JP7600597B2 - How ammonia is produced - Google Patents
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Description
本発明は、アンモニア合成触媒と、水素/窒素/アンモニアの混合ガスからアンモニアガスを選択的に分離するアンモニア分離膜と、を反応器内に設置し、触媒により生成したアンモニアガスをアンモニア分離膜にて分離することでアンモニアの逆反応を抑制し、平衡反応よりも高い転化率でアンモニアを生成することが可能な膜型反応器、を含むアンモニアの製造方法、及びアンモニア水の製造方法、に関する。 The present invention relates to a method for producing ammonia, which includes a membrane reactor in which an ammonia synthesis catalyst and an ammonia separation membrane that selectively separates ammonia gas from a mixed gas of hydrogen/nitrogen/ammonia are installed, and the ammonia gas produced by the catalyst is separated by the ammonia separation membrane, thereby suppressing the reverse reaction of ammonia and producing ammonia at a higher conversion rate than the equilibrium reaction, and a method for producing ammonia water.
工業的に重要なプロセスの一つとして知られているハーバー・ボッシュ法によるアンモニア製造は、アンモニア生成反応が平衡反応であり、熱力学的には高圧、低温条件下での反応が好ましいとされる。しかし実際は触媒の反応速度を確保する必要があり、一般に400~600℃の高温、かつ10~20MPaの高圧条件を必要とされている。 The Haber-Bosch process for producing ammonia is known as one of the most important industrial processes. The ammonia production reaction is an equilibrium reaction, and thermodynamically, it is considered preferable to perform the reaction under high pressure and low temperature conditions. However, in reality, it is necessary to ensure the reaction rate of the catalyst, and high temperatures of 400 to 600°C and high pressures of 10 to 20 MPa are generally required.
従来、ハーバー・ボッシュ法は、鉄を主成分とする触媒が使用されてきたが、上述のような過酷な反応条件を緩和するために、高活性な触媒を開発する研究が報告されており、近年ではRu系の触媒開発が盛んにおこなわれている(非特許文献1)。 Traditionally, the Haber-Bosch process has used catalysts whose main component is iron, but research has been reported on the development of highly active catalysts to alleviate the harsh reaction conditions described above, and in recent years, the development of Ru-based catalysts has been active (Non-Patent Document 1).
従来のアンモニア合成プロセスを図1に示す。
アンモニアの原料ガスである水素と窒素の混合ガスを、触媒反応工程のアンモニア合成反応器において反応させて、得られた生成ガスに含まれるアンモニアガスをアンモニア回収工程において液化し、液化アンモニアとして回収している。生成ガス中には、製品となるアンモニア以外にも、未反応の原料である水素と窒素が含まれ、これらを分離するためには、高圧かつ低温下においてアンモニアを液化して分離する必要がある。そのため、通常は生成ガスを-20℃~-5℃程度に冷却し、アンモニアを凝縮分離している(非特許文献2)。
特に、触媒反応工程でアンモニアを生成した生成ガスは、アンモニア生成反応の平衡制約により未反応の水素や窒素ガスを多く含むことから、アンモニア回収工程では冷却効率が悪く、大量のエネルギーを消費する特徴がある。また本プロセスでは、原料ロスを抑える観点から、生成ガスから水素ガスと窒素ガスとを分離し、原料ガスとしてアンモニア合成反応器にリサイクルする必要があり、冷却によりアンモニアと分離した未反応の水素と窒素を含むリサイクルガスは、再度反応温度まで昇温するため、更にエネルギーを消費しているのが実情である。
従って、アンモニアの製造プロセスは加圧や冷却に伴うエネルギーを大量に消費することから、省エネルギーかつ環境に優しいプロセスの構築が求められていた。
A conventional ammonia synthesis process is shown in FIG.
A mixed gas of hydrogen and nitrogen, which are the raw gases of ammonia, is reacted in an ammonia synthesis reactor in a catalytic reaction process, and the ammonia gas contained in the resulting product gas is liquefied in an ammonia recovery process and recovered as liquefied ammonia. In addition to the ammonia product, the product gas also contains unreacted raw materials hydrogen and nitrogen, and in order to separate these, it is necessary to liquefy and separate the ammonia under high pressure and low temperature. Therefore, the product gas is usually cooled to about -20°C to -5°C to condense and separate the ammonia (Non-Patent Document 2).
In particular, the product gas from which ammonia is produced in the catalytic reaction process contains a large amount of unreacted hydrogen and nitrogen gas due to the equilibrium constraints of the ammonia production reaction, and therefore the cooling efficiency is poor in the ammonia recovery process, resulting in the consumption of a large amount of energy. In addition, in this process, in order to reduce raw material losses, it is necessary to separate hydrogen gas and nitrogen gas from the product gas and recycle them to the ammonia synthesis reactor as raw material gas, and the recycled gas containing the unreacted hydrogen and nitrogen separated from the ammonia by cooling must be heated again to the reaction temperature, consuming further energy.
Therefore, because the ammonia production process consumes a large amount of energy due to the pressurization and cooling, there has been a demand for the development of an energy-saving and environmentally friendly process.
このようなエネルギー多消費型のプロセスを回避するために、生成ガスからアンモニアを冷却凝縮分離により回収する方法を、無機分離膜を用いた分離方法に代替して、効率的に高濃度のアンモニアガスを回収するプロセスが提案されている(特許文献1)。 In order to avoid such energy-intensive processes, a process has been proposed that replaces the method of recovering ammonia from the generated gas by cooling and condensing separation with a separation method using an inorganic separation membrane, thereby efficiently recovering high-concentration ammonia gas (Patent Document 1).
水素ガス、窒素ガスおよびアンモニアガスの混合ガスから高濃度のアンモニアガスを含有する混合ガスを分離する方法としては、1)分離膜を用いて、該混合ガスから水素ガス及び/又は窒素ガスを選択的に透過させる方法、2)分離膜を用いて、該混合ガスからアンモニアガスを選択的に透過させる方法、が挙げられる。
前者の水素ガス及び/又は窒素ガスを選択的に透過させる方法を用いた場合、アンモニアを分離回収するには多段階のシステムでアンモニアを生成している。一方、後者の分離膜を用いる方法では、例えばゼオライト膜を用いることで水素ガス、窒素ガス及びアンモニアガスの混合ガスからアンモニアガスを選択的に透過させる方法を開発している(特許
文献2、3)。ゼオライトの持つ酸性点とアンモニアの塩基性による吸着を用いることで、アンモニアの選択的な分離を可能としており、更に高温条件下でも安定してアンモニアを選択的に分離できることを見出している。
Methods for separating a mixed gas containing a high concentration of ammonia gas from a mixed gas of hydrogen gas, nitrogen gas, and ammonia gas include 1) a method in which a separation membrane is used to selectively allow hydrogen gas and/or nitrogen gas to permeate from the mixed gas, and 2) a method in which a separation membrane is used to selectively allow ammonia gas to permeate from the mixed gas.
In the former method of selectively permeating hydrogen gas and/or nitrogen gas, ammonia is generated in a multi-stage system to separate and recover ammonia. On the other hand, in the latter method of using a separation membrane, a method of selectively permeating ammonia gas from a mixed gas of hydrogen gas, nitrogen gas, and ammonia gas by using, for example, a zeolite membrane has been developed (Patent Documents 2 and 3). By utilizing the acidic sites of zeolite and the adsorption due to the basicity of ammonia, it has been found that ammonia can be selectively separated stably even under high temperature conditions.
特許文献4では、電気分解法と、膜分離又はPSAのアンモニア濃縮技術と、を組み合わせたプロセスにより設備やエネルギーに負荷を下げたアンモニア製造方法について報告されている。分離膜又はPSA単独でアンモニア側への窒素等のイナート成分のリークが20%程度あるような場合でも動力削減効果が得られることを特徴としている。 Patent Document 4 reports on an ammonia production method that reduces the burden on equipment and energy by combining electrolysis with ammonia concentration technology such as membrane separation or PSA. It is characterized by the fact that even when there is about 20% leakage of inert components such as nitrogen into the ammonia side using separation membrane or PSA alone, a power reduction effect can be obtained.
特許文献5では、アンモニアを選択的に吸着する吸着剤を反応器に用いることで、アンモニア合成触媒により生成したアンモニアを吸着剤に吸着させることで平衡反応を生成側に反応させて、より効率的にアンモニアを生成する反応システムについて提案している。 Patent Document 5 proposes a reaction system that produces ammonia more efficiently by using an adsorbent that selectively adsorbs ammonia in a reactor, and by adsorbing the ammonia produced by an ammonia synthesis catalyst onto the adsorbent, the equilibrium reaction is shifted to the production side.
しかしながら、ハーバー・ボッシュ法を始めとした従来のアンモニア合成プロセスでは、平衡制約により生成ガス中に製品となるアンモニアの他に原料となる水素と窒素が大量に含まれることから、これらを分離するためにアンモニアを液化あるいは分離膜により分離し、分離後も水素ガスや窒素ガスをリサイクルするためのエネルギーが必要である。 However, in conventional ammonia synthesis processes such as the Haber-Bosch process, due to equilibrium constraints, the generated gas contains large amounts of the raw materials hydrogen and nitrogen in addition to the product ammonia. In order to separate these, the ammonia must be liquefied or separated using a separation membrane, and energy is required to recycle the hydrogen gas and nitrogen gas after separation.
特許文献1のようにアンモニア分離膜を用いたプロセスでは、1段目の分離膜により透過したアンモニアガスを含有する高濃度の水素混合ガス、及び透過しなかった窒素ガスとアンモニアガスの混合ガスからアンモニアガスを分離する工程が必須となる。すなわち、この方法は、水素ガス、窒素ガス及びアンモニアガスの混合ガスからアンモニアガスを、少なくとも2段で分離する煩雑なプロセスとなり、更に1段目で透過された混合ガス及び非透過の混合ガスのいずれからもアンモニアを回収する工程が必要となることから、煩雑なプロセスとなる。これらの課題を本質的に解決するためには、相対的に高い濃度の水素ガスならびに窒素ガスを含む混合ガス及び/又は相対的に低い濃度のアンモニアガスを含有する混合ガスから水素ガス及び窒素ガスを分離する必要が生じることになるが、このようなプロセスでは生産的なアンモニア製造プロセスは成り得ず、現実的ではない。 In the process using an ammonia separation membrane as in Patent Document 1, a step of separating ammonia gas from a high-concentration hydrogen mixed gas containing ammonia gas that has permeated through the first-stage separation membrane and a mixed gas of nitrogen gas and ammonia gas that has not permeated through the first-stage separation membrane is essential. In other words, this method is a complicated process in which ammonia gas is separated from a mixed gas of hydrogen gas, nitrogen gas, and ammonia gas in at least two stages, and further requires a step of recovering ammonia from both the mixed gas that has permeated through the first stage and the mixed gas that has not permeated through the first stage, making it a complicated process. In order to essentially solve these problems, it becomes necessary to separate hydrogen gas and nitrogen gas from a mixed gas containing a relatively high concentration of hydrogen gas and nitrogen gas and/or a mixed gas containing a relatively low concentration of ammonia gas, but such a process is not productive and is not realistic.
特許文献3ではアンモニアを選択的に分離可能なゼオライト膜を用いることで、未反応の水素ガスと窒素ガスを含む生成混合ガスから高濃度のアンモニアを含むガスを分離する事を可能としている。しかしながら、ゼオライト膜を透過した透過ガスからアンモニアを凝縮分離するには再度加圧する必要があり、またハーバー・ボッシュ法と同様に大量の未反応の水素ガスと窒素ガスをリサイクルする事から消費エネルギーの削減は限定的であった。 In Patent Document 3, a zeolite membrane capable of selectively separating ammonia is used, making it possible to separate gas containing a high concentration of ammonia from a produced mixed gas containing unreacted hydrogen gas and nitrogen gas. However, in order to condense and separate ammonia from the permeated gas that has permeated the zeolite membrane, it is necessary to re-pressurize the gas, and as with the Haber-Bosch process, large amounts of unreacted hydrogen gas and nitrogen gas are recycled, so the reduction in energy consumption is limited.
特許文献4では、水と窒素から電気分解法を用いてアンモニアを合成する新たなプロセス構築により動力は削減できるとしているが、実用化に向けては耐食性構造材料の開発といった長期安定性に課題を有している。 Patent Document 4 claims that the power required can be reduced by developing a new process for synthesizing ammonia from water and nitrogen using electrolysis, but there are issues to be overcome in terms of long-term stability, such as the development of corrosion-resistant structural materials, in order to put this technology into practical use.
特許文献5では、吸着剤を用いることで平衡転化率よりも高い収率でアンモニアを製造する反応分離型の反応器を用いたプロセスとしているが、吸着したアンモニアを吸着剤から分離する工程が必要となるため、複雑なシステムの反応器が組まれており、実用的には難しい。 Patent document 5 describes a process using a reaction separation type reactor that uses an adsorbent to produce ammonia at a yield higher than the equilibrium conversion rate, but because a process is required to separate the adsorbed ammonia from the adsorbent, a complex reactor system is required, making it difficult to put into practical use.
本発明は、上記従来の実状に鑑みてなされたものであって、製品アンモニア及びアンモニア水を少ないエネルギーで効率的に生成できるアンモニアの製造方法及びアンモニア水の製造方法を提供することを課題とする。 The present invention has been made in consideration of the above-mentioned conventional situation, and aims to provide an ammonia production method and an ammonia water production method that can efficiently produce product ammonia and ammonia water with less energy.
本発明者らは、上記課題を解決すべく、反応の平衡制約により生成混合ガス中に未反応の水素ガスや窒素ガスが多く含まれる従来のハーバー・ボッシュ法とは異なり、反応系からアンモニアを選択的に分離する分離膜を組み合わせた膜型反応器を用い、分離膜を透過した高濃度のアンモニアを含むガスからアンモニアを回収し、更に未反応の原料ガスをリサイクル又は系外にパージすることで、エネルギー消費量の少ないアンモニア製造プロセスを提供できることを見出し、本発明を完成するに至った。 In order to solve the above problems, the inventors have discovered that, unlike the conventional Haber-Bosch process in which the product mixed gas contains large amounts of unreacted hydrogen gas and nitrogen gas due to equilibrium constraints in the reaction, a membrane reactor is used in combination with a separation membrane that selectively separates ammonia from the reaction system, and ammonia is recovered from a gas containing a high concentration of ammonia that has permeated the separation membrane, and the unreacted raw material gas is recycled or purged from the system, thereby providing an ammonia production process with low energy consumption, and have completed the present invention.
本発明の膜型反応器を用いたアンモニア製造プロセスでは、アンモニア生成反応は平衡反応であるため、アンモニア合成触媒にアンモニアを選択的に分離するアンモニア分離膜を組み合わせることでアンモニアの逆反応を抑制することを可能にする。その結果、通常の平衡制約のある反応よりも高い転化率でアンモニアを得ることができる。また、アンモニア生成反応は発熱反応であることから、反応転化率が高くなるほど生成する熱量が増え、この熱を回収し、エネルギーとして利用することで省エネの効果が得られる。更に、未反応ガスのリサイクル量も減る事から、未反応ガスのリサイクルにかかるエネルギーも削減することが可能になる。 In the ammonia production process using the membrane reactor of the present invention, since the ammonia production reaction is an equilibrium reaction, it is possible to suppress the reverse reaction of ammonia by combining an ammonia synthesis catalyst with an ammonia separation membrane that selectively separates ammonia. As a result, ammonia can be obtained at a higher conversion rate than in a normal reaction with equilibrium constraints. In addition, since the ammonia production reaction is an exothermic reaction, the higher the reaction conversion rate, the more heat is generated, and energy can be saved by recovering this heat and using it as energy. Furthermore, since the amount of unreacted gas recycled is reduced, it is also possible to reduce the energy required to recycle unreacted gas.
本発明の実施形態はこのような知見に基づいて達成されたものであり、下記を提供する。
[1]原料に水素と窒素を用いて、アンモニアを製造する方法であって、
アンモニア合成触媒とアンモニア分離膜と、を用いた膜型反応器により、前記原料からアンモニアを合成する反応分離工程と、
前記アンモニア分離膜を透過した透過ガス中に含まれるアンモニアを冷却し、凝縮した液化アンモニアを回収するアンモニア回収工程と、
未反応の原料ガスをリサイクルするリサイクル工程と、
を備える、アンモニアの製造方法。
[2]原料に水素と窒素を用いて、アンモニアを製造する方法であって、
アンモニア合成触媒とアンモニア分離膜と、を用いた膜型反応器により、前記原料からアンモニアを合成する反応分離工程と、
前記アンモニア分離膜を透過した透過ガス中に含まれるアンモニアを冷却し、凝縮した液化アンモニアを回収するアンモニア回収工程と、
未反応の原料ガスを系外にパージするパージ工程と、
を備える、アンモニアの製造方法。
[3]前記反応分離工程において、前記アンモニア分離膜を透過した透過ガス中のアンモニア濃度が50vol%以上である、[1]または[2]に記載のアンモニアの製造方法。
[4]前記反応分離工程において、前記アンモニア分離膜におけるガス供給側の圧力が0.1MPa以上、10MPa以下である、[1]~[3]のいずれかに記載のアンモニアの製造方法。
[5]前記反応分離工程において、膜型反応器のアンモニア分離膜におけるガス供給側と透過側の圧力差が0.1MPa以上、10MPa以下である、[1]~[4]のいずれかに記載のアンモニアの製造方法。
[6]前記反応分離工程において、前記アンモニア分離膜のアンモニア/水素の透過係数比が20以上である、[1]~[5]のいずれかに記載のアンモニアの製造方法。
[7]前記反応分離工程において、前記アンモニア分離膜のアンモニア/窒素の透過係数比が20以上である、[1]~[6]のいずれかに記載のアンモニアの製造方法。
[8]前記反応分離工程において、前記アンモニア分離膜がゼオライト膜である、[1]~[7]のいずれかに記載のアンモニアの製造方法。
[9]原料に水素と窒素を用いて、アンモニア水を製造する方法であって、
アンモニア合成触媒と、水素/窒素/アンモニアの混合ガスからアンモニアを選択的に分離するアンモニア分離膜と、を用いた膜型反応器により、前記原料からアンモニアを合成する反応分離工程と、
前記アンモニア分離膜を透過した透過ガスに水を供給してアンモニア水とし、該アンモニア水を回収するアンモニア吸収工程と、
未反応の原料ガスをリサイクルするリサイクル工程と、を備える、アンモニア水の製造方法。
[10]原料に水素と窒素を用いて、アンモニア水を製造する方法であって、
アンモニア合成触媒と、水素/窒素/アンモニアの混合ガスからアンモニアを選択的に分離するアンモニア分離膜と、を備えた膜型反応器により、前記原料からアンモニアを合成する反応分離工程と、
前記アンモニア分離膜を透過した透過ガスに水を供給してアンモニア水とし、該アンモニア水を回収するアンモニア吸収工程と、
未反応の原料ガスを系外にパージするパージ工程と、を備えるアンモニア水の製造方法。
[11]前記反応分離工程において、前記アンモニア分離膜を透過した透過ガス中のアンモニア濃度が30vol%以上である、[9]または[10]に記載のアンモニア水の製造方法。
[12]前記反応分離工程において、前記アンモニア分離膜におけるガス供給側の圧力が0.1MPa以上、10MPa以下である、[9]~[11]のいずれかに記載のアンモニア水の製造方法。
[13]前記反応分離工程において、膜型反応器のアンモニア分離膜におけるガス供給側と透過側の圧力差が0.1MPa以上、10MPa以下である、[9]~[12]のいずれかに記載のアンモニア水の製造方法。
[14]前記反応分離工程において、前記アンモニア分離膜のアンモニア/水素の透過係数比が10以上である、[9]~[13]のいずれかに記載のアンモニア水の製造方法。[15]前記反応分離工程において、前記アンモニア分離膜のアンモニア/窒素の透過係数比が10以上である、[9]~[14]のいずれかに記載のアンモニア水の製造方法。[16]前記反応分離工程において、前記アンモニア分離膜がゼオライト膜である、[9]~[15]のいずれかに記載のアンモニア水の製造方法。
The embodiments of the present invention have been achieved based on these findings and provide the following.
[1] A method for producing ammonia using hydrogen and nitrogen as raw materials, comprising the steps of:
a reaction and separation step of synthesizing ammonia from the raw material by a membrane reactor using an ammonia synthesis catalyst and an ammonia separation membrane;
an ammonia recovery step of cooling ammonia contained in a permeation gas that has permeated the ammonia separation membrane and recovering condensed liquefied ammonia;
a recycling step of recycling unreacted raw material gas;
A method for producing ammonia comprising:
[2] A method for producing ammonia using hydrogen and nitrogen as raw materials, comprising the steps of:
a reaction and separation step of synthesizing ammonia from the raw material by a membrane reactor using an ammonia synthesis catalyst and an ammonia separation membrane;
an ammonia recovery step of cooling ammonia contained in a permeation gas that has permeated the ammonia separation membrane and recovering condensed liquefied ammonia;
a purging step of purging unreacted raw material gas out of the system;
A method for producing ammonia comprising:
[3] The method for producing ammonia according to [1] or [2], wherein in the reaction and separation step, an ammonia concentration in a permeable gas that has permeated the ammonia separation membrane is 50 vol % or more.
[4] The method for producing ammonia according to any one of [1] to [3], wherein in the reaction and separation step, a pressure on the gas supply side of the ammonia separation membrane is 0.1 MPa or more and 10 MPa or less.
[5] The method for producing ammonia according to any one of [1] to [4], wherein in the reaction and separation step, a pressure difference between a gas supply side and a permeation side of an ammonia separation membrane of a membrane reactor is 0.1 MPa or more and 10 MPa or less.
[6] The method for producing ammonia according to any one of [1] to [5], wherein in the reaction and separation step, the ammonia separation membrane has an ammonia/hydrogen permeability coefficient ratio of 20 or more.
[7] The method for producing ammonia according to any one of [1] to [6], wherein in the reaction and separation step, the ammonia separation membrane has an ammonia/nitrogen permeability coefficient ratio of 20 or more.
[8] The method for producing ammonia according to any one of [1] to [7], wherein in the reaction and separation step, the ammonia separation membrane is a zeolite membrane.
[9] A method for producing ammonia water using hydrogen and nitrogen as raw materials, comprising the steps of:
a reaction and separation step of synthesizing ammonia from the raw material by a membrane reactor using an ammonia synthesis catalyst and an ammonia separation membrane that selectively separates ammonia from a mixed gas of hydrogen/nitrogen/ammonia;
an ammonia absorption step of supplying water to the permeation gas that has permeated the ammonia separation membrane to produce ammonia water, and recovering the ammonia water;
and a recycling step of recycling unreacted raw material gas.
[10] A method for producing ammonia water using hydrogen and nitrogen as raw materials, comprising the steps of:
a reaction and separation step of synthesizing ammonia from the raw material using a membrane reactor equipped with an ammonia synthesis catalyst and an ammonia separation membrane that selectively separates ammonia from a mixed gas of hydrogen/nitrogen/ammonia;
an ammonia absorption step of supplying water to the permeation gas that has permeated the ammonia separation membrane to produce ammonia water, and recovering the ammonia water;
and a purging step of purging unreacted raw material gas out of the system.
[11] The method for producing ammonia water according to [9] or [10], wherein in the reaction and separation step, an ammonia concentration in a permeable gas that has permeated the ammonia separation membrane is 30 vol % or more.
[12] The method for producing ammonia water according to any one of [9] to [11], wherein in the reaction and separation step, a pressure on the gas supply side of the ammonia separation membrane is 0.1 MPa or more and 10 MPa or less.
[13] The method for producing ammonia water according to any one of [9] to [12], wherein in the reaction and separation step, a pressure difference between the gas supply side and the permeation side of the ammonia separation membrane of the membrane reactor is 0.1 MPa or more and 10 MPa or less.
[14] The method for producing ammonia water according to any one of [9] to [13], wherein in the reactive separation step, the ammonia separation membrane has an ammonia/hydrogen permeability coefficient ratio of 10 or more. [15] The method for producing ammonia water according to any one of [9] to [14], wherein in the reactive separation step, the ammonia separation membrane has an ammonia/nitrogen permeability coefficient ratio of 10 or more. [16] The method for producing ammonia water according to any one of [9] to [15], wherein in the reactive separation step, the ammonia separation membrane is a zeolite membrane.
本発明によれば、反応分離工程においてアンモニアを選択的に分離するアンモニア分離膜を採用した膜型反応器によりアンモニアを合成することで、平衡反応における転化率よりも高い転化率を得られることから、膜型反応器における膜内を透過したガスは高濃度のアンモニアを含み、消費エネルギーの少ないプロセスを構築することが可能である。 According to the present invention, by synthesizing ammonia using a membrane reactor that employs an ammonia separation membrane that selectively separates ammonia in the reaction separation process, a conversion rate higher than that in an equilibrium reaction can be obtained, so that the gas that permeates through the membrane in the membrane reactor contains a high concentration of ammonia, making it possible to construct a process that consumes less energy.
さらに、本発明によるプロセス構成はリサイクルガス量が少なく、昇圧器や反応器等の機器サイズを小さくすることができ、プロセスをコンパクト化する事が可能になる。すなわち、未反応ガスの多くをリサイクルするハーバー・ボッシュ法では難しい小型プロセスによるアンモニア製造を可能にし、必要な量を必要な場所で製造できるオンサイト型のアンモニア製造プロセスの提供が可能となるため、利用価値は非常に高い。 Furthermore, the process configuration of the present invention requires a small amount of recycled gas, and the size of equipment such as boosters and reactors can be reduced, making it possible to make the process more compact. In other words, it makes it possible to produce ammonia using a small-scale process that is difficult to achieve using the Haber-Bosch process, which recycles much of the unreacted gas, and it makes it possible to provide an on-site ammonia production process that can produce the required amount at the required location, making it highly valuable.
本発明の一形態は、原料に水素と窒素を用いて、アンモニアを製造する方法であって、前記原料からアンモニア合成触媒を用いたアンモニア合成反応器により、アンモニアを合成する触媒反応工程と、アンモニア合成反応器により得られたアンモニアを含む反応ガスを原料から、アンモニア合成触媒とアンモニア分離膜とを用いた膜型反応器により、アンモニアを合成する反応分離工程と、前記アンモニア分離膜を透過した透過ガス中に含まれるアンモニアを冷却し、凝縮した液化アンモニアを回収するアンモニア回収工程と、未反応の原料ガスをリサイクルするリサイクル工程と、を備える、アンモニアの製造方法である。
また、本発明の別の形態は、原料に水素と窒素を用いて、アンモニアを製造する方法であって、前記原料からアンモニア合成触媒を用いたアンモニア合成反応器により、アンモニアを合成する触媒反応工程と、アンモニア合成反応器により得られたアンモニアを含む反応ガスを原料から、アンモニア合成触媒とアンモニア分離膜とを用いた膜型反応器により、アンモニアを合成する反応分離工程と、前記アンモニア分離膜を透過した透過ガス中に含まれるアンモニアを冷却し、凝縮した液化アンモニアを回収するアンモニア回収工程と、未反応の原料ガスを系外にパージするパージ工程と、を備える、アンモニアの製造方法である。
One embodiment of the present invention is a method for producing ammonia using hydrogen and nitrogen as raw materials, the method comprising: a catalytic reaction step of synthesizing ammonia from the raw material in an ammonia synthesis reactor using an ammonia synthesis catalyst; a reaction and separation step of synthesizing ammonia from a raw material using a reaction gas containing ammonia obtained in the ammonia synthesis reactor in a membrane reactor using an ammonia synthesis catalyst and an ammonia separation membrane; an ammonia recovery step of cooling ammonia contained in a permeation gas that has permeated the ammonia separation membrane and recovering condensed liquefied ammonia; and a recycling step of recycling unreacted raw material gas.
Another embodiment of the present invention is a method for producing ammonia using hydrogen and nitrogen as raw materials, the method comprising: a catalytic reaction step of synthesizing ammonia from the raw material in an ammonia synthesis reactor using an ammonia synthesis catalyst; a reaction and separation step of synthesizing ammonia from a raw material using a reaction gas containing ammonia obtained in the ammonia synthesis reactor in a membrane reactor using an ammonia synthesis catalyst and an ammonia separation membrane; an ammonia recovery step of cooling ammonia contained in a permeation gas that has permeated the ammonia separation membrane and recovering condensed liquefied ammonia; and a purging step of purging unreacted raw material gas to the outside of the system.
本発明に用いるアンモニア合成反応器とは、アンモニア分離膜は用いず、アンモニア合成触媒を備えた反応器である。また、膜型反応器とは、アンモニア合成触媒とアンモニア分離膜を備えた反応器である。
本発明に用いる触媒反応工程とは、アンモニア合成反応器を有する工程であり、反応分
離工程とは膜型反応器を有する工程である。
本発明に用いる膜型反応器とは、選択透過膜型反応器(メンブレンリアクター:Membrane Reactor)と称される。選択透過膜型反応器は例えば、特開2005-58823号公
報を参照することができ、化学反応を促進させるための触媒と、特定の成分に対する選択的透過能を有する選択透過膜とを備え、触媒作用と選択的透過能とを併有する反応器である。
The ammonia synthesis reactor used in the present invention is a reactor equipped with an ammonia synthesis catalyst without using an ammonia separation membrane, and the membrane reactor is a reactor equipped with an ammonia synthesis catalyst and an ammonia separation membrane.
The catalytic reaction process used in the present invention is a process having an ammonia synthesis reactor, and the reaction separation process is a process having a membrane reactor.
The membrane reactor used in the present invention is called a selectively permeable membrane reactor. For example, JP 2005-58823 A can be referred to as a selectively permeable membrane reactor, and the selectively permeable membrane reactor is a reactor that has both catalytic action and selective permeability, and is equipped with a catalyst for promoting a chemical reaction and a selectively permeable membrane having selective permeability for a specific component.
本発明のアンモニア製造プロセスにおける反応分離工程において、分離ガス中に含まれるアンモニア濃度は、膜型反応器に用いるアンモニア分離膜の分離性能はアンモニア濃度が高い方がアンモニアを分離しやすくなる観点から、1vol%以上であることが好ましい。そのため、反応分離工程における膜型反応器はアンモニア分離膜で分離するガス中のアンモニア濃度が1vol%以上になるように、通常は触媒反応工程の後に反応分離工程を経るプロセスを組むが、例えばアンモニア合成反応器と膜型反応器を一体型にして、アンモニア分離膜よりも上流にアンモニア合成触媒を配置し、膜により分離するガスに含まれるアンモニア濃度が1vol%以上になるように設計した反応器を用いてもよい。 In the reaction and separation step in the ammonia production process of the present invention, the ammonia concentration in the separated gas is preferably 1 vol% or more, from the viewpoint that the separation performance of the ammonia separation membrane used in the membrane reactor is such that the higher the ammonia concentration, the easier it is to separate ammonia. Therefore, the membrane reactor in the reaction and separation step is usually configured to have a reaction and separation step after the catalytic reaction step so that the ammonia concentration in the gas separated by the ammonia separation membrane is 1 vol% or more, but for example, a reactor designed to integrate the ammonia synthesis reactor and the membrane reactor, place the ammonia synthesis catalyst upstream of the ammonia separation membrane, and have the ammonia concentration in the gas separated by the membrane be 1 vol% or more may be used.
反応分離工程は、アンモニア合成触媒とアンモニア分離膜とを備えた膜型反応器によりアンモニアを合成する工程である。膜型反応器は、アンモニア合成触媒とアンモニア分離膜とを備えていれば特に限定されないが、特許文献3(国際公開第2018/230737号)に開示された反応器を例示することができる。 The reaction and separation process is a process in which ammonia is synthesized using a membrane reactor equipped with an ammonia synthesis catalyst and an ammonia separation membrane. The membrane reactor is not particularly limited as long as it is equipped with an ammonia synthesis catalyst and an ammonia separation membrane, but an example of the membrane reactor is the reactor disclosed in Patent Document 3 (WO 2018/230737).
アンモニア合成反応は水素と窒素を原料として以下の式で表され、発熱反応である。従って、反応が進むと発生した熱をエネルギーとして回収する事が出来る。
(アンモニア合成反応)
N2 + 3H2 ←→ 2NH3 ΔH=-91.44 KJ/mol
The ammonia synthesis reaction is expressed by the following formula, which uses hydrogen and nitrogen as raw materials, and is an exothermic reaction. Therefore, as the reaction progresses, the heat generated can be recovered as energy.
(Ammonia synthesis reaction)
N 2 + 3H 2 ←→ 2NH 3 ΔH=-91.44 KJ/mol
膜型反応器を用いた反応分離工程では、アンモニア生成反応の逆反応を抑制することが可能であり、膜型反応器での転化率は反応平衡における転化率よりも高くなる。従って、アンモニアを生成する際に発生する発熱量が従来のハーバー・ボッシュ法のプロセスよりも多くなり、また、未反応のガスが少ない事から、後述するアンモニア回収工程における冷却・圧縮エネルギーやリサイクルにかかるエネルギーが少ないという特徴を有している。 In the reaction separation process using a membrane reactor, it is possible to suppress the reverse reaction of the ammonia production reaction, and the conversion rate in the membrane reactor is higher than the conversion rate at reaction equilibrium. Therefore, the amount of heat generated when producing ammonia is greater than in the conventional Haber-Bosch process, and since there is less unreacted gas, it has the advantage of requiring less energy for cooling and compression in the ammonia recovery process described below, as well as less energy for recycling.
(液化アンモニア製造プロセス)
触媒反応工程では、原料として水素と窒素を反応させて、アンモニアを合成する。
1)原料
原料として使用する窒素は、原料の段階でなるべく窒素濃度が高い窒素含有ガスを使用することが好ましく、具体的には、窒素が90~100モル%、好ましくは95~100モル%、より好ましくは98~100モル%、更に好ましくは99~100モル%、特に好ましくは99.5~100モル%で含まれている窒素含有ガスを使用することが好ましい。
(Liquefied ammonia production process)
In the catalytic reaction process, hydrogen and nitrogen as raw materials are reacted to synthesize ammonia.
1) Raw Material The nitrogen used as the raw material is preferably a nitrogen-containing gas having as high a nitrogen concentration as possible at the raw material stage. Specifically, it is preferable to use a nitrogen-containing gas containing 90 to 100 mol %, preferably 95 to 100 mol %, more preferably 98 to 100 mol %, even more preferably 99 to 100 mol %, and particularly preferably 99.5 to 100 mol % of nitrogen.
窒素以外に含まれているガスとしては反応に不活性、かつ触媒活性に影響のないガスであれば何れのガスであってもよく、たとえば水素、メタン、アルゴン、二酸化炭素などである。 The gas contained other than nitrogen can be any gas that is inert to the reaction and does not affect the catalytic activity, such as hydrogen, methane, argon, or carbon dioxide.
空気から窒素濃度を高めた窒素含有ガスを得る手段として、動力及び設置コストの面で、並列に並んだ複数の吸着塔を使用して、圧力、温度あるいは圧力・温度を変動(スイング)させることにより、窒素を分離・回収する圧力スイング吸着法(PSA)、温度スイング吸着法(TSA)、圧力温度スイング吸着法(PTSA)のいずれかを用いることが
望ましい。中でも、圧力スイング吸着法(PSA)が最適である。これらの分離方式では、窒素に空気中のアルゴンが微量に含まれる事があるが、アルゴンについては、アンモニア製造プロセスにおけるパージなどにより濃縮を避けることができる。
As a means for obtaining nitrogen-containing gas with an increased nitrogen concentration from air, it is desirable to use any one of pressure swing adsorption (PSA), temperature swing adsorption (TSA), and pressure temperature swing adsorption (PTSA), which use multiple adsorption towers arranged in parallel to separate and recover nitrogen by varying (swinging) the pressure, temperature, or pressure and temperature, in terms of power and installation costs. Among these, pressure swing adsorption (PSA) is the most suitable. In these separation methods, the nitrogen may contain a small amount of argon from the air, but the concentration of argon can be avoided by purging in the ammonia production process, etc.
超高純度の窒素ガスを得る手段としては、深冷分離式の空気分離装置を利用することもできる。深冷分離式の空気分離装置ではアルゴンを含まない窒素を得ることが可能である。 Cryogenic air separation units can also be used to obtain ultra-high purity nitrogen gas. Cryogenic air separation units can produce nitrogen that does not contain argon.
原料として使用する水素は、原料の段階でなるべく水素濃度が高い水素含有ガスを使用することが好ましく、具体的には、水素が90~100モル%、好ましくは95~100モル%、より好ましくは98~100モル%、更に好ましくは99~100モル%、特に好ましくは99.5~100モル%で含まれている水素含有ガスを使用することが好ましい。 It is preferable to use hydrogen as a raw material in a hydrogen-containing gas having as high a hydrogen concentration as possible at the raw material stage. Specifically, it is preferable to use a hydrogen-containing gas containing 90 to 100 mol %, preferably 95 to 100 mol %, more preferably 98 to 100 mol %, even more preferably 99 to 100 mol %, and particularly preferably 99.5 to 100 mol % hydrogen.
水素以外に含まれているガスとしては反応に不活性、かつ触媒活性に影響のないガスであれば何れのガスであってもよく、たとえばアルゴン、二酸化炭素、メタンなどである。これらの不純物については、アンモニア製造プロセスにおけるパージなどにより濃縮を避けることができる。 The gas contained other than hydrogen may be any gas that is inert to the reaction and does not affect the catalytic activity, such as argon, carbon dioxide, methane, etc. Concentration of these impurities can be avoided by purging during the ammonia production process.
超高純度の水素ガスを得る手段としては、水の電気分解装置や水の光分解装置を利用することもできる。 Water electrolysis devices and water photolysis devices can also be used to obtain ultra-high purity hydrogen gas.
アンモニア合成触媒を用いたアンモニア合成反応としては、十分に反応速度が担保できる温度、圧力、触媒量、空間速度、線速度、原料ガス組成等の条件で反応を行えばよい。 The ammonia synthesis reaction using an ammonia synthesis catalyst can be carried out under conditions such as temperature, pressure, catalyst amount, space velocity, linear velocity, and raw gas composition that ensure a sufficient reaction rate.
アンモニア合成反応器に用いる反応原料は、上述の水素と窒素原料に未反応のリサイクルガスを加えてアンモニア合成反応を行ってもよい。この場合、リサイクルガスにはアンモニアが含まれてもよい。 The reaction raw materials used in the ammonia synthesis reactor may be the above-mentioned hydrogen and nitrogen raw materials plus unreacted recycled gas to carry out the ammonia synthesis reaction. In this case, the recycled gas may contain ammonia.
2)触媒反応工程
触媒反応工程におけるアンモニア合成反応器の反応条件として、反応速度を確保するためには圧力の高い条件が好ましく、0.5MPa以上が好ましく、1MPa以上がより好ましく、2MPa以上が更に好ましく、3MPa以上が特に好ましく、4MPa以上がとりわけ好ましく、5MPa以上が最も好ましい。一方、圧力を高くするには昇圧エネルギーを必要とするため消費エネルギーが増えるため、20MPa以下が好ましく、15MPa以下がより好ましく、12MPa以下が更に好ましく、10MPa以下が特に好ましく、8MPa以下がとりわけ好ましく、6MPa以下が最も好ましい。
アンモニア合成反応器の反応温度としては、低温の方がエネルギー消費量を抑え、かつアンモニア生成反応により高アンモニア濃度のガスを得る事が出来るため、600℃以下が好ましく、500℃以下がより好ましく、450℃以下が特に好ましく、400℃以下が最も好ましい。一方、反応速度を早めるためにはより高温条件の方が良く、100℃以上が好ましく、200℃以上がより好ましく、300℃以上が更に好ましく、350℃以上が特に好ましい。
2) Catalytic reaction step In the catalytic reaction step, the reaction conditions of the ammonia synthesis reactor are preferably high pressure conditions in order to ensure the reaction rate, and are preferably 0.5 MPa or more, more preferably 1 MPa or more, even more preferably 2 MPa or more, particularly preferably 3 MPa or more, especially preferably 4 MPa or more, and most preferably 5 MPa or more. On the other hand, since increasing the pressure requires pressure increase energy, which increases energy consumption, the pressure is preferably 20 MPa or less, more preferably 15 MPa or less, even more preferably 12 MPa or less, particularly preferably 10 MPa or less, especially preferably 8 MPa or less, and most preferably 6 MPa or less.
The reaction temperature in the ammonia synthesis reactor is preferably 600° C. or lower, more preferably 500° C. or lower, particularly preferably 450° C. or lower, and most preferably 400° C. or lower, because a lower temperature reduces energy consumption and enables a gas with a high ammonia concentration to be obtained by the ammonia production reaction. On the other hand, in order to increase the reaction rate, a higher temperature condition is better, and a temperature of 100° C. or higher is preferable, more preferably 200° C. or higher, even more preferably 300° C. or higher, and particularly preferably 350° C. or higher.
原料ガス組成としては、特に制限はなく、触媒の反応速度式の次数を考慮して反応速度が有利になる条件で反応させればよいが、後段に配置される反応分離工程の膜型反応器におけるアンモニア分離膜においては、通常、アンモニアと水素の分離の方がアンモニアと窒素の分離よりも難しいため、水素濃度は少ないガスの方がアンモニア分離膜を透過したガス中のアンモニア濃度が高くなる。そのため、通常は原料ガス組成における水素/窒素のモル比は3.0以下が好ましく、2.5以下がより好ましく、2.0以下がさらにより
好ましく、1.5以下が特に好ましく、1.25以下が最も好ましい。
一方、水素/窒素モル比は高いほうが平衡状態におけるアンモニア濃度が高くなる事から、0.1以上が好ましく、0.3以上がより好ましく、0.5以上が特に好ましく、0.8以上がとりわけ好ましく、1.0以上が最も好ましい。(大岡メモ:下限を追加)
The raw material gas composition is not particularly limited, and the reaction may be carried out under conditions that favor the reaction rate, taking into consideration the order of the reaction rate equation of the catalyst, but in the ammonia separation membrane in the membrane reactor of the reaction separation process arranged in the latter stage, separation of ammonia and hydrogen is usually more difficult than separation of ammonia and nitrogen, so that the ammonia concentration in the gas that has permeated the ammonia separation membrane is higher in a gas with a low hydrogen concentration. Therefore, the hydrogen/nitrogen molar ratio in the raw material gas composition is usually preferably 3.0 or less, more preferably 2.5 or less, even more preferably 2.0 or less, particularly preferably 1.5 or less, and most preferably 1.25 or less.
On the other hand, since the higher the hydrogen/nitrogen molar ratio, the higher the ammonia concentration in the equilibrium state, it is preferably 0.1 or more, more preferably 0.3 or more, particularly preferably 0.5 or more, particularly preferably 0.8 or more, and most preferably 1.0 or more. (Ooka's memo: Added a lower limit)
アンモニア合成反応器に用いるアンモニア合成触媒は、ハーバー・ボッシュ法で用いられる鉄系触媒、あるいはRuを担持した触媒等、アンモニアを合成する触媒であれば特に制限はないが、Ruを含む触媒が好ましい。 The ammonia synthesis catalyst used in the ammonia synthesis reactor is not particularly limited as long as it is a catalyst that synthesizes ammonia, such as the iron-based catalyst used in the Haber-Bosch process or a catalyst supporting Ru, but a catalyst containing Ru is preferred.
またアンモニア合成反応器は、膜型反応器の上流に組み合わせても良く、1段でもよいし、複数段に分けてもよい。膜型反応器上流に組み合わせる場合は、アンモニア合成反応器と膜型反応器を一体型にしてもよい。
アンモニア合成反応器出口ガス中に含まれるアンモニア濃度は、後段の膜型反応器におけるアンモニア分離膜の分離性能をよくする点から、1vol%以上が好ましく、3vol%以上がより好ましく、6vol%以上が更に好ましく、10vol%以上が特に好ましく、15vol%以上がとりわけ好ましく、20vol%以上が最も好ましい。
The ammonia synthesis reactor may be combined upstream of the membrane reactor, and may be one stage or may be divided into multiple stages. When combined upstream of the membrane reactor, the ammonia synthesis reactor and the membrane reactor may be integrated.
The ammonia concentration in the outlet gas of the ammonia synthesis reactor is preferably 1 vol% or more, more preferably 3 vol% or more, even more preferably 6 vol% or more, particularly preferably 10 vol% or more, particularly preferably 15 vol% or more, and most preferably 20 vol% or more, from the viewpoint of improving the separation performance of the ammonia separation membrane in the downstream membrane reactor.
アンモニア合成反応器においてアンモニアを生成する際に発生した熱は、アンモニア合成反応器内に熱回収システムを組み除熱してもよいし、アンモニア合成反応器後段に熱交換機を設置して熱を回収してもよい。 The heat generated during the production of ammonia in the ammonia synthesis reactor can be removed by installing a heat recovery system inside the ammonia synthesis reactor, or it can be recovered by installing a heat exchanger downstream of the ammonia synthesis reactor.
3)反応分離工程
反応分離工程における膜型反応器では、触媒反応工程におけるアンモニア合成反応器で合成された、アンモニアガスを含む未反応の水素と窒素ガスを原料としてアンモニアガスを合成する。
膜型反応器におけるアンモニア合成反応としては、十分に反応速度が担保できる温度、圧力、触媒量、空間速度、線速度等の条件と、アンモニア分離膜においてアンモニアを透過、分離しやすい温度、圧力、触媒量、膜面積、空間速度、線速度等の条件との両方を兼ね備えた条件で行えばよい。
3) Reaction and Separation Step In the membrane reactor in the reaction and separation step, ammonia gas is synthesized using as raw materials the unreacted hydrogen and nitrogen gas containing ammonia gas synthesized in the ammonia synthesis reactor in the catalytic reaction step.
The ammonia synthesis reaction in the membrane reactor may be carried out under conditions that satisfy both conditions such as temperature, pressure, catalyst amount, space velocity, and linear velocity that can ensure a sufficient reaction rate, and conditions such as temperature, pressure, catalyst amount, membrane area, space velocity, and linear velocity that can easily permeate and separate ammonia through the ammonia separation membrane.
膜型反応器におけるアンモニア分離膜のガス供給側の圧力条件は、触媒の反応速度を確保するために、通常圧力は高い条件が好ましく、0.5MPa以上が好ましく、1MPa以上がより好ましく、2MPa以上が更に好ましく、3MPa以上が特に好ましく、4MPa以上がとりわけ好ましく、5MPa以上が最も好ましい。一方、圧力を高くするには昇圧機により昇圧する必要があり、エネルギーを消費する。従って、通常は20MPa以下が好ましく、15MPa以下がより好ましく、12MPa以下が更に好ましく、10MPa以下が特に好ましく、8MPa以下がとりわけ好ましく、6MPa以下が最も好ましい。 In order to ensure the reaction rate of the catalyst, the pressure conditions on the gas supply side of the ammonia separation membrane in the membrane reactor are usually preferably high, 0.5 MPa or more is preferable, 1 MPa or more is more preferable, 2 MPa or more is even more preferable, 3 MPa or more is particularly preferable, 4 MPa or more is especially preferable, and 5 MPa or more is most preferable. On the other hand, to increase the pressure, it is necessary to increase the pressure using a booster, which consumes energy. Therefore, 20 MPa or less is usually preferable, 15 MPa or less is more preferable, 12 MPa or less is even more preferable, 10 MPa or less is especially preferable, 8 MPa or less is especially preferable, and 6 MPa or less is most preferable.
膜型反応器のアンモニア分離膜のガス供給側と透過側の圧力差は、触媒の反応速度を確保するために通常圧力は高い条件が好ましく、0.5MPa以上が好ましく、1MPa以上がより好ましく、2MPa以上が更に好ましく、3MPa以上が特に好ましく、4MPa以上がとりわけ好ましく、5MPa以上が最も好ましい。一方、圧力を高くするには前述の通り昇圧エネルギーを必要とするためエネルギーコストが高くなる。従って、通常20MPa以下が好ましく、15MPa以下がより好ましく、12MPa以下が更に好ましく、10MPa以下が特に好ましく、8MPa以下がとりわけ好ましく、6MPa以下が最も好ましい。 The pressure difference between the gas supply side and the permeation side of the ammonia separation membrane of the membrane reactor is preferably high in order to ensure the reaction rate of the catalyst, and is preferably 0.5 MPa or more, more preferably 1 MPa or more, even more preferably 2 MPa or more, particularly preferably 3 MPa or more, especially preferably 4 MPa or more, and most preferably 5 MPa or more. On the other hand, as mentioned above, increasing the pressure requires energy to increase the pressure, which increases the energy cost. Therefore, it is usually preferable that the pressure is 20 MPa or less, more preferably 15 MPa or less, even more preferably 12 MPa or less, especially preferably 10 MPa or less, especially preferably 8 MPa or less, and most preferably 6 MPa or less.
膜型反応器のアンモニア分離膜の透過側にかかる圧力は、後段のアンモニア回収工程においてアンモニアを凝縮する際に必要な圧力分を残してもよい。この場合、アンモニア分
離膜の透過側にかかる圧力は、5MPa以下が好ましく、4MPa以下がより好ましく、3MPa以下が更に好ましく、2MPa以下が特に好ましい。一方、アンモニア分離膜の透過側にかかる圧力が高いほうがアンモニアを冷却により凝縮しやすくなるため、通常は0.1MPa以上が好ましく、0.3MPa以上がより好ましく、0.5MPa以上が更に好ましく、1MPa以上が特に好ましい。
The pressure applied to the permeation side of the ammonia separation membrane of the membrane reactor may be such that a pressure required for condensing ammonia in the subsequent ammonia recovery step remains. In this case, the pressure applied to the permeation side of the ammonia separation membrane is preferably 5 MPa or less, more preferably 4 MPa or less, even more preferably 3 MPa or less, and particularly preferably 2 MPa or less. On the other hand, the higher the pressure applied to the permeation side of the ammonia separation membrane, the easier it is to condense ammonia by cooling, so that the pressure is usually preferably 0.1 MPa or more, more preferably 0.3 MPa or more, even more preferably 0.5 MPa or more, and particularly preferably 1 MPa or more.
膜型反応器の温度は、低温の方が消費エネルギーを抑える事が出来、かつ高アンモニア濃度のガスを生成す事が出来るため、600℃以下が好ましく、500℃以下がより好ましく、450℃以下が特に好ましく、400℃以下が最も好ましい。一方、反応速度を早めるためにはより高温条件の方が良く、100℃以上が好ましく、200℃以上がより好ましく、300℃以上が更に好ましく、350℃以上が特に好ましい。 The temperature of the membrane reactor is preferably 600°C or less, more preferably 500°C or less, particularly preferably 450°C or less, and most preferably 400°C or less, because a lower temperature can reduce energy consumption and produce gas with a high ammonia concentration. On the other hand, higher temperatures are better for accelerating the reaction rate, and a temperature of 100°C or more is preferable, more preferably 200°C or more, even more preferably 300°C or more, and particularly preferably 350°C or more.
反応分離工程における膜型反応器に用いる触媒は、ハーバー・ボッシュ法で用いられる鉄系触媒、あるいはRuを担持した触媒等、アンモニアを合成する触媒であれば特に制限はないが、Ruを含む触媒が好ましい。 The catalyst used in the membrane reactor in the reaction separation step is not particularly limited as long as it is a catalyst that synthesizes ammonia, such as the iron-based catalyst used in the Haber-Bosch process or a catalyst carrying Ru, but a catalyst containing Ru is preferred.
膜型反応器に用いるアンモニア分離膜としては、アンモニアを分離する膜であれば何でもよく、例えば合成樹脂からなる分離膜、炭素分離膜、多孔質シリカ膜や炭素膜等を挙げることができる。膜型反応器は高温条件下で膜を使用する事から耐熱性があり、更に水素/窒素/アンモニアの混合ガスからアンモニアを選択的に分離する事が可能であるゼオライト膜が好ましい。例えば、特許文献3に記載のゼオライト膜が例に挙げられる。
ゼオライト膜はアルミノ珪酸塩のゼオライトを含む。好ましくはゼオライト膜を構成するゼオライトはアルミノ珪酸塩である。アルミノ珪酸塩は、SiとAlの酸化物を主成分とするものであるが、それ以外の元素が含まれていてもよい。アルミノ珪酸塩のSiO2/Al2O3モル比は特に限定されないが、通常2以上、好ましくは3以上、より好ましくは4以上、より好ましくは5以上、さらに好ましくは6以上、さらに好ましくは8以上、特に好ましくは10以上である。上限は、通常Alが不純物程度の量であり、SiO2/Al2O3モル比としては、通常500以下、好ましくは100以下、より好ましくは80以下、さらに好ましくは60以下、特に好ましくは40以下、最も好ましくは30以下である。 ゼオライト膜は、高温でも高い分離性能を持つMFI型ゼオライト膜、RHO型ゼオライト膜が好ましく、より好ましくはRHO型ゼオライト膜である。
The ammonia separation membrane used in the membrane reactor may be any membrane capable of separating ammonia, such as a synthetic resin separation membrane, a carbon separation membrane, a porous silica membrane, a carbon membrane, etc. The membrane reactor is preferably a zeolite membrane, which is heat-resistant since the membrane is used under high-temperature conditions, and which is capable of selectively separating ammonia from a mixed gas of hydrogen/nitrogen/ammonia. For example, the zeolite membrane described in Patent Document 3 is an example.
The zeolite membrane contains zeolite of aluminosilicate. The zeolite constituting the zeolite membrane is preferably an aluminosilicate. The aluminosilicate is mainly composed of oxides of Si and Al, but may contain other elements. The SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio of the aluminosilicate is not particularly limited, but is usually 2 or more, preferably 3 or more, more preferably 4 or more, more preferably 5 or more, even more preferably 6 or more, even more preferably 8 or more, and particularly preferably 10 or more. The upper limit is usually the amount of Al as an impurity, and the SiO 2 /Al 2 O 3 molar ratio is usually 500 or less, preferably 100 or less, more preferably 80 or less, even more preferably 60 or less, particularly preferably 40 or less, and most preferably 30 or less. The zeolite membrane is preferably an MFI type zeolite membrane or an RHO type zeolite membrane, which have high separation performance even at high temperatures, and more preferably an RHO type zeolite membrane.
ゼオライト膜は、X線光電子分光法により下記測定条件により求められるAl原子に対する窒素原子のモル比が0.01以上、4以下であることが好ましい。また、Al原子に対するSi原子のモル比が2.0以上、10以下であることが好ましい。更にAl原子に対するアルカリ金属原子のモル比が0.01以上、0.070以下であることが好ましい。
(測定条件)
測定の際のX線源:単色化Al-Kα線、出力16kV-34W
定量計算の際のバックグラウンドの決定法:Shirley法
ゼオライト膜が上記要件を満たすことで、高効率でアンモニアガスを分離できる。
The zeolite membrane preferably has a molar ratio of nitrogen atoms to Al atoms, determined by X-ray photoelectron spectroscopy under the following measurement conditions, of 0.01 to 4. The molar ratio of Si atoms to Al atoms is preferably 2.0 to 10. The molar ratio of alkali metal atoms to Al atoms is preferably 0.01 to 0.070.
(Measurement conditions)
X-ray source during measurement: monochromatic Al-Kα radiation, output 16 kV-34 W
Background determination method for quantitative calculation: Shirley method When the zeolite membrane satisfies the above requirements, ammonia gas can be separated with high efficiency.
また、ゼオライト膜複合体を用いたアンモニアガスの分離について更に検討を進めたところ、ゼオライト膜は既存のシリカ膜よりも高選択的に効率よくアンモニアガスを分離できるものの、30℃に対する200℃ならびに300℃の熱収縮率の変化率が、0.13%、0.30%(c軸方向)と単調に変化すること、CHA型ゼオライトを成膜化したゼ
オライト膜複合体を使用した場合、特に200℃を超える温度領域では、アンモニアガスの分離性能が低下し、改善の余地があること、を見出した。これは、ゼオライトの熱収縮によりゼオライト粒界に亀裂が発生し、その亀裂を通してガスが透過するためと推察されるが、これに対して、RHO型ゼオライトのように、30℃に対する200℃の熱収縮率
の変化率が1.55%とCHA型ゼオライトに比べて著しく収縮し、温度に対して非線形的な熱膨張/収縮の挙動を示すゼオライトであっても、300℃の熱膨張率の変化率が0.02%程度であれば、200℃を超える高温条件下において、アンモニアを高選択的に効率よく分離出来る。
Furthermore, upon further investigation into the separation of ammonia gas using a zeolite membrane composite, it was found that, although a zeolite membrane can separate ammonia gas more selectively and efficiently than existing silica membranes, the rates of change in thermal shrinkage at 200°C and 300°C relative to 30°C change monotonically to 0.13% and 0.30% (c-axis direction), and that when a zeolite membrane composite formed from CHA-type zeolite is used, the separation performance of ammonia gas decreases, particularly in the temperature range exceeding 200°C, leaving room for improvement. This is presumably because the thermal contraction of the zeolite causes cracks to form in the zeolite grain boundaries, allowing gas to permeate through the cracks. However, even in the case of RHO-type zeolite, which has a rate of change in thermal contraction rate from 30°C to 200°C of 1.55%, which is significantly higher than CHA-type zeolite and shows nonlinear thermal expansion/contraction behavior with temperature, if the rate of change in thermal expansion rate at 300°C is around 0.02%, ammonia can be separated efficiently and with high selectivity under high-temperature conditions exceeding 200°C.
そのため、ゼオライト膜は、30℃における熱膨張率に対する300℃における熱膨張率の変化率が±0.25%以内であり、30℃における熱膨張率に対する400℃における熱膨張率の変化率が±0.35%以内である、ことが好ましい。また、30℃における熱膨張率に対する300℃における該熱膨張率の変化率に対する、30℃における熱膨張率に対する400℃における該熱膨張率の変化率が、±120%以内であることがより好ましい。 Therefore, it is preferable that the rate of change of the thermal expansion coefficient of the zeolite membrane at 300°C relative to the thermal expansion coefficient at 30°C is within ±0.25%, and the rate of change of the thermal expansion coefficient at 400°C relative to the thermal expansion coefficient at 30°C is within ±0.35%. It is even more preferable that the rate of change of the thermal expansion coefficient at 300°C relative to the thermal expansion coefficient at 30°C relative to the thermal expansion coefficient at 400°C relative to the thermal expansion coefficient at 30°C is within ±120%.
アンモニア分離膜の分離性能としては、アンモニア/窒素又はアンモニア/水素の透過係数比は高い方が、未反応の水素や窒素が膜を透過しにくいので好ましい。具体的には、アンモニア/窒素透過係数比は、10以上が好ましく、20以上がより好ましく、25以上がより好ましく、30以上がとりわけ好ましく、40以上が最も好ましいが、分離性能が良くなるほど高濃度のアンモニアが得られるようになることから、その上限は特に設定されない。同様に、アンモニア/水素の透過係数比は、10以上が好ましく、20以上がより好ましく、25以上がより好ましく、30以上がとりわけ好ましく、40以上が最も好ましいが、分離性能が良くなるほど高濃度のアンモニアが得られるようになることから、その上限は特に設定されない。
また、通常は、水素よりも窒素の方が分離しやすいことから、アンモニア/窒素及びアンモニア/水素の透過係数比は同じである必要はなく、一般的にはアンモニア/窒素の透過係数比の方がアンモニア/水素の透過係数比よりも高くなる。
As for the separation performance of the ammonia separation membrane, the higher the ammonia/nitrogen or ammonia/hydrogen permeability coefficient ratio, the less likely unreacted hydrogen or nitrogen will permeate the membrane, which is preferable. Specifically, the ammonia/nitrogen permeability coefficient ratio is preferably 10 or more, more preferably 20 or more, more preferably 25 or more, particularly preferably 30 or more, and most preferably 40 or more, but the better the separation performance, the higher the concentration of ammonia will be obtained, so no upper limit is set. Similarly, the ammonia/hydrogen permeability coefficient ratio is preferably 10 or more, more preferably 20 or more, more preferably 25 or more, particularly preferably 30 or more, and most preferably 40 or more, but the better the separation performance, the higher the concentration of ammonia will be obtained, so no upper limit is set.
In addition, since nitrogen is usually easier to separate than hydrogen, the permeability coefficient ratios of ammonia/nitrogen and ammonia/hydrogen do not need to be the same, and the permeability coefficient ratio of ammonia/nitrogen is generally higher than the permeability coefficient ratio of ammonia/hydrogen.
膜型反応器に用いるアンモニア分離膜がアンモニアを分離する性能を発現するためには、アンモニア分離膜にて分離するガス中に含まれるアンモニア濃度は1vol%以上が好ましく、3vol%以上がより好ましく、6vol%以上が更に好ましく、10vol%以上が特に好ましく、15vol%以上がとりわけ好ましく、20vol%以上が最も好ましい。一方、アンモニアの濃度を高くするためにはアンモニア合成触媒を増やす必要がある事から触媒コストによる経済性が悪くなる。従って、アンモニア分離膜にて分離するガス中に含まれるアンモニア濃度は50vol%以下が好ましく、40vol%以下がより好ましく、35vol%以下が更に好ましく、30vol%以下が特に好ましく、28vol%以下がとりわけ好ましく、25vol%以下が最も好ましい。 In order for the ammonia separation membrane used in the membrane reactor to exhibit the ability to separate ammonia, the ammonia concentration contained in the gas separated by the ammonia separation membrane is preferably 1 vol% or more, more preferably 3 vol% or more, even more preferably 6 vol% or more, particularly preferably 10 vol% or more, especially preferably 15 vol% or more, and most preferably 20 vol% or more. On the other hand, in order to increase the ammonia concentration, it is necessary to increase the ammonia synthesis catalyst, which reduces the economic efficiency due to the catalyst cost. Therefore, the ammonia concentration contained in the gas separated by the ammonia separation membrane is preferably 50 vol% or less, more preferably 40 vol% or less, even more preferably 35 vol% or less, especially preferably 30 vol% or less, especially preferably 28 vol% or less, and most preferably 25 vol% or less.
膜型反応器出口のアンモニア濃度、即ちアンモニア分離膜を透過した透過ガスに含まれるアンモニア濃度が高ければ高いほどアンモニアを冷却により凝縮しやすくなる。従って、アンモニア分離膜を透過した透過ガスに含まれるアンモニア濃度としては通常30vol%以上であることが好ましく、50vol%以上であることがより好ましく、60vol%以上であることが更に好ましく、65vol%以上であることが特に好ましく、70vol%以上であることがとりわけ好ましく、80vol%以上であることが最も好ましい。アンモニア濃度が100vol%であることが最も冷却効率が高い。 The higher the ammonia concentration at the outlet of the membrane reactor, i.e., the ammonia concentration contained in the permeable gas that has permeated the ammonia separation membrane, the easier it is to condense the ammonia by cooling. Therefore, the ammonia concentration contained in the permeable gas that has permeated the ammonia separation membrane is usually preferably 30 vol% or more, more preferably 50 vol% or more, even more preferably 60 vol% or more, particularly preferably 65 vol% or more, especially preferably 70 vol% or more, and most preferably 80 vol% or more. An ammonia concentration of 100 vol% provides the highest cooling efficiency.
膜型反応器から排出されるガスは、膜を透過したガスだけでもよく、膜を透過したガスと非透過側のガスの両方でもよい。非透過側のガスを排出する場合、非透過側のガスを系外にパージしてもよく、膜型反応器の入口にリサイクルしてもよい。また、膜型反応器の膜を透過したガスに合流して生成ガスとしてもよい。
膜型反応器の非透過側を膜型反応器にリサイクルするプロセスにおいて、アンモニア合成に用いる原料に不純物が含まれる場合は不純物の濃縮を避けるために、一部を系外からパージにより除去してもよい。一方、非透過側のガスは、膜のガス透過性が悪い部分の膜
表面積を減らすためにパージしてもよいし、あるいは膜を透過したガスに合流して生成ガスとしてもよい。
The gas discharged from the membrane reactor may be only the gas that has permeated the membrane, or may be both the gas that has permeated the membrane and the non-permeated gas. When the non-permeated gas is discharged, the non-permeated gas may be purged to the outside of the system or recycled to the inlet of the membrane reactor. In addition, the non-permeated gas may be combined with the gas that has permeated the membrane of the membrane reactor to be used as the product gas.
In the process of recycling the non-permeated side of a membrane reactor to the membrane reactor, if the raw material used for ammonia synthesis contains impurities, a part of the impurities may be removed by purging from outside the system to avoid concentration of the impurities. On the other hand, the gas on the non-permeated side may be purged to reduce the membrane surface area of the membrane part with poor gas permeability, or may be merged with the gas that has permeated the membrane to be used as the product gas.
膜型反応器に用いるアンモニア分離膜は、1種類でもよいし複数種類を組み合わせてもよい。
膜型反応器は1段でもよいし、複数段にわけてもよい。膜型反応器を多段にする場合は、それぞれの膜型反応器に用いるアンモニア合成触媒とアンモニア分離膜は同一でもよいし、異なってもよい。
The ammonia separation membrane used in the membrane reactor may be of one type or a combination of multiple types.
The membrane reactor may be a single stage or a multi-stage reactor. When the membrane reactor is a multi-stage reactor, the ammonia synthesis catalyst and the ammonia separation membrane used in each membrane reactor may be the same or different.
通常は、触媒反応工程の後に、反応分離工程を行うが、この触媒反応工程と反応分離工程は複数回繰り返した後、アンモニア回収工程を行ってもよい。 Typically, a reaction separation step is carried out after the catalytic reaction step, but this catalytic reaction step and reaction separation step may be repeated multiple times before the ammonia recovery step is carried out.
反応分離工程においてアンモニアが生成する際に発生する熱は、膜型反応器内に熱回収システムを組み回収してもよいし、膜型反応器後段に熱交換機を設置して回収してもよい。 The heat generated when ammonia is produced in the reaction separation process can be recovered by installing a heat recovery system inside the membrane reactor, or by installing a heat exchanger downstream of the membrane reactor.
4)アンモニア回収工程
触媒反応工程における膜型反応器により生成した高濃度アンモニアは、アンモニア回収工程で冷却凝縮して液化アンモニアとして回収する。
4) Ammonia Recovery Step The high-concentration ammonia produced in the membrane reactor in the catalytic reaction step is cooled and condensed in the ammonia recovery step and recovered as liquefied ammonia.
アンモニア回収工程では、回収工程に入る前のガスのアンモニア濃度が高いほどアンモニアを凝縮しやすくなり、冷却エネルギーを削減する事が出来る。従って、回収工程において冷却する前のガスに含まれるアンモニア濃度としては50vol%以上であることが好ましく、60vol%以上であることがより好ましく、65vol%以上であることが更に好ましく、70vol%以上であることが特に好ましく、80vol%以上であることが最も好ましい。そしてアンモニア濃度は100vol%であることが最も好ましい。 In the ammonia recovery process, the higher the ammonia concentration of the gas before entering the recovery process, the easier it is to condense the ammonia, and the more energy required for cooling can be reduced. Therefore, the ammonia concentration contained in the gas before cooling in the recovery process is preferably 50 vol% or more, more preferably 60 vol% or more, even more preferably 65 vol% or more, particularly preferably 70 vol% or more, and most preferably 80 vol% or more. And it is most preferable that the ammonia concentration is 100 vol%.
アンモニア回収工程では、膜型反応器で生成したガスを昇圧する。その際の圧力は、液化アンモニアの回収率と昇圧エネルギーにより決まる。つまり、昇圧エネルギーを抑えるために圧力を下げると回収率が低下し、パージ量(リサイクルプロセスではリサイクル量)が増えるため、経済性が悪くなる。そのため通常は、1MPa以上が好ましく、2MPa以上がより好ましく、3MPa以上が更に好ましく、4MPa以上が特に好ましく、5MPa以上が最も好ましい。一方、アンモニアの回収率を高めるために圧力を上げると昇圧エネルギーが多くなる。そのため、通常は20MPa以下が好ましく、15MPa以下がより好ましく、10MPa以下が更に好ましく、8MPa以下が特に好ましく、6MPa以下が最も好ましい。
また、温度についても上述と同様にアンモニア回収率と冷却エネルギーを考慮しながら適当な条件を決めればよいが、通常は、20℃以下が好ましく、10℃以下がより好ましく、0℃以下が更に好ましく、-10℃以下が特に好ましく、-20℃以下が最も好ましい。下限値としては-50℃以上が好ましく、-40℃以上がより好ましく、-30℃以上が特に好ましく、-25℃以上が最も好ましい。
アンモニアを液化する条件はアンモニア濃度、温度、圧力によって決まるため、上記影響を鑑みて最もエネルギー効率の良いプロセスとなる条件を設定すればよい。
In the ammonia recovery process, the gas generated in the membrane reactor is pressurized. The pressure at that time is determined by the recovery rate of liquefied ammonia and the energy for pressurization. In other words, if the pressure is lowered to suppress the energy for pressurization, the recovery rate decreases and the purge amount (recycle amount in the recycle process) increases, resulting in poor economic efficiency. Therefore, usually, 1 MPa or more is preferable, 2 MPa or more is more preferable, 3 MPa or more is even more preferable, 4 MPa or more is particularly preferable, and 5 MPa or more is most preferable. On the other hand, if the pressure is increased to increase the recovery rate of ammonia, the energy for pressurization increases. Therefore, usually, 20 MPa or less is preferable, 15 MPa or less is more preferable, 10 MPa or less is even more preferable, 8 MPa or less is particularly preferable, and 6 MPa or less is most preferable.
As for the temperature, appropriate conditions may be determined in consideration of the ammonia recovery rate and cooling energy in the same manner as described above, but generally, the temperature is preferably 20° C. or lower, more preferably 10° C. or lower, even more preferably 0° C. or lower, particularly preferably −10° C. or lower, and most preferably −20° C. or lower. The lower limit is preferably −50° C. or higher, more preferably −40° C. or higher, particularly preferably −30° C. or higher, and most preferably −25° C. or higher.
The conditions for liquefying ammonia are determined by the ammonia concentration, temperature, and pressure, so it is sufficient to set the conditions that result in the most energy-efficient process taking into account the above-mentioned influences.
また、一形態では、未液化ガス、即ち未反応の原料ガスを含むガスは、リサイクルしてアンモニア合成反応器の原料としてもよい。リサイクルする場合は、不純物の濃縮を抑制するため、一部を系外にパージしても良い。膜型反応器での反応転化率が高く未反応ガス量が少ない場合は、リサイクルせずにパージしてもよい。 In one embodiment, the unliquefied gas, i.e., the gas containing the unreacted raw material gas, may be recycled and used as the raw material for the ammonia synthesis reactor. When recycling, a portion of the gas may be purged from the system to prevent the concentration of impurities. When the reaction conversion rate in the membrane reactor is high and the amount of unreacted gas is small, the gas may be purged without being recycled.
本発明の別の形態は、原料に水素と窒素を用いて、アンモニア水を製造する方法であっ
て、 前記原料からアンモニア合成触媒を用いたアンモニア合成反応器により、アンモニアを合成する触媒反応工程と、アンモニア合成反応器により得られた水素/窒素/アンモニアの混合ガスに、アンモニア合成触媒とアンモニアを選択的に分離するアンモニア分離膜と、を用いた膜型反応器によりアンモニアを合成する反応分離工程と、前記アンモニア分離膜を透過した透過ガスに水を供給してアンモニア水とし、該アンモニア水を回収するアンモニア吸収工程と、未反応の原料ガスをリサイクルするリサイクル工程と、を備える、アンモニア水の製造方法である。
また、本発明の更に別の形態は、原料に水素と窒素を用いて、アンモニア水を製造する方法であって、前記原料からアンモニア合成触媒を用いたアンモニア合成反応器により、アンモニアを合成する触媒反応工程と、アンモニア合成反応器により得られた水素/窒素/アンモニアの混合ガスに、アンモニア合成触媒とアンモニアを選択的に分離するアンモニア分離膜と、を用いた膜型反応器によりアンモニアを合成する反応分離工程と、前記アンモニア分離膜を透過した透過ガスに水を供給してアンモニア水とし、該アンモニア水を回収するアンモニア吸収工程と、未反応の原料ガスを系外にパージするパージ工程と、を備えるアンモニア水の製造方法である。
Another aspect of the present invention is a method for producing ammonia water using hydrogen and nitrogen as raw materials, comprising: a catalytic reaction step of synthesizing ammonia from the raw material in an ammonia synthesis reactor using an ammonia synthesis catalyst; a reaction and separation step of synthesizing ammonia in a mixed gas of hydrogen/nitrogen/ammonia obtained in the ammonia synthesis reactor in a membrane reactor using an ammonia synthesis catalyst and an ammonia separation membrane that selectively separates ammonia from the mixed gas; an ammonia absorption step of supplying water to a permeable gas that has permeated through the ammonia separation membrane to produce ammonia water, and recovering the ammonia water; and a recycling step of recycling unreacted raw material gas.
Further, still another embodiment of the present invention is a method for producing ammonia water using hydrogen and nitrogen as raw materials, the method comprising: a catalytic reaction step of synthesizing ammonia from the raw material in an ammonia synthesis reactor using an ammonia synthesis catalyst; a reaction and separation step of synthesizing ammonia in a mixed gas of hydrogen/nitrogen/ammonia obtained in the ammonia synthesis reactor in a membrane reactor using an ammonia separation membrane that selectively separates the ammonia synthesis catalyst and ammonia; an ammonia absorption step of supplying water to a permeable gas that has permeated through the ammonia separation membrane to produce ammonia water, and recovering the ammonia water; and a purging step of purging unreacted raw material gas out of the system.
5)アンモニア吸収工程
アンモニア水の製造方法において、触媒反応工程は、アンモニアの製造方法の説明と同様である。
アンモニア吸収工程は、前記アンモニア分離膜を透過した透過ガスに水を供給してアンモニア水とし、該アンモニア水を回収する工程であり、通常、吸収塔において透過ガス中のアンモニアを水で吸収する。吸収塔は特に限定されるものではなく、既知の吸収塔を用いることができる。
5) Ammonia Absorption Step In the method for producing ammonia water, the catalytic reaction step is the same as that described in the method for producing ammonia.
The ammonia absorption step is a step of supplying water to the permeable gas that has permeated the ammonia separation membrane to produce ammonia water, and recovering the ammonia water. Usually, the ammonia in the permeable gas is absorbed with water in an absorption tower. The absorption tower is not particularly limited, and a known absorption tower can be used.
アンモニアを水で吸収する吸収塔では、アンモニアが水に溶解する際に発生する溶解熱により塔内の温度が上がりアンモニアの回収効率が低下することがある。このような場合、未回収のアンモニア量が増えるため、吸収塔を2塔以上に分けて、1塔段目で未回収のアンモニアを2塔目以降の吸収塔でアンモニア水として回収してもよい。 In an absorption tower that absorbs ammonia with water, the heat of dissolution generated when ammonia dissolves in water can raise the temperature inside the tower, reducing the efficiency of ammonia recovery. In such cases, the amount of unrecovered ammonia increases, so the absorption tower can be divided into two or more towers, and the ammonia unrecovered in the first tower stage can be recovered as ammonia water in the second or subsequent absorption towers.
吸収塔の温度は、温度が低いほうがアンモニアを吸収しやすい。従って、60℃以下が好ましく、50℃以下がより好ましく、40℃以下が更に好ましく、30℃以下が特に好ましく、25℃以下がとりわけ好ましく、20℃以下が最も好ましい。一方、温度を下げようとすると冷却エネルギーが必要になる事から、-20℃以上が好ましく、-15℃以上がより好ましく、-10℃以上が更に好ましく、-5℃以上が特に好ましく、0℃以上が最も好ましい。 The lower the temperature of the absorption tower, the easier it is to absorb ammonia. Therefore, it is preferably 60°C or lower, more preferably 50°C or lower, even more preferably 40°C or lower, particularly preferably 30°C or lower, especially preferably 25°C or lower, and most preferably 20°C or lower. On the other hand, since cooling energy is required to lower the temperature, it is preferably -20°C or higher, more preferably -15°C or higher, even more preferably -10°C or higher, especially preferably -5°C or higher, and most preferably 0°C or higher.
吸収塔で生成するアンモニア水の濃度は、1vol%以上が好ましく、5vol%以上より好ましく、10vol%以上更に好ましく、15vol%以上特に好ましく、18vol%以上とりわけ好ましく、20vol%以上最も好ましい。
吸収塔において未回収ガスに含まれるアンモニア濃度は低い方がリサイクルプロセスにおけるリサイクル量や、パージプロセスにおける未回収アンモニアのロスを削減できる。従って、未回収ガスに含まれるアンモニア濃度は5vol%以下が好ましく、4vol%以下がより好ましく、3vol%以下が更に好ましく、2vol%以下が特に好ましく、1vol%以下がとりわけ好ましく、0.5vol%以下が最も好ましい。
The concentration of aqueous ammonia produced in the absorption tower is preferably 1 vol% or more, more preferably 5 vol% or more, further preferably 10 vol% or more, particularly preferably 15 vol% or more, particularly preferably 18 vol% or more, and most preferably 20 vol% or more.
The lower the ammonia concentration in the unrecovered gas in the absorption tower, the greater the amount of ammonia recycled in the recycle process and the loss of unrecovered ammonia in the purge process. Therefore, the ammonia concentration in the unrecovered gas is preferably 5 vol% or less, more preferably 4 vol% or less, even more preferably 3 vol% or less, particularly preferably 2 vol% or less, particularly preferably 1 vol% or less, and most preferably 0.5 vol% or less.
また一形態では、未回収のガスは、原料として再利用するリサイクル工程を有する。リサイクル工程を有することで原料ロスを低減し、プロセスの効率が更に向上する。
また別の一形態では、未反応の原料ガスはパージして系外に排出するパージ工程を有する。リサイクル工程では、不純物の濃縮を抑制するため、未反応ガスの一部をパージしてもよい。
In one embodiment, the method further includes a recycling step in which unrecovered gas is reused as a raw material, thereby reducing raw material loss and further improving the efficiency of the process.
In another embodiment, the method includes a purging step in which the unreacted raw material gas is purged and discharged to the outside of the system. In the recycling step, a part of the unreacted gas may be purged in order to suppress the concentration of impurities.
吸収塔で水と接触することによって水を含んだ未回収ガスは、そのままリサイクルしても構わないし、その後の工程において水が影響する場合は脱水工程を設けて、リサイクルガスから水を脱水してから触媒反応工程に戻してもよい。脱水工程は公知の方法を用いる事ができ、水を吸着剤により脱水する場合は吸着剤は特に限定されるものではなく、公知の吸着剤を用いる事が出来る。 Unrecovered gas that contains water due to contact with water in the absorption tower can be recycled as is, or if water will have an effect on subsequent processes, a dehydration process can be provided to remove water from the recycled gas before returning it to the catalytic reaction process. The dehydration process can be performed using a known method, and if water is dehydrated using an adsorbent, the adsorbent is not particularly limited and any known adsorbent can be used.
(実施例)
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。
反応分離工程における膜型反応器の非透過側のガスのパージやアンモニア回収工程における未液化ガスをリサイクルする場合のリサイクル工程におけるパージは、アンモニア合成原料である水素や窒素に不純物が含まれる場合に濃縮を抑制するために行うものであるが、そのパージ量は原料不純物濃度によって異なる。従って、本計算においては原料中の不純物は無しとして、不純物を除去するために必要なパージは実施せずにエネルギー計算を実施した。
(Example)
Preferred embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. Note that the present invention is not limited to these embodiments, and when there are multiple embodiments, the present invention also includes combinations of the embodiments.
Purging of the non-permeated gas in the membrane reactor in the reaction separation process and purging in the recycle process when recycling unliquefied gas in the ammonia recovery process are performed to suppress the concentration of impurities when they are contained in the hydrogen or nitrogen raw materials for ammonia synthesis, but the amount of purging varies depending on the raw material impurity concentration. Therefore, in this calculation, it was assumed that there were no impurities in the raw material, and the energy calculation was performed without performing the purging required to remove impurities.
<実施例1~5、比較例1~3>
図2、3に本発明における代表的なプロセス構成を示す。図2では、水素と窒素を原料にアンモニア合成触媒を配置したアンモニア合成反応器を有する触媒反応工程と、アンモニア合成触媒とアンモニア分離膜とを配置した膜型反応器を有する反応分離工程においてアンモニアを合成する。なお、明細書中では、図中の触媒反応工程と反応分離工程を含めて、アンモニア合成工程と称している。膜を透過した高濃度のアンモニアを含む生成ガスは、その後、昇圧器で圧縮、その後冷凍機で冷却し、液化したアンモニアを回収する。未反応の水素と窒素を含む未液化ガスはリサイクルされ、原料と混ぜてアンモニア合成工程に導入する。
図3では、図2における未反応の水素と窒素を含む未液化ガスをリサイクルせずにパージする。
図4では、図2における反応分離工程における膜型反応器の非透過側のガスを膜型反応器にリサイクルする、図2の応用例である。
図5では、図3において反応分離工程における膜型反応器の非透過側のガスを膜型反応器にリサイクルする、図3の応用例である。
<Examples 1 to 5, Comparative Examples 1 to 3>
Figures 2 and 3 show typical process configurations in the present invention. In Figure 2, ammonia is synthesized using hydrogen and nitrogen as raw materials in a catalytic reaction process having an ammonia synthesis reactor in which an ammonia synthesis catalyst is placed, and a reaction separation process having a membrane reactor in which an ammonia synthesis catalyst and an ammonia separation membrane are placed. In the specification, the catalytic reaction process and reaction separation process in the figure are collectively referred to as the ammonia synthesis process. The product gas containing a high concentration of ammonia that permeates the membrane is then compressed in a booster and then cooled in a refrigerator, and liquefied ammonia is recovered. The unliquefied gas containing unreacted hydrogen and nitrogen is recycled and mixed with the raw materials and introduced into the ammonia synthesis process.
In FIG. 3, the unliquefied gas containing unreacted hydrogen and nitrogen in FIG. 2 is purged rather than recycled.
FIG. 4 shows an application example of FIG. 2 in which the gas from the non-permeation side of the membrane reactor in the reaction separation step in FIG. 2 is recycled to the membrane reactor.
FIG. 5 shows an application example of FIG. 3 in which the gas from the non-permeation side of the membrane reactor in the reaction separation step is recycled to the membrane reactor.
実施例1にかかるプロセス構成にて計算されるエネルギーは下記のとおりである。
(A)触媒反応工程のみでアンモニアを合成するプロセス(比較例1のプロセス)
消費エネルギー:原料ガスの加熱(40℃→400℃)、加圧(0.1MPa→5MPa)、アンモニア合成反応器出口ガスの冷凍(40℃→-22℃)、リサイクルする場合のみリサイクルガスの加熱(-22℃→40℃)、
回収エネルギー:アンモニア合成反応器の反応熱、アンモニア合成反応器出口ガスの冷却による熱回収(400℃→40℃)、
The energy calculated in the process configuration according to Example 1 is as follows:
(A) Process for synthesizing ammonia only through a catalytic reaction step (process of Comparative Example 1)
Energy consumption: heating of raw gas (40°C → 400°C), pressurization (0.1MPa → 5MPa), freezing of ammonia synthesis reactor outlet gas (40°C → -22°C), heating of recycled gas only when recycled (-22°C → 40°C),
Recovered energy: Reaction heat of the ammonia synthesis reactor, heat recovery by cooling the outlet gas of the ammonia synthesis reactor (400°C → 40°C),
(B)触媒反応工程と反応分離工程でアンモニアを合成するプロセス(実施例1~5のプロセス、比較例2~3)
消費エネルギー:原料ガスの加熱(40℃→400℃)、加圧(0.1MPa→5MPa)、膜型反応器の膜を透過したガスの加圧(0.1MPa→5MPa)、冷凍(40℃→-22℃)、リサイクルする場合のみリサイクルガスの加熱(-22℃→40℃)
回収エネルギー:アンモニア合成反応器および膜型反応器の反応熱、アンモニア合成反応器出口ガスの冷却による熱回収(400℃→40℃)、
(B) Process for synthesizing ammonia in a catalytic reaction step and a reaction separation step (Processes of Examples 1 to 5, Comparative Examples 2 to 3)
Energy consumption: heating of raw gas (40°C → 400°C), pressurization (0.1MPa → 5MPa), pressurization of gas that has permeated the membrane of the membrane reactor (0.1MPa → 5MPa), freezing (40°C → -22°C), heating of recycled gas only when recycled (-22°C → 40°C)
Recovered energy: Reaction heat of the ammonia synthesis reactor and the membrane reactor, and heat recovery by cooling the outlet gas of the ammonia synthesis reactor (400°C → 40°C),
表1における(i)水素・窒素量の比率、(ii)リサイクル量の比率は下記によって算出した。
(i)水素・窒素量の比率
「触媒反応工程のみでアンモニアを合成するプロセスにおける原料水素と窒素の合計量」に対する「触媒反応工程と反応分離工程でアンモニアを合成するプロセスにおける原料水素と窒素の合計量」の比率
(ii)リサイクル量の比率
「触媒反応工程のみでアンモニアを合成するプロセスにおけるリサイクル量」に対する「触媒反応工程と反応分離工程でアンモニアを合成するプロセスにおけるリサイクル量」の比率
The (i) hydrogen/nitrogen amount ratio and (ii) recycled amount ratio in Table 1 were calculated as follows.
(i) Hydrogen/nitrogen amount ratio: The ratio of "the total amount of raw hydrogen and nitrogen in the process of synthesizing ammonia in the catalytic reaction step and the reaction separation step" to "the total amount of raw hydrogen and nitrogen in the process of synthesizing ammonia in the catalytic reaction step only" (ii) Recycle amount ratio: The ratio of "the recycled amount in the process of synthesizing ammonia in the catalytic reaction step and the reaction separation step" to "the recycled amount in the process of synthesizing ammonia in the catalytic reaction step only"
表1におけるエネルギーの比較は、下記によって算出した。
(a)アンモニア1kgあたりを製造するために必要な消費エネルギーの比較
「(A)触媒反応工程のみでアンモニアを合成するプロセスに記載の消費エネルギーの合計」に対する「(B)触媒反応工程と反応分離工程でアンモニアを合成するプロセスに記載の消費エネルギーの合計」の比率
(b)アンモニア1kgあたりを製造する際に得られるか回収エネルギーの比較
「(A)触媒反応工程のみでアンモニアを合成するプロセスに記載の回収ネルギーの合計」に対する「(B)触媒反応工程と反応分離工程でアンモニアを合成するプロセスに記載の回収エネルギーの合計」の比率
(c)アンモニア1kgあたりを製造するために必要なエネルギーの比較
「(A)触媒反応工程のみでアンモニアを合成するプロセスに記載の消費エネルギーの合計から回収ネルギーの合計を引いたエネルギー」に対する「(B)触媒反応工程と反応分離工程でアンモニアを合成するプロセスに記載の消費エネルギーの合計から回収ネルギーの合計を引いたエネルギー」の比率
The energy comparisons in Table 1 were calculated as follows.
(a) Comparison of energy consumption required to produce 1 kg of ammonia
The ratio of "(A) the total energy consumption described in the process for synthesizing ammonia only in the catalytic reaction process" to "(B) the total energy consumption described in the process for synthesizing ammonia in the catalytic reaction process and the reaction separation process" (b) Comparison of the energy obtained or recovered when producing 1 kg of ammonia
(c) Comparison of the energy required to produce 1 kg of ammonia: The ratio of "(B) the total energy recovered described in the process for synthesizing ammonia in a catalytic reaction step and a reaction separation step" to "(A) the total energy recovered described in the process for synthesizing ammonia in only a catalytic reaction step" to "(A) the total energy consumed minus the total recovered energy described in the process for synthesizing ammonia in only a catalytic reaction step" to "(B) the total energy consumed minus the total recovered energy described in the process for synthesizing ammonia in a catalytic reaction step and a reaction separation step"
本プロセスにおけるエネルギーの計算には、プロセスシミュレーターであるAspen
Tech社の製品であるAspen Plus Version.11を用いて算出し
た。
The energy calculations for this process were performed using the process simulator Aspen
The calculation was performed using Aspen Plus Version. 11, a product of Aspen Tech.
実施例及び/又は比較例のプロセスにおけるエネルギーを計算するための条件として、(1)触媒反応工程におけるアンモニア合成反応器の反応条件、(2)反応分離工程における膜型反応器の反応条件、(3)アンモニア回収工程におけるアンモニア液化条件は下記のとおりである。
(1)アンモニア合成反応器の反応条件:原料ガスの組成比 水素/窒素=3、400℃
、5MPa
(2)膜型反応器の反応条件:400℃、5MPa(ガス供給側と透過側の圧力差)
(3)アンモニア回収工程におけるアンモニア液化条件:5MPa、-22℃
As conditions for calculating the energy in the processes of the Examples and/or Comparative Examples, (1) the reaction conditions of the ammonia synthesis reactor in the catalytic reaction step, (2) the reaction conditions of the membrane reactor in the reaction separation step, and (3) the ammonia liquefaction conditions in the ammonia recovery step are as follows.
(1) Reaction conditions of the ammonia synthesis reactor: Composition ratio of raw material gas: Hydrogen/Nitrogen = 3, 400°C
, 5 MPa
(2) Reaction conditions of the membrane reactor: 400° C., 5 MPa (pressure difference between the gas supply side and the permeation side)
(3) Ammonia liquefaction conditions in the ammonia recovery process: 5 MPa, −22° C.
また、実施例及び比較例アンモニア合成反応器におけるアンモニア合成反応は、上記反応条件によって決まる反応の平衡値とした。 The ammonia synthesis reaction in the ammonia synthesis reactors in the examples and comparative examples was set to the equilibrium value of the reaction determined by the above reaction conditions.
実施例及び比較例にかかるプロセス構成の消費エネルギーを算出するために、Top. Cat., 1944, 1, 233 のtable1に記載されている触媒活性評価データをもとに、下記の反応速度式を算出した。
(反応速度式)
R=4.56563Exp(-51/RT)×[N2]/INH2-2.31978Exp(+7)×Exp(-76.46/RT)×[H2]-3[NH3]2/INH2
INH=1+0.0307Exp(-80/RT)×[H2]-1.5[NH3]
In order to calculate the energy consumption of the process configurations according to the examples and comparative examples, the following reaction rate equation was calculated based on the catalyst activity evaluation data described in Table 1 of Top. Cat., 1944, 1, 233.
(Reaction rate equation)
R=4.56563Exp(-51/RT)×[N 2 ]/INH 2 −2.31978Exp(+7)×Exp(-76.46/RT)×[H 2 ] −3 [NH 3 ] 2 /INH 2
INH=1+0.0307Exp(-80/RT)×[H 2 ] -1.5 [NH 3 ]
表1に実施例及び比較例にかかるプロセスでのアンモニア製造に関する対比した表を示す。 Table 1 shows a comparison table of ammonia production in the processes of the examples and comparative examples.
実施例1では、図2のプロセスにおいて膜型反応器にNH3/N2、NH3/H2の透過係数比がいずれも40のアンモニア分離膜を用いてエネルギー計算を実施した。この場合、膜型反応器におけるアンモニア分離膜を透過した生成ガスに含まれるアンモニア濃度は62%であり、また、水素転化率が向上したことでリサイクル量は大きく低減した。その結果、アンモニア1kgあたりを製造するために必要な消費エネルギーは比較例1に比べて37%削減したが、一方で、リサイクルにより循環するガス量が減り膜型反応器出口ガスの冷却により回収する熱量が減る影響により、アンモニア1kgあたりを製造する際に得られる回収エネルギーは40%減少した。しかし、消費エネルギー削減の効果が大きく、本プロセスにおいては、アンモニア1kgあたりを製造するために必要なエネルギーは、比較例1に比べて約10%削減可能なプロセスであることが分かった。 In Example 1, the energy calculation was performed using an ammonia separation membrane with a permeability coefficient ratio of 40 for both NH 3 /N 2 and NH 3 /H 2 in the membrane reactor in the process of FIG. 2. In this case, the ammonia concentration contained in the generated gas that permeated the ammonia separation membrane in the membrane reactor was 62%, and the amount of recycled gas was greatly reduced due to the improvement in hydrogen conversion rate. As a result, the energy consumption required to produce 1 kg of ammonia was reduced by 37% compared to Comparative Example 1, but on the other hand, the amount of recovered energy obtained when producing 1 kg of ammonia was reduced by 40% due to the effect of reducing the amount of gas circulated by recycling and reducing the amount of heat recovered by cooling the outlet gas of the membrane reactor. However, the effect of reducing energy consumption was large, and it was found that the energy required to produce 1 kg of ammonia in this process can be reduced by about 10% compared to Comparative Example 1.
実施例2では図3のプロセスにおいて膜型反応器にNH3/N2、NH3/H2の透過係数比がいずれも40のアンモニア分離膜を用いてエネルギー計算を実施した。膜型反応器における水素転化率が向上し、アンモニア分離膜を透過した生成ガスに含まれるアンモニア濃度は62%だった。本プロセスではアンモニア回収工程において未反応ガスのパージにより原料がロスするため、水素・窒素原料は比較例1よりも増やす必要がある。しかし、リサイクルしないことによる効果が大きく、アンモニア1kgあたりを製造するために必要な消費エネルギーは比較例1に比べて36%削減できた。一方、リサイクルにより循環するガスがないため膜型反応器出口ガスにおいて冷却により回収される熱量は減り、アンモニア1kgあたりを製造する際に得られる回収エネルギーは38%減少した。その結果、消費エネルギー削減の効果が大きく、本プロセスはアンモニア1kgあたりを製造するために必要なエネルギーは、比較例1に比べて7%削減可能なプロセスであることが分かった。 In Example 2, energy calculation was performed using an ammonia separation membrane with a permeability coefficient ratio of 40 for both NH 3 /N 2 and NH 3 /H 2 in the membrane reactor in the process of FIG. 3. The hydrogen conversion rate in the membrane reactor was improved, and the ammonia concentration in the generated gas permeated through the ammonia separation membrane was 62%. In this process, the raw material is lost due to purging of unreacted gas in the ammonia recovery step, so the hydrogen and nitrogen raw materials need to be increased compared to Comparative Example 1. However, the effect of not recycling is large, and the energy consumption required to produce 1 kg of ammonia was reduced by 36% compared to Comparative Example 1. On the other hand, since there is no gas to circulate due to recycling, the amount of heat recovered by cooling in the membrane reactor outlet gas is reduced, and the recovered energy obtained when producing 1 kg of ammonia was reduced by 38%. As a result, the effect of reducing energy consumption is large, and it was found that this process is a process in which the energy required to produce 1 kg of ammonia can be reduced by 7% compared to Comparative Example 1.
実施例3では、図2のプロセスにおいて膜型反応器にNH3/N2、NH3/H2の透過係数比がいずれも100のアンモニア分離膜を用いてエネルギー計算を実施した。この場合、膜の分離性能が高くなることで膜型反応器におけるアンモニア分離膜を透過した生成ガスに含まれるアンモニア濃度と水素転化率は実施例1よりもさらに高くなった。従って、実施例1と同様の効果をさらに得る事が出来るため、本プロセスはアンモニア1kgあたりを製造するために必要なエネルギーは、比較例1に比べて90%削減可能なプロセスであることが分かった。 In Example 3, energy calculations were performed using an ammonia separation membrane in which the permeability coefficient ratios of NH3 / N2 and NH3 / H2 were both 100 in the membrane reactor in the process of Figure 2. In this case, the ammonia concentration and hydrogen conversion rate contained in the product gas that permeated the ammonia separation membrane in the membrane reactor were higher than those in Example 1 due to the improved separation performance of the membrane. Therefore, it was found that the same effects as in Example 1 could be obtained, and therefore the energy required to produce 1 kg of ammonia in this process can be reduced by 90% compared to Comparative Example 1.
実施例4では、図3のプロセスにおいて膜型反応器にNH3/N2、NH3/H2の透過係数比がいずれも100のアンモニア分離膜を用いてエネルギー計算を実施した。この場合も、膜の分離性能が高くなることで膜型反応器におけるアンモニア分離膜を透過した生成ガスに含まれるアンモニア濃度と水素転化率はさらに高くなった。実施例2と同様の
効果をさらに得る事が出来るため、本プロセスはアンモニア1kgあたりを製造するために必要なエネルギーが、比較例1に比べて95%削減可能であることが分かった。
In Example 4, energy calculations were performed using an ammonia separation membrane with NH3 / N2 and NH3 / H2 permeability coefficient ratios of 100 in the membrane reactor in the process of Figure 3. In this case, too, the ammonia concentration and hydrogen conversion rate contained in the product gas that permeated the ammonia separation membrane in the membrane reactor were further increased due to the improved separation performance of the membrane. Since the same effects as in Example 2 can be further obtained, it was found that the energy required to produce 1 kg of ammonia in this process can be reduced by 95% compared to Comparative Example 1.
実施例5では、図3のプロセスにおいて膜型反応器にNH3/N2、NH3/H2の透過係数比がいずれも10000のアンモニア分離膜を用いてエネルギー計算を実施した。この場合は、膜型反応器におけるアンモニア分離膜を透過した生成ガスに含まれるアンモニア濃度は99.5%とほとんど未反応の窒素、水素を含んでおらず、リサイクルする必要はない。また、アンモニア1kgあたりを製造するために必要な消費エネルギーの削減効果が大きく、アンモニア1kgあたりを製造するために必要な消費エネルギーよりもアンモニア1kgあたりを製造する際に得られるか回収エネルギーが上回り、本プロセスではアンモニアとともにエネルギーを生成する事が分かった。 In Example 5, energy calculation was performed using an ammonia separation membrane with a permeability coefficient ratio of 10,000 for both NH 3 /N 2 and NH 3 /H 2 in the membrane reactor in the process of Figure 3. In this case, the ammonia concentration contained in the product gas that permeated the ammonia separation membrane in the membrane reactor was 99.5%, which means that it contained almost no unreacted nitrogen or hydrogen, and there was no need to recycle. In addition, the reduction effect of the energy consumption required to produce 1 kg of ammonia was large, and the energy obtained or recovered when producing 1 kg of ammonia exceeded the energy consumption required to produce 1 kg of ammonia, and it was found that energy was generated along with ammonia in this process.
一方、比較例2、3では、膜型反応器にNH3/N2、NH3/H2の透過係数比がいずれも5のアンモニア分離膜を用いた。この場合、膜型反応器におけるアンモニア分離膜を透過した生成ガスに含まれるアンモニア濃度は18%と比較例1に比べてほとんど変わらないが、膜内を透過したことによる圧力が低下するため、再度昇圧するためのエネルギーが必要となりエネルギーが増大する。その結果、アンモニア1kgあたりを製造するために必要なエネルギーは比較例1に比べて約18倍に増え、本プロセスは大量のエネルギーを消費するプロセスであることが分かった。 On the other hand, in Comparative Examples 2 and 3, an ammonia separation membrane with a permeability coefficient ratio of 5 for both NH3 / N2 and NH3 / H2 was used in the membrane reactor. In this case, the ammonia concentration contained in the product gas that permeated the ammonia separation membrane in the membrane reactor was 18%, which was almost the same as in Comparative Example 1, but the pressure was reduced by permeating through the membrane, so energy was required to increase the pressure again, resulting in an increase in energy. As a result, the energy required to produce 1 kg of ammonia increased by about 18 times compared to Comparative Example 1, and it was found that this process consumed a large amount of energy.
(アンモニア水製造プロセス)
本発明の膜型反応器を用いたアンモニア製造方法では、液化アンモニアを製造する際は膜型反応器において膜を透過することにより圧力が低下するため、膜型反応器出口の生成ガスは再度加圧して冷却する事でアンモニアを凝縮分離している。一方、アンモニア水を製造する場合は、膜型反応器出口のガスを加圧することなく吸収塔にて水で吸収することができるため、加圧する必要が無い。従って、アンモニア水を製造する際に必要なエネルギーは、液化アンモニアを製造する場合と比べて、更にエネルギー消費量の少ないプロセスを提供することが可能である。
(Ammonia water production process)
In the method for producing ammonia using a membrane reactor of the present invention, when liquefied ammonia is produced, the pressure is reduced by permeating through the membrane in the membrane reactor, so the product gas at the outlet of the membrane reactor is pressurized again and cooled to condense and separate the ammonia. On the other hand, when producing aqueous ammonia, the gas at the outlet of the membrane reactor can be absorbed with water in an absorption tower without pressurizing, so there is no need to pressurize it. Therefore, it is possible to provide a process that consumes even less energy when producing aqueous ammonia, compared to when producing liquefied ammonia.
<実施例6~12、比較例4>
図6に比較例のアンモニア水製造プロセス、図7、8に本発明における代表的なプロセス構成を示す。図7では、水素と窒素を原料にアンモニア合成触媒を配置したアンモニア合成反応器を有する触媒反応工程と、アンモニア合成触媒とアンモニア分離膜とを配置した膜型反応器を有する反応分離工程においてアンモニアを合成する。なお、明細書中では、図中の触媒反応合成工程と反応分離工程を含めて、アンモニア合成工程と称している。膜を透過した高濃度のアンモニアを含む生成ガスは、その後、アンモニア吸収工程においてアンモニア吸収塔で水に吸収してアンモニア水として回収し、水に吸収されない未反応の水素と窒素を含む未液化原料ガスはリサイクルする。
図8では、図7における未反応の水素と窒素を含む未液化ガスをリサイクルせずにパージする。
図9では、図7における反応分離工程における膜型反応器の非透過側のガスを膜型反応器にリサイクルする、図7の応用例である。
図10では、図8において反応分離工程における膜型反応器の非透過側のガスを膜型反応器にリサイクルする、図8の応用例である。
<Examples 6 to 12, Comparative Example 4>
Fig. 6 shows an ammonia water production process of a comparative example, and Figs. 7 and 8 show a typical process configuration of the present invention. In Fig. 7, ammonia is synthesized using hydrogen and nitrogen as raw materials in a catalytic reaction process having an ammonia synthesis reactor in which an ammonia synthesis catalyst is arranged, and a reaction separation process having a membrane reactor in which an ammonia synthesis catalyst and an ammonia separation membrane are arranged. In the specification, the catalytic reaction synthesis process and reaction separation process in the figure are collectively referred to as the ammonia synthesis process. The product gas containing a high concentration of ammonia that has permeated the membrane is then absorbed into water in an ammonia absorption tower in an ammonia absorption process and recovered as ammonia water, and the unliquefied raw material gas containing unreacted hydrogen and nitrogen that has not been absorbed into water is recycled.
In FIG. 8, the unliquefied gas containing unreacted hydrogen and nitrogen in FIG. 7 is purged without being recycled.
FIG. 9 shows an application example of FIG. 7 in which the gas from the non-permeation side of the membrane reactor in the reaction separation step in FIG. 7 is recycled to the membrane reactor.
FIG. 10 shows an application example of FIG. 8 in which the gas from the non-permeation side of the membrane reactor in the reaction separation step is recycled to the membrane reactor.
反応分離工程における膜型反応器の非透過側のガスのパージやアンモニア吸収工程における未液化ガスをリサイクルする場合のリサイクル工程におけるパージは、アンモニア合成原料である水素や窒素に不純物が含まれる場合に濃縮を抑制するために行うものであるが、そのパージ量は原料不純物濃度次第であり変化する。従って、本計算においては原料中の不純物は無しとして、不純物を除去するために必要なパージは実施せずに計算を行っ
た。
Purging of the non-permeated gas in the membrane reactor in the reaction separation process and purging in the recycle process when recycling unliquefied gas in the ammonia absorption process are performed to suppress the concentration of impurities when they are contained in the hydrogen or nitrogen raw materials for ammonia synthesis, but the amount of purging varies depending on the raw material impurity concentration. Therefore, in this calculation, it was assumed that there were no impurities in the raw material, and the calculation was performed without performing the purging required to remove impurities.
実施例及び比較例にかかるプロセス構成にて計算されるエネルギーは下記のとおりである。
(C)触媒反応工程のみでアンモニアを合成するプロセス(比較例4)
消費エネルギー:原料ガスの加熱(40℃→400℃)、加圧(0.1MPa→5MPa)、アンモニア吸収塔での冷凍(40℃→0℃)、リサイクルする場合はリサイクルガスの加熱(0℃→40℃)、加圧(0.1MPa→5MPa)
回収エネルギー:アンモニア合成反応器および膜型反応器における反応熱、
アンモニア合成反応器出口ガスの冷却による熱回収(400℃→40℃)
The energy calculated in the process configurations according to the examples and comparative examples is as follows.
(C) Process for synthesizing ammonia only through a catalytic reaction step (Comparative Example 4)
Energy consumption: heating of raw gas (40°C → 400°C), pressurization (0.1MPa → 5MPa), freezing in the ammonia absorption tower (40°C → 0°C), heating of recycled gas (0°C → 40°C) and pressurization (0.1MPa → 5MPa) in the case of recycling
Recovered energy: Reaction heat in ammonia synthesis reactors and membrane reactors,
Heat recovery by cooling the outlet gas of the ammonia synthesis reactor (400°C → 40°C)
(D)触媒工程と反応分離工程でアンモニアを合成するプロセス(実施例6~12のプロセス):
消費エネルギー:原料ガスの昇温(40℃→400℃)、加圧(0.1MPa→5MPa)、アンモニア吸収塔の2塔目の冷凍(40℃→0℃)、リサイクルする場合のみリサイクルガスの加熱(0℃→40℃)、加圧(0.1MPa→5MPa)
回収エネルギー:アンモニア合成反応器および膜型反応器の反応熱、アンモニア合成反応器出口ガスの冷却による熱回収(400℃→40℃)
(D) Processes for synthesizing ammonia through a catalytic process and a reaction separation process (processes of Examples 6 to 12):
Energy consumption: Heating the raw gas (40°C → 400°C), pressurizing (0.1MPa → 5MPa), freezing the second tower of the ammonia absorption tower (40°C → 0°C), heating the recycled gas (0°C → 40°C) and pressurizing (0.1MPa → 5MPa) only when recycling
Recovered energy: Reaction heat of the ammonia synthesis reactor and the membrane reactor, and heat recovery by cooling the outlet gas of the ammonia synthesis reactor (400°C → 40°C)
表2における(iii)水素・窒素量の比率、(iv)リサイクル量の比率は下記によって算出した。
(iii)水素・窒素量の比率
「触媒反応工程のみでアンモニアを合成するプロセスにおける原料水素と窒素の合計量」に対する「触媒工程と反応分離工程でアンモニアを合成するプロセスにおける原料水素と窒素の合計量」の比率
(iv)リサイクル量の比率
「触媒反応工程のみでアンモニアを合成するプロセスにおけるリサイクル量」に対する「膜触媒工程と反応分離工程でアンモニアを合成するプロセスにおけるリサイクル量」の比率
The (iii) hydrogen/nitrogen amount ratio and (iv) recycled amount ratio in Table 2 were calculated as follows.
(iii) Hydrogen/nitrogen amount ratio: The ratio of "the total amount of raw hydrogen and nitrogen in the process of synthesizing ammonia in the catalytic step and the reaction separation step" to "the total amount of raw hydrogen and nitrogen in the process of synthesizing ammonia in the catalytic reaction step only" (iv) Recycle amount ratio: The ratio of "the recycled amount in the process of synthesizing ammonia in the membrane catalytic step and the reaction separation step" to "the recycled amount in the process of synthesizing ammonia in the catalytic reaction step only"
表2におけるエネルギーの比較は、下記によって算出した。
(d)アンモニア1kgあたりを製造するために必要な消費エネルギーの比較
「(C)触媒反応工程のみでアンモニアを合成するプロセスに記載の消費エネルギーの合計」に対する「(D)触媒工程と反応分離工程でアンモニアを合成するプロセスに記載の消費エネルギーの合計」の比率
(e)アンモニア1kgあたりを製造する際に得られるか回収エネルギーの比較
「(C)触媒反応工程のみでアンモニアを合成するプロセスに記載の回収ネルギーの合計」に対する「(D)触媒工程と反応分離工程でアンモニアを合成するプロセスに記載の回収エネルギーの合計」の比率
(f) アンモニア1kgあたりを製造するために必要なエネルギーの比較
「(C)触媒反応工程のみでアンモニアを合成するプロセスに記載の消費エネルギーの合計から回収ネルギーの合計を引いたエネルギー」に対する「(D)触媒工程と反応分離工程でアンモニアを合成するプロセスに記載の消費エネルギーの合計から回収ネルギーの合計を引いたエネルギー」の比率
The energy comparisons in Table 2 were calculated as follows:
(d) Comparison of the energy consumption required to produce 1 kg of ammonia
The ratio of "(D) the total energy consumption described in the process for synthesizing ammonia in a catalytic reaction step and a reaction separation step" to "(C) the total energy consumption described in the process for synthesizing ammonia in only a catalytic reaction step"
(e) Comparison of the energy recovery obtained when producing 1 kg of ammonia
The ratio of "(D) the total energy recovery described in the process for synthesizing ammonia in a catalytic process and a reaction separation process" to "(C) the total energy recovery described in the process for synthesizing ammonia in only a catalytic reaction process"
(f) Comparison of the energy required to produce 1 kg of ammonia: the ratio of "(C) the total energy consumed minus the total energy recovered in the process for synthesizing ammonia only through the catalytic reaction process" to "(D) the total energy consumed minus the total energy recovered in the process for synthesizing ammonia through both the catalytic process and the reaction separation process"
また、本プロセスにおけるエネルギーの計算には、プロセスシミュレーターであるAspen Tech社の製品であるAspen Plus Version.11を用いて
算出した。
The energy consumption in this process was calculated using a process simulator, Aspen Plus Version. 11, a product of Aspen Tech.
実施例及び比較例にかかるプロセスにおけるエネルギーを計算するための条件として、
(1)アンモニア合成反応器の反応条件、(2)膜型反応器の反応条件、(3)アンモニア水吸収工程におけるアンモニア吸収条件は下記のとおりである。
(1)アンモニア合成反応器の反応条件:原料ガスの組成比 水素/窒素=3、400℃
、5MPa
(2)膜型反応器の反応条件:400℃、5MPa(ガス供給側と透過側の圧力差)
(3)アンモニア吸収塔:1塔目は40℃、2塔目は0℃(吸収塔の配置は図11参照)
The conditions for calculating the energy in the processes according to the examples and comparative examples are as follows:
(1) Reaction conditions in the ammonia synthesis reactor, (2) Reaction conditions in the membrane reactor, and (3) Ammonia absorption conditions in the ammonia water absorption step are as follows.
(1) Reaction conditions of the ammonia synthesis reactor: Composition ratio of raw material gas: Hydrogen/Nitrogen = 3, 400°C
, 5 MPa
(2) Reaction conditions of the membrane reactor: 400° C., 5 MPa (pressure difference between the gas supply side and the permeation side)
(3) Ammonia absorption tower: 1st tower at 40°C, 2nd tower at 0°C (see Figure 11 for the layout of the absorption towers)
また、実施例及び比較例のアンモニア合成反応器におけるアンモニア合成反応は、上記反応条件によって決まる平衡値とした。 The ammonia synthesis reaction in the ammonia synthesis reactors in the examples and comparative examples was set to an equilibrium value determined by the above reaction conditions.
実施例及び比較例にかかるプロセス構成の消費エネルギーを算出するために、Top. Cat., 1944, 1, 233 のtable1に記載されている触媒活性評価データをもとに、下記の反応速度式を算出した。
(反応速度式)
R=4.56563Exp(-51/RT)×[N2]/INH2-2.31978Exp(+7)×Exp(-76.46/RT)×[H2]-3[NH3]2/INH2
INH=1+0.0307Exp(-80/RT)×[H2]-1.5[NH3]
In order to calculate the energy consumption of the process configurations according to the examples and comparative examples, the following reaction rate equation was calculated based on the catalyst activity evaluation data described in Table 1 of Top. Cat., 1944, 1, 233.
(Reaction rate equation)
R=4.56563Exp(-51/RT)×[N 2 ]/INH 2 −2.31978Exp(+7)×Exp(-76.46/RT)×[H 2 ] −3 [NH 3 ] 2 /INH 2
INH=1+0.0307Exp(-80/RT)×[H 2 ] -1.5 [NH 3 ]
表2に実施例6~12及び比較例4にかかるプロセス構成で合成したアンモニア水に関する対比した表を示す。
実施例6では、図7のプロセスにおいて膜型反応器にNH3/N2、NH3/H2の透過係数比がいずれも10のアンモニア分離膜を用いてエネルギー計算を実施した。この場合、膜型反応器におけるアンモニア分離膜を透過した生成ガスに含まれるアンモニア濃度は35%であり、水素転化率が向上したことでリサイクル量は大きく低減した。その結果、アンモニア1kgあたりを製造するために必要な消費エネルギーは62%削減できた。一方、アンモニア1kgあたりを製造する際に得られる回収エネルギーは23%減少したが、消費エネルギー削減の効果が大きく、本プロセスにおいては、アンモニア1kgあたりを製造するために必要なエネルギーは、比較例4に比べて約77%削減可能なプロセスであることが分かった。 In Example 6, energy calculation was performed using an ammonia separation membrane with a permeability coefficient ratio of 10 for both NH 3 /N 2 and NH 3 /H 2 in the membrane reactor in the process of FIG. 7. In this case, the ammonia concentration contained in the generated gas that permeated the ammonia separation membrane in the membrane reactor was 35%, and the amount of recycled material was greatly reduced due to the improvement in hydrogen conversion rate. As a result, the energy consumption required to produce 1 kg of ammonia was reduced by 62%. On the other hand, the recovered energy obtained when producing 1 kg of ammonia was reduced by 23%, but the effect of reducing energy consumption was large, and it was found that the energy required to produce 1 kg of ammonia in this process can be reduced by about 77% compared to Comparative Example 4.
実施例7では、図8のプロセスにおいて膜型反応器にNH3/N2、NH3/H2の透過係数比がいずれも10のアンモニア分離膜を用いてエネルギー計算を実施した。膜型反応器における水素転化率が向上し、また、アンモニア分離膜を透過した生成ガスに含まれるアンモニア濃度は35%だった。本プロセスではアンモニア吸収工程において未反応ガスのパージにより原料がロスするため、水素・窒素原料は比較例4よりも増やす必要がある。しかし、リサイクルしないことによる効果が大きく、アンモニア1kgあたりを製造するために必要な消費エネルギーは比較例4に比べて52%削減できた。更に、転化率の向上により膜型反応器において回収可能な反応熱量も増えることで、アンモニア1kgあ
たりを製造する際に得られる回収エネルギーは53%増加した。その結果、本プロセスはアンモニア1kgあたりを製造するために必要なエネルギーは、比較例4に比べて94%削減可能なプロセスであることが分かった
In Example 7, energy calculation was performed using an ammonia separation membrane with a permeability coefficient ratio of 10 for both NH 3 /N 2 and NH 3 /H 2 in the membrane reactor in the process of FIG. 8. The hydrogen conversion rate in the membrane reactor was improved, and the ammonia concentration in the generated gas permeated through the ammonia separation membrane was 35%. In this process, the raw material is lost due to purging of unreacted gas in the ammonia absorption step, so the amount of hydrogen and nitrogen raw material needs to be increased compared to Comparative Example 4. However, the effect of not recycling is large, and the energy consumption required to produce 1 kg of ammonia was reduced by 52% compared to Comparative Example 4. Furthermore, the improvement in conversion rate increased the amount of reaction heat recoverable in the membrane reactor, and the recovered energy obtained when producing 1 kg of ammonia increased by 53%. As a result, it was found that this process is a process in which the energy required to produce 1 kg of ammonia can be reduced by 94% compared to Comparative Example 4.
実施例8では、図7のプロセスにおいて膜型反応器にNH3/N2、NH3/H2の透過係数比がいずれも40のアンモニア分離膜を用いてエネルギー計算を実施した。この場合、膜の分離性能が高くなることで膜型反応器におけるアンモニア分離膜を透過した生成ガスに含まれるアンモニア濃度と水素転化率は実施例6よりもさらに高くなった。従って、実施例6と同様の効果をさらに得る事が出来るため、本プロセスではアンモニア1kgあたりを製造するために必要な消費エネルギーよりもアンモニア1kgあたりを製造する際に得られるか回収エネルギーが上回り、本プロセスではアンモニアとともにエネルギーを生成する事が分かった。 In Example 8, energy calculations were performed using an ammonia separation membrane with NH3 / N2 and NH3 / H2 permeability coefficient ratios of 40 in the membrane reactor in the process of Figure 7. In this case, the ammonia concentration and hydrogen conversion rate contained in the product gas that permeated the ammonia separation membrane in the membrane reactor were higher than those in Example 6 due to the improved separation performance of the membrane. Therefore, since the same effects as in Example 6 can be further obtained, in this process, the energy obtained or recovered when producing 1 kg of ammonia exceeds the energy consumption required to produce 1 kg of ammonia, and it was found that energy is produced along with ammonia in this process.
実施例9では、図8のプロセスにおいて膜型反応器にNH3/N2、NH3/H2の透過係数比がいずれも40のアンモニア分離膜を用いてエネルギー計算を実施した。この場合、膜の分離性能が高くなることで膜型反応器におけるアンモニア分離膜を透過した生成ガスに含まれるアンモニア濃度と水素転化率は実施例7よりもさらに高くなった。従って、実施例6と同様の効果をさらに得る事が出来るため、本プロセスではアンモニア1kgあたりを製造するために必要な消費エネルギーよりもアンモニア1kgあたりを製造する際に得られるか回収エネルギーが上回り、本プロセスではアンモニアとともにエネルギーを生成する事が分かった。 In Example 9, energy calculations were performed using an ammonia separation membrane with NH3 / N2 and NH3 / H2 permeability coefficient ratios of 40 in the membrane reactor in the process of Figure 8. In this case, the ammonia concentration and hydrogen conversion rate contained in the product gas that permeated the ammonia separation membrane in the membrane reactor were higher than those in Example 7 due to the improved separation performance of the membrane. Therefore, since the same effects as in Example 6 can be further obtained, in this process, the energy obtained or recovered when producing 1 kg of ammonia exceeds the energy consumption required to produce 1 kg of ammonia, and it was found that energy is produced along with ammonia in this process.
実施例10、11、12では、更に高い分離性能を有する膜を用いており、上述の効果をより得る事が出来ため、よりエネルギー削減効果も得ることが可能である。 In Examples 10, 11, and 12, membranes with even higher separation performance were used, which allowed the above-mentioned effects to be further achieved, and therefore further energy savings could be achieved.
本発明に係るアンモニア1kgあたりの消費エネルギー量の少ないプロセスにより、CO2排出量の少ない環境適合型のアンモニア製造プロセスを提供する事が出来る。また、未反応の水素や窒素が少ない事からリサイクル量の低減により各機器のサイズを小さくすることも可能となり、オンサイト型の小型プロセスとしての提供も可能である。
特に本発明の膜型反応器を含むアンモニア製造方法では、好ましくはNH3/H2、及び/又はNH3/N2の透過係数比が20以上のアンモニア分離膜を膜型反応器に用いることにより、アンモニア生成反応の平衡制約よりも高い転化率を達成し、アンモニア生成により発生する熱の回収量が増え、更に、アンモニア回収工程におけるアンモニアを分離するために必要なエネルギーや、未反応原料のリサイクルにかかるエネルギーを削減し、従来技術のアンモニア製造にかかるエネルギーよりも少ないエネルギーでアンモニアを製造する事が出来るという効果を得た。また、NH3/H2、及び/又はNH3/N2が高くなると、アンモニア回収工程において未反応ガスをパージしても原料ロスの観点からも経済性の高いプロセスを構築することが可能である。
また、アンモニア水として製造する場合には、加圧・冷却による工程が不要なため、NH3/H2、及び/又はNH3/N2の透過係数比が好ましくは10以上、より好ましくは両方とも10以上のアンモニア分離膜を使用することでも、十分に経済性の高いプロセスを構築することができる。
The process according to the present invention consumes less energy per kg of ammonia, making it possible to provide an environmentally friendly ammonia production process with less CO2 emissions. In addition, because there is less unreacted hydrogen and nitrogen, it is possible to reduce the size of each device by reducing the amount of recycling, making it possible to provide it as an on-site small-scale process.
In particular, in the ammonia production method including the membrane reactor of the present invention, by using an ammonia separation membrane having a permeability coefficient ratio of NH3 / H2 and/or NH3 / N2 of 20 or more in the membrane reactor, a conversion rate higher than the equilibrium constraint of the ammonia production reaction is achieved, the amount of heat generated by ammonia production is increased, and further, the energy required for separating ammonia in the ammonia recovery process and the energy required for recycling unreacted raw materials are reduced, and ammonia can be produced with less energy than the energy required for ammonia production in the conventional technology. In addition, when NH3 / H2 and/or NH3 / N2 are high, it is possible to construct a highly economical process from the viewpoint of raw material loss even if unreacted gas is purged in the ammonia recovery process.
Furthermore, when producing ammonia water, since the steps of pressurization and cooling are not required, a sufficiently economical process can be constructed by using an ammonia separation membrane having a NH3 / H2 and/or NH3 / N2 permeability coefficient ratio of preferably 10 or more, more preferably both of 10 or more.
Claims (5)
アンモニア合成触媒とアンモニア分離膜とを用いた膜型反応器により、前記原料からアンモニアを合成する反応分離工程と、
前記アンモニア分離膜を透過した透過ガス中に含まれるアンモニアを冷却し、凝縮した液化アンモニアを回収するアンモニア回収工程と、
未反応の原料ガスをリサイクルするリサイクル工程と、
を備え、
前記アンモニア分離膜が、RHO型ゼオライト膜であり、前記RHO型ゼオライト膜を構成するゼオライトがアルミノ珪酸塩であり、
前記反応分離工程において、
前記膜型反応器の温度が300℃以上600℃以下であり、
前記アンモニア分離膜の供給側と、透過側との圧力差が1MPa以上15MPa以下であり、かつ、
前記アンモニア分離膜の400℃、前記圧力差が5MPaのときのアンモニア/水素の透過係数比が40以上であり、かつアンモニア/窒素の透過係数比が40以上である、アンモニアの製造方法。 A method for producing ammonia using hydrogen and nitrogen as raw materials, comprising the steps of:
a reaction and separation step of synthesizing ammonia from the raw material by a membrane reactor using an ammonia synthesis catalyst and an ammonia separation membrane;
an ammonia recovery step of cooling ammonia contained in a permeation gas that has permeated the ammonia separation membrane and recovering condensed liquefied ammonia;
a recycling step of recycling unreacted raw material gas;
Equipped with
the ammonia separation membrane is an RHO type zeolite membrane, and the zeolite constituting the RHO type zeolite membrane is an aluminosilicate;
In the reaction and separation step,
The temperature of the membrane reactor is 300° C. or more and 600° C. or less,
The pressure difference between the supply side and the permeation side of the ammonia separation membrane is 1 MPa or more and 15 MPa or less, and
The ammonia separation membrane has an ammonia/hydrogen permeability coefficient ratio of 40 or more and an ammonia/nitrogen permeability coefficient ratio of 40 or more at 400° C. and the pressure difference of 5 MPa.
アンモニア合成触媒とアンモニア分離膜とを用いた膜型反応器により、前記原料からアンモニアを合成する反応分離工程と、
前記アンモニア分離膜を透過した透過ガス中に含まれるアンモニアを冷却し、凝縮した液化アンモニアを回収するアンモニア回収工程と、
未反応の原料ガスを系外にパージするパージ工程と、
を備え、
前記アンモニア分離膜が、RHO型ゼオライト膜であり、前記RHO型ゼオライト膜を構成するゼオライトがアルミノ珪酸塩であり、
前記反応分離工程において、
前記膜型反応器の温度が300℃以上600℃以下であり、
前記アンモニア分離膜の供給側と、透過側との圧力差が1MPa以上15MPa以下であり、かつ、
前記アンモニア分離膜の400℃、5MPa(ガス供給側と透過側の圧力差)のときのアンモニア/水素の透過係数比が40以上であり、かつアンモニア/窒素の透過係数比が40以上である、
アンモニアの製造方法。 A method for producing ammonia using hydrogen and nitrogen as raw materials, comprising the steps of:
a reaction and separation step of synthesizing ammonia from the raw material by a membrane reactor using an ammonia synthesis catalyst and an ammonia separation membrane;
an ammonia recovery step of cooling ammonia contained in a permeation gas that has permeated the ammonia separation membrane and recovering condensed liquefied ammonia;
a purging step of purging unreacted raw material gas out of the system;
Equipped with
the ammonia separation membrane is an RHO type zeolite membrane, and the zeolite constituting the RHO type zeolite membrane is an aluminosilicate;
In the reaction and separation step,
The temperature of the membrane reactor is 300° C. or more and 600° C. or less,
The pressure difference between the supply side and the permeation side of the ammonia separation membrane is 1 MPa or more and 15 MPa or less, and
The ammonia separation membrane has an ammonia/hydrogen permeability coefficient ratio of 40 or more at 400° C. and 5 MPa (pressure difference between the gas supply side and the permeation side) and an ammonia/nitrogen permeability coefficient ratio of 40 or more.
A method for producing ammonia.
The method for producing ammonia according to any one of claims 1 to 4, wherein in the reaction and separation step, a pressure difference between the gas supply side and the permeation side of the ammonia separation membrane of the membrane reactor is 0.1 MPa or more and 10 MPa or less.
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