JP2016117037A - ガス混合装置及び可燃性ガスと酸素含有ガスの混合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラントの運転開始から停止までを含め、可燃性ガスと酸素含有ガスの混合を安全に行う為のガス混合装置、及び該混合装置を用いたガスの安全な混合方法の提供を目的とする。【解決手段】可燃性ガスと酸素含有ガスの混合を行うガス混合部を含むガス混合装置であり、可燃性ガスを該ガス混合部に供給する可燃性ガス供給部、酸素含有ガスを該ガス混合部に供給する酸素含有ガス供給部、混合されたガスを該ガス混合部から抜き出す抜き出し部を有し、該可燃性ガス供給部と酸素含有ガス供給部との差圧を連続的に測定する手段を有するガス混合装置。【選択図】図１

Description

本発明は、可燃性ガスと酸素含有ガスの混合を安全に行う為の装置及びその方法に関する。

可燃性ガスを原料とし、気相酸化反応により化学品を得る手法は、商業的に広く行われている。例えば、ブタンを原料とした無水マレイン酸、イソブテンを原料としたメタクロレインやメタクリル酸、１−ブテンを原料としたブタジエン、プロピレンを原料としたアクロレインやアクリル酸を得る方法等が挙げられる。これら気相酸化反応を行うには、原料の可燃性ガスと酸素含有ガスを予め混合する必要がある。

該混合において特に留意される事項の一つは、混合されたガス組成が爆発範囲となるか否かである。安全性の観点から爆発範囲を回避するケースが多く、爆発範囲を回避することは製造プラントの通常運転時に限らず、運転開始時や停止作業時においても行われる。例えば特許文献１には、プロピレン、空気、及び水蒸気を化成器に導入して反応させてアクロレインやアクリル酸を製造するプラントのスタートアップ、定常運転、シャットダウンにおいて、各々の流量を計算機により制御して、常に混合ガスの組成が爆発範囲に入るのを避ける方法が示されている。

これとは異なり特許文献２には、１−ブテンを原料としたブタジエンの製造に際して、反応管に供給されるガス組成を爆発範囲内とすることで生産性を高めると共に、反応管の入口と出口に消炎素子を挿嵌することで、火災や爆発が生じた場合の影響を最小とする方法が示されている。

可燃性ガスと酸素含有ガスを混合する場合、不活性ガスによって何れかのガスが大幅に希釈されている場合を除けば、完全混合された後の組成が爆発範囲外であっても、酸素含有ガス中の可燃性ガスが増加する過程、又は可燃性ガス中の酸素濃度が増加する過程、の何れかにおいて、局所的かつ一時的に爆発組成が形成される。これに対して特許文献３では、比較的小径の複数の管内で迅速にガスの混合を行うことで、爆発燃焼反応を防止する方法が示されている。

特公昭５３−２９３０９号公報 特開２０１３−１０３１９９号公報 特公昭５８−１１２４７号公報

近年、化学プラントは省力及び効率を高める為の自動化運転が進められており、熟練工による臨機応変な対応に頼らずとも可能な、安全管理が求められてきている。特許文献２の方法は、爆発時の影響を最小限にするものであるが、爆発の発生自体を抑制するものではなく、作業従事者の安全性の確保は充分とは言い難い。特許文献１では、ブラントの運転開始から停止まで、混合ガス組成を爆発範囲外に維持する方法が示されているが、可燃性ガスと酸素含有ガスの混合時、過渡的に生じる爆発範囲内組成のガスについては何ら述べられていない。特許文献３には、可燃性ガスと酸素含有ガスの安全な混合方法が示されているが、これはプラントの定常運転時の混合方法であり、運転開始時等において十分で
はなく、例えば可燃性ガスの供給側に酸素含有ガスが逆流した場合には、充分に安全な状態を形成することは困難である。

本発明は上記従来の問題点を解決し、プラントの運転開始から停止までを含め、可燃性ガスと酸素含有ガスの混合を安全に行う為のガス混合装置、及び該混合装置を用いたガスの安全な混合方法の提供を目的とする。

本発明者は、上記課題を解決すべく検討を重ねた結果、可燃性ガスと酸素含有ガスの混合を行うガス混合部を含むガス混合装置において、特定部位に差圧を検知する手段を有するガス混合装置とし、該ガス混合装置を使用することにより、酸素含有ガスの可燃性ガス供給部への逆流を事前に察知し、例えば、不活性ガスの供給による逆流防止等により、常に安全な状態が保たれることが可能となることを見出した。

本発明はこのような知見に基づいて達成されたものであり、以下を要旨とする。

［１］ 可燃性ガスと酸素含有ガスの混合を行うガス混合部を含むガス混合装置であり、
可燃性ガスを該ガス混合部に供給する可燃性ガス供給部、酸素含有ガスを該ガス混合部に供給する酸素含有ガス供給部、混合されたガスを該ガス混合部から抜き出す抜き出し部を有し、
該可燃性ガス供給部と酸素含有ガス供給部との差圧を連続的に測定する手段を有するガス混合装置。

［２］ 前記差圧を連続的に測定する手段が差圧計である[１]に記載のガス混合装置。

［３］ 前記ガス混合部が管胴に細孔を有する多数の配管からなり、該多数の配管の一端が前記酸素含有ガス供給部に接続し、他端が前記抜き出し部に接続し、且つ、該管胴の細孔が可燃性ガス供給部に接続している［１］又は［２］に記載のガス混合装置。

［４］ ［１］乃至［３］のいずれかに記載のガス混合装置を使用して可燃性ガスと酸素含有ガスの混合を行う可燃性ガスと酸素含有ガスの混合方法。

［５］ 前記可燃性ガス供給部の圧力が前記酸素含有ガス供給部の圧力より高く維持する［４］に記載の可燃性ガスと酸素含有ガスの混合方法。

本発明によれば、可燃性ガスと酸素含有ガスを混合して原料混合ガスとし、気相酸化反応により化学品を得る製造プラントにおいて、その稼働から停止までを含め、爆発範囲内のガス組成が過渡的に生じる事を想定して設計された特定部位以外でも、爆発範囲内のガス組成が形成されることを未然に防止し、より安全なプラントの操業が可能となる。

本発明のガス混合装置を含む、可燃性ガスと酸素含有ガスの混合工程の例を示す模式図である。 本発明のガス混合装置の一例である。 本発明のガス混合装置の一例である。

以下、本発明のガス混合装置、該ガス混合装置を用いた可燃性ガスと酸素含有ガスの混合について、図面を参照に詳細に説明するが、本発明は何ら以下の説明内容に限定される
ものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々変更して実施することができる。また、以下において、プロピレンを原料とするアクリル酸の製造工程を例に説明するが、本発明はこれに限らず、可燃性ガスと酸素含有ガスの混合に適用することができる。

図１は、本発明のガス混合装置を含む、可燃性ガスと酸素含有ガスの混合工程の例を示す模式図である。

図１は、プロピレンと酸素含有ガスを混合し、これに次ぐ接触気相酸化反応によりアクリル酸を製造する為の原料ガス混合工程である。ガス混合装置（１）は可燃性ガス供給部、酸素含有ガス供給部、ガス混合部、ガス抜き出し部を含む。
ガス混合部はガス混合器内の多数の配管（２）であり、該配管（２）の管胴には各々細孔（４）を有している。該配管の両端近傍は固定管板（５Ａ、５Ｂ）により固定され、該固定管板（５Ａ、５Ｂ）は胴部（３Ｂ）に固定されている。
尚、該固定管板（５Ａ、５Ｂ）により各々、酸素含有ガスが供給される入口側鏡部（３Ａ）と胴部（３Ｂ）、胴部（３Ｂ）と混合ガスの出口側鏡部（３Ｃ）の通気は遮断されている。出口側鏡部（３Ｃ）は円筒部を伸ばし、邪魔板や充填物を挿入することもできる。

可燃性ガス供給部はプロピレン供給ライン（７）及び胴部（３Ｂ）からなる。酸素ガス供給部は酸素含有ガス供給ライン（６）及び入口側鏡部（３Ａ）からなる。ガス抜き出し部は出口側鏡部（３Ｃ）及び混合ガスの抜き出しライン（８）である。
可燃性ガス供給部と酸素含有ガス供給部との差圧を連続的に測定する差圧計（９）の検知端はプロピレン供給ライン（７）と入口側鏡部（３Ａ）に設置されている。尚、該検知端の設置個所は可燃性ガス供給部側であれば、ガス混合部に供給されるプロピレンの圧検知が可能であれば、プロピレン供給ライン（７）でも、胴部（３Ｂ）でも構わない。又、該検知端の設置個所は酸素含有ガス供給部側であれば、ガス混合部に供給される酸素含有ガスの圧検知が可能であれば、酸素含有ガス供給ライン（６）でも、入口側鏡部（３Ａ）でも構わない。

プロピレン供給ライン（７）には窒素ガスを供給する窒素ガス供給ラインが接続されている。
上記の構成を有するガス混合装置を用いた可燃性ガスと酸素含有ガスの混合は以下のように実施される。不活性ガスにより希釈された空気からなる酸素含有ガスが酸素含有ガス供給ライン（６）より入口側鏡部（３Ａ）を介して配管（２）を通過する。プロピレンはプロピレン供給ライン（７）より、胴部（３Ｂ）を介して、細孔（４）を通して配管（２）内で該酸素含有ガスと混合される。混合された混合ガスは出口側鏡部（３Ｃ）を介して、混合ガスの抜き出しライン（８）により次工程に送られる。
尚、ガス混合開始時点より、差圧計（９）により可燃性ガス供給部と酸素含有ガス供給部との差圧は常時測定する。

通常運転時には、細孔（４）から配管（２）に流入するプロピレンの運動エネルギーが配管（２）内を流れる酸素含有ガスの運動エネルギーよりも大きくなるよう、具体的には、配管（２）に導入される酸素含有ガスの線速度の二乗にその密度を乗じた値よりも、細孔（４）から配管（２）に流入するプロピレンの線速度の二乗にその密度を乗じた値の方が大きくなるよう、細孔（４）の径や数を定めることにより、プロピレンと酸素含有ガスの混合は配管（２）内で効率的に行われることとなる。このとき、差圧計はプロピレン供給ライン（７）の方が入口側鏡部（３Ａ）よりも高圧であることを示す。なお以降、プロピレン供給ライン（７）の方が高圧である状態を正圧、低い場合を負圧と表すこととする。機器の破損がない限り、通常運転において差圧計は正圧を示すが、各々のガス流量が通常運転と異なる場合、例えば、プラントの運転開始時、酸素含有ガスに対してプロピレンの流量を低めに制御した場合等では負圧の状態が生じ得る。これは、酸素含有ガスが細孔
（４）から胴部（３Ｂ）やプロピレン供給ライン（７）に侵入し、想定外の箇所で爆発範囲の混合ガスを形成する可能性が生じる。そこで、該差圧が負圧とならないよう、必要に応じて窒素供給ライン（１０）より窒素をプロピレン供給ライン（７）に供給することで、常に正圧が保たれ、酸素含有ガスの細孔（４）を介した胴部（３Ｂ）やプロピレン供給ライン（７）への逆流を防ぐことが可能となり、そのガス混合操作の稼働から停止までを含めて継続的に安全な運転ができるのである。尚、酸素含有ガスの逆流を防止するために、事例では窒素ガスを挙げているが、反応に寄与しない、二酸化炭素、水蒸気、希ガス等の不活性ガスであればよい。

図２は、本発明の可燃性ガスと酸素含有ガスを混合するガス混合装置の別形態の一例である。可燃性ガス供給ライン（１７）を経て複数枚の板状容器（１２）に分割された可燃性ガスは、該板状容器（１２）の表面に設けられた複数の細孔から胴部（１３）内に噴出し、酸素含有ガス供給ライン（１６）より供給された酸素含有ガスと胴部（１３）内で混合された後、抜き出しライン（１８）より次工程に送られる。

図３も、本発明の可燃性ガスと酸素含有ガスを混合するガス混合装置の別形態の一例である。可燃性ガス供給ライン（２７）から供給された可燃性ガスは、管板（２５）により固定された配管（２２）に導かれる。該配管（２２）の一端は閉止されており、複数の細孔（２４）を有する。該細孔（２４）より噴出した可燃性ガスは、酸素含有ガス供給ライン（２６）より供給された酸素含有ガスと胴部（２３）内で混合された後、抜き出しライン（２８）より次工程に送られる。

以下、本発明を実施例により更に詳しく説明するが、本発明は何ら以下の実施例に限定されるものではない。

［参考例］
図１のようなガス混合装置を有するアクリル酸製造工程において、運転停止後の保全を終え、配管内の窒素ガス置換を終えて運転開始の準備が出来たガス混合装置において、プロピレン供給ラインのバルブは閉じた状態で、水蒸気と空気を混合した酸素含有ガスを酸素含有ガス供給ラインよりガス混合器に供給開始した。該酸素含有ガスの供給開始と呼応して差圧計は−２０ｋＰａを超える負圧を示したが、数分で差圧は−０．３ｋＰａ未満となった。該酸素含有ガスの供給前、ガス混合器の胴部やプロピレン供給ラインは窒素で置換されていたが、該酸素含有ガスの供給開始とともに配管の細孔を通して該酸素含有ガスが胴部に流れ込んだと考えられる。仮にこの状態からプロピレン供給ラインのバルブを開いた場合、プロピレン供給ラインや胴部内にて、爆発範囲のガスを形成するおそれがあった。

［実施例］
参考例の状態の後、一旦、酸素含有ガスの供給を停止し、ついでプロピレン供給ラインに設けた窒素供給ラインより窒素の供給を開始し、差圧計が３０ｋＰａ以上の正圧を示す事を確認した後に混合ガスの供給を開始した。この間、差圧計指示値が１０ｋｐａを下回らないよう、窒素の供給量を調整した。次いでプロピレンの供給を開始し、徐々にその流量を増加させると、差圧計は３０ｋＰａの正圧を示し、ついで窒素の供給を止めたが、差圧は３０ｐＫａ以上に維持されていた。この一連の操作において胴部内は窒素及び／又はプロピレンで満たされており、該部への酸素含有ガスの混入やこれに伴う爆発範囲のガスが形成される可能性は無かった。

１ ガス混合装置
２、２２ 配管
３Ａ 入口側鏡部
３Ｂ、１３、２３ 胴部
３Ｃ 出口側鏡部
４、１４、２４ 細孔
５Ａ、５Ｂ、２５ 固定管板
６、１６、２６ 酸素含有ガス供給ライン
７ プロピレン供給ライン
８、１８、２８ 混合ガスの抜き出しライン
９、１９、２９ 差圧計
１０ 窒素供給ライン
１２ 板状容器
１７、２７ 可燃性ガス供給ライン

Claims (5)

1. 可燃性ガスと酸素含有ガスの混合を行うガス混合部を含むガス混合装置であり、
   可燃性ガスを該ガス混合部に供給する可燃性ガス供給部、酸素含有ガスを該ガス混合部に供給する酸素含有ガス供給部、混合されたガスを該ガス混合部から抜き出す抜き出し部を有し、
   該可燃性ガス供給部と酸素含有ガス供給部との差圧を連続的に測定する手段を有するガス混合装置。
2. 前記差圧を連続的に測定する手段が差圧計である請求項１に記載のガス混合装置。
3. 前記ガス混合部が管胴に細孔を有する多数の配管からなり、該多数の配管の一端が前記酸素含有ガス供給部に接続し、他端が前記抜き出し部に接続し、且つ、該管胴の細孔が可燃性ガス供給部に接続している請求項１又は２に記載のガス混合装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガス混合装置を使用して可燃性ガスと酸素含有ガスの混合を行う可燃性ガスと酸素含有ガスの混合方法。
5. 前記可燃性ガス供給部の圧力が前記酸素含有ガス供給部の圧力より高く維持する請求項４に記載の可燃性ガスと酸素含有ガスの混合方法。

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