この”プロセス設計の実務”では、プラントエンジニアリングの基幹となるプロセス設計の”イロハ”について説明しており、プラントエンジニアリングやプロセスエンジニアリングに興味がある社会人や学生を対象にしています。

この”プロセス設計の実務”では、基本に帰って「プロセス設計とは?」をもう少し掘り下げていきたいと考えています。その進め方については以下のように考えています。

  1. 「天然ガスを原料とする水素製造プラントのプロセス設計」を例題として設定いたします。
  2. プロセス設計というよりは基本設計+詳細設計の一部を含めた範囲としますので、機器設計や配管設計などに言及することが多くなります。
  3. 実際の設計に使用するエンジニアリング・ツールなどを使用しながら説明いたします。
  4. 更新のインターバルは原則として週1回(月曜日)と考えていますが、他のテーマを優先することもあります。

2. 熱収支の計算(続き)

2.3 ガス系の加熱と冷却

2.3.1 加熱と冷却の必要性

NG供給からPSA装置までの流れを熱収支的に考えてみます。
まず、供給されたNGを加熱する必要があります。この理由は二つあり、

  1. NG中の硫黄分などを脱硫反応器(Desulfurizer)にて反応吸着させますが、その際、脱硫触媒活性を十分引き出すために200~380℃まで加熱する。
  2. 水蒸気改質炉(Reformer)に入るNGにスチームを混ぜるが、その際にスチームが凝縮し配管などにダメージを与えないために、前もってNGを予熱する。

このためにNGを約350~400℃まで加熱する加熱器が必要となります。

次にNGとスチームの混合ガスを水蒸気改質炉(Reformer)入口で加熱する必要があります。この理由は、

  1. 低温度領域では水蒸気改質触媒の活性が低下し、改質反応に必要な触媒量および触媒充填用改質管(耐熱合金で高価)が増加しコストアップとなる。
  2. 低い温度でガスを水蒸気改質炉に入れると、水蒸気改質炉(Reformer)の熱負荷が増大して水蒸気改質炉(Reformer)で消費する燃料が増加する。

このためNGとスチームの混合ガスを約500~600℃まで加熱します。

水蒸気改質炉を出たガスはCO転化器(CO shift)入口温度まで冷却されます。CO転化器(CO shift)を出たガスは冷却され、最終的にはPSA装置上流で常温近くまで冷却されガス中の水分を凝縮分離します。

2.3.2 物質熱収支表の見直し

上記の加熱冷却のために物質熱収支計算表に熱交換器を追加することに致します。 そのために、以下の変更を行いました。

  1. NG feed下流にNGのヒータ (Heater-1)を追加。
  2. Addstream下流にNGとsteamの混合ストリームのヒータ (Heater-2)を追加。
  3. 水蒸気改質炉(Reformer)とCO転化器(CO shift)の間に冷却器 (Cooler-1)を追加。実際には廃熱ボイラにする予定。
  4. CO転化器(CO shift)下流に一連のクーラ (cooler-2,3,4,5,6 & Final Cooler) を追加。

詳細は物質熱収支計算表Version0.7をご覧下さい。

Version0.7をダウンロードするLinkIcon

2.3.3 熱収支の計算結果

物質熱収支計算表にて計算した結果の概略を説明します。
さきほどの熱交換器の温度と熱負荷(heat duty)を下表に示します。 ただし、凝縮曲線はCO転化器を出たガス中の凝縮成分(スチーム)の凝縮の有様を温度と熱負荷で作る曲線で示したものです。また、熱負荷の+は加熱、-は冷却を意味しています。

Heater/Cooler 入口温度℃ 出口温度℃ 熱負荷 GJ/hr 凝縮曲線 GJ/hr
Heater-1 25 370 15.436 ---
Heater-2 363.4 560 33.922 ---
Cooler-1 875 360 -104.476 ---
Cooler-2 436 360 -14.681 146.352
Cooler-3 360 250 -21.035 131.671
Cooler-4 250 155 -17.702 110.636
Cooler-5 155 130 -46.133 92.934
Cooler-6 130 100 -27.642 46.801
Final Cooler 100 38 -19.160 19.160

また、CO転化器下流の冷却器の温度と負荷をグラフ化してみました。CO転化器を出たガスにはスチームが多量に含まれており、冷却の途中でスチームが凝縮し始めます。この時の温度を露点あるいは凝縮点と言いますが、グラフに示しました冷却凝縮曲線(condensing curve)を見ると、ガス中のスチームの露点が約155℃近辺と言うことがわかるでしょう。

NG中の不純物と触媒

NG中には硫黄分や塩素分などがppm orderで含まれており、下流の水蒸気改質触媒の活性低下の原因となります。これらの不純物をそれぞれのガス精製触媒を使用して除去します。

脱硫:活性炭系、酸化亜鉛系(ZnO)、鉄系などの触媒がある。NG中の硫黄分が硫化水素などの無機硫黄化合物であれば、酸化亜鉛系の触媒が使用される。運転温度は350~400℃。

塩素化合物除去:酸化亜鉛系(ZnO+CaO)の吸着剤、銅亜鉛系のCO転化触媒、あるいはアルミナ・ソーダ系触媒が使用される。後者のアルミナ系は運転温度の関係で酸化亜鉛系脱硫触媒の前段で使用されることが多い。