JP2012510427A - アンモニア合成効率を向上させるシステム及び方法 - Google Patents

アンモニア合成効率を向上させるシステム及び方法 Download PDF

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Abstract

シンガスを製造するシステム及び方法を提供する。少なくとも１つの具体的な実施形態において、第１反応ゾーン内で蒸気及び１つ以上の第１触媒の存在下で炭化水素を改質し、第１温度の炭化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、及び水素の一部を含有する流出物を供給することができる。第１反応ゾーンは、１つ以上の触媒を含有する管を含み得る。流出物を第１温度から第２温度に間接的に加熱することができる。水素、一酸化炭素、二酸化炭素、及び約５モル％未満の無水ベースメタンを含むシンガスを供給するために十分な条件において、１つ以上の酸化剤及び１つ以上の第２触媒の存在下で、第２温度の流出物を改質することができる。シンガスを用いて、流出物を第１温度から第２温度に間接的に加熱することができる。

Description

発明の詳細な説明
［技術分野］
本実施形態は、一般的に、アンモニアを製造するシステム及び方法に関する。より詳細には、本発明の実施形態は、合成ガスから熱を回収してアンモニアを製造するシステム及び方法に関する。
［関連技術の説明］
合成ガス又は「シンガス（ｓｙｎｇａｓ）」は、典型的には、高温の蒸気及び／又は酸化剤の存在下で、炭素を含有する材料を改質した生成物である。出発物質により、シンガスは通常一酸化炭素及び水素を豊富に含み、また様々な量のメタン、二酸化炭素、窒素、及びアルゴンも含み得る。
従来のシンガス調製は、炭化水素を燃焼水蒸気改質器に導入し、炭化水素を水蒸気改質触媒と接触させることを含み得る。炭化水素を水蒸気改質触媒と接触させた後、第一の改質された炭化水素を二次改質器に導入する。二次改質器では、触媒の存在下で、水素及び改質されていない炭化水素類を酸化剤で部分的に酸化する。このような改質段階は吸熱性であり、反応を進行させるために改質器に熱を供給する必要がある。改質反応のための熱は、通常、大量の燃料を燃焼することにより供給される。二次改質器の温度を上げれば、炭化水素のシンガスへの変換が促進されるが、二次改質器の温度を上げるためにはより多くの燃料を酸化させる必要がある。
従って、装置のコスト及び大きさを低減し、且つ改質反応のための熱を供給するために必要となる燃料の量を低減しつつ、より多くの炭化水素をシンガスに変換するシステム及び方法の必要性が存在する。
本発明の上述の特徴が詳細に理解されるように、上記で簡単に説明した本発明について、実施形態を参照しながらより具体的に説明することができる。これらの実施形態のいくつかは、添付の図面で例示されている。しかしながら、添付の図面は、本発明の単に典型的な実施形態を例示するものにすぎない。従って、本発明は他の同等に有効な実施形態を認めることができるため、添付の図面は本発明の範囲を制限するものとして認識されない。
記載した１つ以上の実施形態による、シンガスを製造する例示的システムを示している。 記載した１つ以上の実施形態による、アンモニアを製造する例示的システムを示している。 記載した１つ以上の実施形態による、アンモニア合成のためにシンガスを精製する例示的精製システムを示している。
［詳細な説明］
以下に、詳細な説明を行う。添付された請求項のそれぞれは、個別の発明を定義するものである。この個々の発明は、侵害目的のため、請求項に明記された様々な要素または制限の均等物を含むものとして認識される。以下の「発明」の参照は全て、文脈により、一定の具体的な実施形態だけを参照する場合もあり得る。他の場合は、本「発明」の参照は、１つ以上であるが必ずしも全てではない請求項に記載された主題を参照するものとして認識されよう。これらの発明のそれぞれについて、具体的な実施形態、バージョン及び実施例を含みながら、以下にさらに詳細に説明するが、これらの発明は、これらの実施形態、バージョン又は実施例に制限されない。本特許に含まれる情報を入手可能な情報及び技術と組み合わせれば、当業者がこれらの発明を作製及び使用できるように、このような実施形態、バージョン又は実施例が含まれる。
シンガスを製造するシステム及び方法を提供する。少なくとも１つの具体的な実施形態において、第１反応ゾーン内で、蒸気と１つ以上の第１触媒の存在下で炭化水素を改質し、第１温度の炭化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、及び水素の一部を含有する流出物を供給することができる。第１反応ゾーンは、１つ以上の触媒を含有する管を含み得る。流出物を第１温度から第２温度に間接的に加熱することができる。１つ以上の酸化剤と１つ以上の第２触媒の存在下で、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、及び約５モル％未満の無水ベースのメタンを含むシンガスを供給するために十分な条件で、第２温度の流出物を改質することができる。このようにして供給されたシンガスを使って、流出物を第１温度から第２温度に間接的に加熱することができる。
各図を参照すると、図１は、１つ以上の実施形態によるシンガスを製造する例示的システム１００を示している。１つ以上の実施形態において、システム１００は、１つ以上の改質器（「一次改質器」）１０５、１つ以上の熱交換器１１０、及び１つ以上の改質器（「二次改質器」）１１５を含み得る。ライン１０１を介して炭化水素供給材料を、及び、ライン１０３を介して蒸気を、１つ以上の一次改質器１０５に導入し、ライン１０７を介して第１の改質された炭化水素（「流出物」）を供給することができる。
１つ以上の実施形態において、ライン１０１中の炭化水素は、１つ以上の液体又は気体の炭化水素類、これらの混合物、又はこれらの任意の組み合わせを含み得る。１つ以上の実施形態において、ライン１０１中の炭化水素は、メタン、エタン、プロパン、ブタン、又はこれらの任意の組み合わせを含み得る。例えば、ライン１０１中の炭化水素中のメタン濃度は、下限約３０体積％、約５０体積％、又は約７５体積％から、上限約９５体積％、約９９体積％、又は約９９．９体積％までの範囲であり得る。残余は、Ｃ2、Ｃ3、及びより重い炭化水素類を含む。１つ以上の実施形態において、ライン１０１中の炭化水素の圧力は、下限約７００ｋＰａ、約１，０００ｋＰａ、又は約１，４００ｋＰａから、上限約４，０００ｋＰａ、約４，７５０ｋＰａ、又は約５，５００ｋＰａまでの範囲であり得る。図示されていないが、１つ以上の一次改質器１０５に導入する前に、ライン１０１中の炭化水素を予熱することができる。１つ以上の実施形態において、ライン１０１中の炭化水素は、約４００℃〜約６００℃の範囲の温度まで予熱することができる。
１つ以上の実施形態において、ライン１０３を介して導入される蒸気を、ライン１０１中の炭化水素又は１つ以上の一次改質器１０５に導入することができる。１つ以上の実施形態において、ライン１０３及び１０１内の蒸気対炭素のモル比は、それぞれ約２．５から約４までの範囲、約２．５から約３．５までの範囲、又は約３から約４までの範囲であり得る。１つ以上の実施形態において、ライン１０３中の蒸気の圧力は、下限約７００ｋＰａ、約１，０００ｋＰａ、又は約１，４００ｋＰａから、上限約４，０００ｋＰａ、約４，７５０ｋＰａ、又は約５，５００ｋＰａまでの範囲であり得る。
ライン１０７中の流出物の温度（「第１温度」）は、ライン１０１中の炭化水素より高い。ライン１０７中の流出物は、水素（「Ｈ2」）、二酸化炭素（「ＣＯ2」）、一酸化炭素（「ＣＯ」）、窒素、アルゴン、水、及びメタンを含み得るが、これに限定されない。１つ以上の実施形態において、ライン１０７中の流出物のＨ2濃度は、下限約３１モル％、約３３モル％、又は約３５モル％から、上限約３９モル％、約４１モル％、又は約４３モル％までの範囲であり得る。１つ以上の実施形態において、ライン１０７中の流出物のＣＯ濃度は、下限約３モル％、約３．５モル％、又は約４モル％から、上限約５モル％、約５．５モル％、又は約６モル％までの範囲であり得る。１つ以上の実施形態において、ライン１０７中の流出物中のＣＯ2濃度は、下限約４モル％、約４．５モル％、又は約５モル％から、上限約６モル％、約６．５モル％、又は約７モル％までの範囲であり得る。１つ以上の実施形態において、ライン１０７中の流出物のＨ2Ｏ濃度は、下限約３８モル％、約４０モル％又は約４２モル％から、上限約４７モル％、約４９モル％、又は約５１モル％までの範囲であり得る。１つ以上の実施形態において、ライン１０７中の流出物のメタン濃度は、下限約６モル％、約７モル％、又は約８モル％から、上限約１０モル％、約１１モル％、又は約１２モル％までの範囲であり得る。例えば、少なくとも１つの具体的な実施形態において、ライン１０７中の流出物は、約３５モル％〜約３９モル％のＨ2、約４モル％〜約５モル％のＣＯ、約６モル％〜約８モル％のＣＯ2、約８モル％〜約１０モル％のメタン、及び約４２モル％〜約４７モル％のＨ2Ｏを含み得る。
１つ以上の実施形態において、第１温度は、下限約６５０℃、約６７５℃、又は約７００℃から、上限約７３０℃、約７４０℃、又は約７５０℃の範囲であり得る。１つ以上の実施形態において、第１温度は、約７１５℃、約７２５℃、又は約７３５℃であり得る。１つ以上の実施形態において、第１温度は、少なくとも７００℃、少なくとも７１０℃、少なくとも７１５℃、又は少なくとも７２０℃であり得る。
１つ以上の実施形態において、１つ以上の一次改質器１０５内の第１温度の流出物を１つ以上の一次改質器１０５から直接除去し、冷却することなく１つ以上の熱交換器１１０に送ることができる。１つ以上の実施形態において、１つ以上の一次改質器１０５内の第１温度の流出物を、１つ以上の一次改質器から直接除去し、１つ以上の一次改質器１０５内の第１温度の流出物を冷却することなく、１つ以上の熱交換器１１０に送ることができる。１つ以上の一次改質器１０５と１つ以上の熱交換器１１０間のライン１０７中の流出物の熱損失は、輸送中の周囲環境への熱損失のみであり得る。言い換えれば、流出物には何ら作用は働かない。
１つ以上の実施形態において、ライン１０１を介して導入される炭化水素の温度を改善して、単調増加した温度を有する流出物を、ライン１０７を介して供給することができる。本明細書中で使用される場合、「単調」という用語は、一貫して上昇又は一貫して下降するが、相対値は変動しない温度変化を意味する。例えば、温度５００℃でライン１０１を介して一次改質器１０５に導入される炭化水素を、温度約６５０℃以上まで単調増加させ、１つ以上の一次改質器からライン１０７を介して回収することができる。
１つ以上の実施形態において、１つ以上の熱交換器１１０を用いて、ライン１０７中の第１温度の流出物を加熱することができる。ライン１１６を介して導入される生のシンガスを用いて、１つ以上の熱交換器１１０内で流出物を間接的に加熱することができる。１つ以上の実施形態において、１つ以上の二次改質器１１５によって、ライン１１６中の生のシンガスを供給することができる。ライン１１２中の流出物の温度（「第２温度」）は、ライン１０７中の流出物より高い。ライン１１７中の生のシンガス（「冷却された生のシンガス」）の温度は、ライン１１６中の生のシンガスより低い。
１つ以上の実施形態において、第２温度は、下限約８５０℃、約８６０℃、又は約８７０℃から、上限約９１０℃、約９２０℃、又は約９３０℃までの範囲であり得る。１つ以上の実施形態において、第２温度は、約８７５℃、約８８５℃、又は約８９５℃であり得る。
１つ以上の実施形態において、ライン１１６中の生のシンガスの温度は、下限約９６０℃、約９７０℃、又は約９８０℃から、上限約１，０１０℃、約１，０２０℃、又は約１，０３０℃までの範囲であり得る。１つ以上の実施形態において、ライン１１６中の生のシンガスの温度は、約９９５℃、約１，０００℃、又は約１，００５℃であり得る。１つ以上の実施形態において、ライン１１７中の冷却された生のシンガスの温度は、下限約８６０℃、約８７０℃、又は約８８０℃から、上限約９００℃、約９１０℃、又は約９２０℃までの範囲であり得る。１つ以上の実施形態において、ライン１１７中の冷却された生のシンガスの温度は、約８８０℃、約８９０℃、又は約９００℃であり得る。
１つ以上の実施形態において、ライン１０７中の流出物の温度は、１つ以上の熱交換器１１０内での間接的な熱交換により、約１５０℃以上、約１６５℃以上、約１８５℃以上、約２００℃以上、又は約２１５℃以上、上昇し得る。１つ以上の実施形態において、ライン１１６中の生のシンガスの温度は、１つ以上の熱交換器１１０内での間接的な熱交換により、約８０℃以上、約１００℃以上、約１２０℃以上、約１３０℃以上、又は約１４０℃以上、下降し得る。
ライン１１２中の加熱された流出物を１つ以上の二次改質器１１５に導入し、ライン１１６を介して生のシンガスを供給することができる。１つ以上の実施形態において、ライン１１４を介して酸化剤を二次改質器１１５に導入することができる。１つ以上の実施形態において、酸化剤を１つ以上の圧縮機を用いて圧縮し、圧縮された酸化剤を、ライン１１４を介して供給することができる。１つ以上の実施形態において、酸化剤は、約２１モル％酸素、約７８モル％窒素、及び約１モル％アルゴンを含む空気であり得る。１つ以上の実施形態において、酸化剤は、酸素富化空気、窒素富化空気、又は例えば窒素が５モル％未満の窒素希薄空気であり得る。ライン１１４中の圧縮された酸化剤の圧力は、下限約７００ｋＰａ、約１，０００ｋＰａ、又は約１，４００ｋＰａから、上限約４，０００ｋＰａ、約４，７５０ｋＰａ、又は約５，５００ｋＰａまでの範囲であり得る。図示されていないが、酸化剤は、温度約５００℃以上、約５５０℃以上、約６００℃以上、約７００℃以上、又は約８００℃以上まで予熱することができる。
１つ以上の実施形態において、ライン１１６中の生のシンガスは、Ｈ2、ＣＯ2、ＣＯ、窒素、アルゴン、水、及びメタンを含み得るが、これに限定されない。ライン１１６中の生のシンガスは、約５モル％未満の無水ベースメタン、約３モル％未満の無水ベースメタン、約１モル％未満の無水ベースメタン、約０．７モル％未満の無水ベースメタン、約０．５モル％未満の無水ベースメタン、約０．４モル％未満の無水ベースメタン、又は約０．３モル％未満の無水ベースメタンを含み得る。
１つ以上の実施形態において、一次改質器１０５からのライン１０７中の流出物の温度を上昇させることにより、二次改質器１１５内の水蒸気改質反応を向上させることができる。流出物の温度が上昇すると、流出物中に存在するより多くの炭化水素類、例えばメタン及び／又はその他の炭化水素類を、Ｈ2及びＣＯに変換することができる。流出物中に存在する炭化水素類のＨ2及びＣＯへの変換率を高めることにより、ライン１０１を介して必要とされる炭化水素類の量、ライン１０３を介して必要とされる蒸気の量、一次改質器１１５を加熱するために必要とされる燃料の量、及びその他のプロセス蒸気を低減することができる。例えば、ライン１０１を介する炭化水素及びライン１０３を介する蒸気を、約７％、約１０％、又は約１３％低減しても、炭化水素変換率の上昇により、ライン１１６を介する生のシンガス中に同量のＨ2及びＣＯを供給することができる。ライン１１６中の生のシンガスからライン１０７中の流出物に熱を伝達することによる別の利点として、装置の大きさを縮小でき、資本コストの低減につながる点が挙げられる。
１つ以上の実施形態において、１つ以上の一次改質器１０５を加熱するために必要とされる燃料は、約５％以上、約７％以上、約９％以上、又は約１１％以上低減することができる。１つ以上の二次改質器１１５に導入する前にライン１０７中の流出物の温度を上昇させることの別の利点としては、二次改質器１１５によって供給されるライン１１６中の生のシンガス中に存在する炭化水素類の量が減ることが挙げられる。二次改質器１１５内での炭化水素類のＨ2及びＣＯへの変換率をさらに高めることにより、下流の棄却ガス及び／又は再利用ガス（図示せず）を減らすことができる。例えば、下流の棄却ガス流を、約８％、約１０％、又は約１３％減らすことができるため、プロセス効率が向上する。１つ以上の実施形態において、アンモニア１Ｍｔ当り約０．１Ｇｃａｌ以上、アンモニア１Ｍｔ当り約０．１２Ｇｃａｌ以上、又はアンモニア１Ｍｔ当り約０．１４Ｇｃａｌ以上のエネルギー消費を削減することができる。
１つ以上の一次改質器１０５、１つ以上の二次改質器１１５、又は一次改質器１０５及び二次改質器１１５の両方は、１つ以上の触媒を含み得る。１つ以上の触媒は、貴金属、コバルト、ニッケル、これらの酸化物、これらの誘導体、又はこれらの組み合わせを含み得るが、これに限定されない。１つ以上の触媒は、１つ以上の支持材料で支持することができる。１つ以上の支持材料は、アルミナ、耐火アルミナ、アルミン酸マグネシウム、アルミン酸カルシウム、アルミン酸チタン酸カルシウム（ｃａｌｃｉｕｍ ａｌｕｍｉｎａｔｅ ｔｉｔａｎａｔｅ）、ジルコニア、セリウム修飾されたジルコニア、又はこれらの任意の組み合わせを含み得るが、これに限定されない。例示的なニッケルを含む触媒のニッケル含有量は、下限約５重量％、約１０重量％、又は約１２重量％から、上限約１５重量％、約２０重量％、又は約２５重量％までの範囲であり得る。１つ以上の一次改質器１０５内で用いられる（ｄｉｓｐｏｓｅｄ）１つ以上の触媒は、１つ以上の二次改質器１１０内で用いられる１つ以上の触媒と同一であり得る。１つ以上の一次改質器１０５内で用いられる１つ以上の触媒は、１つ以上の二次改質器１１０内で用いられる１つ以上の触媒と異なり得る。例えば、１つ以上の一次改質器１０５内で用いられるニッケル含有触媒は、約１５重量％〜約２０重量％のニッケルを含み、１つ以上の二次改質器１１０内で用いられるニッケル含有触媒は、約１０％〜約１５％のニッケルを含み得る。
触媒は、例えばブリケット化、タブレット化等の様々な方法によって、任意の所望の形状又は形態に調製することができる。触媒の形状は、押出しされた円柱、ブリケット化された円柱、又はタブレット化された円柱、ポリローバル（ｐｏｌｙｌｏｂａｌ）押出物、球体、環、中空コア円柱、固体円柱、内側の表面及び／又は外側の表面に溝を有する中空コア円柱、又は任意のその他の適切な幾何学的形状の形態であり得る。
１つ以上の一次改質器１０５は、任意の適切な種類の改質器であり得る。例えば、１つ以上の一次改質器１０５は、放射加熱された、単一壁の、触媒を含有する複数の管であり得る。１つ以上の一次改質器１０５は、２００以上の管、４００以上の管、５００以上の管、６００以上の管、７００以上の管、８００以上の管、９００以上の管、又は１，０００以上の管を含み得る。１つ以上の実施形態において、管の内径は、下限約４０ｍｍ、下限約５０ｍｍ、又は下限約６５ｍｍから、上限約９０ｍｍ、上限約１００ｍｍ、又は上限約１１５ｍｍ以上までの範囲であり得る。例えば、１つ以上の管の内径は、約７０ｍｍ、約７５ｍｍ、又は約８０ｍｍであり得る。１つ以上の実施形態において、１つ以上の触媒管の直径は、管の半径方向温度勾配を縮小又は最小化し得る。
１つ以上の実施形態において、ライン１０１を介して１つ以上の一次改質器１０５に導入される炭化水素は、前記複数の管を貫流し、ライン１０７と流体連通し得るマニホールド収集システム（図示せず）を介して回収することができる。例えば、前記複数の管は、水平に、垂直に、又は相互に任意の角度で、取り付けることができる。また、ライン１０１を介して導入される炭化水素は、ライン１０１と流体連通する管の第１端部から、ライン１０７と流体連通し得る複数の管の第２端部まで、流れ得る。
１つ以上の実施形態において、１つ以上の二次改質器１１５は、任意の適切な種類の改質器であり得る。例えば、１つ以上の二次改質器１１５は、内部断熱された改質器であり得る。この内部断熱した改質器は、水ジャケット等の１つ以上の冷却システムを介して外側で冷却することもできる。１つ以上の二次改質器１１５は、任意の配置、任意の構成、及び／又は任意の方向の１つ以上の触媒を含み得る。１つ以上の触媒床は、固定床、流動床、沸騰床、スラリー床、移動床、気泡床、任意のその他の適切な種類の触媒床、又はこれらの組み合わせを含み得る。１つ以上の実施形態において、１つ以上の二次改質器１１５は、例えば、２層に設定された固定単一床ニッケル触媒を含み得る。
図２は、１つ以上の実施形態による例示的アンモニア製造システム２００を示している。１つ以上の実施形態において、システム２００は、１つ以上の一次改質器１０５、二次改質器１１５、シフト変換器システム１２５、シンガス精製システム（２つのシンガス精製システム１３５、１４０が図示されている）、アンモニア合成システム１４５、及び１つ以上の熱交換器（３つの熱交換器１１０、１２０、１３０が図示されている）を含み得る。１つ以上の実施形態において、一次改質器１０５及び二次改質器１１５、及び熱交換器１１０は、図１を参照しながら上述したものと同様であり得る。
１つ以上の実施形態において、図１を参照しながら上述したように、二次改質器１１５からライン１１７を介して生のシンガスを回収することができる。ライン１１７を介して１つ以上の熱交換器１２０に生のシンガスを導入して、さらに冷却された生のシンガスを、ライン１２２を介して供給することができる。１つ以上の熱交換器１２０内において、ライン１１７を介して導入される生のシンガスから、ライン１１８を介して導入される熱伝達媒体に、熱を間接的に伝達することができる。ライン１１８を介して導入される適切な熱伝達媒体は、水、廃水、プラント内部からの別のプロセス供給物、これらの混合物、又はこれらの組み合わせを含み得るが、これに限定されない。例えば、ライン１１８中の熱伝達媒体は、ボイラー供給水であり得る。１つ以上の実施形態において、ライン１２１を介して蒸気を、及び生成物ライン１２２を介して冷却された生のシンガスを、それぞれ回収することができる。
間接的な熱交換からライン１２１を介して供給される蒸気は、低圧の蒸気、中圧の蒸気、又は高圧の蒸気であり得る。１つ以上の実施形態において、ライン１２１中の蒸気の温度は、約２００℃以上、３００℃以上、４００℃以上、４５０℃以上、４７５℃以上、又は５００℃以上であり得る。１つ以上の実施形態において、ライン１２１中の蒸気の圧力は、下限約２００ｋＰａ、下限約４００ｋＰａ、又は下限約６００ｋＰａから、上限約４，２００ｋＰａ、上限約６，２００ｋＰａ、上限約８，５００ｋＰａ、又は上限約１２，５００ｋＰａ以上の範囲であり得る。
１つ以上の熱交換器１２０は、１つの流体から別の流体に熱を間接的に伝達するのに適切な任意のシステム、装置、あるいはシステム及び／又は装置の組み合わせであり得るか、又はこれらを含み得る。例えば、熱交換器１２０は、１つ以上のシェルアンドチューブ式熱交換器、プレートアンドフレーム式熱交換器、渦巻式熱交換器、Ｕチューブ型熱交換器、及び／又はバイオネット管（ｂａｙｏｎｅｔ）式熱交換器であり得るか、又はこれらを含み得る。１つ以上の実施形態において、１つ以上の熱交換器１２０は、表面増強管（例えば、フィン、静的ミキサー、旋条、熱伝導パッキング、乱流を起こさせる突起、又はこれらの任意の組み合わせ）等を含み得る。
１つ以上の実施形態において、冷却された生のシンガスを、ライン１２２を介して１つ以上のシフト変換器システム１２５に導入し、シフト変換されたシンガスを、ライン１２７を介して供給することができる。１つ以上のシフト変換器システム１２５は、一酸化炭素を二酸化炭素に変換することにより、シンガスの水素対一酸化炭素比（「Ｈ2：ＣＯ」）を調節することができる。１つ以上のシフト変換器内において、水−ガスシフト反応により、触媒の存在下及び／又は高温下で、ライン１２２を介して導入される冷却された生のシンガス中の一酸化炭素の少なくとも一部を水と反応させ、水素及び二酸化炭素を生成することができる。１つ以上のシフト反応器は、単段階断熱固定床反応器、中間冷却機能を有する多段階断熱固定床反応器、蒸気発生又は低温急冷（ｃｏｌｄ ｑｕｅｎｃｈ）反応器、蒸気発生機能又は冷却機能を有する管状固定床反応器、流動床反応器、又はこれらの任意の組み合わせを含み得るが、これに限定されない。例えば、シフト触媒及び高温（約４７５℃）の二酸化炭素吸着剤を詰め込んだ複数の固定床反応器を有する圧力スイング吸着装置を利用して、吸着増強水−ガスシフト（「ＳＥＷＧＳ」）プロセスを用いることができる。
１つ以上の実施形態において、１つ以上のシフト変換器システム１２５は、直列及び／又は並列に配置された２つ以上の反応器を含み得る。１つ以上のシフト変換器システム１２５は、１つ以上の高温シフト変換器（「ＨＴＳＣ」）、１つ以上の中温シフト変換器（「ＭＴＳＣ」）、１つ以上の低温シフト変換器（「ＬＴＳＣ」）、又はこれらの任意の組み合わせを含み得る。１つ以上の実施形態において、シンガスの少なくとも一部を、ライン１２２を介して、１つ以上のＨＴＳＣ、ＭＴＳＣ、及び／又はＬＴＳＣ、並びに／あるいはこれらの組み合わせに、任意の順番で導入することができる。
ライン１２７を介して供給されるシフト変換されたシンガスに含まれ得る一酸化炭素は、ライン１２２を介して導入される冷却された生のシンガスより少ない。ライン１２７を介する変換されたシンガスは、約５モル％以下の無水ベース一酸化炭素、約３モル％以下の無水ベース一酸化炭素、約２モル％以下の無水ベース一酸化炭素、約１モル％以下の無水ベース一酸化炭素、又は約０．５モル％以下の無水ベース一酸化炭素を含み得る。
シンガスは、ライン１２２を介して、ＨＴＳＣ、ＭＴＳＣ、ＬＴＳＣのうちの任意の１つ以上に均等に又は不均等に配分することができる。例えば、ライン１２２を介して、冷却された生のシンガスの約７５体積％をＨＴＳＣに導入し、約２５％をＭＴＳＣに導入することができる。シンガスをＨＴＳＣおよびＭＴＳＣに導入した後、変換されたシンガスを、ＨＴＳＣ及びＭＴＳＣから１つ以上の熱交換器１３０及び／又はシンガス精製システム１３５に導入することができる。
１つ以上の実施形態において、１つ以上のＨＴＳＣ、ＭＴＳＣ、及び／又は、ＬＴＳＣは、１つ以上の触媒を含み得る。１つ以上のＨＴＳＣ、ＭＴＳＣ、及び／又は、ＬＴＳＣ内において、一酸化炭素を酸化するために十分な温度、且つ１つ以上の触媒の存在下で一酸化炭素を反応させることにより、１つ以上のＨＴＳＣ、ＭＴＳＣ、及びＬＴＳＣは、ライン１２２中の冷却された生のシンガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変換することができる。１つ以上のＨＴＳＣ内の触媒は、酸化鉄、亜鉛フェライト、磁鉄鉱、酸化クロム、これらの誘導体、又はこれらの任意の組み合わせを含み得るが、これに限定されない。１つ以上のＨＴＳＣは、約３２５℃〜約５５０℃の温度で作動することができる。１つ以上のＭＴＳＣ内で用いられる触媒は、酸化鉄、酸化クロム、これらの誘導体、又はこれらの任意の組み合わせを含み得るが、これに限定されない。１つ以上のＭＴＳＣは、約２５０℃〜約３００℃の温度で作動することができる。１つ以上のＬＴＳＣ内で用いられる触媒は、銅、亜鉛、銅促進クロミア、これらの誘導体、又はこれらの任意の組み合わせを含み得るが、これに限定されない。１つ以上のＬＴＳＣは、約１８０℃〜約２２０℃の温度で作動することができる。
１つ以上の実施形態において、シンガスを、ライン１２７を介して１つ以上の熱交換器１３０に導入し、冷却され、シフト変換されたシンガスを、ライン１３２を介して供給することができる。ライン１２７を介して導入されるシフト変換されたシンガスから、ライン１２８を介して導入される熱伝達媒体へ、熱を間接的に伝達することができる。１つ以上の実施形態において、１つ以上の適切な熱伝達媒体を、ライン１２８を介して１つ以上の熱交換器１３０に導入することができる。ライン１２８を介して導入される熱伝達媒体は、水、廃水、プラント内からの別のプロセス供給物、これらの混合物、又はこれらの組み合わせであり得るが、これに限定されない。１つ以上の実施形態において、ライン１３３を介して、蒸気を供給することができる。ライン１３３を介して供給される蒸気は、低圧の蒸気、中圧の蒸気、又は高圧の蒸気であり得る。図示されていないが、ライン１１８中の１つ以上の熱伝達媒体をライン１２７中のシンガスに導入することにより、ライン１２７中のシンガスを直接冷却することができる。
１つ以上の熱交換器１２０は、１つの流体から別の流体に熱を間接的に伝達するのに適切な任意のシステム、装置、あるいはシステム及び／又は装置の組み合わせであり得るか、又はこれらを含み得る。例えば、１つ以上の熱交換器１２０は、１つ以上のシェルアンドチューブ式熱交換器、プレートアンドフレーム式熱交換器、渦巻式熱交換器、Ｕチューブ型熱交換器、及び／又はバイオネット管（ｂａｙｏｎｅｔ）式熱交換器であり得るか、又はこれらを含み得る。１つ以上の実施形態において、１つ以上の熱交換器１２０は、表面増強管（例えば、フィン、静的ミキサー、旋条、熱伝導パッキング、乱流を起こさせる突起、又はこれらの任意の組み合わせ）等を含み得る。
１つ以上の実施形態において、冷却され、シフト変換されたシンガスを、ライン１３２を介してシンガス精製システム１３５に導入することができる。１つ以上の実施形態において、シンガス精製システム１３５は、１つ以上の二酸化炭素除去システム、メタン化炉（Ｍｅｔｈａｎａｔｏｒ）、乾燥機、又はこれらの任意の組み合わせを含み得るが、これに限定されない。１つ以上の実施形態において、冷却され、シフト変換されたシンガスを、ライン１３２を介して１つ以上の二酸化炭素除去システムに導入し、二酸化炭素の少なくとも一部を除去することができる。
シンガス精製システム１３５内の１つ以上の二酸化炭素除去システムは、変換されたシンガスから二酸化炭素を選択的に分離し、二酸化炭素希薄シンガスと二酸化炭素を供給することができる。分離された二酸化炭素は、ライン１３８を介して回収することができる。１つ以上の実施形態において、シンガス精製システム１３５内の１つ以上のメタン化炉（Ｍｅｔｈａｎａｔｏｒ）及び／又は１つ以上の乾燥機に、二酸化炭素希薄シンガスを選択的に導入することができる。
二酸化炭素希薄シンガスは、シンガス精製システム１３５内の１つ以上のメタン化炉に導入して、任意の一酸化炭素及び／又は二酸化炭素の少なくとも一部をメタン及び水に変換することができる。例えば、シンガス中の一酸化炭素と二酸化炭素の合計は、一酸化炭素と二酸化炭素の合計量の約１０００ｐｐｍｗ未満、約７５０ｐｐｍｗ未満、約５００ｐｐｍｗ未満であり得る。１つ以上の実施形態において、一酸化炭素及び二酸化炭素が希薄なシンガスをシンガス精製システム１３５内の１つ以上の乾燥機に導入し、ライン１３９を介する水と、乾燥したシンガスを供給することができる。１つ以上の乾燥機は、一酸化炭素及び二酸化炭素が希薄なシンガス中の任意の水の少なくとも一部を除去又は分離し、乾燥したシンガスを供給することができる。
シンガス精製システム１３５がライン１３７を介して供給できるシンガスの水素濃度は、下限約４０モル％、約５０モル％、又は約５５モル％から、上限約７５モル％、約８０モル％、又は約８５モル％までの範囲であり得る。ライン１３７中のシンガスの窒素濃度は、下限約１０モル％、約２０モル％、又は約２５モル％から、上限約４０モル％、約４５モル％、又は約５０モル％までの範囲であり得る。ライン１３７中のシンガスのメタン濃度は、約４モル％未満、約３モル％未満、約２モル％未満、約１モル％未満、又は約０．９モル％未満であり得る。ライン１３７中のシンガスの酸素濃度は、約０．１モル％〜約５モル％、約０．５モル％〜約４モル％、又は約０．８モル％〜約３モル％であり得る。ライン１３７中のシンガスのアルゴン濃度は、約０．０５モル％〜約２モル％、約０．１モル％〜約１．５モル％、又は約０．１モル％〜約１モル％の範囲であり得る。水素対窒素（Ｈ2：Ｎ2）モル比は、約１．５：１〜約５：１、約２：１〜約４：１、又は約２．２：１〜約３．２：１の範囲であり得る。Ｈ2：Ｎ2モル比は、約１．６：１、約１．８：１、約１．９：１、約２．１：１、約２．２：１、約２．３：１、又は約２．４：１であり得る。
ライン１３７中のシンガスの圧力は、約１，０００ｋＰａ〜約２０，８００ｋＰａ、約２，０００ｋＰａ〜約１３，７００ｋＰａ、又は約３，０００ｋＰａ〜約１０，４００ｋＰａの範囲であり得る。ライン１３７中のシンガスの温度は、約−１００℃〜約１００℃、約−５０℃〜約５０℃、又は約−２５℃〜約２５℃の範囲であり得る。
１つ以上の二酸化炭素除去システムは、直列、並列、又はこれらの任意の組み合わせで構成された、物理的、機械的、電気的及び／又は化学的システムの任意の１つ、又は、上記の各システムの組み合わせを含み得る。１つ以上の実施形態において、１つ以上の二酸化炭素除去システムは、膜型システム及び溶媒ベースシステムを含むがこれに限定されない、１つ以上の物理的分離システムを含み得る。例えば、１つ以上の二酸化炭素除去システムは、吸収／脱着型溶媒ベースシテムを含み得るが、これに限定されない。二酸化炭素除去システムは、ライン１３２を介して導入されるシンガスを１つ以上の吸収剤と接触させ、二酸化炭素の少なくとも一部を除去することができる。二酸化炭素選択的吸着剤は、モノエタノールアミン（「ＭＥＡ」）、ジエタノールアミン（「ＤＥＡ」）、トリエタノールアミン（「ＴＥＡ」）、炭酸カリウム、メチルジエタノールアミン（「ＭＤＥＡ」）、活性メチルジエタノールアミン（「ａＭＤＥＡ」）、ジグリコールアミン（「ＤＧＡ」）、ジイソプロパノールアミン（「ＤＩＰＡ」）、これらの誘導体、これらの混合物、又はこれらの任意の組み合わせを含み得るが、これに限定されない。その他の適切な吸着剤及び技術は、プロピレンカーボネート物理吸着溶媒等のアルキルカーボネート、２〜１２のグリコール単位のポリエチレングリコールのジメチルエーテル（Ｓｅｌｅｘｏｌ（商標）法）、ｎ−メチル−ピロリドン、スルホラン、及びＳｕｌｆｉｎｏｌ（登録商標）ガス処理法の使用を含み得るが、これに限定されない。
１つ以上のメタン化炉は、一酸化炭素及び二酸化炭素をメタンに変換する、直列、並列、又はこれらの任意の組み合わせで構成された、物理的、機械的、電気的及び／又は化学的システムの任意の１つ又は組み合わせを含み得る。１つ以上の実施形態において、１つ以上のメタン化炉は、任意の一酸化炭素及び／又は二酸化炭素の少なくとも一部をメタン及び水に変換又は反応させるために十分な温度で作動する触媒プロセスであり得る。１つ以上の触媒プロセスは、一酸化炭素及び二酸化炭素をメタンに変換するために適切な１つ以上の触媒を含む、直列又は並列に配置された１つ以上の触媒反応器を含み得る。適切なメタン化炉触媒は、ニッケル、希土類促進ニッケル（ｐｒｏｍｏｔｅｄ ｎｉｃｋｅｌ）、これらの誘導体、又はこれらの組み合わせを含み得るが、これに限定されない。メタン化炉の作動温度は、約２００℃〜約４００℃であり得る。一酸化炭素及び二酸化炭素が希薄なシンガスは、約５０ｐｐｍ以下の一酸化炭素及び二酸化炭素、又は約３０ｐｐｍ以下の一酸化炭素及び二酸化炭素、又は約１０ｐｐｍ以下の一酸化炭素及び二酸化炭素を含有し得る。
１つ以上の乾燥機は、１つ以上のモレキュラーシーブ、吸収剤、吸着剤、フラッシュタンク分離器、焼却炉、又はこれらの任意の組み合わせを含み得るが、これに限定されない。適切な吸収剤は、グリコール、アルカリ土類ハロゲン化物塩、これらの誘導体、又はこれらの混合物を含み得るが、これに限定されない。適切な吸着剤は、活性アルミナ、シリカゲル、モレキュラーシーブ、活性炭、これらの誘導体、又はこれらの混合物を含み得るが、これに限定されない。
１つ以上の実施形態において、ライン１３７中のシンガスを１つ以上の精製システム１４０に導入することができる。１つ以上の精製システム１４０において、過剰な窒素、アルゴン、酸素、及びメタン等の１つ以上の汚染物質を除去し、汚染物質希薄ガス混合物又は精製されたシンガスを、ライン１４２を介して供給することができる。１つ以上の精製システム１４０を使用して、過剰な窒素（即ちＨ2：Ｎ2モル比約２．２：１〜約３．２：１を提供するために必要な量を超える窒素）を含む任意の汚染物質を、ライン２０５中の圧縮されたガス混合物から除去又は分離することができる。１つ以上の実施形態において、１つ以上の精製システム１４０は、−１５０℃未満の温度で作動する１つ以上の低温型分離器を含み得る。１つ以上の汚染物質及び／又は過剰な窒素は、１つ以上の精製システム１４０からライン１４４を介して、廃棄ガスとして除去することができる。
１つ以上の実施形態において、ライン１４２中の精製されたシンガスのＨ2：Ｎ2モル比は、約２：１〜約４：１、又は約２．２：１〜約３．２：１の範囲であり得る。例えば、Ｈ2：Ｎ2モル比は、約２．９：１、約３：１、約３．１：１、又は約３．２：１であり得る。精製されたシンガス中の水素濃度は、約５０モル％〜約９０モル％、約６０モル％〜約８５モル％、又は約７０モル％〜約８０モル％の範囲であり得る。ライン１４２中の精製されたシンガス中の窒素濃度は、約１０モル％〜約４０モル％、約１５モル％〜約３５モル％、又は約２０モル％〜約３０モル％の範囲であり得る。ライン１４２中の精製されたシンガス中のメタン濃度は、約０．００１モル％〜約０．０５モル％、約０．００２モル％〜約０．０３モル％、又は約０．００５モル％〜約０．０１モル％の範囲であり得る。ライン１４２中の精製されたシンガス中の酸素濃度は、約０．００１モル％〜約０．０５モル％、約０．００２モル％〜約０．０３モル％、又は約０．００５モル％〜約０．０１モル％の範囲であり得る。ライン１４２中の精製されたシンガス中のアルゴン濃度は、約０．０５モル％〜約２モル％、約０．１モル％〜約１．５モル％、又は約０．１モル％〜約１モル％の範囲であり得る。
１つ以上の実施形態において、精製されたシンガスは、ライン１４２を介して１つ以上のアンモニア合成システム１４５に導入することができる。１つ以上のアンモニア合成システム１４５は、１つ以上のアンモニア変換器及び１つ以上のアンモニア凝縮器を含み得る。精製されたシンガス中に存在する窒素及び水素の少なくとも一部を組み合わせて、アンモニア変換器生成物（図示せず）を供給することができる。アンモニア変換器生成物のアンモニア濃度は、下限約５モル％、約１０モル％、又は約１５モル％から、上限約２５モル％、約３０モル％、又は約３５モル％の範囲であり得る。例えば、アンモニア変換器生成物のアンモニア濃度は、約１２モル％〜約２５モル％、又は約１６モル％〜約２２モル％の範囲であり得る。アンモニア変換器生成物の水素濃度は、下限約３０モル％、約４０モル％、又は約５０モル％から、上限約７０モル％、約７５モル％、又は約８０モル％の範囲であり得る。アンモニア変換器生成物の窒素濃度は、下限約５モル％、約１０モル％、又は約１５モル％から、上限約３０モル％、約３５モル％、又は約４０モル％の範囲であり得る。
１つ以上の実施形態において、１つ以上のアンモニア変換器は、１つ以上の磁鉄鉱触媒（ｍａｇｎｅｔｉｔｅ ｃａｔａｌｙｓｔｓ）を用いた従来のシングルパス又はマルチパス変換器であり得る。１つ以上の実施形態において、１つ以上のアンモニア変換器は、１つ以上の貴金属触媒、又はケロッグ ブラウン アンド ルート エルエルシー（Ｋｅｌｌｏｇｇ，Ｂｒｏｗｎ，ａｎｄ Ｒｏｏｔ ＬＬＣ）から入手可能なルテニウムをベースとしたＫＡＡＰ触媒等の１つ以上のルテニウムをベースとした触媒を用いた、シングルパス変換器又はマルチパス変換器であり得る。１つ以上の高活性貴金属触媒により、アンモニア合成ループ内の低圧力を使用することが可能となり、シングルバレル（ｓｉｎｇｌｅ ｂａｒｒｅｌ）アンモニア圧縮機（図示せず）の使用が可能となる。
１つ以上の実施形態において、１つ以上のアンモニア変換器は、例えば精製されたシンガスのような窒素及び水素を含有する供給ガスの少なくとも一部をアンモニアに変換するために高い圧力及び／又は温度で作動することが意図された任意の反応器を含み得る。１つ以上の実施形態において、１つ以上のアンモニア変換器は、米国特許第７，０８１，２３０号に記載の１つ以上の「分流アンモニア変換器（Ｓｐｌｉｔ−Ｆｌｏｗ Ａｍｍｏｎｉａ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ）」を含み得る。１つ以上の実施形態において、１つ以上のアンモニア変換器は、米国特許第６，１７１，５７０号に記載の１つ以上の「等温アンモニア変換器（Ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ Ａｍｍｏｎｉａ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ）」を含み得る。１つ以上の実施形態において、１つ以上のアンモニア変換器は、米国特許第６，１３２，６８７号に記載の１つ以上の「高活性触媒に適合した水平アンモニア変換器（Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ Ａｍｍｏｎｉａ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ａｄａｐｔｅｄ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ Ａｃｔｉｖｉｔｙ Ｃａｔａｌｙｓｔ）」を含み得る。１つ以上の実施形態において、１つ以上のアンモニア変換器は、２００７年１１月２６日に提出された米国仮特許出願第６０／９９０，２０７号に記載の１つ以上のアンモニア変換器を含み得る。
アンモニア変換器生成物は、１つ以上のアンモニア凝縮器に導入することができる。１つ以上のアンモニア凝縮器は、アンモニアを凝縮及び分離して、ライン１４７を介してアンモニア生成物（「最終生成物」）を供給し、ライン１４９を介して未反応水素及び／又は窒素ガス（「リサイクルシンガス」）又は（「棄却ガス」）を供給することができる。ライン１４７を介する最終生成物は、アンモニア、水素、及び窒素を含み得るが、これに限定されない。最終生成物は、最低約８５重量％、最低約９０重量％、最低約９５重量％、又は最低９９．９重量％のアンモニアを含み得る。ライン１４７を介する最終生成物は、水素と窒素を合わせて、最高約１５重量％、約１０重量％、約５重量％又は約０．１重量％を含み得る。
リサイクルシンガスは、上述のように、ライン１４９を介して１つ以上の精製装置１４０に送るか、及び／又は、１つ以上のシンガス精製システム１３５に含まれ得る１つ以上のメタン化炉及び／又は乾燥機に送るかして、再利用することができる。ライン１４９中のリサイクルシンガス中の水素濃度は、約４０モル％〜約９０モル％、約５０モル％〜約８５モル％、又は約６０モル％〜約８０モル％の範囲であり得る。ライン１４９中のリサイクルシンガス中の窒素濃度は、約１０モル％〜約６０モル％、約１５モル％〜約５０モル％、又は約２０モル％〜約４０モル％の範囲であり得る。
１つ以上のアンモニア凝縮器は、少なくとも水素及び窒素を含むガス混合物からアンモニアを選択的に分離可能な任意の機械的又は化学的システムを含み得る。１つ以上のアンモニア凝縮器は、１つ以上の冷凍交換器（ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ）及び１つ以上の冷凍圧縮機を含有する、１つ以上の低温清浄器を含み得る。
図３は、１つ以上の実施形態による、アンモニアを合成するためにシンガスを精製する例示的シンガス精製システム３００を示している。１つ以上の実施形態において、シンガス精製システム３００は、１つ以上の交差交換器（２つの交差交換器３０５、３２０が図示されている）、１つ以上の膨張器３１０、１つ以上の発電機３１５、１つ以上の蒸気−液体接触塔３３０、及び１つ以上の凝縮器（「熱交換器」）３４０を含み得るが、これに限定されない。シンガス精製システム３００は、ライン１３７を介して導入されるシンガスの組成の大きな違いに対応し得る。組成の違いは、シンガス中に含まれる炭化水素、窒素、一酸化炭素、及び二酸化炭素の量の変化を含み得るが、これに限定されない。
１つ以上の実施形態において、水素及び窒素を含有するシンガスは、ライン１３７を介して交差交換器３０５に導入することができる。１つ以上の実施形態において、ライン１４９中のリサイクルシンガスの少なくとも一部は、ライン１３７中のシンガスに導入することができる。ライン１３７中のシンガス及びライン１４９中のリサイクルシンガスは、図１及び２を参照しながら上述したものと同様である。ライン１３７を介して導入されるシンガス及び随意のリサイクルシンガスは、交差交換器３０５、３２０内において、ライン１４２中の低温の精製されたシンガス及びライン１４４中の低温の廃棄ガスにより、間接的に冷却することができる。ライン３０７を介するシンガスを、２つの交差交換器３０５、３２０間の膨張器３１９内で膨張させることにより、シンガスをさらに冷却し、且つ直接連結された発電機３１５を介してエネルギーを回収することができる。ジュール・トムソン（「Ｊ−Ｔ」）弁（図示せず）を用いて、膨張器を迂回又は補完することができる。１つ以上の実施形態において、膨張器３１９は、液体供給を受け、且つ液体又は蒸気流出物あるいは蒸気−液体流出物を生成する作業出力装置であり得る。流出物流体が液体である場合、膨張器３１９は、水力タービンであり得る。
交差交換器３２０からライン３２２を介して送られる冷却され部分的に液化したシンガスは、蒸気−液体接触塔３３０に導入され、さらに冷却、部分的に凝縮、及び精留されることで、ライン１４２を介して精製されたシンガスを供給することができる。ライン１４２中の精製されたシンガス及びライン１４４中の廃棄ガスは、図２を参照しながら上述したものと同様であり得る。
１つ以上の実施形態において、廃棄ガス流は、蒸気−液体接触塔からライン３３２を介して排出され、レベル制御弁３３３を横切り、熱交換器３４０内で冷却液として使用することができる。熱交換器３４０は、蒸気−液体接触塔３３２と随意に統合することができる。熱交換器３４０は、蒸気−液体接触塔３３２からの頂部蒸気を冷却及び部分的に凝縮し、塔３３０を還流し得るシンガス液体を供給することができる。ライン１４２を介する精製されたシンガスは、高圧で作動可能なアンモニア変換器（図示せず）内での変換のために圧縮することができる。ライン１３７を介して導入されるシンガス及びライン１４９を介して導入される随意のリサイクルシンガスにより生じる圧力低下により、精製システム３００の下流で再圧縮が必要となる。１つ以上の実施形態において、シンガスの再圧縮は、米国特許第７，０９０，８１６号に記載のように排除することができる。
１つ以上の実施形態において、蒸気−液体接触塔３３０内の条件により、ライン１４２中の精製されたシンガスの組成を決定することができる。例えば、冷凍が増加すれば精製されたシンガスの窒素内容物は減少し、冷凍が減少すれば精製されたシンガスの窒素内容物は増加する。ライン３２２を介して蒸気−液体接触塔に導入される部分的に液化したシンガスは、蒸気を供給することができる。ここで供給される蒸気は、接触ゾーン３３５を通って上方に流れ、窒素を吸収して蒸気の水素内容物を濃縮することができる。蒸気−液体接触ゾーン３３５は、不規則充填材料、構造化充填材料、１つ以上のトレイ、１つ以上のバッフル、又はこれらの任意の組み合わせであり得るか、又はこれらを含み得るが、これに限定されない。不規則充填材料は、ナッターリング、Ｉリング、Ｐリング、Ｒリング、ラシヒリング、サドルリング、Ａ−ＰＡＫリング、ポールリング（Ｐａｌｌ ｒｉｎｇ）、Ｕリング、又は任意の他の公知の種類の充填リング、又は充填リングの組み合わせを含み得るが、これに限定されない。構造化充填材料は、波板、圧着板、ガーゼ、格子、金網、一体型ハニカム構造物、又はこれらの任意の組み合わせを含み得るが、これに限定されない。１つ以上のトレイ及び／又はバッフルは、浮動式バルブトレイ、固定式バルブトレイ、シーブトレイ（ｓｉｅｖｅ ｔｒａｙｓ）、バブルキャップトレイ、カートリッジトレイ、デュアルフロートレイ（ｄｕａｌ ｆｌｏｗ ｔｒａｙｓ）、バッフルトレイ、シャワーデッキトレイ、ディスク・ドーナッツ型トレイ、オービットトレイ（ｏｒｂｉｔ ｔｒａｙｓ）、馬蹄型トレイ、スナップ取付け式バルブトレイ、チムニートレイ（ｃｈｉｍｎｅｙ ｔｒａｙｓ）、スリットトレイ、プレート、有孔トレイ、又はこれらの任意の組み合わせを含み得るが、これに限定されない。
蒸気は、接触ゾーン３３５の上端の蒸気上昇管３３７に入り、凝縮器３４０の上端の蒸気入口ゾーン３４２に流れ得る。蒸気は、凝縮器３４０のチューブ側を通過し、ライン３３２を介して凝縮器３４０のシェル側に導入される廃棄ガスとの間接的な熱交換により部分的に凝縮され、例えば水素等の低沸点成分をさらに豊富に含むシンガスを供給することができる。蒸気及び凝縮物は、凝縮器３４０を出て、ノックアウトゾーン３４４内で分離することができる。蒸気は、精製されたシンガスとして、ライン１４２を介して蒸気−液体接触塔３３０を出ることができる。凝縮物は、ノックアウトゾーン３４４下の液体シールウェル（ｌｉｑｕｉｄ ｓｅａｌ ｗｅｌｌ）３４６内に集まり、接触ゾーン３３５と流体連通することができる。凝縮物は、液体シールウェル３４６から溢れ出て、接触ゾーン３３５を通って液体−蒸気接触ゾーン３３０の底部まで下って流れ得る。廃棄ガスは、ライン１４４を介して回収され、上述のように交差交換器３０５、３２０に導入することができる。
以下の模擬プロセスを用いて、本発明の実施形態をさらに説明することができる。表１に示した以下の２つの模擬プロセスの結果は、図１及び２を参照しながら上述した１つ以上の実施形態による、（１）標準プロセス、及び（２）ライン１１６中の生のシンガスからライン１０７中の流出物に間接的に熱を交換するように修正した標準プロセスを示している。
Figure 2012510427
表１に示すように、ライン１１６中の生のシンガスからライン１０７中の流出物を間接的に加熱すること（「修正プロセス」）により、ライン１０１中の炭化水素供給材料及びライン１０３中の蒸気の両方を約１０％顕著に低減する。一次改質器１０５から求められる熱効率又は熱を約９％低減する。これは、一次改質器１０５を加熱するために必要とされる燃料の量の約７％の削減に相当する。修正プロセスの全体的なエネルギー消費については、約６．９４Ｇｃａｌ／Ｍｔのベースエネルギー消費から、約６．８２Ｇｃａｌ／Ｍｔに削減することができる。このようなエネルギー消費の削減により、約０．１２Ｇｃａｌ／Ｍｔの正味エネルギーが改善されるか、あるいは、約１．７％のエネルギーが削減される。
修正プロセスにより、ライン１１２を介して二次改質器１１５に導入される流出物の温度が上昇する。二次改質器１１５に導入される流出物の温度が上昇することにより、蒸気改質反応が向上し、従ってより多くのメタンをＨ2及びＣＯに改質でき、ひいてはプロセス効率が向上する。ライン１１６中の生のシンガスからライン１１２中の流出物に熱のいくらかを伝達することにより、ライン１０１を介して導入されるより大きなモル数の炭化水素が、Ｈ2及びＣＯに変換される。より大きなモル数の炭化水素がＨ2及びＣＯに変換されることにより、生のシンガス中の同量のＨ2及びＣＯを供給するために必要とされるライン１０１を介する炭化水素の量が低減される。このため、Ｈ2及びＣＯの同じ生成を維持しながらシンガス生成の増加又は全体的なスループットの減少のいずれかが可能となる。Ｈ2及びＣＯの同じ生成を維持しながらシンガス生成が増加すること、あるいは、全体的なスループットが減少することにより、装置サイズが縮小され、運転コスト削減に加え資本コストの削減が可能となる。さらに、ライン１４４を介して排出される廃棄ガスを、約１１％削減することができる。
一連の数値的上限及び一連の数値的下限を用いながら、具体的な実施形態及び特徴を説明してきた。任意の下限から任意の上限までの範囲は、特に記載のない限り熟慮されたものであることを理解すべきである。具体的な下限、上限及び範囲は、以下の１つ以上の請求項に明記されている。数値は全て、「約」又は「およそ」が付された数値であり、当業者が予測する実験誤差及び変動を考慮したものである。
様々な用語を上記で定義している。請求項で使用される用語が上記で定義されていない場合は、少なくとも１つの印刷された刊行物又は発行された特許で当業者が示した当該用語に与えられた最も意味の広い定義を当該用語に当てはめるものとする。さらに、本出願中に記載された全ての特許、試験手順、及びその他の文献は、かかる開示が本出願と矛盾しない限り、及びその援用が許可される全ての司法権において、その全体が参照により援用される。
上述の内容は、本発明の実施形態に関するものであるが、本発明のその他の実施形態及びさらなる実施形態が、本発明の基本的範囲から逸脱することなく考案されてもよい。本発明の範囲は、以下の請求項により決定される。

Claims (20)

  1. 炭化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、及び水素の一部を含む第１温度の流出物を供給するように、１つ以上の触媒を含有する管を含む第１反応ゾーンにおいて、蒸気及び１つ以上の第１触媒の存在下で炭化水素を改質することと、
    前記流出物を前記第１温度から第２温度に間接的に加熱することと、
    水素、一酸化炭素、二酸化炭素、及び約５モル％未満の無水ベースメタンを含むシンガスを供給するために十分な条件で、１つ以上の酸化剤及び１つ以上の第２触媒の存在下で、前記第２温度の前記流出物を改質することであって、前記シンガスを用いて、前記流出物を前記第１温度から前記第２温度に間接的に加熱する、前記第２温度の前記流出物を改質することと、
    を含むシンガスの製造方法。
  2. 前記第１温度は、約７００℃以上である、請求項１に記載の方法。
  3. 前記シンガスの温度は、約９９０℃以上である、請求項１に記載の方法。
  4. 前記第２温度は、約８５０℃以上である、請求項１に記載の方法。
  5. 前記炭化水素は、メタンを含む、請求項１に記載の方法。
  6. 前記流出物を前記第１温度から前記第２温度に間接的に加熱した後の前記シンガスの温度は、約８８０℃以上である、請求項１に記載の方法。
  7. 前記シンガスを用いて前記流出物を間接的に加熱した後に、前記シンガスから凝縮物に熱を間接的に交換して、高圧の蒸気を供給する、請求項１に記載の方法。
  8. 前記冷却されたシンガス中の前記一酸化炭素の少なくとも一部を二酸化炭素に変換し、５モル％以下の無水ベース一酸化炭素を含む変換されたシンガスを供給するように、１つ以上の第３触媒の存在下で前記シンガスを反応させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  9. 前記冷却されたシンガス中の前記一酸化炭素の少なくとも一部を二酸化炭素に変換し、１モル％以下の無水ベース一酸化炭素を含む変換されたシンガスを供給するように、触媒の存在下で前記冷却されたシンガスを反応させることと、
    水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素を含む第１の水素生成物を供給するように、前記変換されたシンガスから前記二酸化炭素の少なくとも一部を分離することと、
    水素、メタン、及び水を含む第２の水素生成物を供給するように、前記第１の水素生成物中の前記一酸化炭素及び二酸化炭素の少なくとも一部を反応させることと、
    アンモニア生成物を供給するように、１つ以上の第３触媒の存在下で前記第２の水素生成物の少なくとも一部を窒素と反応させることと、
    をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  10. 前記冷却されたシンガス中の前記一酸化炭素の少なくとも一部を二酸化炭素に変換し、１モル％以下の無水ベース一酸化炭素を含む変換されたシンガスを供給するように、１つ以上の第３触媒の存在下で前記冷却されたシンガスを反応させることと、
    水素、メタン、及び水を含む第２の水素生成物を供給するように、前記第１の水素生成物中の前記一酸化炭素及び前記二酸化炭素の少なくとも一部を反応させることと、
    乾燥した水素生成物を供給するように、前記第２の水素生成物から前記水の少なくとも一部を分離することと、
    アンモニア生成物を供給するように、１つ以上の第３触媒の存在下で前記乾燥した水素生成物の少なくとも一部を窒素と反応させることと、
    をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  11. 第１温度の流出物を供給するように、第１反応ゾーンにおいて蒸気及び１つ以上の第１触媒の存在下で炭化水素を改質することであって、前記炭化水素及び蒸気の温度が、前記第１温度まで単調増加される、第１反応ゾーンにおいて蒸気及び１つ以上の第１触媒の存在下で炭化水素を改質することと、
    第２温度の流出物を供給するように、前記第１温度の前記流出物を間接的に加熱することと、
    水素、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素、及び水を含むシンガスを供給するように、１つ以上の酸化剤及び１つ以上の第２触媒の存在下で前記第２温度の前記流出物を改質して、前記シンガスを用いて、前記第１温度の流出物を前記第２温度まで間接的に加熱する、１つ以上の酸化剤及び１つ以上の第２触媒の存在下で前記第２温度の前記流出物を改質することと、
    を含むシンガスの製造方法。
  12. 高圧の蒸気を供給するように、前記シンガスから凝縮物に熱を間接的に交換することと、
    １モル％以下の無水ベース一酸化炭素を含む変換されたシンガスを供給するように、前記シンガス中の前記一酸化炭素の少なくとも一部を二酸化炭素に変換することと、
    をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
  13. １モル％以下の無水ベースの二酸化炭素及び一酸化炭素を含む希薄シンガスを供給するように、前記変換されたシンガス中の前記二酸化炭素の少なくとも一部を除去することと、
    前記希薄シンガスに含まれる任意の二酸化炭素、一酸化炭素、又はこれら両方の少なくとも一部をメタンに変換することと、
    前記希薄シンガスから前記水の少なくとも一部を分離することと、
    水素対窒素比が約２．９：１〜約３．２：１のアンモニアシンガスを供給するように、前記希薄シンガス中の前記窒素の少なくとも一部を分離することと、
    アンモニア生成物を供給するように、前記アンモニアシンガス中の前記水素及び窒素の少なくとも一部を反応させることと、
    をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記第１温度は、約７００℃以上である、請求項１１に記載の方法。
  15. 前記シンガスの温度は、約９９０℃以上である、請求項１１に記載の方法。
  16. 前記第２温度は、約８５０℃以上である、請求項１１に記載の方法。
  17. １つ以上の第１触媒の存在下で炭化水素と蒸気を改質して、第１温度の流出物を供給するように構成された第１反応器と、
    シンガスから前記第１温度の前記流出物に間接的に熱を交換して、冷却されたシンガスと第２の加熱された流出物を供給するように構成された熱交換器と、
    １つ以上の酸化剤及び１つ以上の第２触媒の存在下で前記第２温度の前記流出物を改質して、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素、及び水を含む前記シンガスを供給するように構成された第２反応器と、
    を含むシンガス製造システム。
  18. 前記冷却されたシンガスから凝縮物に間接的に熱を交換して高圧の蒸気を供給するように構成された第２熱交換器をさらに含む、請求項１７に記載のシステム。
  19. 前記冷却されたシンガス中の前記一酸化炭素の少なくとも一部を二酸化炭素に変換して、変換されたシンガスを供給するように構成されたシフト変換器と、
    前記変換されたシンガスから前記二酸化炭素の少なくとも一部を選択的に分離して、３モル％以下の無水ベースの一酸化炭素及び二酸化炭素を含むシンガスを供給するように構成された分離器と、
    をさらに含む、請求項１７に記載のシステム。
  20. 前記シンガス中の前記水素及び窒素を反応させてアンモニアにするように構成されたアンモニア反応器をさらに含む、請求項１９に記載のシステム。
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