1.11 改質条件とCO転化条件と水素回収率への影響
すでに説明したように実際の水素プラントでは、水蒸気改質炉を出た改質ガスは熱回収後、CO転化工程に導入される。ここでは改質ガス中のCOからさらに水素を作り、水素プラントの原単位を改善している。
改質条件には改質温度、改質圧力、そしてS/C(Steam by Carbon ratio)がある。原料である炭化水素から多くの水素を得るためには、高い改質温度と低い改質圧力、そしてS/Cが大きいほうが良い。そこで改質温度とS/Cを変えた場合における水素生産量のケーススタディを行った。その結果を下図に示す。ただし、ベースケースとしては、改質温度875℃、S/C 3.0とし、またケーススタディの前提条件として、
- 改質圧力は改質炉出口で2.0MPa
- CO転化なし。
改質温度の上昇に従い水素原単位は向上している。ただし、温度をどの程度まで上げるかは、改質管(改質触媒を充填)材料の耐熱に依存するので、プロセス条件としては900℃以下が望ましい。(点線は増減率を示す)
S/Cの増加により水素原単位は向上している。ただし、必要以上のS/Cの増加はプロセス側廃熱の増加と水素原単位の悪化に結びつくので、S/Cとしては2.5~5程度が望ましい。(点線は増減率を示す)
CO転化は運転温度により以下のように分類できる。(ズードケミー触媒手帳より抜粋)
- 高温転化:比較的高い温度範囲(320~500℃)でCO転化を行う。CO転化触媒として酸化鉄-酸化クロム系を使用。CO濃度は入口で10~12%、出口で2~4%。
- 低温転化:比較的低い温度範囲(180~290℃)でCO転化を行う。CO転化触媒として酸化銅-酸化亜鉛-アルミナ系を使用。CO濃度は入口で2~4%、出口で0.1~0.3%。
- 中温転化:高温転化と低温転化の中間でCO転化を行う。CO転化触媒として酸化銅-酸化亜鉛-アルミナ系、または酸化銅-アルミナ系を使用。
水素プラントでは高温転化単独、あるいは高温転化+低温転化の組み合わせが最も多く採用されている。それらの特徴は、
- 高温転化単独:転化反応器基数は一基であり、触媒還元も必要なく簡単なシステム。ただし、出口CO濃度が高く、その分、水素原単位が高温転化+低温転化の組み合わせに比べ低い。
- 高温転化+低温転化の組み合わせ:転化反応器基数は二基であり、触媒が酸化銅のため硫黄や塩化水素に被毒されやい。また、触媒還元が必要となるのでN2循環システムや還元用水素供給などが必要でより複雑なシステムになる。ただし、出口CO濃度が低いので、水素原単位が高温転化単独に比べ改善できる。
ここではCO転化の水素原単位への影響を調べるために、物質収支計算表に”CO Shift”を追加し、その出口温度を変えて水素生産量を計算してみた。その結果を下図のグラフに示す。
この結果を見るとわかるようにCO転化の追加により、水素原単位は16~19%に増加する。(点線は増減率を示す)
今回作成した物質収支計算表(version0.5)における前回(version0.4)からの変更点は、
- Refomer下流にCO Shift(斜字部分)を追加
- Streamの圧力温度(表1)にCO Shiftを追加
- Sheet"CaseStudy1"を追加し、改質条件やCO転化条件の変更と水素生産量の推移をグラフを含め追加した。
また、前回と同様に物質収支計算表(Excel版)をダウンロードできるようにしましたのでご利用下さい。ダウンロードする
- 第1章 物質収支の計算
- 1.1 設計基本
- 1.2 物質収支計算ツールの準備
- 1.3 原子バランスの組み込み
- 1.4 気液分離
- 1.5 ストリームの合流(Addstream)
- 1.6 平衡定数の計算
- 1.7 平衡定数近似式の確定
- 1.8 平衡定数Kと圧平衡定数Kp
- 1.9 水蒸気改質炉出口組成計算
- 1.10 凝縮水分離とPSA水素精製
- 1.11 改質条件とCO転化条件と水素回収率への影響
- 第2章 熱収支の計算
- 2.1 熱収支計算の基礎
- 2.2 熱収支計算表の作成
- 2.3 ガス系の加熱と冷却
- 2.4 水蒸気改質炉の物質熱収支
- 2.5 予熱空気と水蒸気改質炉
- 2.6 燃焼系熱回収とスチーム発生
- 2.7 改質炉対流部プロセス設計
- 第3章 容器の設計
- 3.1 容器の種類
- 3.2 貯蔵タンク
- 3.3 分離器
- 第4章 回転機の設計
- 4.1 回転機の基礎
- 4.2 ポンプの設計
- 4.2.1 ポンプの種類と選定
- 4.2.2 ポンプのデータシート
- 4.2.2 ポンプのデータシート(流量について)
- 4.2.2 ポンプのデータシート(揚程について)
- 4.3 遠心ポンプの設計
- 4.3.1 遠心ポンプ効率の推定
- 4.3.2 遠心ポンプのNPSH
- 4.3.3 遠心ポンプのプロセス計算
- 第5章 水蒸気改質炉設計
- 5.1 改質管の設計
- 5.1.1 改質管とは
- 5.1.2 改質管の材料
- 5.1.3 Larson-Miller Parameter(LMP)
- 5.1.4 改質管の肉厚計算
- 5.2 水蒸気改質炉対流部の設計
- 5.2.1 伝熱計算
- 5.2.2 スタートアップ時の挙動
- 5.3 運転停止と水蒸気改質炉の設計
- 5.3.1 運転停止の種類
- 5.3.2 緊急停止における水蒸気改質炉
- 5.3.3 対流部熱交換器のクリープ破断
- 5.4 安全停止と改質炉設計
- 第6章 熱交換器の設計
- 6.1 熱交換器とプロセス設計
- 6.1.1 熱交換器性能とその影響
- 6.1.2 熱交換器のプロセスデータ
- 6.2 熱交換器と物性
- 6.2.1 凝縮と物性
- 6.2.2 凝縮曲線の作り方
- 6.2.3 凝縮曲線と熱交換器設計
- 6.2.4 エンタルピーの計算
- 6.2.5 凝縮熱伝達と有機溶剤
- 6.2.6 凝縮熱伝達と不凝縮ガスの影響
- 6.2.7 熱伝達と粘度の影響
- 6.2.8 熱伝達と材料の影響
- 6.3 熱交換器の選定
- 6.3.1 熱交換器の分類と種類
- 6.3.2 シェルとチューブ
- 6.3.3 熱交換器の用途とTEMA型式
- 第7章 計装制御
- 4.1 FLPT
- 4.2 圧力制御
- 4.2.1 化学プラントにおける圧力制御
- 4.2.2 圧縮機吸込側の圧力制御システム
- 4.2.3 圧縮機吸込側の圧力調節弁の容量
- 4.2.4 圧力上昇の要因
- 4.2.5 Closed outlet