WO2016035376A1 - アンモニア合成システム及び方法 - Google Patents

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幹也 桜井
田中　幸男
尚哉 奥住
大空　弘幸
晴章 平山
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三菱重工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an ammonia synthesis system and method for improving the operation efficiency of ammonia synthesis.
  • a conventional ammonia synthesis process for example, natural gas or the like is used to synthesize ammonia (NH 3 ) from raw material hydrogen (H 2 ) and nitrogen (N 2 ) in an ammonia synthesis tower.
  • a cooling process using a chiller refrigerant is generally used when separating ammonia and synthesis gas from the ammonia synthesis loop and taking out product ammonia as a liquid.
  • the present invention provides an ammonia synthesis system and method that can reduce product manufacturing costs and improve the operation efficiency of ammonia synthesis without using product ammonia as a chiller refrigerant.
  • the first invention of the present invention for solving the above-mentioned problems is an ammonia synthesis tower for synthesizing ammonia gas from a raw material gas for ammonia synthesis, an ammonia gas obtained from the ammonia synthesis tower, and an unreacted raw material gas.
  • a discharge line that discharges the synthesis gas, and a water-cooled or air-cooled cooler that is interposed in the discharge line and that cools the synthesis gas by water cooling or air cooling.
  • An ammonia separation device that introduces the synthesis gas and separates ammonia gas and liquid ammonia, and a raw material return that returns the raw material gas containing the ammonia gas separated by the ammonia separation device to the ammonia synthesis tower side as a return raw material gas A line and a compressor interposed in the raw material return line and compressing the return raw material gas, the ammonia synthesis
  • the ammonia synthesis system is characterized in that the ammonia concentration in the return material gas introduced into the reactor is 5 mol% or more, and the ammonia synthesis catalyst for synthesizing ammonia gas in the ammonia synthesis tower is a ruthenium-based catalyst. .
  • the second invention is the ammonia synthesis system according to the first invention, wherein the temperature of the synthesis gas after water cooling introduced into the ammonia separator is 30 to 50 ° C.
  • a third invention is a water-cooled or air-cooled method in which an ammonia synthesis step for synthesizing ammonia gas from a raw material gas for ammonia synthesis and a synthetic gas containing the obtained ammonia gas and an unreacted raw material gas are cooled with water or air.
  • the ammonia synthesis method is characterized in that the catalyst is a ruthenium-based catalyst.
  • the fourth invention is the ammonia synthesis method according to the third invention, wherein the temperature of the synthesis gas after cooling is 30 to 50 ° C.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an ammonia synthesis system according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of another ammonia synthesis system according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the concentration (mol%) of the inlet ammonia introduced into the ammonia synthesis tower and the ammonia synthesis rate (kmol / (h ⁇ m 3 )).
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an ammonia synthesis system according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of another ammonia synthesis system according to the embodiment.
  • an ammonia synthesis system 10A according to this embodiment includes an ammonia synthesis tower 13 that synthesizes an ammonia gas 12A from a raw material gas (hydrogen (H 2 ) and nitrogen (N 2 )) 11 for ammonia synthesis.
  • a discharge line L 11 for discharging the synthesis gas 14 containing the ammonia gas 12 A obtained from the ammonia synthesis tower 13 and the unreacted raw material gas 11 A, and a discharge line L 11.
  • a water-cooled cooler 16 for cooling is connected to discharge line L 11, introducing a synthesis gas 14A after cooling, ammonia separation device 17 for separating the ammonia gas 12A and liquid ammonia 12B, separated ammonia separator 17 a raw material return line L 12 to the raw material gas, returned as a return material gas 11B into the ammonia synthesis tower 13 side including the ammonia gas 12A which is, Fee is returned interposed lines L 12, includes a compressor 18 for compressing the return feed gas 11B, and with the ammonia concentration of the return material gas 11B to be introduced into the ammonia synthesis tower 13 is 5 mol% or more,
  • the ammonia synthesis catalyst that synthesizes the ammonia gas 12A in the ammonia synthesis tower 13 is a ruthenium-based catalyst.
  • Ammonia synthesis system 10A according to the present embodiment, an ammonia synthesis tower 13 and the ammonia separation device 17 having ammonia synthesis catalyst, constituted by connecting with discharge line L 11 and the raw material return line L 12, the ammonia synthesis system A circulation loop is formed.
  • the ammonia synthesis tower 13 synthesizes ammonia gas from the source gas 11 (and the return source gas 11B) using an ammonia synthesis catalyst.
  • the ammonia synthesis catalyst used in the ammonia synthesis tower 13 is a ruthenium (Ru) -based catalyst.
  • the ruthenium-based catalyst refers to a catalyst containing 0.1 wt% or more of ruthenium.
  • an alkali metal for example, sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs)
  • Alkaline earth metals eg, magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba), etc.
  • rare earth elements lanthanum with element number 57 to lutetium with element number 71
  • alkali metal for the promoter examples include sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs) and the like.
  • alkaline earth metal examples include magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba), and the like.
  • rare earth elements include lanthanum having element number 57 to lutetium having element number 71.
  • the relationship between the synthesis pressure, the cooling temperature, and the synthesis temperature preferably has a relationship of “ammonia equilibrium concentration at the outlet of the ammonia synthesis tower ⁇ operation pressure”> “ammonia partial pressure at the ammonia synthesis tower inlet”.
  • the pressure is preferably 7 to 25 MPa, more preferably 10 to 20 MPa.
  • the ammonia synthesis conditions in the ammonia synthesis tower 13 are preferably such that the synthesis reaction temperature is in the range of 200 ° C to 600 ° C.
  • the H 2 / N 2 ratio is preferably in the range of 1 mol / mol to 5 mol / mol.
  • the cooling temperature is in the range of 30 ° C. to 50 ° C. as will be described later.
  • ammonia gas 12 ⁇ / b> A is synthesized from the raw material gas 11 by the ammonia synthesis catalyst, and is discharged from the ammonia synthesis tower 13 through the discharge line L 11 as synthesis gas 14.
  • synthesis gas 14 an ammonia gas 12A and an unreacted raw material gas 11A are mixed.
  • the water-cooled cooler 16 cools the synthesis gas 14 synthesized in the ammonia synthesis tower 13 with cooling water 15.
  • the temperature of the cooling water 15 varies between summer and winter, but the temperature of the synthesis gas 14A after cooling is around 30 to 50 ° C.
  • an air-cooled cooler 22 as shown in FIG. 2 may be used.
  • an air-cooled cooler 22 for cooling the synthesis gas 14 is provided in the discharge line L 11 for discharging the synthesis gas 14 from the ammonia synthesis tower 13.
  • the air-cooled cooler 22 introduces air 21 with a fan 22a and air-cools the synthesis gas 14 passing therethrough.
  • the temperature of the air 21 varies between summer and winter, but the temperature of the synthesis gas 14A after cooling is about 30 to 50 ° C.
  • the ammonia separation device 17 separates ammonia in the synthesis gas 14A after cooling by water cooling or air cooling into ammonia gas 12A and liquid ammonia 12B, and performs gas-liquid separation using, for example, a gas-liquid separation drum or the like.
  • the return feed gas 11B is a compressor 18 which is interposed in the raw material return line L 12, is compressed to a predetermined pressure for ammonia synthesis.
  • the raw material return line L 12 so that the makeup gas line L 14 for introducing the raw material gas 11 as the makeup gas merges in front of the compressor 18.
  • the makeup gas line L 14 is provided with a compressor 20 that compresses the newly supplied raw material gas 11.
  • the synthesis gas 14 introduced into the ammonia separator 17 is cooled to 10 ° C. or less by a refrigerant (for example, ammonia refrigerant) so as to improve the separation efficiency of the liquid ammonia 12B in the ammonia separator 17.
  • a refrigerant for example, ammonia refrigerant
  • the ammonia gas 12A is contained in a large amount in the return raw material gas 11B in the ammonia separation device 17 for separating the liquid ammonia 12B.
  • the ammonia concentration in the return raw material gas 11B introduced into the ammonia synthesis tower 13 is 5 mol% or more, and more (for example, 10 mol% or more) depending on the temperature and pressure conditions.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the concentration (mol%) of the inlet ammonia introduced into the ammonia synthesis tower 13 and the ammonia synthesis rate (kmol / (h ⁇ m 3 )).
  • the solid line is a ruthenium (Ru) -based catalyst
  • the alternate long and short dash line is an iron (Fe) -based catalyst.
  • the synthesis conditions of this test were such that the H 2 / N 2 ratio was 3, the pressure was 13.8 MPa, and the temperature was 430 ° C.
  • the conventional iron-based catalyst slows the reaction rate of ammonia synthesis, so a larger amount of catalyst is required.
  • the use of a ruthenium-based catalyst does not decrease the synthesis rate, and moreover than the iron-based catalyst. The amount of catalyst is small.
  • Table 1 shows a comparison between the present invention and the conventional example. Since the present invention uses the cooling water 15 or the air 21, the cooling temperature of the cooled synthesis gas 14 A introduced by the ammonia separator 17 is 30 to 50 ° C. On the other hand, the conventional example uses a chiller refrigerant, and is 10 ° C. or lower.
  • the NH 3 concentration (mol%) at the inlet of the ammonia synthesis tower (reactor) 13 was 10 mol% in the present invention because the amount of ammonia gas returned was large.
  • the NH 3 concentration (mol%) at the inlet of the ammonia synthesis tower (reactor) 13 was 5 mol%.
  • the NH 3 concentration (mol%) at the outlet of the ammonia synthesis tower (reactor) 13 was 25 mol% in the present invention and 20 mol% in the conventional example. Therefore, the ratio of the synthetic system circulation rate is 1.2 in the present invention when the conventional example is 1.
  • a raw material gas (hydrogen (H 2 ) and nitrogen (N 2 )) 11 for ammonia synthesis is introduced into the ammonia synthesis tower 13.
  • the raw material returned back material gas 11B returned by line L 12 is introduced.
  • the synthesis gas 14 including the ammonia gas 12A synthesized in the ammonia synthesis tower 13 and the unreacted raw material gas 11A is cooled to about 30 to 50 ° C. by the water-cooled cooler 16 using the cooling water 15 interposed in the discharge line L 11. Is done.
  • the cooled synthesis gas 14A is introduced into the ammonia separation device 17, where the ammonia gas 12A and the liquid ammonia 12B are separated.
  • the separated liquid ammonia 12B is recovered as product ammonia.
  • the return feed gas 11B is a compressor 18 which is interposed in the raw material return line L 12, is compressed to a predetermined synthesis pressure.
  • the ammonia concentration in the return raw material gas 11B returned to the ammonia synthesis tower 13 is as high as 5 mol% or more. Since the ammonia synthesis catalyst for synthesizing the ammonia gas 12A in the ammonia synthesis tower 13 is a ruthenium-based catalyst, the reaction activity is improved.
  • the return feed gas 11B the raw material gas 11 as needed via the make-up gas line L 14 as a make-up gas, is introduced into the raw material return line L 12 in front of the compressor 18, an ammonia synthesis tower 13 Then, it is made to become predetermined
  • the ammonia synthesis method of the present invention includes the following ammonia synthesis loop steps.
  • the first step is an ammonia synthesis step of synthesizing ammonia gas 12A from ammonia synthesis source gas (hydrogen and nitrogen) 11.
  • the second step is a water-cooled or air-cooled cooling step in which the synthesis gas 14 containing the obtained ammonia gas 12A and the unreacted raw material gas 11 is cooled with the cooling water 15 or the air 21.
  • the third step is an ammonia separation step in which the synthesis gas 14A after water cooling is separated into ammonia gas 12A and liquid ammonia 12B.
  • the fourth step is a compression step of compressing the return source gas 11B when returning the source gas containing the separated ammonia gas 12A as the return source gas 11B to the ammonia synthesis step side.
  • the ammonia synthesis catalyst for synthesizing the ammonia gas 12A is a ruthenium catalyst. Even if the temperature of the synthesis gas 14A after cooling in the water-cooling or air-cooling process of the second process is 30 to 50 ° C., which is significantly higher than the conventional temperature of 10 ° C. or less, the product ammonia is used as a chiller refrigerant. Not being used, it is possible to reduce the refrigerant manufacturing cost and improve the operation efficiency of ammonia synthesis.

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Abstract

　アンモニアを合成するアンモニア合成塔１３と、得られたアンモニアガス１２Ａと未反応原料ガス１１Ａとを含む合成ガス１４を排出する排出ラインＬ11と、排出ラインＬ11に介装され、冷却水１５で合成ガス１４を冷却する水冷式冷却器１６と、冷却後の合成ガス１４Ａを導入し、アンモニアガス１２Ａと液体アンモニア１２Ｂとを分離するアンモニア分離装置１７と、分離されたアンモニアガス１２Ａを含む原料ガスを、戻り原料ガス１１Ｂとしてアンモニア合成塔１３側へ戻す原料戻しラインＬ12と、原料戻しラインＬ12に介装され、戻り原料ガス１１Ｂを圧縮する圧縮機１８と、を備え、アンモニア合成塔１３に導入される戻り原料ガス１１Ｂ中のアンモニア濃度が５モル％以上であると共に、アンモニア合成塔１３でアンモニアガス１２Ａを合成するアンモニア合成触媒がルテニウム系触媒である。

Description

アンモニア合成システム及び方法
　本発明は、アンモニア合成の運転効率の向上を図ったアンモニア合成システム及び方法に関するものである。
　従来のアンモニア合成プロセスにおいては、例えば天然ガス等を用い、原料の水素（Ｈ2）と窒素（Ｎ2）とからアンモニア合成塔でアンモニア（ＮＨ3）を合成している。このアンモニアを合成する場合、アンモニア合成ループからアンモニアと合成ガスとを分離し、製品アンモニアを液体として取り出す際に、一般的にはチラー冷媒を用いる冷却プロセスが使用されている。
　従来では、この冷媒を用いるプロセスとして、例えばアンモニア合成ループから抜き出された製品アンモニアの一部を、チラー冷媒として使用し、アンモニア合成ループでの冷却に使用している。この冷却で使用された後(熱交換後)の冷媒(ガスアンモニア)は、再度圧縮、冷却、再液化され循環利用されている（特許文献１、２）。
特開昭６１－１０６４０３号公報 特開平１１－３０４２８３号公報
　しかしながら、製品アンモニアをチラー冷媒として用いる場合には、チラー冷媒の圧縮・冷却に伴う動力が大きく、しかも設備も大がかりであることから、アンモニア合成プラントのコスト及び運転費が大幅に嵩む、という問題がある。
　よって、製品アンモニアをチラー冷媒として用いず、冷媒製造コストの削減を図ると共に、アンモニア合成の運転効率の向上を図ることができるアンモニア合成システム及び方法の出現が切望されている。
　本発明は、前記問題に鑑み、製品アンモニアをチラー冷媒として用いず、冷媒製造コストの削減を図ると共に、アンモニア合成の運転効率の向上を図ることができるアンモニア合成システム及び方法を提供することを課題とする。
　上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、アンモニア合成用の原料ガスからアンモニアガスを合成するアンモニア合成塔と、前記アンモニア合成塔から得られたアンモニアガスと未反応の原料ガスとを含む合成ガスを排出する排出ラインと、前記排出ラインに介装され、水冷又は空冷により前記合成ガスを冷却する水冷式又は空冷式の冷却器と、前記排出ラインが接続され、冷却後の前記合成ガスを導入し、アンモニアガスと液体アンモニアとを分離するアンモニア分離装置と、前記アンモニア分離装置で分離されたアンモニアガスを含む原料ガスを、戻り原料ガスとして前記アンモニア合成塔側へ戻す原料戻しラインと、前記原料戻しラインに介装され、前記戻り原料ガスを圧縮する圧縮機と、を備え、前記アンモニア合成塔に導入される前記戻り原料ガス中のアンモニア濃度が５モル％以上であると共に、前記アンモニア合成塔でアンモニアガスを合成するアンモニア合成触媒がルテニウム系触媒であることを特徴とするアンモニア合成システムにある。
　第２の発明は、第１の発明において、前記アンモニア分離装置に導入する水冷後の前記合成ガスの温度が、３０～５０℃であることを特徴とするアンモニア合成システムにある。
　第３の発明は、アンモニア合成用の原料ガスからアンモニアガスを合成するアンモニア合成工程と、得られたアンモニアガスと未反応の原料ガスとを含む合成ガスを水又は空気で冷却する水冷式又は空冷式の冷却工程と、冷却後の前記合成ガスを、アンモニアガスと液体アンモニアとに分離するアンモニア分離工程と、分離されたアンモニアガスを含む原料ガスを、戻り原料ガスとして前記アンモニア合成工程側へ戻す際、前記戻り原料ガスを圧縮する圧縮工程と、を有し、前記アンモニア合成工程に導入される前記戻り原料ガス中のアンモニア濃度が５モル％以上であると共に、前記アンモニアガスを合成するアンモニア合成触媒がルテニウム系触媒であることを特徴とするアンモニア合成方法にある。
　第４の発明は、第３の発明において、冷却後の前記合成ガスの温度が、３０～５０℃であることを特徴とするアンモニア合成方法にある。
　本発明によれば、従来のような製品アンモニアをチラー冷媒として用いず、アンモニア合成の運転効率の向上を図ることができる。
図１は、実施例１に係るアンモニア合成システムの概略図である。 図２は、実施例に係る他のアンモニア合成システムの概略図である。 図３は、アンモニア合成塔に導入される入口アンモニア濃度（ｍｏｌ％）とアンモニア合成速度（ｋｍｏｌ／（ｈ・ｍ3））との関係図である。
　以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
　図１は、実施例に係るアンモニア合成システムの概略図である。図２は、実施例に係る他のアンモニア合成システムの概略図である。
　図１に示すように、本実施例に係るアンモニア合成システム１０Ａは、アンモニア合成用の原料ガス(水素（Ｈ2）と窒素（Ｎ2）)１１からアンモニアガス１２Ａを合成するアンモニア合成塔１３と、アンモニア合成塔１３から得られたアンモニアガス１２Ａと未反応原料ガス１１Ａとを含む合成ガス１４を排出する排出ラインＬ11と、排出ラインＬ11に介装され、冷却水１５で合成ガス１４を冷却する水冷式冷却器１６と、排出ラインＬ11が接続され、冷却後の合成ガス１４Ａを導入し、アンモニアガス１２Ａと液体アンモニア１２Ｂとを分離するアンモニア分離装置１７と、アンモニア分離装置１７で分離されたアンモニアガス１２Ａを含む原料ガスを、戻り原料ガス１１Ｂとしてアンモニア合成塔１３側へ戻す原料戻しラインＬ12と、原料戻しラインＬ12に介装され、戻り原料ガス１１Ｂを圧縮する圧縮機１８と、を備え、アンモニア合成塔１３に導入される戻り原料ガス１１Ｂ中のアンモニア濃度が５モル％以上であると共に、アンモニア合成塔１３でアンモニアガス１２Ａを合成するアンモニア合成触媒がルテニウム系触媒である。
　本実施例に係るアンモニア合成システム１０Ａは、アンモニア合成触媒を有するアンモニア合成塔１３とアンモニア分離装置１７とを、排出ラインＬ11及び原料戻しラインＬ12を用いて接続してなり、アンモニア合成系の循環ループを形成している。
　アンモニア合成塔１３は、原料ガス１１（及び戻り原料ガス１１Ｂ）からアンモニア合成触媒によりアンモニアガスを合成している。
　アンモニア合成塔１３で用いるアンモニア合成触媒は、ルテニウム（Ｒｕ）系触媒を用いている。
　ここで、ルテニウム系触媒とは、ルテニウムを０．１ｗｔ％以上含む触媒をいい、主成分のルテニウム以外に、アルカリ金属（例えばナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）等）、アルカリ土類金属（例えばマグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）等）及び希土類元素（元素番号５７のランタンから元素番号７１のルテチウム）よりなる群から選ばれる一種以上の元素の助触媒を含むのが好ましい。
　助触媒のアルカリ金属としては、例えばナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）等を例示できる。また、アルカリ土類金属としては、例えばマグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）等を例示できる。また、希土類元素としては、元素番号５７のランタンから元素番号７１のルテチウムを例示できる。
　また、合成圧力、冷却温度、合成温度の関係は、「アンモニア合成塔の出口のアンモニア平衡濃度×運転圧力」＞「アンモニア合成塔入口のアンモニア分圧」の関係を有するのが好ましい。具体的には、圧力が７～２５ＭＰａ、より好ましくは１０～２０ＭＰａの範囲とするのが好ましい。
　アンモニア合成塔１３でのアンモニア合成条件は、合成反応温度が２００℃～６００℃の範囲とするのが好ましい。また、Ｈ2／Ｎ2比を１ｍｏｌ／ｍｏｌ～５ｍｏｌ／ｍｏｌの範囲とするのが好ましい。なお、冷却温度は、後述するように、３０℃～５０℃の範囲となる。
　このアンモニア合成塔１３内において、アンモニア合成触媒により原料ガス１１からアンモニアガス１２Ａが合成され、アンモニア合成塔１３より排出ラインＬ11より、合成ガス１４として排出される。この合成ガス１４中には、アンモニアガス１２Ａと未反応原料ガス１１Ａとが混合されている。
　水冷式冷却器１６は、アンモニア合成塔１３で合成された合成ガス１４を冷却水１５により水冷するものである。ここで、冷却水１５は夏場と冬場とで温度の幅があるが、冷却後の合成ガス１４Ａの温度は３０～５０℃前後となる。
　ここで、水冷式冷却器１６で冷却する以外に、図２に示すような空冷式冷却器２２を用いるようにしてもよい。
　図２に示す本実施例に係るアンモニア合成システム１０Ｂは、アンモニア合成塔１３より合成ガス１４を排出する排出ラインＬ11に、合成ガス１４を冷却する空冷式冷却器２２を設けるようにしている。空冷式冷却器２２は、空気２１をファン２２ａにより導入して内部を通過する合成ガス１４を空冷するものである。
　ここで、空気２１は夏場と冬場とで温度の幅があるが、冷却後の合成ガス１４Ａの温度は３０～５０℃前後となる。
　アンモニア分離装置１７は、水冷又は空冷による冷却後の合成ガス１４Ａ中のアンモニアをアンモニアガス１２Ａと液体アンモニア１２Ｂとに分離するものであり、例えば気液分離ドラム等により気液分離をする。
　このアンモニア分離装置１７で気液分離された液体アンモニア１２Ｂは、製品アンモニアラインＬ13により、製品アンモニアとして別途回収される。これに対し、アンモニアガス１２Ａは、未反応原料ガス１１Ａと共に、戻り原料ガス１１Ｂとして、原料戻しラインＬ12により、アンモニア合成塔１３側へ戻される。
　この戻り原料ガス１１Ｂは、原料戻しラインＬ12に介装された圧縮機１８により、アンモニア合成のための所定圧力まで圧縮される。
　なお、アンモニア分離装置１７とアンモニア合成塔１３との間において、原料ガス１１をメイクアップガスとして導入するメイクアップガスラインＬ14が、圧縮機１８の前で合流するように、原料戻しラインＬ12に接続され、所定の合成濃度となるようにしている。なお、メイクアップガスラインＬ14には、新たに供給される原料ガス１１を圧縮する圧縮機２０が介装されている。
　従来では、アンモニア分離装置１７での液体アンモニア１２Ｂの分離効率を向上させるように、アンモニア分離装置１７へ導入する合成ガス１４を冷媒（例えばアンモニア冷媒）により、１０℃以下まで冷却していた。
　これに対し、本発明では、冷媒を一切使用せずに、冷却水１５又は空気２１のみで冷却し、冷却後の合成ガス１４Ａの温度を３０～５０℃前後としている。このため、液体アンモニア１２Ｂを分離するアンモニア分離装置１７での戻り原料ガス１１Ｂ中にアンモニアガス１２Ａが多量に含まれることとなる。
　この結果、アンモニア合成塔１３に導入される戻り原料ガス１１Ｂ中のアンモニア濃度が５モル％以上、温度と圧力条件によりそれ以上(例えば１０モル％以上）となる。
　図３は、アンモニア合成塔１３に導入される入口アンモニア濃度（ｍｏｌ％）とアンモニア合成速度（ｋｍｏｌ／（ｈ・ｍ3））との関係図である。
　図３中、実線はルテニウム（Ｒｕ）系触媒であり、一点鎖線は鉄（Ｆｅ）系触媒である。
　この試験の合成条件は、Ｈ2／Ｎ2比を３とし、圧力を１３．８ＭＰａ、温度を４３０℃とした。
　図３から明らかなように、鉄系触媒は５ｍｏｌ％を超えると、直ちに合成速度が低下したが、ルテニウム系触媒ではアンモニア濃度が高い（例えば１０～１５ｍｏｌ％）場合でも高活性であることが判明し、鉄系触媒のような大幅な低下はみられなかった。
　よって、従来の鉄系触媒では、アンモニア合成の反応速度が遅くなるので、より多量の触媒が必要であるが、ルテニウム系触媒を用いることで、合成速度の低下がなく、しかも鉄系触媒よりも少ない触媒量となる。
　表１に本発明と従来例との対比を示す。
　本発明は冷却水１５又は空気２１を用いるので、アンモニア分離装置１７で導入する冷却後の合成ガス１４Ａの冷却温度は３０～５０℃である。これに対して、従来例はチラー冷媒を用いるので１０℃以下である。
　アンモニア合成塔(反応器)１３の入口ＮＨ3濃度（ｍｏｌ％）は、戻りのアンモニアガス量が多いので、本発明では１０ｍｏｌ％であった。
　これに対して、従来例は戻りのアンモニアガス量が少ないので、アンモニア合成塔(反応器)１３の入口ＮＨ3濃度（ｍｏｌ％）は、５ｍｏｌ％であった。
　なお、アンモニア合成塔(反応器)１３の出口ＮＨ3濃度（ｍｏｌ％）は、本発明では２５ｍｏｌ％、従来例では、２０ｍｏｌ％であった。
　よって、合成系循環量の比率は、従来例を１とした場合、本発明では１．２となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
  
　表１の結果より、本発明では、戻り原料中のアンモニアガスの割合が多くなるものの、アンモニア合成塔１３で用いるアンモニア合成触媒をルテニウム（Ｒｕ）系触媒とすることで、反応活性が向上することから、鉄系触媒を用いて合成する場合に必要となる多量な触媒量の増加を抑えることができる。
　これにより、アンモニア合成プロセスにおいて、チラー冷媒を用いずに、原料ガスを水冷又は空冷する場合であっても、鉄系触媒を用いる場合のようなアンモニア合成プラントのコストの増大となることが解消されることとなる。
　次に、以上の構成からなるアンモニア合成システムの作用について説明する。
　先ず、アンモニア合成用の原料ガス(水素（Ｈ2）と窒素（Ｎ2）)１１をアンモニア合成塔１３に導入する。なお、運転時においては、原料戻しラインＬ12により戻された戻り原料ガス１１Ｂが導入される。アンモニア合成塔１３で合成されたアンモニアガス１２Ａと未反応原料ガス１１Ａを含む合成ガス１４は、排出ラインＬ11に介装された冷却水１５による水冷式冷却器１６で３０～５０℃程度に冷却される。そして、この冷却後の合成ガス１４Ａは、アンモニア分離装置１７に導入され、ここで、アンモニアガス１２Ａと液体アンモニア１２Ｂとを分離する。分離された液体アンモニア１２Ｂは製品アンモニアとして回収される。
　一方、アンモニア分離装置１７で分離されたアンモニアガス１２Ａを含む原料ガスは、戻り原料ガス１１Ｂとして原料戻しラインＬ12により、アンモニア合成塔１３に戻され、ここで再度アンモニア合成がなされる。
　なお、戻り原料ガス１１Ｂは、原料戻しラインＬ12に介装された圧縮機１８により、所定の合成圧力まで圧縮される。
　本実施例では、水冷式冷却器１６又は空冷式冷却器２２により合成ガス１４を冷却しているので、アンモニア合成塔１３に戻される戻り原料ガス１１Ｂ中のアンモニア濃度が５モル％以上と高いが、アンモニア合成塔１３でアンモニアガス１２Ａを合成するアンモニア合成触媒をルテニウム系触媒としているので、反応活性が向上する。
　なお、戻り原料ガス１１Ｂには、必要に応じて原料ガス１１をメイクアップガスとしてメイクアップガスラインＬ14を介して、圧縮機１８の前で原料戻しラインＬ12に導入し、アンモニア合成塔１３では、所定の合成濃度となるようにしている。
　本発明のアンモニア合成方法は、以下のアンモニア合成ループ工程を含む。
　第１工程としては、アンモニア合成用の原料ガス(水素と窒素)１１からアンモニアガス１２Ａを合成するアンモニア合成工程である。
　第２工程としては、得られたアンモニアガス１２Ａと未反応の原料ガス１１とを含む合成ガス１４を冷却水１５又は空気２１で冷却する水冷又は空冷の冷却工程である。
　第３工程としては、水冷後の前記合成ガス１４Ａを、アンモニアガス１２Ａと液体アンモニア１２Ｂとに分離するアンモニア分離工程である。
　第４工程としては、分離されたアンモニアガス１２Ａを含む原料ガスを、戻り原料ガス１１Ｂとして前記アンモニア合成工程側へ戻す際、前記戻り原料ガス１１Ｂを圧縮する圧縮工程である。
　そして、循環する第１工程のアンモニア合成工程において、導入される戻り原料ガス１１Ｂ中のアンモニア濃度が５モル％以上であると共に、前記アンモニアガス１２Ａを合成するアンモニア合成触媒をルテニウム系触媒とすることで、第２工程の水冷又は空冷の冷却工程で冷却後の合成ガス１４Ａの温度が３０～５０℃と、従来の１０℃以下よりも大幅に高い場合であっても、製品アンモニアをチラー冷媒として用いず、冷媒製造コストの削減を図ると共に、アンモニア合成の運転効率の向上を図ることができることとなる。
　１０Ａ、１０Ｂ　アンモニア合成システム
　１１　原料ガス
　１１Ａ　未反応原料ガス
　１１Ｂ　戻り原料ガス
　１２Ａ　アンモニアガス
　１２Ｂ　液体アンモニア
　１３　アンモニア合成塔
　１４　合成ガス
　１５　冷却水
　１６　水冷式冷却器
　１７　アンモニア分離装置
　１８、２０　圧縮機
　２１　空気
　２２　空冷式冷却器　

Claims (4)

  1. 　アンモニア合成用の原料ガスからアンモニアガスを合成するアンモニア合成塔と、
    　前記アンモニア合成塔から得られたアンモニアガスと未反応の原料ガスとを含む合成ガスを排出する排出ラインと、
    　前記排出ラインに介装され、水冷又は空冷により前記合成ガスを冷却する水冷式又は空冷式の冷却器と、
    　前記排出ラインが接続され、冷却後の前記合成ガスを導入し、アンモニアガスと液体アンモニアとを分離するアンモニア分離装置と、
    　前記アンモニア分離装置で分離されたアンモニアガスを含む原料ガスを、戻り原料ガスとして前記アンモニア合成塔側へ戻す原料戻しラインと、
    　前記原料戻しラインに介装され、前記戻り原料ガスを圧縮する圧縮機と、を備え、
    　前記アンモニア合成塔に導入される前記戻り原料ガス中のアンモニア濃度が５モル％以上であると共に、前記アンモニア合成塔でアンモニアガスを合成するアンモニア合成触媒がルテニウム系触媒であることを特徴とするアンモニア合成システム。
  2. 　請求項１において、
    　前記アンモニア分離装置に導入する水冷後の前記合成ガスの温度が、３０～５０℃であることを特徴とするアンモニア合成システム。
  3. 　アンモニア合成用の原料ガスからアンモニアガスを合成するアンモニア合成工程と、
    　得られたアンモニアガスと未反応の原料ガスとを含む合成ガスを水又は空気で冷却する水冷式又は空冷式の冷却工程と、
    　冷却後の前記合成ガスを、アンモニアガスと液体アンモニアとに分離するアンモニア分離工程と、
    　分離されたアンモニアガスを含む原料ガスを、戻り原料ガスとして前記アンモニア合成工程側へ戻す際、前記戻り原料ガスを圧縮する圧縮工程と、を有し、
    　前記アンモニア合成工程に導入される前記戻り原料ガス中のアンモニア濃度が５モル％以上であると共に、前記アンモニアガスを合成するアンモニア合成触媒がルテニウム系触媒であることを特徴とするアンモニア合成方法。
  4. 　請求項３において、
    　冷却後の前記合成ガスの温度が、３０～５０℃であることを特徴とするアンモニア合成方法。
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