Ｔｏ Ｌｉｑｕｉｄｓ：液体燃料合成）技術が開発されている。
【０００３】
このＧＴＬ技術に用いられる炭化水素合成反応装置では、例えば下記特許文献１に示されるような構成が知られているが、この種の炭化水素合成反応装置は一般に、反応容器の内部で、合成ガス中の一酸化炭素ガスと水素ガスとをＦＴ合成反応させることで炭化水素を合成する。反応容器内には、媒体液（例えば、液体の炭化水素など）中に固体の触媒粒子（例えば、コバルト触媒など）を懸濁させてなるスラリーが収容されている。
この炭化水素合成反応装置では、合成ガスは、反応容器の底部から投入された後、反応容器内のスラリーと接触して炭化水素化合物を合成しながら反応容器内を上昇する。このように、合成ガスが反応容器の底部から供給されることから、一酸化炭素ガスと水素ガスとは、反応容器の底部側においてＦＴ合成反応し易い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００４／０２３５９６９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、ＦＴ合成反応は発熱反応であることから、反応容器の底部側において一酸化炭素ガスと水素ガスとがＦＴ合成反応すると、反応容器の底部側の温度が上昇する。これにより、反応容器の底部側においてＦＴ合成反応が更に促進されることとなり、その結果、反応容器内におけるＦＴ合成反応が、反応容器の底部側に集中するおそれがある。この場合、炭化水素化合物の生産量が低下したり、反応容器の底部側の温度が極めて高くなったりする可能性がある。なおこのように、反応容器内の温度が局所的ではあるものの極めて高くなる可能性があることから、反応容器には高い耐熱性を具備させておく必要があり、反応容器の設計に温度条件の制約があるという問題もある。
【０００６】
本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、反応容器内の温度を高精度に制御することができる温度制御システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
請求項１に係る温度制御システムは、内部で発熱反応が生じる反応容器内の反応熱を回収し、前記反応容器内の温度を制御する温度制御システムであって、前記反応容器の底部に配設され、内部を液体冷媒が流通する下除熱部と、前記反応容器において前記下除熱部よりも上方に配設され、内部を液体冷媒が流通する上除熱部と、を備え、前記下除熱部には、第１温調部により温度が調節された液体冷媒が供給され、前記上除熱部には、前記第１温調部とは異なる第２温調部により温度が調節された液体冷媒が供給されることを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、下除熱部に、第１温調部により温度が調節された液体冷媒が供給され、かつ上除熱部に、第２温調部により温度が調節された液体冷媒が供給されるので、下除熱部と上除熱部とに温度が異なる液体冷媒を供給することができる。これにより、下除熱部による反応熱の回収量と、上除熱部による反応熱の回収量と、を異ならせることができる。
【０００９】
したがって、反応容器の底部側の温度が局所的に上昇しようとしたときに、下除熱部に供給される液体冷媒の温度を第１温調部により低めることで、下除熱部による反応熱の回収量を高めることができる。これにより、反応容器の底部側の温度が上昇するのを抑制することができる。
しかもこのとき、前述のように下除熱部による反応熱の回収量と、上除熱部による反応熱の回収量と、を異ならせることができるので、下除熱部による反応熱の回収量を高めるのに伴って、上除熱部による反応熱の回収量が高くなりすぎるのを抑えることが可能になる。これにより、反応容器において下除熱部よりも上側に位置する部分で、反応熱を適度に回収しつつも過度に回収するのを抑制することができる。
【００１０】
また、請求項２に係る温度制御システムは、前記底部内の温度を測定する反応熱温度測定部を備え、前記第１温調部は、前記反応熱温度測定部の測定結果に基づいて制御されていることを特徴とする。
【００１１】
この場合、第１温調部が、反応熱温度測定部の測定結果に基づいて制御されているので、反応容器の底部における反応熱量が変動したとしても、その変動に追従するように、下伝熱部に供給される液体冷媒の温度を調節することができる。
【００１２】
また、請求項３に係る温度制御システムは、前記第１温調部は、液体冷媒が気液平衡状態で収容された冷媒ドラムと、前記冷媒ドラム内の圧力を制御する圧力制御部と、を備え、前記圧力制御部は、前記反応熱温度測定部により測定された前記底部内の実温度が、前記底部内の温度設定値に対して有する偏差に基づいて前記冷媒ドラム内の圧力を制御することで、前記冷媒ドラム内の液体冷媒の温度を制御することを特徴とする。
【００１３】
この場合、冷媒ドラム内に液体冷媒が気液平衡状態で収容されていることから、冷媒ドラム内の圧力と液体冷媒の温度とがほぼ１対１で対応している。これを利用して、圧力制御部が、冷媒ドラム内の圧力を制御することで、冷媒ドラムから下除熱部に供給される液体冷媒の温度を直接制御し、下除熱部による反応熱の回収量を制御する。
すなわち、この温度制御システムでは、まず、反応容器の底部内の実温度が温度設定値に対して有する偏差に基づいて、圧力制御部が冷媒ドラム内の圧力を制御する。すると、冷媒ドラム内の気液平衡状態の相関関係に応じて冷媒ドラム内の液体冷媒の温度が変化する。この液体冷媒は下除熱部に供給されるため、液体冷媒の温度変化に応じて下除熱部にて回収される熱量が変化する。
【００１４】
また、請求項４に係る温度制御システムは、前記冷媒ドラムには、その内部に液体冷媒を補給する冷媒補給部が設けられ、前記冷媒補給部は、前記冷媒ドラムの気相部内に配設されていることを特徴とする。
【００１５】
この場合、冷媒補給部が、冷媒ドラムの気相部内に配設されているので、冷媒補給部から冷媒ドラム内の温度よりも低温の液体冷媒が補給されたとしても、この液体冷媒と冷媒ドラム内の蒸気との間で熱移動が行われ、液体冷媒が蒸気と同じ温度となって冷媒ドラム内の液相部に蓄えられるため、冷媒ドラム内の気相部と液相部との間に温度差が生じない。
【００１６】
また、請求項５に係る温度制御システムは、前記冷媒補給部には、液体冷媒を前記気相部に散布する散布部が形成されていることを特徴とする。
【００１７】
この場合、冷媒補給部に、液体冷媒を前記気相部に散布する散布部が形成されているので、冷媒補給部から補給される液体冷媒の表面積を大きくすることで、冷媒ドラム内の蒸気と液体冷媒との間で熱移動をより円滑に行わせることができる。
【００１８】
また、請求項６に係る温度制御システムは、前記冷媒補給部は、管状に形成され、前記散布部は、前記冷媒補給部に形成された貫通孔により構成されていることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項７に係る温度制御システムは、前記下除熱部で生じた蒸気と液体冷媒との混相流体を前記冷媒ドラムに戻す戻り配管と、前記冷媒ドラム内の蒸気を系外に排出する蒸気出口配管と、液体冷媒からなる補給水を、前記系外に排出される蒸気の量に見合った補給水量、前記戻り配管に供給する補給配管と、を備えていることを特徴とする。
【００２０】
また、請求項８に係る温度制御システムは、前記冷媒ドラム内の比較的高い温度と補給水の比較的低い温度との差分と前記反応器内の反応熱量との積に基づいて前記補給水量を決定する制御手段と、前記制御手段で決定された前記補給水量に応じて前記補給配管から前記戻り配管に供給する補給水量を設定する補給水調整手段と、を更に備えていることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項９に係る温度制御システムは、前記制御手段で決定する補給水量は次式によって演算されるようにしたことを特徴とする。
ＷＬ３＝Ｑ／{Ｃｐ×（ｔ１−ｔ３）＋ｒ}
但し、ＷＬ３：補給水量
Ｑ：前記底部内での反応熱量
Ｃｐ：液体冷媒の比熱
ｔ１：前記冷媒ドラムまたは前記底部内の温度
ｔ３：補給水の温度
ｒ：液体冷媒の蒸発潜熱。
【００２２】
また、請求項１０に係る温度制御システムは、前記戻り配管と前記補給配管との合流部において、前記補給配管は前記戻り配管内の混相流体の進行方向に沿って前記戻り配管と鋭角の角度で接続されていることを特徴とする。
【００２３】
また、請求項１１に係る温度制御システムは、前記補給配管には、蒸気の逆流を防ぐシール部が設けられていることを特徴とする。
【００２４】
また、請求項１２に係る温度制御システムは、前記戻り配管と前記補給配管との合流部において、前記補給配管に補給水を前記戻り配管内に噴霧するスプレーノズルが設けられていることを特徴とする。
【００２５】
また、請求項１３に係る炭化水素合成反応装置は、水素ガスおよび一酸化炭素ガスを主成分とする合成ガスと、媒体液中に触媒粒子を懸濁させてなるスラリーとを接触させることによって炭化水素化合物を合成する炭化水素合成反応装置であって、前記スラリーを収容するとともに前記合成ガスが供給される反応容器と、前記温度制御システムと、を備えていることを特徴とする。
【００２６】
また、請求項１４に係る炭化水素合成反応システムは、前記炭化水素合成反応装置と、炭化水素原料を改質して前記合成ガスを生成し、前記合成ガスを前記反応容器に供給する合成ガス生成ユニットと、前記炭化水素化合物から液体燃料を製造するアップグレーディングユニットと、を備えていることを特徴とする。
【００２７】
また、請求項１５に係る温度制御方法は、内部で発熱反応が生じる反応容器の底部に配設され、内部を液体冷媒が流通する下除熱部と、前記反応容器において前記下除熱部よりも上方に配設され、内部を液体冷媒が流通する上除熱部と、を備える温度制御システムを用い、前記反応容器内の反応熱を回収し、前記反応容器内の温度を制御する温度制御方法であって、前記下除熱部に供給する液体冷媒の温度を、前記上除熱部に供給する液体冷媒の温度よりも低くすることを特徴とする。
【００２８】
この発明では、下除熱部に供給する液体冷媒の温度を、上除熱部に供給する液体冷媒の温度よりも低くするか、若しくは単独で流量を増やして回収熱量を増大させることができる。したがって、反応容器の底部側の温度が上昇するのを抑制することが可能で、かつ反応容器において下除熱部よりも上側に位置する部分で、反応熱を適度に回収しつつも過度に回収するのを抑制することができる。
【発明の効果】
【００２９】
請求項１に係る発明によれば、反応容器の底部側の温度が上昇するのを抑制することが可能で、かつ反応容器において下除熱部よりも上側に位置する部分で、反応熱を適度に回収しつつも過度に回収するのを抑制することができるので、反応容器内の温度を高精度に制御することができる。
また前述のように、反応容器内の温度を高精度に制御するという作用効果を、下除熱部と上除熱部とに温度が異なる液体冷媒を供給することにより奏功させることができる。したがって、例えば下除熱部および上除熱部をそれぞれ流通する液体冷媒の流量調節などをしなくてもよく、前述の作用効果を簡便かつ確実に奏功させることができる。
【００３０】
請求項２に係る発明によれば、発熱容器の底部における反応熱量が変動したとしても、その変動に追従するように、下伝熱部に供給される液体冷媒の温度を調節することができるので、前述の作用効果を確実に奏功させることができる。
【００３１】
請求項３に係る発明によれば、圧力制御部が、反応容器の底部内における実温度の温度設定値に対する偏差に基づいて冷媒ドラム内の圧力を制御することにより、下除熱部に供給される液体冷媒の温度を変化させ、下除熱部にて回収される熱量を調節することができる。したがって、反応容器の底部内の実温度が温度設定値に対して高い場合には、下除熱部により回収される熱量が多くなるように、また、前記実温度が温度設定値に対して低い場合には、下除熱部により回収される熱量が少なくなるように、冷媒ドラム内の圧力を制御することで、反応容器の底部内の温度を、温度設定値を目標に制御することができる。
また、圧力制御部が、下除熱部に供給する液体冷媒の温度と１対１に対応する冷媒ドラムの圧力を制御することで、冷媒ドラムから下除熱部に供給される液体冷媒の温度を直接制御することができる。したがって、外部で温度を制御した液体冷媒を冷媒ドラムへ供給することで、冷媒ドラム内の液体冷媒の温度を制御する方法よりも、反応容器の底部内の温度制御を迅速に行うことができる。これにより、前述の作用効果を確実に奏功させることができる。
なお前述のように、外部で温度を制御した液体冷媒を冷媒ドラムへ供給することで、冷媒ドラム内の液体冷媒の温度を制御する方法では、外部から供給された液体冷媒と、冷媒ドラム内の液体冷媒と、の温度が均一になりにくく、反応容器の温度制御が高精度になされないおそれがある。
【００３２】
請求項４に係る温度制御システムによれば、冷媒補給部が、冷媒ドラムの気相部内に配設されているので、気相部にて液体冷媒と冷媒ドラム内の蒸気との間で効率よく熱の移動が行われるため、冷媒補給部から補給される液体冷媒を系外にて予熱しなくとも冷媒ドラム内で気相部と液相部との温度差が生じず、冷媒ドラム内の圧力と温度とを、気液平衡状態の相関関係に確実に保つことができる。
【００３３】
請求項５に係る温度制御システムによれば、冷媒ドラム内の蒸気と液体冷媒との間で熱移動をより円滑に行わせることができるので、冷媒ドラム内の圧力と温度とを、気液平衡状態の相関関係に一層確実に保つことができる。
【００３４】
請求項６に係る温度制御システムによれば、散布部が、冷媒補給部に形成された貫通孔により構成されているので、液体冷媒を確実に散布することができる。
【００３５】
請求項７に係る温度制御システムによれば、下除熱部で生じた蒸気と液体冷媒との混相流体を冷媒ドラムに戻す戻り配管に、系外に排出された蒸気の量に見合った補給水量を供給する補給配管を設けたから、系外に排出する蒸気流量に見合った補給水量を戻り配管に合流させて戻り配管内の飽和温度にある蒸気流量と直接混合させることで、冷媒ドラムに供給される前に、補給水を加熱・蒸発させることができることになり、冷媒ドラム内の気液温度を常に飽和温度に維持できる。
しかも、補給水を直接冷媒ドラムへ供給する場合と比較して、構造の複雑化や設備の大型化を避けて冷媒ドラム内の温度を均一に制御できる。
【００３６】
請求項８に係る温度制御システムによれば、冷媒ドラム内の比較的高い温度と補給水の比較的低い温度との差分と反応器内の反応熱量との積に基づいて補給水量を決定する制御手段と、決定された補給水量に応じて補給配管から戻り配管に補給水を供給する補給水調整手段と、を更に備えているから、補給水量は系外に排出する蒸気流量と同等となるように制御手段によって正確に演算できて補給水量が蒸気流量を超えないように正確に制限することができることになり、合流部での全凝縮によるハンマリングを確実に防止することができる。
【００３７】
請求項９に係る温度制御システムによれば、制御手段で決定する補給水量は、具体的には次式によって演算されるから、補給水量は系外に排出する蒸気流量と同等またはそれ以下となるように正確に演算できて補給水量が蒸気流量を超えないように制限できる。
ＷＬ３＝Ｑ／{Ｃｐ×（ｔ１−ｔ３）＋ｒ}
但し、ＷＬ３：補給水量
Ｑ：気泡塔型反応器の底部内での反応熱量
Ｃｐ：液体冷媒の比熱
ｔ１：冷媒ドラムまたは気泡塔型反応器の底部内の温度
ｔ３：補給水の温度
ｒ：液体冷媒の蒸発潜熱。
【００３８】
請求項１０に係る温度制御システムによれば、戻り配管と補給配管との合流部において、補給配管は混相流体の進行方向に沿って戻り配管と鋭角の角度で接続されているから、補給配管の補給水を、戻り配管の蒸気と液体冷媒との混相流体に合流させる際、混相流体の流れ方向に沿って補給水の給水を行うことができるため、合流時に補給水が混相流体に衝突して衝撃によるハンマリングの発生を防止できる。
【００３９】
請求項１１に係る温度制御システムによれば、補給配管には、蒸気の逆流を防ぐシール部が設けられているから、補給水の供給量が少ない場合、戻り配管内の蒸気が補給配管内に逆流して凝縮によるハンマリングが生じることを防止できる。
【００４０】
請求項１２に係る温度制御システムによれば、戻り配管と補給配管との合流部において、補給配管に補給水を戻り配管内に噴霧するスプレーノズルが設けられているから、補給水を補給配管から合流部で戻り配管に供給する際、スプレーノズルで補給水を噴霧して均等に分散させて混相流体の蒸気に接触させれば、補給水の偏りによる急激な蒸気凝縮を抑制してハンマリングの発生を防止できる。
【００４１】
請求項１３に係る発明によれば、前記温度制御システムを備えているので、反応容器の底部側の温度が局所的に上昇するのを抑制することができる。
【００４２】
請求項１４に係る発明によれば、前記炭化水素合成反応装置を備えているので、反応容器の底部側の温度が局所的に上昇するのを抑制することができる。
【００４３】
請求項１５に係る発明によれば、反応容器の底部側の温度が上昇するのを抑制することが可能で、かつ反応容器において下除熱部よりも上側に位置する部分で、反応熱を適度に回収しつつも過度に回収するのを抑制することができるので、反応容器内の温度を高精度に制御することができる。
また前述のように、反応容器内の温度を高精度に制御するという作用効果を、下除熱部と上除熱部とに温度が異なる液体冷媒を供給することにより奏功させることができる。したがって、例えば下除熱部および上除熱部をそれぞれ流通する液体冷媒の流量調節などをしなくてもよく、前述の作用効果を簡便かつ確実に奏功させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施形態に係る液体燃料合成システムの全体構成を示す概略図である。
【図２】図１に示す液体燃料合成システムを構成する温度制御システムの概略フローである。
【図３】図１に示す冷媒ドラムの横断面図である。
【図４】図１に示す冷媒ドラムの縦断面図である。
【図５】本発明の一参考例に係る冷媒ドラムの構断面図である。
【図６】本発明の一参考例に係る温度制御システムの概略フローである。
【図７】本発明の第２実施形態に係る温度制御システムの概略フローである。
【図８】図７に示す温度制御システムにおける水と蒸気の循環路とその流量及び温度とを示す説明図である。
【図９】図７に示す温度制御システムにおける第一変形例に係る戻り配管と補給配管との合流部を示す説明図である。
【図１０】図７に示す温度制御システムにおける第二変形例に係る戻り配管と補給配管との合流部を示す説明図である。
【図１１】図７に示す温度制御システムにおける第三変形例に係る戻り配管と補給配管との合流部を示す説明図である。
【図１２】図７に示す温度制御システムにおける気泡塔型反応器の出口と合流後の戻り配管とにおける蒸気の割合の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下、本発明の一実施形態に液体燃料合成システムの一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【００４６】
（液体燃料合成システム）
図１に示すように、液体燃料合成システム（炭化水素合成反応システム）１は、天然ガス等の炭化水素原料を液体燃料に転換するＧＴＬプロセスを実行するプラント設備である。この液体燃料合成システム１は、合成ガス生成ユニット３と、ＦＴ合成ユニット（炭化水素合成反応装置）５と、アップグレーディングユニット７とから構成される。合成ガス生成ユニット３は、炭化水素原料である天然ガスを改質して一酸化炭素ガスと水素ガスを含む合成ガスを製造する。ＦＴ合成ユニット５は、製造された合成ガスからＦＴ合成反応により液体の炭化水素化合物を生成する。アップグレーディングユニット７は、ＦＴ合成反応により合成された液体の炭化水素化合物を水素化・精製して液体燃料その他の製品（ナフサ、灯油、軽油、ワックス等）を製造する。以下、これら各ユニットの構成要素について説明する。
【００４７】
まず、合成ガス生成ユニット３について説明する。
合成ガス生成ユニット３は、例えば、脱硫反応器１０と、改質器１２と、排熱ボイラー１４と、気液分離器１６および１８と、脱炭酸装置２０と、水素分離装置２６とを主に備える。脱硫反応器１０は、水素化脱硫装置等で構成されて原料である天然ガスから硫黄成分を除去する。改質器１２は、脱硫反応器１０から供給された天然ガスを改質して、一酸化炭素ガス（ＣＯ）と水素ガス（Ｈ２）とを主成分として含む合成ガスを製造する。排熱ボイラー１４は、改質器１２にて生成した合成ガスの排熱を回収して高圧スチームを発生する。気液分離器１６は、排熱ボイラー１４において合成ガスとの熱交換により加熱された水を気体（高圧スチーム）と液体とに分離する。気液分離器１８は、排熱ボイラー１４にて冷却された合成ガスから凝縮分を除去し気体分を脱炭酸装置２０に供給する。脱炭酸装置２０は、吸収塔（第２吸収塔）２２と、再生塔２４と、を有する。吸収塔２２では、気液分離器１８から供給された合成ガスに含まれる炭酸ガスが吸収液によって吸収される。再生塔２４では、炭酸ガスを吸収した吸収液が炭酸ガスを放散し、吸収剤が再生される。水素分離装置２６は、脱炭酸装置２０により炭酸ガスが分離された合成ガスから、当該合成ガスに含まれる水素ガスの一部を分離する。ただし、上記脱炭酸装置２０は場合によっては設けないこともある。
【００４８】
改質器１２では、例えば、下記の化学反応式（１）、（２）で表される水蒸気・炭酸ガス改質法を用い、二酸化炭素と水蒸気によって天然ガスが改質され、一酸化炭素ガスと水素ガスとを主成分とする高温の合成ガスが製造される。なお、この改質器１２における改質法は、上記の水蒸気・炭酸ガス改質法に限定されない。例えば、水蒸気改質法、酸素を用いた部分酸化改質法（ＰＯＸ）、部分酸化改質法と水蒸気改質法の組合せである自己熱改質法（ＡＴＲ）、炭酸ガス改質法などを利用することもできる。
【００４９】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２ ・・・（１）
ＣＨ４＋ＣＯ２→２ＣＯ＋２Ｈ２ ・・・（２）
【００５０】
水素分離装置２６は、脱炭酸装置２０又は気液分離器１８と気泡塔型反応器３０とを接続する主配管から分岐した分岐ライン上に設けられる。この水素分離装置２６は、例えば、圧力差を利用して水素の吸着と脱着を行う水素ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ：圧力変動吸着）装置などで構成できる。この水素ＰＳＡ装置は、並列配置された複数の吸着塔（図示せず。）内に吸着剤（ゼオライト系吸着剤、活性炭、アルミナ、シリカゲル等）を有している。各吸着塔で水素の加圧、吸着、脱着（減圧）、パージの各工程を順番に繰り返すことで、合成ガスから分離した純度の高い水素ガス（例えば９９．９９９％程度）を、連続して供給することができる。
【００５１】
水素分離装置２６における水素ガス分離方法は、上記の水素ＰＳＡ装置による圧力変動吸着法に限定されない。例えば、水素吸蔵合金吸着法、膜分離法、或いはこれらの組合せなどを用いてもよい。
【００５２】
水素吸蔵合金法は、例えば、冷却／加熱されることで水素を吸着／放出する性質を有する水素吸蔵合金（ＴｉＦｅ、ＬａＮｉ５、ＴｉＦｅ０．７〜０．９Ｍｎ０．３〜０．１、又はＴｉＭｎ１．５など）を用いて、水素ガスを分離する手法である。水素吸蔵合金法では、例えば水素吸蔵合金が収容された複数の吸着塔において、水素吸蔵合金の冷却による水素の吸着と、水素吸蔵合金の加熱による水素の放出とが交互に繰り返される。これにより、合成ガス中の水素ガスを分離・回収することができる。
【００５３】
膜分離法は、芳香族ポリイミド等の高分子素材の膜を用いて、混合ガスから膜透過性に優れた水素ガスを分離する手法である。この膜分離法は、分離対称の相変化を必要としないため、運転に必要なエネルギーが小さくて済み、ランニングコストが小さい。また、膜分離装置の構造が単純でコンパクトなため、設備コストが低く設備の所要面積も小さくて済む。さらに、分離膜には駆動装置がなく、安定運転範囲が広いため、保守管理が容易であるという利点がある。
【００５４】
次に、ＦＴ合成ユニット５について説明する。
ＦＴ合成ユニット５は、例えば、気泡塔型反応器（反応容器）３０と、分離器３６と、気液分離器３８と、第１精留塔４０と、を主に備える。気泡塔型反応器３０は、上記合成ガス生成ユニット３で製造された合成ガス、即ち、一酸化炭素ガスと水素ガスとからＦＴ合成反応により液体炭化水素化合物を合成する。分離器３６は、気泡塔型反応器３０の中央部に接続され、触媒と液体炭化水素化合物を分離する。気液分離器３８は、気泡塔型反応器３０の塔頂に接続され、未反応合成ガス及び気体炭化水素化合物を冷却する。第１精留塔４０は、気泡塔型反応器３０から分離器３６、気液分離器３８を介して供給された液体炭化水素化合物を各留分に分留する。
【００５５】
このうち、気泡塔型反応器３０は、合成ガスから液体の炭化水素化合物を合成する反応器の一例であり、ＦＴ合成反応により合成ガスから液体の炭化水素化合物を合成するＦＴ合成用反応器として機能する。この気泡塔型反応器３０は、例えば、塔型の容器内部に主に触媒粒子と媒体油（媒体液、液体の炭化水素）とからなるスラリーが貯留された気泡塔型スラリー床式反応器で構成される。この気泡塔型反応器３０は、ＦＴ合成反応により合成ガスから気体又は液体の炭化水素化合物を合成する。詳細には、この気泡塔型反応器３０では、原料ガスである合成ガスは、気泡塔型反応器３０の底部の分散板から気泡となって供給され、媒体油中に触媒粒子が懸濁されたスラリー内を通過する。そして、懸濁状態の中で下記化学反応式（３）に示すように、合成ガスに含まれる水素ガスと一酸化炭素ガスとが反応して炭化水素化合物が合成される。
【００５６】
【化１】
【００５７】
なお、このＦＴ合成反応は発熱反応であるため、気泡塔型反応器３０は、温度制御システム８０を構成する伝熱管（下除熱部、上除熱部）３２ａ、３２ｂが内部に配設された熱交換器型になっている。気泡塔型反応器３０には、冷媒として例えば水（ＢＦＷ：Ｂｏｉｌｅｒ Ｆｅｅｄ Ｗａｔｅｒ）が供給され、上記ＦＴ合成反応の反応熱を、スラリーと水との熱交換により中圧スチームとして回収できるようになっている。
【００５８】
次に、アップグレーディングユニット７について説明する。アップグレーディングユニット７は、例えば、ワックス留分水素化分解反応器５０と、中間留分水素化精製反応器５２と、ナフサ留分水素化精製反応器５４と、気液分離器５６，５８，６０と、第２精留塔７０と、ナフサ・スタビライザー７２とを備える。ワックス留分水素化分解反応器５０は、第１精留塔４０の塔底に接続されている。中間留分水素化精製反応器５２は、第１精留塔４０の中央部に接続されている。ナフサ留分水素化精製反応器５４は、第１精留塔４０の塔頂に接続されている。気液分離器５６，５８，６０は、これら水素化反応器５０，５２，５４のそれぞれに対応して設けられている。第２精留塔７０は、気液分離器５６，５８から供給された液体炭化水素化合物を分留する。ナフサ・スタビライザー７２は、気液分離器６０から供給された、及び第２精留塔７０から分留されたナフサ留分の液体炭化水素化合物を精留する。その結果、ナフサ・スタビライザー７２は、ブタン及びブタンより軽質の成分をオフガスとして排出し、炭素数５以上の成分を製品のナフサとして回収する。
【００５９】
次に、以上のような構成の液体燃料合成システム１により、天然ガスから液体燃料を合成する工程（ＧＴＬプロセス）について説明する。
【００６０】
液体燃料合成システム１には、天然ガス田又は天然ガスプラントなどの外部の天然ガス供給源（図示せず。）から、炭化水素原料としての天然ガス（主成分がＣＨ４）が供給される。上記合成ガス生成ユニット３は、この天然ガスを改質して合成ガス（一酸化炭素ガスと水素ガスを主成分とする混合ガス）を製造する。
【００６１】
具体的には、まず、上記天然ガスは、水素分離装置２６によって分離された水素ガスとともに脱硫反応器１０に導入される。脱硫反応器１０では、導入された水素ガスと水素化脱硫触媒により、天然ガスに含まれる硫黄分が硫化水素に転換される。更に、脱硫反応器１０では、生成した硫化水素が例えばＺｎＯ等の脱硫剤により吸着除去される。このようにして天然ガスを予め脱硫しておくことにより、改質器１２及び気泡塔型反応器３０等で用いられる触媒の活性が硫黄により低下することを防止できる。
【００６２】
このようにして脱硫された天然ガス（二酸化炭素を含んでもよい。）は、二酸化炭素供給源（図示せず。）から供給される二酸化炭素（ＣＯ２）ガスと、排熱ボイラー１４で発生した水蒸気とが混合された上で、改質器１２に供給される。改質器１２では、例えば、上述した水蒸気・炭酸ガス改質法により、二酸化炭素と水蒸気とにより天然ガスが改質され、一酸化炭素ガスと水素ガスとを主成分とする高温の合成ガスが製造される。このとき、改質器１２には、例えば、改質器１２が備えるバーナー用の燃料ガスと空気（エア）とが供給されている。そして、当該バーナーにおける燃料ガスの燃焼熱により、吸熱反応である上記水蒸気・炭酸ガス改質反応に必要な反応熱がまかなわれている。
【００６３】
このようにして改質器１２で製造された高温の合成ガス（例えば、９００℃、２．０ＭＰａＧ）は、排熱ボイラー１４に供給され、排熱ボイラー１４内を通過する水との熱交換により冷却（例えば４００℃）される。そして、合成ガスの排熱が水により回収される。このとき、排熱ボイラー１４において合成ガスにより加熱された水は気液分離器１６に供給される。そして、この合成ガスにより加熱された水は、気液分離器１６において高圧スチーム（例えば３．４〜１０．０ＭＰａＧ）と、水とに分離される。分離された高圧スチームは、改質器１２または他の外部装置に供給され、分離された水は排熱ボイラー１４に戻される。
【００６４】
一方、排熱ボイラー１４において冷却された合成ガスは、凝縮した液体分が気液分離器１８において分離・除去された後、脱炭酸装置２０の吸収塔２２、又は気泡塔型反応器３０に供給される。吸収塔２２では、吸収塔２２の内部に貯留されている吸収液によって、合成ガスに含まれる炭酸ガスが吸収され、当該合成ガスから炭酸ガスが除去される。吸収塔２２内で炭酸ガスを吸収した吸収液は、吸収塔２２から排出され、再生塔２４に導入される。再生塔２４に導入された吸収液は、例えばスチームで加熱されてストリッピング処理され、炭酸ガスを放散する。放散された炭酸ガスは、再生塔２４から排出されて改質器１２に導入され、上記改質反応に再利用される。
【００６５】
このようにして、合成ガス生成ユニット３で製造された合成ガスは、上記ＦＴ合成ユニット５の気泡塔型反応器３０に供給される。このとき、気泡塔型反応器３０に供給される合成ガスの組成比は、ＦＴ合成反応に適した組成比（例えば、Ｈ２：ＣＯ＝２：１（モル比））に調整されている。なお、気泡塔型反応器３０に供給される合成ガスは、脱炭酸装置２０と気泡塔型反応器３０とを接続する配管に設けられた圧縮器（図示せず。）により、ＦＴ合成反応に適した圧力（例えば３．６ＭＰａＧ程度）まで昇圧される。
【００６６】
また、上記脱炭酸装置２０により炭酸ガスが分離された合成ガスの一部は、水素分離装置２６にも供給される。水素分離装置２６では、上記のように圧力差を利用した吸着、脱着（水素ＰＳＡ）により、合成ガスに含まれる水素ガスが分離される。当該分離された水素は、ガスホルダー（図示せず。）等から圧縮機（図示せず。）を介して、液体燃料合成システム１内において水素を利用して所定反応を行う各種の水素利用反応装置（例えば、脱硫反応器１０、ワックス留分水素化分解反応器５０、中間留分水素化精製反応器５２、ナフサ留分水素化精製反応器５４など）に連続して供給される。
【００６７】
次いで、上記ＦＴ合成ユニット５は、上記合成ガス生成ユニット３によって製造された合成ガスから、ＦＴ合成反応により、液体炭化水素化合物を合成する。
【００６８】
具体的には、上記脱炭酸装置２０において炭酸ガスが分離された合成ガスは、気泡塔型反応器３０に導入され、気泡塔型反応器３０内に貯留された触媒を含むスラリー内を通過する。この際、気泡塔型反応器３０内では、上述したＦＴ合成反応により、当該合成ガスに含まれる一酸化炭素と水素ガスとが反応して、炭化水素化合物が生成する。さらに、このＦＴ合成反応時には、気泡塔型反応器３０の伝熱管３２ａ、３２ｂ内を通過（流通）する水（液体冷媒）によって、ＦＴ合成反応の反応熱が回収され、反応熱によって加熱された水が気化して水蒸気となる。
【００６９】
このようにして、気泡塔型反応器３０で合成された液体炭化水素化合物は、気泡塔型反応器３０の中央部から触媒粒子を含んだスラリーとして排出されて、分離器３６に導入される。分離器３６では、導入されたスラリーが触媒（固形分）と、液体炭化水素化合物を含んだ液体分とに分離される。分離された触媒の一部は気泡塔型反応器３０に戻され、液体分は第１精留塔４０に導入される。気泡塔型反応器３０の塔頂からは、ＦＴ合成反応において反応しなかった合成ガスと、ＦＴ合成反応により生成した気体炭化水素化合物と、を含む気体副生成物が排出される。気泡塔型反応器３０から排出された気体副生成物は、気液分離器３８に導入される。気液分離器３８では、導入された気体副生成物が冷却され、凝縮した液体炭化水素化合物と、ガス分とに分離される。分離された液体炭化水素化合物は、気液分離器３８から排出され、第１精留塔４０に導入される。分離されたガス分は、気液分離器３８から排出され、その一部が気泡塔型反応器３０に再導入される。気泡塔型反応器３０では、再導入されたガス分に含まれる未反応の合成ガス（ＣＯとＨ２）がＦＴ合成反応に再利用される。また、気液分離器３８から排出されたガス分の一部は、オフガスとして燃料に使用されたり、このガス分からＬＰＧ（液化石油ガス）相当の燃料が回収されたりする。
【００７０】
第１精留塔４０では、上記のようにして気泡塔型反応器３０から分離器３６、気液分離器３８を介して供給された液体炭化水素化合物（炭素数は多様）が、ナフサ留分（沸点が約１５０℃より低い）と、中間留分（沸点が約１５０〜３５０℃）と、ワックス留分（沸点が約３５０℃を超える）とに分留される。この第１精留塔４０の塔底から排出されるワックス留分の液体炭化水素化合物（主としてＣ２１以上）は、ワックス留分水素化分解反応器５０に導入される。第１精留塔４０の中央部から排出される灯油・軽油に相当する中間留分の液体炭化水素化合物（主としてＣ１１〜Ｃ２０）は、中間留分水素化精製反応器５２に導入される。第１精留塔４０の塔頂から排出されるナフサ留分の液体炭化水素化合物（主としてＣ５〜Ｃ１０）は、ナフサ留分水素化精製反応器５４に導入される。
【００７１】
ワックス留分水素化分解反応器５０は、第１精留塔４０の塔底から排出された炭素数の多いワックス留分の液体炭化水素化合物（概ねＣ２１以上）を、上記水素分離装置２６から供給された水素ガスを利用して水素化分解して、炭素数を２０以下に低減する。この水素化分解反応では、炭素数の多い炭化水素化合物のＣ−Ｃ結合が切断される。これにより、炭素数の多い炭化水素化合物が炭素数の少ない炭化水素化合物へと転換される。また、ワックス留分水素化分解反応器５０においては、水素化分解反応と並行して、直鎖状飽和炭化水素化合物（ノルマルパラフィン）を水素化異性化して分岐状飽和炭化水素化合物（イソパラフィン）を生成する反応も進行する。これにより、ワックス留分水素化分解生成物の、燃料油基材として要求される低温流動性が向上する。さらに、ワックス留分水素化分解反応器５０においては、原料であるワックス留分に含まれるアルコール等の含酸素化合物の水素化脱酸素反応及びオレフィンの水素化反応も進行する。水素化分解されワックス留分水素化分解反応器５０から排出された液体炭化水素化合物を含む生成物は、気液分離器５６に導入され、気体と液体とに分離される。分離された液体炭化水素化合物は、第２精留塔７０に導入され、分離された気体分（水素ガスを含む。）は、中間留分水素化精製反応器５２及びナフサ留分水素化精製反応器５４に導入される。
【００７２】
中間留分水素化精製反応器５２では、第１精留塔４０の中央部から排出された炭素数が中程度である灯油・軽油に相当する中間留分の液体炭化水素化合物（概ねＣ１１〜Ｃ２０）が水素化精製される。中間留分水素化精製反応器５２では、水素分離装置２６からワックス留分水素化分解反応器５０を介して供給された水素ガスが、水素化精製に用いられる。この水素化精製反応においては、上記液体炭化水素化合物中に含まれるオレフィンが水素化されて飽和炭化水素化合物を生成するとともに、上記液体炭化水素化合物中に含まれるアルコール等の含酸素化合物が水素化脱酸素され飽和炭化水素化合物と水とに転換される。更に、この水素化精製反応においては、直鎖状飽和炭化水素化合物（ノルマルパラフィン）を異性化して分岐状飽和炭化水素化合物（イソパラフィン）に転換する水素化異性化反応が進行し、生成油の燃料油として要求される低温流動性を向上させる。水素化精製された液体炭化水素化合物を含む生成物は、気液分離器５８で気体と液体に分離される。分離された液体炭化水素化合物は、第２精留塔７０に導入され、気体分（水素ガスを含む。）は、上記水素化反応に再利用される。
【００７３】
ナフサ留分水素化精製反応器５４では、第１精留塔４０の上部から排出された炭素数が少ないナフサ留分の液体炭化水素化合物（概ねＣ１０以下）が、水素化精製される。ナフサ留分水素化精製反応器５４では、水素分離装置２６からワックス留分水素化分解反応器５０を介して供給された水素ガスが、水素化精製に用いられる。この結果、水素化精製された液体炭化水素化合物を含む生成物は、気液分離器６０で気体と液体に分離される。分離された液体炭化水素化合物は、ナフサ・スタビライザー７２に導入され、分離された気体分（水素ガスを含む。）は、上記水素化反応に再利用される。このナフサ留分の水素化精製においては、主としてオレフィンの水素化及びアルコール等の含酸素化合物の水素化脱酸素が進行する。
【００７４】
第２精留塔７０では、上記のようにしてワックス留分水素化分解反応器５０及び中間留分水素化精製反応器５２から供給された液体炭化水素化合物をＣ１０以下の炭化水素化合物（沸点が約１５０℃より低い）と、灯油（沸点が約１５０〜２５０℃）と、軽油（沸点が約２５０〜３５０℃）と、ワックス留分水素化分解反応器５０からの未分解ワックス分（沸点約３５０℃を超える）とに分留する。第２精留塔７０の塔底からは未分解のワックス留分が得られ、これはワックス留分水素化分解反応器５０の上流にリサイクルされる。第２精留塔７０の中央部からは灯油及び軽油が排出される。一方、第２精留塔７０の塔頂からは、Ｃ１０以下の気体炭化水素化合物が排出されて、ナフサ・スタビライザー７２に導入される。
【００７５】
さらに、ナフサ・スタビライザー７２では、上記ナフサ留分水素化精製反応器５４から供給された、及び第２精留塔７０において分留されたＣ１０以下の炭化水素化合物が蒸留され、製品としてのナフサ（Ｃ５〜Ｃ１０）が得られる。これにより、ナフサ・スタビライザー７２の塔底からは、高純度のナフサが排出される。一方、ナフサ・スタビライザー７２の塔頂からは、製品対象外である炭素数が所定数以下（Ｃ４以下）の炭化水素化合物を主成分とするオフガスが排出される。このオフガスは、燃料ガスとして使用されたり、このオフガスからＬＰＧ相当の燃料が回収されたりする。
【００７６】
次に、気泡塔型反応器３０内の反応熱を回収し、気泡塔型反応器３０内の温度を制御する温度制御システム１００について説明する。この温度制御システム１００は、前述のようにスラリーを収容する気泡塔型反応器３０に設けられており、気泡塔型反応器３０にその底部３０ａから供給された合成ガスがスラリーと接触することにより生じるＦＴ合成反応（発熱反応）の反応熱を回収するものである。
【００７７】
（第１実施形態）
図２に示すように、温度制御システム１００は、前記伝熱管３２ａ、３２ｂを備えている。伝熱管３２ａ、３２ｂとしては、気泡塔型反応器３０の底部３０ａ内に配設された下伝熱管（下除熱部）３２ａと、気泡塔型反応器３０において下伝熱管３２ａよりも上方に位置する部分内に配設された上伝熱管（上除熱部）３２ｂと、が備えられている。図示の例では、上伝熱管３２ｂは、上下方向に間隔をあけて２つ配置されており、これらの２つの上伝熱管３２ｂは、気泡塔型反応器３０の頂部３０ｂ内と、気泡塔型反応器３０において頂部３０ｂと底部３０ａとの間に位置する中央部３０ｃ内と、に配置されている。
【００７８】
そして本実施形態では、下伝熱管３２ａには、第１温調部１２１により温度が調節された水が供給され、上伝熱管３２ｂには、第１温調部１２１とは異なる第２温調部１２２により温度が調節された水が供給されている。
【００７９】
第１温調部１２１は、水が気液平衡状態で収容された冷媒ドラム１０１と、冷媒ドラム１０１内の圧力を制御する圧力制御部１１８と、を備えている。
冷媒ドラム１０１と下伝熱管３２ａとは、流量を調整可能なポンプ１０４が設けられた行き配管１１３により接続されており、冷媒ドラム１０１内の水は、冷媒ドラム１０１の底部からポンプ１０４により下伝熱管３２ａに送られる。
下伝熱管３２ａにて一部の水が蒸発した蒸気および水の混相流体は、下伝熱管３２ａと冷媒ドラム１０１とを接続する戻り配管１１２を通って冷媒ドラム１０１に戻される。
【００８０】
圧力制御部１１８は、冷媒ドラム１０１内の蒸気を排出する蒸気出口配管１１１と、該蒸気出口配管１１１に設けられた圧力調節弁１０３と、該圧力調節弁１０３を制御することで冷媒ドラム１０１内の圧力を設定する圧力設定部１０９と、を備えている。
蒸気出口配管１１１を通って排出された蒸気は、系外の蒸気ユーザーに供給される。なお、蒸気出口配管１１１の下流側には、図示しないスチームトラップが設けられていてもよい。
【００８１】
圧力設定部１０９は、蒸気出口配管１１１を通した冷媒ドラム１０１内の蒸気の排出量を、圧力調節弁１０３を用いて制御することにより、冷媒ドラム１０１内の圧力を設定する。圧力設定部１０９には、気泡塔型反応器３０内の温度を測定する反応熱温度測定部１０６から、気泡塔型反応器３０の底部３０ａ内の測定結果が送出されており、圧力設定部１０９は、この測定結果に基づいて冷媒ドラム１０１内の圧力を設定する。
なお反応熱温度測定部１０６は、例えば、気泡塔型反応器３０において上下方向に互いに離間して配置された図示しない複数の温度センサにより構成すること等が可能である。
【００８２】
ところで、圧力制御部１１８により蒸気出口配管１１１を通して系外に排出された蒸気に見合った量の補給水（水）は、補給配管１１０を通して補給される。
この補給配管１１０には、図３および図４に示すように、冷媒ドラム１０１の長手方向に沿って延設された補給水内管（冷媒補給部）１１４が接続されている。補給水内管１１４は、冷媒ドラム１０１の蒸気相中に設置されている。
【００８３】
補給水内管１１４の側面１１４ａには、管軸方向に沿って孔（貫通孔）１１５が１個以上設けられ、同じく管端１１４ｂにも孔１１５が１個以上設けられている。そして、これらの孔１１５は、補給水を補給水内管１１４から蒸気相中に散水（散布）する散水部（散布部）１１９を構成している。なお孔１１５は、散水ノズルであってもよい。
【００８４】
また、冷媒ドラム１０１の蒸気相内には、前記戻り配管１１２に接続された戻り内部配管１１２ａも設けられている。戻り内部配管１１２ａからは、下伝熱管３２ａにて一部蒸発した蒸気および水の混相流体が、冷媒ドラム１０１内に供給される。戻り内部配管１１２ａは、補給水内管１１４よりも上方に位置し、かつ補給水内管１１４の鉛直上方を回避した位置に配置されている。そして、戻り内部配管１１２ａは、補給水内管１１４側に向けて湾曲されており、これにより、戻り内部配管１１２ａ内を流通した蒸気が、補給水内管１１４に向けて供給されることとなる。
【００８５】
なお図２に示すように、補給配管１１０からの補給水の補給量は、冷媒ドラム１０１内の水面レベル（液面レベル）を測定するレベル測定部１１７の測定結果に基づいて、レベル調節弁１０２により調節される。
【００８６】
ここで第２温調部１２２は、前記第１温調部１２１とほぼ同様に構成されている。第２温調部１２２においては、第１温調部１２１における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
第２温調部１２２における行き配管１１３は、ポンプ１０４よりも下流側において分岐されており、各分岐先において両上伝熱管３２ｂに各別に接続されている。
【００８７】
また、第２温調部１２２における戻り配管１１２は、両上伝熱管３２ｂから各別に延設された後、途中で合流し、その後、冷媒ドラム１０１に接続されている。
そして第２温調部１２２における圧力設定部１０９には、反応熱温度測定部１０６から、気泡塔型反応器３０の頂部３０ｂ内および中央部３０ｃ内の各測定結果が送出されており、圧力設定部１０９は、これらの測定結果に基づいて冷媒ドラム１０１内の圧力を設定する。
【００８８】
以上のように構成された温度制御システム１００の運用の一例について説明する。
この温度制御システム１００では、第１温調部１２１は、水の温度を第２温調部１２２よりも低く調節する。これにより、下伝熱管３２ａによる反応熱の回収量を、上伝熱管３２ｂによる反応熱の回収量よりも多くすることができる。なおこのとき、下伝熱管３２ａによる反応熱の回収量と、上伝熱管３２ｂによる反応熱の回収量と、の比を、例えば約３：１にすること等が可能である。
【００８９】
さらに本実施形態では、第１温調部１２１が、水の温度を第２温調部１２２よりも低く調節することにより、気泡塔型反応器３０の底部３０ａ内の実温度を、気泡塔型反応器３０において底部３０ａよりも上側に位置する中央部３０ｃ内および頂部３０ｂ内の実温度よりも低くする。このとき例えば、気泡塔型反応器３０の底部３０ａ内の実温度を、例えば約２００℃とし、気泡塔型反応器３０の中央部３０ｃおよび頂部３０ｂ内の実温度を、例えば約２３０℃とすることが可能である。
【００９０】
ここで気泡塔型反応器３０の底部３０ａ内、中央部３０ｃ内および頂部３０ｂ内の実温度は、前記反応熱温度測定部１０６により測定することが可能である。
そこで本実施形態では、第１温調部１２１における圧力制御部１１８は、反応熱温度測定部１０６により測定された気泡塔型反応器３０の底部３０ａ内の実温度が、底部３０ａ内の温度設定値に対して有する偏差に基づいて冷媒ドラム１０１内の圧力を制御することで、冷媒ドラム１０１内の水の温度を制御する。
【００９１】
すなわち、冷媒ドラム１０１内の蒸気相（気相部）と水相（液相部）とは気液平衡状態であるため、冷媒ドラム１０１の蒸気相圧力と冷媒ドラム１０１の水相の温度とは一定の相関関係にある。したがって、気泡塔型反応器３０の底部３０ａの温度設定値に対し、反応熱温度測定部１０６により測定された底部３０ａの実温度に偏差が生じた場合、圧力制御部１１８を作動させ冷媒ドラム１０１の蒸気相圧力を変更する。
【００９２】
すると、冷媒ドラム１０１内の水相の温度が変化し下伝熱管３２ａにて回収する熱量を変化させることが可能になり、気泡塔型反応器３０の底部３０ａの温度を温度設定値に近づけることができる。なお、水温と飽和水蒸気圧との関係の一例について示すと、１９５℃での飽和水蒸気圧は、約１４７６０．７５ｈＰａ程度であり、１７０℃での飽和水蒸気圧は、約８２４９．２０ｈＰａ程度であり、１４０℃での飽和水蒸気圧は、約３７０６．５７ｈＰａ程度である。
【００９３】
また第２温調部１２２についても同様に、反応熱温度測定部１０６により測定された気泡塔型反応器３０の中央部３０ｃ内および頂部３０ｂ内の実温度が、気泡塔型反応器３０の中央部３０ｃ内および頂部３０ｂ内の温度設定値に対して有する偏差に基づいて、第２温調部１２２の圧力制御部１１８が、冷媒ドラム１０１内の圧力を制御することで、冷媒ドラム１０１内の水の温度を制御する。
【００９４】
なお、以上のように圧力制御部１１８により蒸気出口配管１１１を通して蒸気が排出されたとき、冷媒ドラム１０１内の水面レベルが下降することにより、補給水内管１１４から補給水が供給される。このとき、補給水内管１１４から没水しない位置で補給水を供給することで、低温の補給水と蒸気相の蒸気とで熱交換がされ、補給水が低温のまま冷媒ドラム１０１の底部に流れる状況が回避できる。
【００９５】
さらに、補給水内管１１４の側面１１４ａおよび管端１１４ｂの孔１１５から補給水を散水させることにより、補給水と蒸気との接触面積を増やして熱交換の効率を向上させ、低温の補給水と蒸気の温度との熱交換の効率を高めることができる。これにより、蒸気相と水相との間の温度差がなくなり、冷媒ドラム１０１の蒸気相圧力と冷媒ドラム１０１内の水相の温度とは、気液平衡状態に基づいた相関関係が常に保たれることとなる。
【００９６】
なお、図５に示す参考例のように、補給水内管１１４が冷媒ドラム１０１内にて没水していると、比重の大きな低温の補給水は補給水内管１１４の側面開孔１１６からほとんど出ずに、直接冷媒ドラム１０１の底部に流れるため、冷媒ドラム１０１内の蒸気相と水相との間に温度差が生じる。すると、冷媒ドラム１０１の蒸気相圧力と冷媒ドラム１０１内の水相の温度との相関関係が崩れるおそれがある。
【００９７】
以上説明したように、本発明に係る温度制御システム１００によれば、下伝熱管３２ａに、第１温調部１２１により温度が調節された水が供給され、かつ上伝熱管３２ｂに、第２温調部１２２により温度が調節された水が供給されるので、下伝熱管３２ａと上伝熱管３２ｂとに温度が異なる水を供給することができる。これにより、下伝熱管３２ａによる反応熱の回収量と、上伝熱管３２ｂによる反応熱の回収量と、を異ならせることができる。
【００９８】
したがって、気泡塔型反応器３０の底部３０ａ側の温度が局所的に上昇しようとしたときに、下伝熱管３２ａに供給される水の温度を第１温調部１２１により低めることで、下伝熱管３２ａによる反応熱の回収量を高めることができる。これにより、気泡塔型反応器３０の底部３０ａ側の温度が上昇するのを抑制することができる。
しかもこのとき、前述のように下伝熱管３２ａによる反応熱の回収量と、上伝熱管３２ｂによる反応熱の回収量と、を異ならせることができるので、下伝熱管３２ａによる反応熱の回収量を高めるのに伴って、上伝熱管３２ｂによる反応熱の回収量が高くなりすぎるのを抑えることが可能になる。これにより、気泡塔型反応器３０において下伝熱管３２ａよりも上側に位置する中央部３０ｃおよび頂部３０ｂで、反応熱を適度に回収しつつも過度に回収するのを抑制することができる。
【００９９】
以上のように、気泡塔型反応器３０の底部３０ａ側の温度が上昇するのを抑制することが可能で、かつ気泡塔型反応器３０の中央部３０ｃおよび頂部３０ｂで、反応熱を適度に回収しつつも過度に回収するのを抑制することができるので、気泡塔型反応器３０内の温度を高精度に制御することができる。
また前述のように、気泡塔型反応器３０内の温度を高精度に制御するという作用効果を、下伝熱管３２ａと上伝熱管３２ｂとに温度が異なる水を供給することにより奏功させることができる。したがって、例えば図６に示す参考例のように、行き配管１１３に設けられた流路調整弁１１３ａを調整することにより、下伝熱管３２ａおよび上伝熱管３２ｂをそれぞれ流通する水の流量調節などをしなくてもよく、前述の作用効果を簡便かつ確実に奏功させることができる。
【０１００】
また、圧力制御部１１８が、気泡塔型反応器３０の底部３０ａ内における実温度の温度設定値に対する偏差に基づいて冷媒ドラム１０１内の圧力を制御することにより、下伝熱管３２ａに供給される水の温度を変化させ、下伝熱管３２ａにて回収される熱量を調節することができる。したがって、気泡塔型反応器３０の底部３０ａ内の実温度が温度設定値に対して高い場合には、下伝熱管３２ａにより回収される熱量が多くなるように、また、前記実温度が温度設定値に対して低い場合には、下伝熱管３２ａにより回収される熱量が少なくなるように、冷媒ドラム１０１内の圧力を制御することで、気泡塔型反応器３０の底部３０ａ内の温度を、温度設定値を目標に制御することができる。
【０１０１】
また、圧力制御部１１８が、下伝熱管３２ａに供給する水の温度と１対１に対応する冷媒ドラム１０１の圧力を制御することで、冷媒ドラム１０１から下伝熱管３２ａに供給される水の温度を直接制御することができる。したがって、外部で温度を制御した水を冷媒ドラム１０１へ供給することで、冷媒ドラム１０１内の水の温度を制御する方法よりも、気泡塔型反応器３０の底部３０ａ内の温度制御を迅速に行うことができる。これにより、前述の作用効果を確実に奏功させることができる。
なお前述のように、外部で温度を制御した水を冷媒ドラム１０１へ供給することで、冷媒ドラム１０１内の水の温度を制御する方法では、外部から供給された水と、冷媒ドラム１０１内の水と、の温度が均一になりにくく、気泡塔型反応器３０の温度制御が高精度になされないおそれがある。
【０１０２】
また、補給水内管１１４が、冷媒ドラム１０１の蒸気相内に配設されているので、補給水内管１１４から冷媒ドラム１０１内の温度よりも低温の水が補給されたとしても、この水と冷媒ドラム１０１内の蒸気との間で熱移動が行われ、水が蒸気と同じ温度となって冷媒ドラム１０１内の蒸気相に蓄えられるため、冷媒ドラム１０１内の蒸気相と蒸気相との間に温度差が生じない。
このように、蒸気相にて水と冷媒ドラム１０１内の蒸気との間で効率よく熱の移動が行われるため、補給水内管１１４から補給される水を系外にて予熱しなくとも冷媒ドラム１０１内で蒸気相と蒸気相との温度差が生じず、冷媒ドラム１０１内の圧力と温度とを、気液平衡状態の相関関係に確実に保つことができる。
【０１０３】
また、補給水内管１１４に、水を前記蒸気相に散布する散水部１１９が形成されているので、補給水内管１１４から補給される水の表面積を大きくすることで、冷媒ドラム１０１内の蒸気と水との間で熱移動をより円滑に行わせることができる。これにより、冷媒ドラム１０１内の圧力と温度とを、気液平衡状態の相関関係に一層確実に保つことができる。
【０１０４】
また、散水部１１９が、補給水内管１１４に形成された孔１１５により構成されているので、水を確実に散布することができる。
【０１０５】
（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態の温度制御システムを説明する。
ここで、この第２実施形態においては、前記第１実施形態に比べて第１温調部１２１および第２温調部１２２が異なっている。また、この第２実施形態においては、前記第１実施形態と同様に、第２温調部１２２は、第１温調部１２１とほぼ同様に構成されている。
そこで、この第２実施形態では、第１温調部１２１について説明し、それ以外の説明は省略する。また第１温調部１２１についても、第１実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
なお図７においては、図面の見易さのため、上伝熱管３２ｂおよび第２温調部１２２の図示を省略するとともに、気泡塔型反応器３０を模式的に示している。
【０１０６】
図７に示すように、補給配管１１０は、戻り配管１１２の途中の合流部２０１で接続されており、蒸気出口配管１１１から系外に排出された蒸気排出量に見合った量の補給水を冷媒ドラム１０１へ補給する。これにより、比較的低温（例えば温度ｔ３とする）の補給水は、戻り配管１１２内において気泡塔型反応器３０で蒸発させられた比較的高温（例えば温度ｔ１とする。ｔ１＞ｔ３）の蒸気と直接混合して加熱され、飽和温度となる。
しかも、合流部２０１より下流側の戻り配管１１２内の蒸気量は冷媒ドラム１０１から蒸気出口配管１１１によって排出される蒸気量に等しいかそれ以下とし、水の流量は冷媒ドラム１０１から行き配管１１３によって気泡塔型反応器３０に供給される水の流量にほぼ等しくなるように制御されるものとする。
なお、補給配管１１０には補給水の温度を測定する補給温度測定部２０２が設けられている。そして、補給配管１１０の補給水は、戻り配管１１２で蒸気となって冷媒ドラム１０１内へ供給される。
【０１０７】
また、蒸気出口配管１１１には系外への蒸気排出量を測定する蒸気排出量測定手段２０３が設けられている。さらに、気泡塔型反応器３０には、気泡塔型反応器３０内の反応熱量Ｑを測定する反応熱量測定部２０４が設けられている。さらにまた、冷媒ドラム１０１内の水相の温度は、冷媒ドラム１０１の底部に設けられた水相温度測定部２０５により測定可能となっている。なお本実施形態では、反応熱量測定部２０４は、気泡塔型反応器３０の底部３０ａ、頂部３０ｂ、および中央部３０ｃの各内部の反応熱量Ｑを測定する構成となっている。
【０１０８】
また、温度制御システム２００には、補給配管１１０からの補給水量が蒸気出口排管１１１から系外へ排出される蒸気量を超えないように補給水量を制御する制御手段２０６が設けられている。この制御手段２０６では、冷媒ドラム１０１内の水相温度を測定する水相温度測定部２０５、気泡塔型反応器３０における反応熱温度測定部１０６、反応熱量測定部２０４、補給配管１１０内の補給水温度を測定する補給温度測定部２０２による各測定値が入力され、補給水量が蒸気出口排管１１１から排出される蒸気量を超えないように演算して決定される。
演算された補給水量のデータは補給配管１１０に設けた流量調整手段２０７に出力され、レベル調節弁１０２の開度を調整して補給水量を制御することになる。なお、流量調整手段２０７とレベル調節弁１０２は補給水量調整手段を構成する。
これらによって補給水量ＷＬ３が蒸気流量ＷＶ１を超えないように制御される。
【０１０９】
つぎに、制御手段２０６による補給水量の演算方法の一例について説明する。
図８に示すように、蒸気出口配管１１１で排出される蒸気量をＷＶ１，温度をｔ１，行き配管１１３で気泡塔型反応器３０に供給される水の流量をＷＬ４、温度ｔ１、気泡塔型反応器３０から戻り配管１１２へ吐出される蒸気量をＷＶ２、水の流量をＷＬ２、各温度ｔ１、補給配管１１０から戻り配管１１２へ供給される水の流量をＷＬ３、温度ｔ３、合流後の戻り配管１１２から冷媒ドラム１０１へ戻される蒸気量をＷＶ１、水の流量をＷＬ４、各温度ｔ１とする。なお、水の流量は単位ｋｇ／ｈ，蒸気の流量は単位ｋｇ／ｈとし、温度は℃とする。
また、気泡塔型反応器３０での反応熱量をＱ（ｋｃａｌ／ｈ）、水の蒸発潜熱をｒ（ｋｃａｌ／ｋｇ）、水の比熱をＣｐ（ｋｃａｌ／ｋｇ／℃）とする。
【０１１０】
まず、物質収支により、補給配管１１０が合流した後の戻り配管１１２における蒸気発生量ＷＶ１と補給水量ＷＬ３は等しいため、次式（１）式が成り立つ。
ＷＶ１＝ＷＬ３ …（１）
上記（１）式を導き出す手順について以下に説明する。
図８において、まず冷媒ドラム１０１から供給される温度ｔ１の水の流量ＷＬ４は気泡塔型反応器３０で反応熱を回収することで、温度ｔ１の蒸気流量ＷＶ２＋水流量ＷＬ２となるから、気泡塔型反応器３０で相変化する入出の物質収支を示すと下記（２）式になる。
ＷＬ４＝ＷＶ２＋ＷＬ２ …（２）
更に、補給配管１１０から補給水量ＷＬ３が供給されることで、戻り配管１１２と補給配管１１０の合流部２０１での物質収支（給水＋相変化）は次の式（３）になる。
ＷＶ２＋ＷＬ２＋ＷＬ３＝ＷＶ１＋ＷＬ４ …（３）
（２）式を（３）式に代入して整理すると次式になる。
ＷＶ１＝ＷＬ３ …（１）
【０１１１】
また、補給水量ＷＬ３の温度は低温ｔ３であり、他は高温ｔ１（＞ｔ３）である。戻り配管１１２と補給配管１１０の合流部２０１においては、蒸気凝集量＝給水予熱量／蒸発潜熱となるから、
（ＷＶ２−ＷＶ１）×ｒ＝ＷＬ３×Ｃｐ×（ｔ１−ｔ３） …（４）
となる。
反応熱量Ｑと気泡塔型反応器３０での蒸気発生量ＷＶ２との関係は以下の通りである。
ＷＶ２＝Ｑ／ｒ …（５）
そして、式（１）と（５）を（４）式に代入して整理する。
ＷＬ３＝Ｑ／{Ｃｐ×（ｔ１−ｔ３）＋ｒ} …（６）
このようにして、反応熱量Ｑと給水温度ｔ１，ｔ３との関係から補給水量ＷＬ３を求めることができる。
なお、反応熱量Ｑは、別途測定される反応率や冷媒ドラム１０１と気泡塔型反応器３０の温度差から求めることができる。
【０１１２】
本実施形態による温度制御システム２００は上述の構成を有しており、次にその制御方法について説明する。
例えば、給水用のポンプ１０４を駆動することで、冷媒ドラム１０１から温度ｔ１の水の流量ＷＬ４が気泡塔型反応器３０へ供給される。気泡塔型反応器３０で発生する発熱反応に伴う反応熱により下伝熱管３２ａ内で水流量ＷＬ４は一部が蒸発されて温度ｔ１の蒸気流量ＷＶ２と水の流量ＷＬ２の二相となり、この二相流体（混相流体）は戻り配管１１２によって給送される。
【０１１３】
また、冷媒ドラム１０１内の蒸気相と水相とは、上述した水の流量ＷＬ４をポンプ１０４により気泡塔型反応器３０に向けて排出することで水面が低下するため、これをレベル測定部１１７で測定し、その測定結果に基づいて補給配管１１０に設けたレベル調節弁１０２によって補給水量が調整されて供給される。
一方、補給配管１１０では、制御手段２０６で決定された比較的低温ｔ３の補給水量ＷＬ３が補給されて、戻り配管１１２との合流部２０１で戻り配管１１２内の二相流体（ＷＶ２＋ＷＬ２）と合流する。すると、合流部２０１では、温度ｔ３の補給水量ＷＬ３が戻り配管１１２内で高温ｔ１の蒸気ＷＶ２と直接混合して加熱され、飽和温度ｔ１の蒸気となる。しかも、一部の蒸気が凝縮することで戻り配管１１２内の水の流量は、冷媒ドラム１０１から行き配管１１３に供給される水流量ＷＬ４と同じになる。
そして、合流部２０１以降の戻り配管１１２では、温度ｔ１の蒸気流量ＷＶ１と水の流量ＷＬ４となって冷媒ドラム１０１内の水面の上方に吐出される。
【０１１４】
ここで、制御手段２０６による補給水量ＷＬ３の制御方法について説明する。
冷媒ドラム１０１内の水相温度を測定する水相温度測定部２０５で測定した温度ｔ１と、気泡塔型反応器３０の温度を測定する反応熱温度測定部１０６で測定した温度ｔ１と、反応熱量測定部２０４で測定した反応熱量Ｑと、補給配管１１０の補給温度測定部２０２で測定した補給水の温度ｔ３とが制御手段２０６に入力される。そして、制御手段２０６では上記（６）式により補給水量ＷＬ３を演算する。
この補給水量ＷＬ３の演算値を流量調整手段２０７に出力してレベル調節弁１０２を作動させて補給水流量ＷＬ３を補給配管１１０に供給し、合流部２０１で戻り配管１１２に合流させて冷媒ドラム１０１へ吐出させることになる。
【０１１５】
そして、冷媒ドラム１０１内では、蒸気相と水相の水面が設定レベルに調整され、蒸気相圧力と水相の温度とは、気液平衡状態に基づいた相関関係が常に保たれる。
また、蒸気出口配管１１１によって冷媒ドラム１０１内から蒸気流量ＷＶ１が系外に排出されると共に、補給水量ＷＬ３が戻り配管１１２との合流部２０１で蒸気と水との二相流体と合流して冷媒ドラム１０１内に供給される。しかも、制御手段２０６によって、蒸気流量ＷＶ１と補給水量ＷＬ３は等しく制御されるため、或いは補給水量ＷＬ３が蒸気流量ＷＶ１以下に制御されるため、冷媒ドラム１０１内の水面は一定に調整される。
【０１１６】
上述のように本実施形態による温度制御システム２００によれば、蒸気出口配管１１１によって系外に排出する蒸気流量ＷＶ１に等しい比較的低温ｔ３の補給水量ＷＬ３を補給配管１１０から戻り配管１１２に合流させて、戻り配管１１２内の飽和温度ｔ１にある蒸気流量ＷＶ２と直接混合させることができるから、補給水量を瞬時に加熱して蒸発させることができる。そのため、冷媒ドラム１０１内の気液温度を常に飽和温度に維持できる。
更に、制御手段２０６によって、補給水量ＷＬ３が系外に排出する蒸気流量ＷＶ１と同等となるように演算でき、補給水量ＷＬ３が蒸気流量ＷＶ１を超えないように補給水量を正確に制限することができて、合流部２０１での全凝縮によるハンマリングを防止することができる。
しかも、構造の複雑化や設備の大型化を避けて冷媒ドラム１０１内の温度を均一に制御できる。
【０１１７】
（第２実施形態に係る変形例）
次に、前記温度制御システム２００において、補給配管１１０が合流部２０１で戻り配管１１２に合流する際のハンマリングを防止するための構成について図９から図１１により変形例として説明する。
【０１１８】
（第１変形例）
図９は第１変形例による合流部２０１の構成を示すものである。図９において、補給配管１１０は戻り配管１１２の二相流体の流れ方向に対して鋭角αをなすように連結して合流する。これにより戻り配管１１２を流れる蒸気と水の二相流体に対して補給水がスムーズに合流して蒸発するため、ハンマリングを生じない。
【０１１９】
（第２変形例）
次に、図１０に示す第２変形例による合流部では、補給配管１１０は戻り配管１１２の二相流体の流れ方向に対して鋭角をなすように連結して合流すると共に、合流部２０１の上流側の補給配管１１０では例えば略Ｕ字形状の凹部１１０ａを形成して凹部１１０ａ内に水を残留充填させた水シール部２１０がシール部として設けられている。
この構成によれば、補給水量ＷＬ３が少ない場合、戻り配管１１２内の蒸気が補給配管１１０内に逆流しようとしても水シール部２１０で停止させられる。そのため、戻り配管１１２内の蒸気が補給配管１１０内に逆流して凝縮によるハンマリングが発生することを防止できる。
なお、蒸気の逆流を防ぐシール部として、水シール部２１０に代えて逆止弁を設けてもよい。
【０１２０】
（第３変形例）
図１１は第３変形例による合流部２０１の構成を示すものである。図１１において、補給配管１１０は戻り配管１１２の二相流体の流れ方向に対して鋭角をなすように連結しており、しかも補給配管１１０の先端部には戻り配管１１２内で補給水を分散して噴霧するスプレーノズル２２０が形成されている。これにより、戻り配管１１２の蒸気と水に合流する補給水は、スプレーノズル２２０で広く噴霧されるため、急激な蒸気凝縮を抑制してハンマリングを防止できる。
なお、実施形態による温度制御システム２００においては、上述した第１から第３変形例の構成のいずれか二つまたは三つを組み合わせて構成してもよい。
【０１２１】
（第２実施形態に係る検証試験）
次に本発明の実施形態による温度制御システム２００の検証試験について説明する。
まず、図８において、冷媒ドラム１０１内の温度や行き配管１１３を通して供給する水量ＷＬ４や気泡塔型反応器３０で生成される水量ＷＬ２の各水温ｔ１、そして蒸気流量ＷＶ１、ＷＶ２の温度ｔ１をいずれも１９５℃の飽和温度とする。そして、補給水量ＷＬ３の水温ｔ３を１１０℃とする。
さらに、反応熱量Ｑ＝８００００００ｋｃａｌ／ｈ（測定値（計算による））
水の蒸発潜熱ｒ＝４７０ｋｃａｌ／ｋｇ（物性置（定数））
水の比熱Ｃｐ＝１ｋｃａｌ／ｋｇ／℃（物性置（定数））
スチームドラム圧力＝１．３ＭＰａＧ
ポンプ１０４の循環量ＷＬ４＝６８０００ｋｇ／ｈ
とする。
【０１２２】
上記の条件下において、温度制御システム２００の制御手段２０６において、冷媒ドラム１０１内の温度の均一化と液面レベルの一定化を図って、系外への蒸気の流量ＷＶ１と同一量になる補給水量ＷＬ３を決定するには上記（６）式によって行う。即ち、（６）式に上記の各数値を代入すると、
ＷＬ３＝Ｑ／{Ｃｐ×（ｔ１−ｔ３）＋ｒ}
＝８００００００／{１×（１９５−１１０）＋４７０}
＝１４４００ｋｇ／ｈ
となる。
【０１２３】
また、（１）式により蒸気の流量ＷＶ１は補給水量ＷＬ３と等しいから
ＷＶ１＝ＷＬ３＝１４４００ｋｇ／ｈ
となる。また、（５）式により気泡塔型反応器３０内での蒸気発生量ＷＶ２を求めると、
ＷＶ２＝Ｑ／ｒ
＝８００００００／４７０
＝１７０００ｋｇ／ｈ
となる。また、気泡塔型反応器３０の出口における水の流量ＷＬ２を（２）式から求めると
ＷＬ２＝ＷＬ４−ＷＶ２
＝６８０００−１７０００
＝５１０００ｋｇ／ｈ
となる。
【０１２４】
次に図１２は、温度制御システム２００において、戻り配管１１２と補給配管１１０との合流部２０１の前後位置での蒸気割合の変化を示す検証試験のグラフである。
図１２において、スチームタンク２から気泡塔型反応器３０へ供給される水の循環量ＷＬ４に対する気泡塔型反応器３０内で生成される蒸気ＷＶ２の割合（ＷＶ２／ＷＬ４）を横軸にとり、合流部２０１の前後における戻り配管１１２内の二相流体中の蒸気量の割合を気相部の割合として縦軸にとった。
そして、水の循環量ＷＬ４に対する気泡塔型反応器３０内で生成される蒸気ＷＶ２の割合（ＷＶ２／ＷＬ４）を変化させた場合における、戻り配管１１２中の合流部２０１の前後における二相液体中の蒸気量（気相部）の割合を測定した。
【０１２５】
図１２において、破線Ｍは、気泡塔型反応器３０の出口（戻り配管１１２）での気相（蒸気）の割合（ＷＶ２／（ＷＬ２＋ＷＶ２））、実線Ｎは、補給配管１１０が合流した後の戻り配管１１２での気相（蒸気）の割合（ＷＶ１／（ＷＶ１＋ＷＬ４）の変化を示している。
図１２に示すグラフにおいて、スタート時点では気泡塔型反応器３０での蒸発割合は０であるが（ＷＶ２／ＷＬ４＝０）、気泡塔型反応器３０の温度上昇に伴い蒸気ＷＶ２の発生量は増加する。気泡塔型反応器３０での循環流量ＷＬ４に対する蒸発量ＷＶ２の割合（ＷＶ２／ＷＬ４）は通常３０％で運転される。これを通常運転ポイントとする。この状態で、気泡塔型反応器３０の出口で生成された蒸気量ＷＶ２の割合（ＷＶ２／ＷＬ４）から補給水ＷＬ３合流後の戻り配管１１２での蒸気量ＷＶ１の割合（ＷＶ１／（ＷＶ１＋ＷＬ４））への変化は約１％程度の低下にすぎなかった。
【０１２６】
また、気泡塔型反応器３０での循環流量ＷＬ４に対する蒸発量ＷＶ２の割合（ＷＶ２／ＷＬ４）が０を超えて〜３５％の全範囲において、破線Ｍで示す蒸気量の割合（ＷＶ２／（ＷＬ２＋ＷＶ２））から合流後の戻り配管１１２における実線Ｎで示す蒸気量の割合（ＷＶ１／（ＷＶ１＋ＷＬ４））に変化しても、その変化は１％〜３％程度の範囲内であり、極めて低いためハンマリングは起こらなかった。
ここで、戻り配管１１２の補給配管１１０との合流部２０１において、戻り配管１１２内の蒸気ＷＶ２の全凝縮が起こればハンマリングが生じる可能性があるが、本検証試験では、上記のように補給水量ＷＬ３の合流後の戻り配管１１２内での蒸気ＷＶ１の割合の変化は約１％〜３％の範囲であり、蒸気流量ＷＶ１と補給水量ＷＬ３のバランスがとれているため、ハンマリングは生じない。
【０１２７】
なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、前記実施形態では、液体燃料合成システム１に供給される炭化水素原料として、天然ガスを用いたが、かかる例に限定されず、例えば、アスファルト、残油など、その他の炭化水素原料を用いてもよい。
【０１２８】
また、前記実施形態では、気泡塔型反応器３０における合成反応として、ＦＴ合成反応による液体炭化水素の合成を例示したが、本発明はかかる例に限定されない。気泡塔型反応器３０における合成反応としては、例えば、オキソ合成（ヒドロホルミル化反応）「Ｒ−ＣＨ＝ＣＨ２＋ＣＯ＋Ｈ２→Ｒ−ＣＨ２ＣＨ２ＣＨＯ」、メタノール合成「ＣＯ＋２Ｈ２→ＣＨ３ＯＨ」、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）合成「３ＣＯ＋３Ｈ２→ＣＨ３ＯＣＨ３＋ＣＯ２」などにも適用することができる。
【０１２９】
また前記実施形態では、図１に示すように、反応後流体（反応生成物）が気泡塔型反応器３０の頂部３０ｂから導出されているが、気泡塔型反応器３０から反応後流体を導出する位置は、適宜変更することが可能である。例えば、反応後流体が、気泡塔型反応器３０の中央部３０ｃ（側面）や底部３０ａから導出されていてもよく、気泡塔型反応器３０の頂部３０ｂ、中央部３０ｃおよび底部３０ａのうちの複数箇所から導出されていてもよい。なお、反応後流体を導出する位置は、例えば気泡塔型反応器３０内の発熱反応の種類などに応じて変更してもよい。
【０１３０】
また前記実施形態では、水として水を採用したが、水でなくてもよい。
さらに前記実施形態では、下伝熱管３２ａにて一部蒸発した蒸気および水の混相流体が、戻り配管１１２を通って冷媒ドラム１０１に戻されるものとしたが、該混相流体は冷媒ドラム１０１に戻されなくてもよい。
【０１３１】
また前記実施形態では、第１温調部１２１および第２温調部１２２のいずれも、冷媒ドラム１０１および圧力制御部１１８を備えているものとしたが、これに限られるものではなく、液体冷媒である水の温度を調節する構成であれば、適宜構成を変更することが可能である。
【０１３２】
また前記実施形態では、上伝熱管３２ｂは２つ設けられているものとしたが、これに限られるものではない。
さらに前記実施形態では、気泡塔型反応器３０の底部３０ａ内の実温度を、気泡塔型反応器３０において底部３０ａよりも上側に位置する中央部３０ｃ内および頂部３０ｂ内の実温度よりも低くするものとしたが、これに限られるものではなく、底部３０ａ内の実温度を、中央部３０ｃ内および頂部３０ｂ内の実温度と同等にしてもよい。
【０１３３】
その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【０１３４】
１ 液体燃料合成システム（炭化水素合成反応システム）
３ 合成ガス生成ユニット
５ ＦＴ合成ユニット（炭化水素合成反応装置）
７ アップグレーディングユニット
３０ 気泡塔型反応器（反応容器）
３０ａ 底部
３２ａ 下伝熱管（下除熱部）
３２ｂ 上伝熱管（上除熱部）
１００ 温度制御システム
１０１ 冷媒ドラム
１０６ 反応熱温度測定部
１１０ 補給配管
１１１ 蒸気出口配管
１１２ 戻り配管
１１４ 補給水内管（冷媒補給部）
１１５ 孔（貫通孔）
１１８ 圧力制御部
１２１ 第１温調部
１２２ 第２温調部
２０１ 合流部
２０６ 制御手段
２１０ シール部
２２０ スプレーノズル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部で発熱反応が生じる反応容器内の反応熱を回収し、前記反応容器内の温度を制御する温度制御システムであって、
前記反応容器の底部に配設され、内部を液体冷媒が流通する下除熱部と、
前記反応容器において前記下除熱部よりも上方に配設され、内部を液体冷媒が流通する上除熱部と、を備え、
前記下除熱部には、第１温調部により温度が調節された液体冷媒が供給され、
前記上除熱部には、前記第１温調部とは異なる第２温調部により温度が調節された液体冷媒が供給されることを特徴とする温度制御システム。
【請求項２】
請求項１記載の温度制御システムであって、
前記底部内の温度を測定する反応熱温度測定部を備え、
前記第１温調部は、前記反応熱温度測定部の測定結果に基づいて制御されていることを特徴とする温度制御システム。
【請求項３】
請求項２記載の温度制御システムであって、
前記第１温調部は、
液体冷媒が気液平衡状態で収容された冷媒ドラムと、
前記冷媒ドラム内の圧力を制御する圧力制御部と、を備え、
前記圧力制御部は、前記反応熱温度測定部により測定された前記底部内の実温度が、前記底部内の温度設定値に対して有する偏差に基づいて前記冷媒ドラム内の圧力を制御することで、前記冷媒ドラム内の液体冷媒の温度を制御することを特徴とする温度制御システム。
【請求項４】
請求項３記載の温度制御システムであって、
前記冷媒ドラムには、その内部に液体冷媒を補給する冷媒補給部が設けられ、
前記冷媒補給部は、前記冷媒ドラムの気相部内に配設されていることを特徴とする温度制御システム。
【請求項５】
請求項４記載の温度制御システムであって、
前記冷媒補給部には、液体冷媒を前記気相部に散布する散布部が形成されていることを特徴とする温度制御システム。
【請求項６】
請求項５記載の温度制御システムであって、
前記冷媒補給部は、管状に形成され、
前記散布部は、前記冷媒補給部に形成された貫通孔により構成されていることを特徴とする温度制御システム。
【請求項７】
請求項３記載の温度制御システムであって、
前記下除熱部で生じた蒸気と液体冷媒との混相流体を前記冷媒ドラムに戻す戻り配管と、
前記冷媒ドラム内の蒸気を系外に排出する蒸気出口配管と、
液体冷媒からなる補給水を、前記系外に排出される蒸気の量に見合った補給水量、前記戻り配管に供給する補給配管と、を備えていることを特徴とする温度制御システム。
【請求項８】
請求項７記載の温度制御システムであって、
前記冷媒ドラム内の比較的高い温度と補給水の比較的低い温度との差分と前記反応器内の反応熱量との積に基づいて前記補給水量を決定する制御手段と、
前記制御手段で決定された前記補給水量に応じて前記補給配管から前記戻り配管に供給する補給水量を設定する補給水調整手段と、を更に備えていることを特徴とする温度制御システム。
【請求項９】
請求項８記載の温度制御システムであって、
前記制御手段で決定する補給水量は次式によって演算されるようにしたことを特徴とする温度制御システム。
ＷＬ３＝Ｑ／{Ｃｐ×（ｔ１−ｔ３）＋ｒ}
但し、ＷＬ３：補給水量
Ｑ：前記底部内での反応熱量
Ｃｐ：液体冷媒の比熱
ｔ１：前記冷媒ドラムまたは前記底部内の温度
ｔ３：補給水の温度
ｒ：液体冷媒の蒸発潜熱。
【請求項１０】
請求項７から９のいずれか１項に記載の温度制御システムであって、
前記戻り配管と前記補給配管との合流部において、前記補給配管は前記戻り配管内の混相流体の進行方向に沿って前記戻り配管と鋭角の角度で接続されていることを特徴とする温度制御システム。
【請求項１１】
請求項７から１０のいずれか１項に記載の温度制御システムであって、
前記補給配管には、蒸気の逆流を防ぐシール部が設けられていることを特徴とする記載された温度制御システム。
【請求項１２】
請求項７から１１のいずれか１項に記載の温度制御システムであって、
前記戻り配管と前記補給配管との合流部において、前記補給配管に補給水を前記戻り配管内に噴霧するスプレーノズルが設けられていることを特徴とする温度制御システム。
【請求項１３】
水素ガスおよび一酸化炭素ガスを主成分とする合成ガスと、媒体液中に触媒粒子を懸濁させてなるスラリーとを接触させることによって炭化水素化合物を合成する炭化水素合成反応装置であって、
前記スラリーを収容するとともに前記合成ガスが供給される反応容器と、
請求項１から１２のいずれか１項に記載の温度制御システムと、を備えていることを特徴とする炭化水素合成反応装置。
【請求項１４】
請求項１３記載の炭化水素合成反応装置と、
炭化水素原料を改質して前記合成ガスを生成し、前記合成ガスを前記反応容器に供給する合成ガス生成ユニットと、
前記炭化水素化合物から液体燃料を製造するアップグレーディングユニットと、を備えていることを特徴とする炭化水素合成反応システム。
【請求項１５】
内部で発熱反応が生じる反応容器の底部に配設され、内部を液体冷媒が流通する下除熱部と、
前記反応容器において前記下除熱部よりも上方に配設され、内部を液体冷媒が流通する上除熱部と、を備える温度制御システムを用い、前記反応容器内の反応熱を回収し、前記反応容器内の温度を制御する温度制御方法であって、
前記下除熱部に供給する液体冷媒の温度を、前記上除熱部に供給する液体冷媒の温度よりも低くすることを特徴とする温度制御方法。
【請求項１】
内部で発熱反応が生じる反応容器内の反応熱を回収し、前記反応容器内の温度を制御する温度制御システムであって、
前記反応容器の底部に配設され、内部を液体冷媒が流通する下除熱部と、
前記反応容器において前記下除熱部よりも上方に配設され、内部を液体冷媒が流通する上除熱部と、を備え、
前記下除熱部には、第１温調部により温度が調節された液体冷媒が供給され、
前記上除熱部には、前記第１温調部とは異なる第２温調部により温度が調節された液体冷媒が供給されることを特徴とする温度制御システム。
【請求項２】
請求項１記載の温度制御システムであって、
前記底部内の温度を測定する反応熱温度測定部を備え、
前記第１温調部は、前記反応熱温度測定部の測定結果に基づいて制御されていることを特徴とする温度制御システム。
【請求項３】
請求項２記載の温度制御システムであって、
前記第１温調部は、
液体冷媒が気液平衡状態で収容された冷媒ドラムと、
前記冷媒ドラム内の圧力を制御する圧力制御部と、を備え、
前記圧力制御部は、前記反応熱温度測定部により測定された前記底部内の実温度が、前記底部内の温度設定値に対して有する偏差に基づいて前記冷媒ドラム内の圧力を制御することで、前記冷媒ドラム内の液体冷媒の温度を制御することを特徴とする温度制御システム。
【請求項４】
請求項３記載の温度制御システムであって、
前記冷媒ドラムには、その内部に液体冷媒を補給する冷媒補給部が設けられ、
前記冷媒補給部は、前記冷媒ドラムの気相部内に配設されていることを特徴とする温度制御システム。
【請求項５】
請求項４記載の温度制御システムであって、
前記冷媒補給部には、液体冷媒を前記気相部に散布する散布部が形成されていることを特徴とする温度制御システム。
【請求項６】
請求項５記載の温度制御システムであって、
前記冷媒補給部は、管状に形成され、
前記散布部は、前記冷媒補給部に形成された貫通孔により構成されていることを特徴とする温度制御システム。
【請求項７】
請求項３記載の温度制御システムであって、
前記下除熱部で生じた蒸気と液体冷媒との混相流体を前記冷媒ドラムに戻す戻り配管と、
前記冷媒ドラム内の蒸気を系外に排出する蒸気出口配管と、
液体冷媒からなる補給水を、前記系外に排出される蒸気の量に見合った補給水量、前記戻り配管に供給する補給配管と、を備えていることを特徴とする温度制御システム。
【請求項８】
請求項７記載の温度制御システムであって、
前記冷媒ドラム内の比較的高い温度と補給水の比較的低い温度との差分と前記反応器内の反応熱量との積に基づいて前記補給水量を決定する制御手段と、
前記制御手段で決定された前記補給水量に応じて前記補給配管から前記戻り配管に供給する補給水量を設定する補給水調整手段と、を更に備えていることを特徴とする温度制御システム。
【請求項９】
請求項８記載の温度制御システムであって、
前記制御手段で決定する補給水量は次式によって演算されるようにしたことを特徴とする温度制御システム。
ＷＬ３＝Ｑ／{Ｃｐ×（ｔ１−ｔ３）＋ｒ}
但し、ＷＬ３：補給水量
Ｑ：前記底部内での反応熱量
Ｃｐ：液体冷媒の比熱
ｔ１：前記冷媒ドラムまたは前記底部内の温度
ｔ３：補給水の温度
ｒ：液体冷媒の蒸発潜熱。
【請求項１０】
請求項７から９のいずれか１項に記載の温度制御システムであって、
前記戻り配管と前記補給配管との合流部において、前記補給配管は前記戻り配管内の混相流体の進行方向に沿って前記戻り配管と鋭角の角度で接続されていることを特徴とする温度制御システム。
【請求項１１】
請求項７から１０のいずれか１項に記載の温度制御システムであって、
前記補給配管には、蒸気の逆流を防ぐシール部が設けられていることを特徴とする記載された温度制御システム。
【請求項１２】
請求項７から１１のいずれか１項に記載の温度制御システムであって、
前記戻り配管と前記補給配管との合流部において、前記補給配管に補給水を前記戻り配管内に噴霧するスプレーノズルが設けられていることを特徴とする温度制御システム。
【請求項１３】
水素ガスおよび一酸化炭素ガスを主成分とする合成ガスと、媒体液中に触媒粒子を懸濁させてなるスラリーとを接触させることによって炭化水素化合物を合成する炭化水素合成反応装置であって、
前記スラリーを収容するとともに前記合成ガスが供給される反応容器と、
請求項１から１２のいずれか１項に記載の温度制御システムと、を備えていることを特徴とする炭化水素合成反応装置。
【請求項１４】
請求項１３記載の炭化水素合成反応装置と、
炭化水素原料を改質して前記合成ガスを生成し、前記合成ガスを前記反応容器に供給する合成ガス生成ユニットと、
前記炭化水素化合物から液体燃料を製造するアップグレーディングユニットと、を備えていることを特徴とする炭化水素合成反応システム。
【請求項１５】
内部で発熱反応が生じる反応容器の底部に配設され、内部を液体冷媒が流通する下除熱部と、
前記反応容器において前記下除熱部よりも上方に配設され、内部を液体冷媒が流通する上除熱部と、を備える温度制御システムを用い、前記反応容器内の反応熱を回収し、前記反応容器内の温度を制御する温度制御方法であって、
前記下除熱部に供給する液体冷媒の温度を、前記上除熱部に供給する液体冷媒の温度よりも低くすることを特徴とする温度制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−２０６０２８（Ｐ２０１２−２０６０２８Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７４２４７（Ｐ２０１１−７４２４７）
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（５０４１１７９５８）独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構 (101)
【出願人】（５０９００１６３０）国際石油開発帝石株式会社 (57)
【出願人】（０００００４４４４）ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社 (1,898)
【出願人】（５９１０９０７３６）石油資源開発株式会社 (70)
【出願人】（０００１０５５６７）コスモ石油株式会社 (443)
【出願人】（３０６０２２５１３）新日鉄エンジニアリング株式会社 (897)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（５０４１１７９５８）独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構 (101)
【出願人】（５０９００１６３０）国際石油開発帝石株式会社 (57)
【出願人】（０００００４４４４）ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社 (1,898)
【出願人】（５９１０９０７３６）石油資源開発株式会社 (70)
【出願人】（０００１０５５６７）コスモ石油株式会社 (443)
【出願人】（３０６０２２５１３）新日鉄エンジニアリング株式会社 (897)
【Ｆターム（参考）】
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