プロセス商品開発

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商品開発の第9回目は「循環プロセスにおけるパラメータ」です。ここでは製品量と転化率、循環ガス量やパージ量との関係を説明します。

(1) 製品量に影響するパラメータ
(2) 製品量の推移とパラメータ

製品量に影響するパラメータ

循環ガス量とパージ量と製品量

アンモニア合成を目的とした循環プロセスはアンモニア合成反応器と合成ガス循環機、アンモニアを分離する分離器、および関連する熱交換器から構成されています。その循環システムと内部の機器構成を下図に示します。

アンモニア分離器にて分離された合成ガスは循環機により、再び合成反応器へと循環します。循環ガス量は循環機の回転数に比例し、揚程(ヘッド)は回転数の二乗に比例します。

流量∝回転数、揚程(差圧)∝回転数×回転数

つまり、循環機の回転数を制御すれば、所定の循環ガス量にすることが出来ます。合成触媒の性能が極端に低下していなければ、循環ガス量を増やすことで製品アンモニア量を増やすことが可能で、循環システムに入ってくる原料(H2+N2)の流量が一定ですので、物質収支からパージは逆に減少していきます。

転化率と反応器

転化率は合成反応器に流入する原料(H2+N2)がどれだけ製品(NH3)に変換されたかを示すパラメータで、合成反応触媒の性能を代表しています。

プロセス設計では出来るだけ高性能な触媒を採用して、原料の製品への転化率を高く設定します。それとともに触媒上での温度分布を設定します。アンモニア合成は発熱反応ですから、反応熱を除去して温度上昇を抑えることで反応平衡を有利にします。ただし、温度が下がると反応速度が低下しますので触媒量が増加してしまいます。
反応熱をどれだけ除去(回収)するかで反応器の大きさや構造が決まり、反応器のコストにも影響します。
反応器や触媒量に影響するもう一つのパラメータは循環ガス量です。この循環ガス量と転化率・触媒量の関係は反応速度を抜きにしては語れませんので、別の機会に説明します。

製品量の推移とパラメータ

循環比を変えた場合の製品量の推移

転化率を一定として、循環比(循環ガス量÷原料ガス量)を変えた場合、つまり循環機の回転数を変えた際のアンモニア製品量の推移を下図に示しました。循環機の流量を増やすことでアンモニアの生成量が増えることを示しています。
ただし、回転数を増加して循環比を増やしても製品量は次第に頭打ちになりますので、循環機性能から派生する制限とは別に、反応の面から循環比に上限があることがお分かりになるでしょう。
また、イナートレベルが循環比とともに急激に増加しています。これにより合成ガス中の(H2+N2)の分圧が下がるのでアンモニア生成量の増加はさらに抑えられることになります。

転化率を変えた場合の製品量の推移

循環比を一定として転化率を変えた場合のアンモニア製品量の推移を下図に示しました。このケースは触媒性能が変化した際の製品量の変化を示しており、この図からわかることは転化率の一寸した変化が製品量を大きく変えることを意味しており、触媒性能が如何に重要かを示しています。ただし、製品量は転化率20%以上で頭打ちになっており、循環比を変えても同じ傾向を示しています。


次回は循環ガス量とプロセスの最適化について考えて見ましょう。