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JP7840017B2 - ammonia synthesis system - Google Patents
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JP7840017B2 - ammonia synthesis system - Google Patents

ammonia synthesis system

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JP7840017B2 JP2023072031A JP2023072031A JP7840017B2 JP 7840017 B2 JP7840017 B2 JP 7840017B2 JP 2023072031 A JP2023072031 A JP 2023072031A JP 2023072031 A JP2023072031 A JP 2023072031A JP 7840017 B2 JP7840017 B2 JP 7840017B2
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Description

本発明は、アンモニア合成システムに関する。 This invention relates to an ammonia synthesis system.

従来から、触媒を収容した反応器に対して、窒素(N2)と水素(H2)とを含む反応ガスを導入することによりアンモニアを合成するアンモニア合成システムが知られている。そのようなアンモニア合成システムとして、例えば、特許文献1には、パージガスや冷却器を用いて中間生成ガスを冷却するアンモニア合成システムが開示されている。また、特許文献2には、アンモニア合成に用いる循環ガス中のアンモニアガスの濃度を3体積%以上にして、アンモニア合成を実行するアンモニア合成システムが開示されている。 Conventionally, ammonia synthesis systems have been known that synthesize ammonia by introducing a reaction gas containing nitrogen ( N₂ ) and hydrogen ( H₂ ) into a reactor containing a catalyst. As such ammonia synthesis system, for example, Patent Document 1 discloses an ammonia synthesis system in which the intermediate product gas is cooled using a purge gas or a cooler. Furthermore, Patent Document 2 discloses an ammonia synthesis system in which the concentration of ammonia gas in the circulating gas used for ammonia synthesis is 3% by volume or more to carry out ammonia synthesis.

特開2018-203603号公報Japanese Patent Publication No. 2018-203603 特開2020-66573号公報Japanese Patent Publication No. 2020-66573

触媒に導入される反応ガス中の窒素に対する水素の割合(H2/N2比)は、アンモニア合成速度を決定するパラメータの1つである。アンモニア合成速度を促進するために適切なH2/N2比は、例えば、触媒の温度や反応器内が平衡状態であるか否に応じて変動する。しかし、特許文献1,2におけるアンモニア合成システムでは、H2/N2比の制御について何ら考慮しておらず、改善の余地があった。 The ratio of hydrogen to nitrogen in the reaction gas introduced into the catalyst ( H₂ / N₂ ratio) is one of the parameters that determine the ammonia synthesis rate. The appropriate H₂ / N₂ ratio for promoting the ammonia synthesis rate varies depending, for example, on the catalyst temperature and whether the reactor is in equilibrium. However, the ammonia synthesis systems in Patent Documents 1 and 2 do not consider the control of the H₂ / N₂ ratio, and there is room for improvement.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、アンモニアを効率的に合成することができるアンモニア合成システムを提供することを目的とする。 This invention was made to solve at least some of the above-mentioned problems, and aims to provide an ammonia synthesis system that can efficiently synthesize ammonia.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。 This invention was made to solve at least some of the above-mentioned problems and can be realized in the following forms.

(1)本発明の一形態によれば、アンモニア合成システムが提供される。このアンモニア合成システムは、水素と窒素とを含む反応ガスからアンモニアを合成する合成反応を促進する触媒を収容する反応器と、前記反応器に導入される前記反応ガス中の窒素に対する水素の割合であるH2/N2比を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記触媒が活性化したとみなされる活性化温度まで前記触媒の温度を昇温させる活性化前運転時のH2/N2比を、前記触媒の温度が前記活性化温度に到達した後の活性化後運転時のH2/N2比とは異なる値に制御する。 (1) According to one embodiment of the present invention, an ammonia synthesis system is provided. This ammonia synthesis system comprises a reactor containing a catalyst that promotes a synthesis reaction for synthesizing ammonia from a reaction gas containing hydrogen and nitrogen, and a control unit that controls the H2 / N2 ratio, which is the ratio of hydrogen to nitrogen in the reaction gas introduced into the reactor, wherein the control unit controls the H2 / N2 ratio during pre-activation operation, in which the temperature of the catalyst is raised to an activation temperature, to a value different from the H2 / N2 ratio during post-activation operation after the temperature of the catalyst has reached the activation temperature.

この構成によれば、触媒の活性化前に導入する反応ガス中のH2/N2比と、触媒の活性化後に導入する反応ガス中のH2/N2比と、を異なる値に制御することができる。このため、活性化前後の各々の時期に応じて、触媒に導入される反応ガス中のH2/N2比を適切な値に調整することができる。したがって、活性化前後のいずれの時期においても触媒に導入される反応ガス中のH2/N2比が一定である形態と比べて、アンモニアを効率的に合成することができる。 This configuration allows for the control of different H₂ / N₂ ratios in the reaction gas introduced before catalyst activation and after catalyst activation. Therefore, the H₂ / N₂ ratio in the reaction gas introduced to the catalyst can be adjusted to an appropriate value depending on the stage before and after activation. Consequently, ammonia can be synthesized more efficiently compared to a configuration where the H₂ / N₂ ratio in the reaction gas introduced to the catalyst remains constant at both stages.

(2)上記形態のアンモニア合成システムにおいて、前記制御部は、前記活性化前運転時のH2/N2比を、前記活性化後運転時のH2/N2比よりも小さくなるよう制御してもよい。
触媒活性化前のアンモニア合成に適切なH2/N2比が、触媒活性化後のアンモニア合成に適切なH2/N2比よりも小さい触媒をアンモニア合成システムが備える場合に、この構成によれば、活性化前後のいずれの時期においても、適切なH2/N2比の反応ガスが触媒に導入できることから、アンモニアを効率的に合成することができる。
(2) In the ammonia synthesis system of the above form, the control unit may control the H2 / N2 ratio during the pre-activation operation to be smaller than the H2 / N2 ratio during the post-activation operation.
If an ammonia synthesis system is equipped with a catalyst in which the appropriate H₂ / N₂ ratio for ammonia synthesis before catalyst activation is smaller than the appropriate H₂ / N₂ ratio for ammonia synthesis after catalyst activation, this configuration allows for the introduction of a reaction gas with an appropriate H₂ / N₂ ratio into the catalyst at both the pre- and post-activation stages, thereby enabling efficient ammonia synthesis.

(3)上記形態のアンモニア合成システムにおいて、前記制御部は、前記活性化前運転時に、前記触媒よりも下流側にて検出される下流側アンモニア濃度が、前記触媒の温度から算出される平衡状態でのアンモニア濃度に所定割合を乗じた比較対象濃度よりも高い場合に、H2/N2比を増加させる増加制御を実行し、H2/N2比を増加させてから設定時間を経過した後の前記下流側アンモニア濃度が、最後の前記増加制御を行う契機となった前記下流側アンモニア濃度よりも高く、且つ、前記比較対象濃度よりも高くなるたびに、前記増加制御を追加で実行し、H2/N2比を増加させてから前記設定時間を経過した後の前記下流側アンモニア濃度が、最後の前記増加制御を行う契機となった前記下流側アンモニア濃度よりも低い場合、H2/N2比を最後の前記増加制御を行う前のH2/N2比に戻す減少制御を実行してもよい。
この構成によれば、活性化前運転時において、H2/N2比を増加させてから設定時間を経過した後の下流側アンモニア濃度が、最後の増加制御を行う契機となった下流側アンモニア濃度よりも高くなったのち比較対象濃度よりも高くなるたびに、追加で増加制御が実行されることから、活性化前運転時の反応ガス中のH2/N2比を段階的に増加させて最適な値に近付けることができる。したがって、活性化前運転時において、アンモニアをより効率的に合成することができる。一方、活性化前運転時において、H2/N2比を増加させてから設定時間を経過した後の下流側アンモニア濃度が、最後の増加制御を行う契機となった下流側アンモニア濃度よりも低い場合には減少制御が実行されることから、活性化前運転時の反応ガス中のH2/N2比が最適な値を超えて増加し続けるのを防止することができる。
(3) In the ammonia synthesis system of the above form, the control unit may, during the pre-activation operation, perform an increase control to increase the H2 / N2 ratio if the downstream ammonia concentration detected downstream of the catalyst is higher than a comparison concentration obtained by multiplying the equilibrium ammonia concentration calculated from the temperature of the catalyst by a predetermined ratio. The control unit may also perform an increase control each time that the downstream ammonia concentration after a set time has elapsed since the increase in the H2 / N2 ratio is higher than the downstream ammonia concentration that triggered the last increase control, and also higher than the comparison concentration. The control unit may also perform a decrease control to return the H2 / N2 ratio to the H2/N2 ratio before the last increase control if the downstream ammonia concentration after the set time has elapsed since the increase in the H2 / N2 ratio is lower than the downstream ammonia concentration that triggered the last increase control.
With this configuration, during the pre-activation operation, if the downstream ammonia concentration after the set time has elapsed since increasing the H2 / N2 ratio rises higher than the downstream ammonia concentration that triggered the final increase control, and then rises higher than the control group concentration, an additional increase control is performed. This allows the H2 / N2 ratio in the reaction gas during the pre-activation operation to be gradually increased and brought closer to the optimal value. Therefore, ammonia can be synthesized more efficiently during the pre-activation operation. On the other hand, if the downstream ammonia concentration after the set time has elapsed since increasing the H2 / N2 ratio during the pre-activation operation is lower than the downstream ammonia concentration that triggered the final increase control, a decrease control is performed. This prevents the H2 / N2 ratio in the reaction gas during the pre-activation operation from continuously increasing beyond the optimal value.

(4)上記形態のアンモニア合成システムにおいて、前記制御部は、前記反応器に導入される前記反応ガスの流量を制御し、前記制御部は、前記活性化前運転時における前記反応ガスの流量を、前記活性化後運転時における前記流量よりも小さくなるよう制御してもよい。
この構成によれば、活性化後運転時と比べて活性化前運転時における反応ガスの流量が少なくなるよう制御されるため、反応器に導入されたのちアンモニアの合成反応によって昇温された反応ガスが反応器中に保持される時間を長くすることができる。その結果、昇温された反応ガスと触媒との接触時間が長くなることにより、触媒の昇温を促進することができる。
(4) In the ammonia synthesis system of the above form, the control unit controls the flow rate of the reaction gas introduced into the reactor, and the control unit may control the flow rate of the reaction gas during the pre-activation operation to be less than the flow rate during the post-activation operation.
With this configuration, the flow rate of the reaction gas during pre-activation operation is controlled to be lower than during post-activation operation. This allows the reaction gas, which has been heated by the ammonia synthesis reaction after being introduced into the reactor, to be retained in the reactor for a longer period. As a result, the contact time between the heated reaction gas and the catalyst is extended, which accelerates the heating of the catalyst.

(5)上記形態のアンモニア合成システムにおいて、さらに、前記反応器から排出される反応後ガスを冷却する冷却器と、前記冷却器を経ることなく前記反応後ガスを前記反応器の上流側に循環させる第1流路と、前記反応後ガスを前記冷却器に送る第2流路と、のいずれかに前記反応後ガスが流れる流路を切り替える流路切替部と、を備え、前記制御部は、前記活性化前運転時に、前記触媒の温度が前記活性化温度よりも低い温度の範囲内で設定された第1設定温度よりも低い場合、前記流路が前記第1流路になるよう前記流路切替部を制御し、前記触媒の温度が前記第1設定温度以上である場合、前記流路が前記第2流路になるよう前記流路切替部を制御してもよい。
この構成によれば、触媒の温度が第1設定温度よりも低い間は、反応後ガスが冷却器で冷却されることなく再び反応器の上流側に循環されることから、反応後ガスの持つ熱エネルギーを触媒の加熱に再利用することができる。また、触媒の温度が第1設定温度よりも低い間においては反応後ガス中に未反応の水素および未反応の窒素が比較的多く残存しているため、循環させた反応後ガスの量に応じて新規に反応器に導入する反応ガスの量を減らすことができる。すなわち、この構成によれば、反応後ガスを循環させることによって、反応ガスを生成するために要するエネルギー(特に水素の生成に要するエネルギー)およびその反応ガスを加熱するために要する熱エネルギーを低減することができる。
(5) In the ammonia synthesis system of the above form, the system further includes a cooler for cooling the post-reaction gas discharged from the reactor, a first flow path for circulating the post-reaction gas to the upstream side of the reactor without passing through the cooler, and a second flow path for sending the post-reaction gas to the cooler, and the control unit may, during the pre-activation operation, control the flow path switching unit so that the flow path becomes the first flow path when the temperature of the catalyst is lower than a first set temperature set within a range of temperatures lower than the activation temperature, and control the flow path switching unit so that the flow path becomes the second flow path when the temperature of the catalyst is at or above the first set temperature.
With this configuration, as long as the catalyst temperature is below the first set temperature, the post-reaction gas is recirculated to the upstream side of the reactor without being cooled by the cooler, allowing the thermal energy of the post-reaction gas to be reused to heat the catalyst. Also, since a relatively large amount of unreacted hydrogen and unreacted nitrogen remains in the post-reaction gas while the catalyst temperature is below the first set temperature, the amount of reaction gas newly introduced into the reactor can be reduced in proportion to the amount of post-reaction gas that has been circulated. In other words, with this configuration, by circulating the post-reaction gas, the energy required to generate the reaction gas (especially the energy required to generate hydrogen) and the thermal energy required to heat the reaction gas can be reduced.

(6)上記形態のアンモニア合成システムにおいて、前記制御部は、前記活性化後運転時に、前記触媒の温度が前記活性化温度よりも高い温度の範囲内で設定された第2設定温度よりも高い場合、前記触媒の温度を低下させる温度低下制御を実行してもよい。
触媒が活性化した際には、触媒の温度は急激に上昇する。この急激な上昇によって触媒の温度が高温のまま維持されると、触媒の熱劣化を引き起こす可能性がある。この構成によれば、触媒の温度が第2設定温度よりも高い場合に温度低下制御が実行されることから、触媒が熱劣化する可能性を低減することができる。
(6) In the ammonia synthesis system of the above form, the control unit may, during the post-activation operation, perform temperature reduction control to lower the temperature of the catalyst if the temperature of the catalyst is higher than a second set temperature set within a range of temperatures higher than the activation temperature.
When a catalyst is activated, its temperature rises rapidly. If this rapid rise keeps the catalyst at a high temperature, it can cause thermal degradation of the catalyst. With this configuration, temperature reduction control is performed when the catalyst temperature is higher than the second set temperature, thus reducing the possibility of thermal degradation of the catalyst.

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、アンモニア合成システム、アンモニア製造プラント、アンモニア製造装置、これらを備える装置およびシステム、アンモニアの製造方法、アンモニアの合成方法、これら装置や方法を実行するためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、およびコンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。 Furthermore, the present invention can be realized in various forms, for example, as an ammonia synthesis system, an ammonia production plant, an ammonia production apparatus, apparatus and systems comprising these, a method for producing ammonia, a method for synthesizing ammonia, a computer program for executing these apparatus and methods, a server device for distributing this computer program, and a non-temporary storage medium storing the computer program.

第1実施形態のアンモニア合成システムの構成を例示した説明図である。This is an explanatory diagram illustrating the configuration of the ammonia synthesis system according to the first embodiment. 反応器の内部における反応ガスの流れを示した説明図である。This is an explanatory diagram showing the flow of reaction gases inside the reactor. 一般的なRu触媒を用いて合成されるアンモニア濃度を示す説明図である。This is an explanatory diagram showing the ammonia concentration synthesized using a common Ru catalyst. 第1触媒の温度の経時的変化を測定した結果を示す説明図である。This is an explanatory diagram showing the results of measuring the temperature change of the first catalyst over time. 反応ガスの温度の経時的変化を測定した結果を示す説明図である。This is an explanatory diagram showing the results of measuring the temperature change of the reaction gas over time. 触媒活性化時および反応安定化時の反応ガスの温度を示す説明図である。This is an explanatory diagram showing the reaction gas temperatures during catalyst activation and reaction stabilization. 触媒活性化時および反応安定化時の第1触媒の温度を示す説明図である。This is an explanatory diagram showing the temperature of the first catalyst during catalyst activation and reaction stabilization. 第1触媒が活性化するまでの経過時間を示す説明図である。This is an explanatory diagram showing the time elapsed until the first catalyst is activated. 反応安定化時の合成アンモニア濃度を示す説明図である。This is an explanatory diagram showing the concentration of synthesized ammonia during reaction stabilization. 2/N2比の制御処理の手順の一例を示すフローチャートである。This flowchart shows an example of the procedure for controlling the H2 / N2 ratio. 2/N2比の変動処理の手順の一例を示すフローチャートである。This flowchart shows an example of the procedure for processing variations in the H2 / N2 ratio. 第3実施形態のアンモニア合成システムの構成を例示した説明図である。This is an explanatory diagram illustrating the configuration of the ammonia synthesis system according to the third embodiment. 第1触媒の温度変化が安定化するまでの推移を示した説明図である。This is an explanatory diagram showing the progression of the temperature change of the first catalyst until it stabilizes. 流路切替処理の手順の一例を示すフローチャートである。This flowchart shows an example of the procedure for switching the flow path. 温度調整処理の手順の一例を示すフローチャートである。This is a flowchart showing an example of the procedure for temperature control processing.

<第1実施形態>
図1は、本発明の一実施形態としてのアンモニア合成システム1の構成を例示した説明図である。アンモニア合成システム1は、触媒を用いて、水素と窒素とを含む反応ガスからアンモニアを合成するシステムである。アンモニア合成システム1は、第1混合器10と、第1圧縮器20と、第2混合器30と、反応器40と、制御部50と、気液分離器60と、タンク70と、第2圧縮器80と、を備えている。
<First Embodiment>
Figure 1 is an explanatory diagram illustrating the configuration of an ammonia synthesis system 1 as one embodiment of the present invention. The ammonia synthesis system 1 is a system that synthesizes ammonia from a reaction gas containing hydrogen and nitrogen using a catalyst. The ammonia synthesis system 1 comprises a first mixer 10, a first compressor 20, a second mixer 30, a reactor 40, a control unit 50, a gas-liquid separator 60, a tank 70, and a second compressor 80.

第1混合器10は、図示されていない水素タンクから供給される水素と、図示されていない窒素タンクから供給される窒素と、を混合して、水素と窒素とを含む反応ガスを生成する。第1圧縮器20は、第1混合器10から送られてくる生成ガスを圧縮したのち、その生成ガスを第2混合器30に送る。第2混合器30は、第1混合器10から送られてくる生成ガスを更に混合したのち、その生成ガスを反応器40に送る。 The first mixer 10 mixes hydrogen supplied from a hydrogen tank (not shown) and nitrogen supplied from a nitrogen tank (not shown) to produce a reaction gas containing hydrogen and nitrogen. The first compressor 20 compresses the generated gas sent from the first mixer 10 and then sends it to the second mixer 30. The second mixer 30 further mixes the generated gas sent from the first mixer 10 and then sends it to the reactor 40.

反応器40の内部では、第2混合器30から導入される反応ガスを用いて、アンモニアが合成される。反応器40は、第1触媒41および第2触媒42を内部に収容する。第1触媒41および第2触媒42は、反応器40の内部において上流側から、第1触媒41、第2触媒42の順に配列されている。第1触媒41および第2触媒42は、反応ガスからアンモニアを合成する合成反応を促進する。制御部50は、第1混合器10に供給される水素の量と窒素の量とを調整することによって、反応器40に導入される反応ガス中の窒素に対する水素の割合であるH2/N2比を制御する。制御部50による制御の詳細は後述する。 Inside reactor 40, ammonia is synthesized using the reaction gas introduced from the second mixer 30. Reactor 40 houses a first catalyst 41 and a second catalyst 42. Inside reactor 40, the first catalyst 41 and the second catalyst 42 are arranged from upstream to downstream in the order of first catalyst 41, then second catalyst 42. The first catalyst 41 and the second catalyst 42 promote the synthesis reaction that synthesizes ammonia from the reaction gas. The control unit 50 controls the H2/N2 ratio, which is the ratio of hydrogen to nitrogen in the reaction gas introduced into reactor 40, by adjusting the amount of hydrogen and nitrogen supplied to the first mixer 10. Details of the control by the control unit 50 will be described later.

気液分離器60は、第1触媒41および第2触媒42を通過したのち反応器40から排出される反応後ガスを冷却することにより、反応後ガスから液体のアンモニアを分離する。分離された液体のアンモニアは、タンク70に貯蔵される。一方、液体のアンモニアが分離された反応後ガスは、第2圧縮器80にて圧縮されたのち、再び第2混合器30に送られる。 The gas-liquid separator 60 separates liquid ammonia from the post-reaction gas discharged from the reactor 40 after passing through the first catalyst 41 and the second catalyst 42 by cooling the gas. The separated liquid ammonia is stored in the tank 70. Meanwhile, the post-reaction gas from which the liquid ammonia has been separated is compressed in the second compressor 80 and then sent back to the second mixer 30.

図2は、反応器40の内部に導入されてから排出されるまでの反応ガスの流れを示した説明図である。反応器40は、内側配管43と外側配管44とを有する。内側配管43は、円筒形状を成し、内部に第1触媒41および第2触媒42を収容する。外側配管44は、円筒形状を成し、内側配管43を覆っている。また、アンモニア合成システム1は、図1で説明した構成に加えて、上流側加熱器45と、下流側加熱器46と、を備える。上流側加熱器45は、第2混合器30と反応器40とを接続する配管(不図示)に設けられている。下流側加熱器46は、外側配管44の下流側端部と内側配管43の上流側端部とを接続する配管(不図示)に設けられている。位置Pは、反応器40内を流れる反応ガスの流れ方向において、第1触媒41の上流側の位置であり、後述する図5の説明の際に言及する。 Figure 2 is an explanatory diagram showing the flow of reaction gas from its introduction into the reactor 40 to its discharge. The reactor 40 has an inner pipe 43 and an outer pipe 44. The inner pipe 43 is cylindrical and houses the first catalyst 41 and the second catalyst 42. The outer pipe 44 is also cylindrical and covers the inner pipe 43. In addition to the configuration described in Figure 1, the ammonia synthesis system 1 also includes an upstream heater 45 and a downstream heater 46. The upstream heater 45 is located in the piping (not shown) connecting the second mixer 30 and the reactor 40. The downstream heater 46 is located in the piping (not shown) connecting the downstream end of the outer pipe 44 and the upstream end of the inner pipe 43. Position P is the upstream position of the first catalyst 41 in the flow direction of the reaction gas flowing within the reactor 40, and will be mentioned later in the explanation of Figure 5.

第2混合器30から反応器40に向けて送られた反応ガスは、上流側加熱器45にて加熱されてから外側配管44の内部(且つ内側配管43の外部)に導入されたのち、下流側加熱器46に到る。そして、反応ガスは、下流側加熱器46にて再度加熱されてから第1触媒41および第2触媒42を通過したのち、反応器40から排出される。 The reaction gas sent from the second mixer 30 towards the reactor 40 is heated in the upstream heater 45, then introduced into the outer piping 44 (and outside the inner piping 43), and finally reaches the downstream heater 46. The reaction gas is then heated again in the downstream heater 46, passes through the first catalyst 41 and the second catalyst 42, and is then discharged from the reactor 40.

次に、アンモニア合成速度を促進するために適切なH2/N2比は、例えば、触媒(第1触媒41、第2触媒42)の温度や反応器40内が平衡状態であるか否かに応じて変動することを説明する。 Next, we will explain that the appropriate H2 / N2 ratio for promoting the ammonia synthesis rate varies depending, for example, on the temperature of the catalysts (first catalyst 41, second catalyst 42) and whether or not the reactor 40 is in equilibrium.

図3は、一般的なRu触媒を収容した反応器(不図示)に対して反応ガスを導入した場合に合成されるアンモニア濃度を示した説明図である。図3において、横軸はRu触媒の温度を示し、縦軸は反応器から排出される反応後ガス中の合成アンモニア濃度(%)を示す。実線の線分La1は、アンモニア平衡濃度に達する前の状態において、反応ガス(H2/N2比が0.5)を反応器に導入した場合の各温度におけるアンモニア合成濃度を示している。ここで、アンモニア平衡濃度とは、反応器内の温度条件下および圧力条件下においてアンモニアの合成反応とその逆反応が平衡状態であるときの、反応器内のアンモニア濃度のことをいう。破線の線分La2は、アンモニア平衡濃度に達している状態において、反応ガス(H2/N2比が0.5)を反応器に導入した場合の各温度におけるアンモニア合成濃度を示している。線分La2のうち400℃以上の部分は、線分La1と重なっている。一方、実線の線分Lb1は、アンモニア平衡濃度に達する前の状態において、反応ガス(H2/N2比が1.5)を反応器に導入した場合の各温度におけるアンモニア合成濃度を示している。破線の線分Lb2は、アンモニア平衡濃度に達している状態において、反応ガス(H2/N2比が1.5)を反応器に導入した場合の各温度におけるアンモニア合成濃度を示している。 Figure 3 is an explanatory diagram showing the ammonia concentration synthesized when a reaction gas is introduced into a reactor (not shown) containing a typical Ru catalyst. In Figure 3, the horizontal axis represents the temperature of the Ru catalyst, and the vertical axis represents the concentration (%) of synthesized ammonia in the post-reaction gas discharged from the reactor. The solid line segment La1 shows the ammonia synthesis concentration at various temperatures when the reaction gas ( H2 / N2 ratio of 0.5) is introduced into the reactor before reaching the ammonia equilibrium concentration. Here, the ammonia equilibrium concentration refers to the ammonia concentration in the reactor when the ammonia synthesis reaction and its reverse reaction are in equilibrium under the temperature and pressure conditions in the reactor. The dashed line segment La2 shows the ammonia synthesis concentration at various temperatures when the reaction gas ( H2 / N2 ratio of 0.5) is introduced into the reactor after reaching the ammonia equilibrium concentration. The portion of line segment La2 above 400°C overlaps with line segment La1. On the other hand, the solid line segment Lb1 shows the ammonia synthesis concentration at each temperature when the reaction gas ( H2 / N2 ratio of 1.5) is introduced into the reactor before reaching the ammonia equilibrium concentration. The dashed line segment Lb2 shows the ammonia synthesis concentration at each temperature when the reaction gas ( H2 / N2 ratio of 1.5) is introduced into the reactor after reaching the ammonia equilibrium concentration.

線分La1,Lb1に示すように、アンモニア平衡濃度に達する前の状態においては、370℃以上の温度条件下では、反応ガス(H2/N2比が0.5)よりも反応ガス(H2/N2比が1.5)を導入した方がアンモニア合成は促進されるが、370℃より低い温度条件下では、反応ガス(H2/N2比が1.5)よりも反応ガス(H2/N2比が0.5)を導入した方がアンモニア合成は促進される。また、線分La2,Lb2に示すように、アンモニア平衡濃度に達している状態においては、反応ガス(H2/N2比が0.5)および反応ガス(H2/N2比が1.5)のいずれにおいても、低温であるほどアンモニア合成は促進されるとともに、反応ガス(H2/N2比が0.5)よりも反応ガス(H2/N2比が1.5)を導入した方がアンモニア合成は促進される。すなわち、アンモニア合成速度を促進するために適切なH2/N2比は、触媒の温度や反応器内が平衡状態であるか否かに応じて変動する。 As shown in line segments La1 and Lb1, before reaching the ammonia equilibrium concentration, under temperature conditions of 370°C or higher, introducing a reaction gas ( H2 / N2 ratio of 1.5) promotes ammonia synthesis more effectively than introducing a reaction gas ( H2 / N2 ratio of 0.5). However, under temperature conditions of 370°C or lower, introducing a reaction gas ( H2 / N2 ratio of 0.5) promotes ammonia synthesis more effectively than introducing a reaction gas ( H2 / N2 ratio of 0.5). Furthermore, as shown in line segments La2 and Lb2, once the ammonia equilibrium concentration is reached, ammonia synthesis is promoted more effectively at lower temperatures for both reaction gases ( H2 / N2 ratio of 0.5) and reaction gases ( H2 / N2 ratio of 1.5), and ammonia synthesis is promoted more effectively when introducing a reaction gas ( H2 / N2 ratio of 1.5) than when introducing a reaction gas ( H2 / N2 ratio of 0.5). In other words, the appropriate H2 / N2 ratio for promoting the ammonia synthesis rate varies depending on the catalyst temperature and whether or not the reactor is in equilibrium.

第1実施形態のアンモニア合成システム1の説明に戻る。図4には、反応器40への反応ガスの導入が開始されてからの第1触媒41の温度の経時的変化を測定した結果を示す。図4において、横軸は経過時間(h)を示し、縦軸は第1触媒41の温度(℃)を示す。図4に示す線分L1~L6の各々は、大気圧下の600℃、還元雰囲気下での前処理を行った第1触媒41に対して、ゲージ圧8MPaG、上流側加熱器45および下流側加熱器46を通過する反応ガスの温度をそれぞれ350℃、400℃とする条件下で、様々なH2/N2比の反応ガスを反応器40に導入した場合の、第1触媒41の温度の経時的変化を示している。詳細には、線分L1,L2,L3,L4,L5,L6は、それぞれH2/N2比が0.5,1.0,1.25,1.5,2.0,3.0の反応ガスを反応器40に導入した場合の、第1触媒41の温度の経時的変化を示している。 Let us return to the description of the ammonia synthesis system 1 of the first embodiment. Figure 4 shows the results of measuring the temperature change of the first catalyst 41 over time after the introduction of the reaction gas into the reactor 40 has started. In Figure 4, the horizontal axis represents elapsed time (h), and the vertical axis represents the temperature of the first catalyst 41 (°C). Each of the line segments L1 to L6 shown in Figure 4 represents the temperature change of the first catalyst 41 over time when various H2/N2 ratios of reaction gases are introduced into the reactor 40 under conditions of a first catalyst 41 that has been pretreated at 600°C under atmospheric pressure and a reducing atmosphere, with a gauge pressure of 8 MPaG and reaction gas temperatures passing through the upstream heater 45 and downstream heater 46 at 350°C and 400°C, respectively. In detail, line segments L1, L2, L3, L4, L5, and L6 show the change in temperature of the first catalyst 41 over time when reaction gases with H2 / N2 ratios of 0.5, 1.0, 1.25, 1.5, 2.0, and 3.0 are introduced into the reactor 40, respectively.

図4に示すように、反応器40への反応ガスの導入が開始されると、発熱反応であるアンモニアの合成反応によって、第1触媒41は昇温され始める。その後、昇温が継続されたことにより、ある一定温度(白抜きの菱形で示す温度)を超えると、第1触媒41の温度は急激に上昇し始める。この急激な上昇は、継続的な昇温により第1触媒41が活性化されて更にアンモニアの合成反応が促進されたことに起因する。ここでの、ある一定温度は、第1触媒41が活性化したとみなされる活性化温度にあたる。線分L1~L6上に示された白抜きの菱形は、実験結果等から予め設定された活性化温度を示している。アンモニア合成システム1において、反応器40への反応ガスの導入が開始されてから活性化温度まで第1触媒41の温度を昇温させるまでの間の運転を活性化前運転とし、第1触媒41の温度が活性化温度に到達した後の運転を活性化後運転とする。本実施形態では、制御部50は、活性化前運転時に反応器40に導入される反応ガス中のH2/N2比を、活性化後運転時に反応器40に導入される反応ガス中のH2/N2比とは異なる値に制御する。このような制御を行うのは、上述した図4および後述する図5~9の各々が示す結果から、第1触媒41の活性化前後で反応器40に導入する反応ガス中のH2/N2比を異なる値に制御する方が、アンモニア合成を効率的に行う観点から好ましいことを確認しているためである。 As shown in Figure 4, when the introduction of reaction gas into the reactor 40 begins, the first catalyst 41 starts to heat up due to the exothermic reaction of ammonia synthesis. Subsequently, as the heating continues, once a certain temperature (indicated by the white diamond) is exceeded, the temperature of the first catalyst 41 begins to rise rapidly. This rapid rise is due to the activation of the first catalyst 41 by the continuous heating, which further promotes the ammonia synthesis reaction. Here, the certain temperature is the activation temperature at which the first catalyst 41 is considered to have been activated. The white diamonds shown on line segments L1 to L6 indicate the activation temperature that has been set in advance based on experimental results, etc. In the ammonia synthesis system 1, the operation from the start of the introduction of reaction gas into the reactor 40 until the temperature of the first catalyst 41 is raised to the activation temperature is called the pre-activation operation, and the operation after the temperature of the first catalyst 41 reaches the activation temperature is called the post-activation operation. In this embodiment, the control unit 50 controls the H2 /N2 ratio in the reaction gas introduced into the reactor 40 during pre-activation operation to a different value from the H2/ N2 ratio in the reaction gas introduced into the reactor 40 during post-activation operation. This control is performed because, as shown in Figure 4 above and Figures 5 to 9 described later, it has been confirmed that controlling the H2 / N2 ratio in the reaction gas introduced into the reactor 40 to different values before and after activation of the first catalyst 41 is preferable from the viewpoint of efficiently synthesizing ammonia.

図5には、反応器40への反応ガスの導入が開始されてからの反応ガスの温度の経時的変化を測定した結果を示す。図5には、位置P(図2参照)を通過する反応ガスの温度の経時的変化が示されている。図5において、横軸は経過時間(h)を示し、縦軸は反応ガスの温度(℃)を示す。図5に示した線分L1g~L6gの各々は、それぞれH2/N2比が0.5,1.0,1.25,1.5,2.0,3.0の反応ガスを反応器40に導入した場合の、反応ガスの温度の経時的変化を示している。なお、図5および後述する図6~図9の各々が示す結果は、図4の測定結果と同様に、ゲージ圧8MPaG、上流側加熱器45および下流側加熱器46を通過する反応ガスの温度をそれぞれ350℃、400℃とする条件下で実施された測定の結果である。図5に示すように、反応器40への反応ガスの導入が開始されてから、いずれのH2/N2比の反応ガスにおいても、その温度は時間の経過とともに上昇している。この温度上昇は、加熱された反応ガスの導入に伴って、反応器40が時間の経過とともに加熱されたことに起因する。 Figure 5 shows the results of measuring the temperature change of the reaction gas over time after the introduction of the reaction gas into the reactor 40 began. Figure 5 shows the temperature change of the reaction gas passing through position P (see Figure 2) over time. In Figure 5, the horizontal axis represents elapsed time (h), and the vertical axis represents the temperature of the reaction gas (°C). Each of the line segments L1g to L6g shown in Figure 5 represents the temperature change of the reaction gas over time when reaction gases with H2 / N2 ratios of 0.5, 1.0, 1.25, 1.5, 2.0, and 3.0 are introduced into the reactor 40, respectively. The results shown in Figure 5 and Figures 6 to 9, described later, are the results of measurements carried out under conditions similar to those in Figure 4, with a gauge pressure of 8 MPaG and reaction gas temperatures of 350°C and 400°C passing through the upstream heater 45 and downstream heater 46, respectively. As shown in Figure 5, the temperature of the reaction gas rises over time for all H2 / N2 ratios after the introduction of the reaction gas into the reactor 40 begins. This temperature rise is due to the reactor 40 being heated over time as the heated reaction gas is introduced.

図6には、反応器40へ導入した各H2/N2比の反応ガスと、触媒活性化時および反応安定化時の位置P(図1参照)における反応ガスの温度と、の対応関係を示す。ここで、触媒活性化時とは、第1触媒41の温度が活性化温度になったタイミングのことである。反応安定化時とは、触媒活性化時以降に第1触媒41の温度変化が初めて1℃/5min以下になったタイミングのことである。反応安定化時以降、反応器40内は、平衡状態となっている。図4で言えば、線分L1~L6のうち活性化温度を超えたのちに第1触媒41の温度上昇が緩やかになり始めるタイミングにあたる。図6において、横軸は反応ガス中のH2/N2比を示し、縦軸は反応ガスの温度(℃)を示す。図6に示す線分L7は、触媒活性化時の位置Pにおける反応ガスの温度と、反応器40へ導入した各H2/N2比の反応ガスと、の対応関係を示している。一方、図6に示す線分L8は、反応安定化時の位置Pにおける反応ガスの温度と、反応器40へ導入した各H2/N2比の反応ガスと、の対応関係を示している。線分L7に示された結果から、反応ガス中のH2/N2比が0.5~3.0の範囲内においては、H2/N2比が小さいほど、触媒活性化時の位置Pにおける反応ガスの温度は低かった。 Figure 6 shows the correspondence between the reaction gases of each H2 / N2 ratio introduced into reactor 40 and the temperature of the reaction gas at position P (see Figure 1) during catalyst activation and reaction stabilization. Here, catalyst activation refers to the timing when the temperature of the first catalyst 41 reaches its activation temperature. Reaction stabilization refers to the timing when the temperature change of the first catalyst 41 becomes 1°C/5min or less for the first time after catalyst activation. After reaction stabilization, reactor 40 is in equilibrium. In Figure 4, this corresponds to the timing on line segments L1 to L6 when the temperature rise of the first catalyst 41 begins to slow down after exceeding the activation temperature. In Figure 6, the horizontal axis shows the H2 / N2 ratio in the reaction gas, and the vertical axis shows the temperature of the reaction gas (°C). Line segment L7 in Figure 6 shows the correspondence between the temperature of the reaction gas at position P during catalyst activation and the reaction gases of each H2 / N2 ratio introduced into reactor 40. On the other hand, line segment L8 shown in Figure 6 shows the correspondence between the temperature of the reaction gas at position P during reaction stabilization and the reaction gases with each H2 / N2 ratio introduced into reactor 40. From the results shown in line segment L7, it can be seen that within the range of 0.5 to 3.0 for the H2 / N2 ratio in the reaction gas, the smaller the H2 / N2 ratio, the lower the temperature of the reaction gas at position P during catalyst activation.

図7には、反応器40へ導入した各H2/N2比の反応ガスと、触媒活性化時および反応安定化時の第1触媒41の温度と、の対応関係を示す。図7において、横軸は反応ガス中のH2/N2比を示し、縦軸は第1触媒41の温度(℃)を示す。図7に示す線分L9は、触媒活性化時の第1触媒41の温度と、反応器40へ導入した各H2/N2比の反応ガスと、の対応関係を示している。一方、図7に示す線分L10は、反応安定化時の第1触媒41の温度と、反応器40へ導入した各H2/N2比の反応ガスと、の対応関係を示している。線分L9に示された結果から、反応ガス中のH2/N2比が0.5~3.0の範囲内においては、H2/N2比が小さいほど、第1触媒41を低温で活性化できることが分かった。すなわち、反応ガス中のH2/N2比が0.5~3.0の範囲内においては、反応ガス中のH2/N2比を0.5とした場合に、第1触媒41を活性化するための投入エネルギーを最も小さくすることができる。 Figure 7 shows the correspondence between the reaction gases with various H2 / N2 ratios introduced into the reactor 40 and the temperature of the first catalyst 41 during catalyst activation and reaction stabilization. In Figure 7, the horizontal axis represents the H2 / N2 ratio in the reaction gas, and the vertical axis represents the temperature (°C) of the first catalyst 41. Line segment L9 in Figure 7 shows the correspondence between the temperature of the first catalyst 41 during catalyst activation and the reaction gases with various H2 / N2 ratios introduced into the reactor 40. On the other hand, line segment L10 in Figure 7 shows the correspondence between the temperature of the first catalyst 41 during reaction stabilization and the reaction gases with various H2 / N2 ratios introduced into the reactor 40. From the results shown in line segment L9, it was found that within the range of H2 / N2 ratio in the reaction gas from 0.5 to 3.0, the smaller the H2 / N2 ratio, the lower the temperature at which the first catalyst 41 can be activated. In other words, within the range of 0.5 to 3.0 for the H2 / N2 ratio in the reaction gas, the input energy required to activate the first catalyst 41 can be minimized when the H2 / N2 ratio in the reaction gas is set to 0.5.

図8には、反応器40へ導入した各H2/N2比の反応ガスと、反応器40への反応ガスの導入が開始されてから第1触媒41が活性化するまでの経過時間と、の対応関係を表した線分L11が示されている。図8において、横軸は反応ガス中のH2/N2比を示し、縦軸は反応器40への反応ガスの導入が開始されてから第1触媒41が活性化するまでの経過時間(h)を示す。線分L11に示された結果から、反応ガス中のH2/N2比が0.5~3.0の範囲内においては、H2/N2比が小さいほど、反応器40への反応ガスの導入が開始されてから第1触媒41が活性化するまでの経過時間を短くできることが分かった。 Figure 8 shows a line segment L11 that represents the correspondence between the reaction gases with different H2 / N2 ratios introduced into the reactor 40 and the elapsed time from the start of introduction of the reaction gas into the reactor 40 until the first catalyst 41 is activated. In Figure 8, the horizontal axis represents the H2 / N2 ratio in the reaction gas, and the vertical axis represents the elapsed time (h) from the start of introduction of the reaction gas into the reactor 40 until the first catalyst 41 is activated. From the results shown in line segment L11, it was found that within the range of 0.5 to 3.0 for the H2 / N2 ratio in the reaction gas, the smaller the H2 / N2 ratio, the shorter the elapsed time from the start of introduction of the reaction gas into the reactor 40 until the first catalyst 41 is activated.

図9には、反応器40へ導入した各H2/N2比の反応ガスと、反応安定化時の合成アンモニア濃度と、の対応関係を表した線分L12が示されている。図9において、横軸は反応ガス中のH2/N2比を示し、縦軸は反応安定化時に反応器40から排出される反応後ガス中の合成アンモニア濃度(%)を示す。線分L12に示された結果から、反応ガス中のH2/N2比が1.25の場合に、反応安定化時の合成アンモニア濃度が最大になることが分かった。また、線分L12において、反応ガス中のH2/N2比が1.25より低くなるほど反応安定化時の合成アンモニア濃度が小さくなっている点については、反応ガス中のH2/N2比が低いほど反応安定化時の時点でアンモニア平衡濃度に達しやすくなることや、図7の線分L10に示されるように、反応ガス中のH2/N2比が1.5より低くなるほど、反応安定化時での第1触媒41の温度が低くなっていることからも推定される。 Figure 9 shows line segment L12, which represents the correspondence between the reaction gases with various H2 / N2 ratios introduced into reactor 40 and the synthetic ammonia concentration at reaction stabilization. In Figure 9, the horizontal axis represents the H2 / N2 ratio in the reaction gas, and the vertical axis represents the synthetic ammonia concentration (%) in the post-reaction gas discharged from reactor 40 at reaction stabilization. From the results shown on line segment L12, it was found that the synthetic ammonia concentration at reaction stabilization is maximum when the H2 / N2 ratio in the reaction gas is 1.25. Furthermore, regarding the point in line segment L12 where the concentration of synthesized ammonia at reaction stabilization decreases as the H2 / N2 ratio in the reaction gas decreases below 1.25, this can be inferred from the fact that the ammonia equilibrium concentration is reached more easily at the time of reaction stabilization as the H2 / N2 ratio in the reaction gas decreases, and also from the fact that, as shown in line segment L10 in Figure 7, the temperature of the first catalyst 41 at reaction stabilization decreases as the H2 / N2 ratio in the reaction gas decreases below 1.5.

上述の図4~9の各々が示す測定結果から、ゲージ圧8MPaG、上流側加熱器45および下流側加熱器46を通過する反応ガスの温度をそれぞれ350℃、400℃とする条件下において、アンモニア合成システム1では、活性化前運転時に反応器40に導入される反応ガス中のH2/N2比は0.5とし、活性化後運転時に反応器40に導入される反応ガス中のH2/N2比は1.25とするのが適切であることが分かった。したがって、アンモニア合成システム1では、制御部50は、活性化前運転時のH2/N2比を0.5になるよう制御するとともに、活性化後運転時のH2/N2比を1.25になるよう制御する。すなわち、制御部50は、活性化前運転時のH2/N2比を、活性化後運転時のH2/N2比よりも小さくなるよう制御する。 From the measurement results shown in Figures 4 to 9 above, it was found that, under conditions of a gauge pressure of 8 MPaG and reaction gas temperatures of 350°C and 400°C passing through the upstream heater 45 and downstream heater 46, respectively, it is appropriate for the ammonia synthesis system 1 to have an H2 / N2 ratio of 0.5 in the reaction gas introduced into the reactor 40 during pre-activation operation and an H2 / N2 ratio of 1.25 in the reaction gas introduced into the reactor 40 during post-activation operation. Therefore, in the ammonia synthesis system 1, the control unit 50 controls the H2 / N2 ratio to be 0.5 during pre-activation operation and to be 1.25 during post-activation operation. In other words, the control unit 50 controls the H2 / N2 ratio during pre-activation operation to be smaller than the H2 / N2 ratio during post-activation operation.

また、制御部50は、反応器40に導入される反応ガス中のH2/N2比を制御することに加えて、反応器40に導入される反応ガスの流量を制御する。制御部50は、H2/N2比の制御と同様に、第1混合器10に供給される水素の量と窒素の量とを調整することによって、反応器40に導入される反応ガスの流量を制御する。本実施形態では、制御部50は、活性化前運転時における反応ガスの流量を、活性化後運転時における流量よりも小さくなるよう制御する。このような制御により、活性化前運転時において、アンモニアの合成反応によって昇温された反応ガスが反応器40中に保持される時間が長くなるようにしている。 Furthermore, in addition to controlling the H2 / N2 ratio in the reaction gas introduced into the reactor 40, the control unit 50 also controls the flow rate of the reaction gas introduced into the reactor 40. Similar to the control of the H2 / N2 ratio, the control unit 50 controls the flow rate of the reaction gas introduced into the reactor 40 by adjusting the amount of hydrogen and nitrogen supplied to the first mixer 10. In this embodiment, the control unit 50 controls the flow rate of the reaction gas during pre-activation operation to be smaller than the flow rate during post-activation operation. This control ensures that during pre-activation operation, the reaction gas heated by the ammonia synthesis reaction is held in the reactor 40 for a longer period of time.

図10は、H2/N2比の制御処理の手順の一例を示すフローチャートである。H2/N2比の制御処理は、アンモニア合成システム1が稼働している間、定期的に実行される。H2/N2比の制御処理が開始されると、制御部50は、まず初めに、第1触媒41の温度が活性化温度以上であるか判定する(ステップS11)。第1触媒41の温度は、第1触媒41の温度を直接検出する温度センサによって取得されてもよいし、第1触媒41近傍(第1触媒41の上流側および下流側の少なくとも一方)を流れる反応ガスの温度を検出する温度センサによって取得された値を用いて算出されてもよい。第1触媒41が活性化したとみなされる活性化温度は、予め設定されているものとする。 Figure 10 is a flowchart showing an example of the procedure for controlling the H2 / N2 ratio. The H2 /N2 ratio control process is performed periodically while the ammonia synthesis system 1 is in operation. When the H2 / N2 ratio control process is started, the control unit 50 first determines whether the temperature of the first catalyst 41 is above the activation temperature (step S11). The temperature of the first catalyst 41 may be obtained by a temperature sensor that directly detects the temperature of the first catalyst 41, or it may be calculated using a value obtained by a temperature sensor that detects the temperature of the reaction gas flowing near the first catalyst 41 (at least one of the upstream and downstream sides of the first catalyst 41). The activation temperature at which the first catalyst 41 is considered to be activated is set in advance.

第1触媒41の温度が活性化温度未満である場合(ステップS11:NO)、制御部50は、反応器40に導入される反応ガス中のH2/N2比を、活性化前運転時のH2/N2比として予め設定されたH2/N2比になるよう制御する(ステップS13)。その後、制御部50は、再びステップS11の処理を実行する。一方、第1触媒41の温度が活性化温度以上である場合(ステップS11:YES)、制御部50は、反応器40に導入される反応ガス中のH2/N2比を、活性化後運転時のH2/N2比として予め設定されたH2/N2比になるよう制御する(ステップS15)。ステップS15の処理を実行したのち、制御部50は、H2/N2比の制御処理を終了する。なお、ステップS13およびステップS15のいずれにおいても、制御部50は、第1混合器10に供給される水素の量と窒素の量とを調整することによって、H2/N2比を制御する。 If the temperature of the first catalyst 41 is below the activation temperature (step S11: NO), the control unit 50 controls the H2 / N2 ratio in the reaction gas introduced into the reactor 40 to the H2 / N2 ratio preset as the H2 / N2 ratio during pre-activation operation (step S13). After that, the control unit 50 executes the process of step S11 again. On the other hand, if the temperature of the first catalyst 41 is above the activation temperature (step S11: YES), the control unit 50 controls the H2 / N2 ratio in the reaction gas introduced into the reactor 40 to the H2 /N2 ratio preset as the H2 / N2 ratio during post-activation operation (step S15). After executing the process of step S15, the control unit 50 terminates the H2 / N2 ratio control process. In both step S13 and step S15, the control unit 50 controls the H2 / N2 ratio by adjusting the amount of hydrogen and nitrogen supplied to the first mixer 10.

以上説明したように、第1実施形態のアンモニア合成システム1によれば、第1触媒41の活性化前に導入する反応ガス中のH2/N2比と、第1触媒41の活性化後に導入する反応ガス中のH2/N2比と、を異なる値に制御することができる。このため、活性化前後の各々の時期に応じて、第1触媒41に導入される反応ガス中のH2/N2比を適切な値に調整することができる。したがって、活性化前後のいずれの時期においても第1触媒41に導入される反応ガス中のH2/N2比が一定である形態と比べて、アンモニアを効率的に合成することができる。 As described above, the ammonia synthesis system 1 of the first embodiment allows for the control of different H2 / N2 ratios in the reaction gas introduced before activation of the first catalyst 41 and the H2 / N2 ratio in the reaction gas introduced after activation of the first catalyst 41. Therefore, the H2 / N2 ratio in the reaction gas introduced into the first catalyst 41 can be adjusted to an appropriate value according to each stage before and after activation. Consequently, ammonia can be synthesized more efficiently compared to a configuration where the H2 / N2 ratio in the reaction gas introduced into the first catalyst 41 is constant at all stages before and after activation.

また、第1実施形態のアンモニア合成システム1では、活性化前運転時のH2/N2比が、活性化後運転時のH2/N2比よりも小さくなるよう制御される。したがって、触媒活性化前のアンモニア合成に適切なH2/N2比が、触媒活性化後のアンモニア合成に適切なH2/N2比よりも小さい第1触媒41をアンモニア合成システム1が備える場合に、活性化前後のいずれの時期においても、適切なH2/N2比の反応ガスが第1触媒41に導入できることから、アンモニアを効率的に合成することができる。特に、活性化前運転時について、詳細には、適切なH2/N2比の反応ガスを第1触媒41に導入することにより、第1触媒41を低温で活性化させることが可能となり(図7参照)、第1触媒41が活性化するまでの時間を短くできることから(図8参照)、活性化するまでにかかる時間と活性化のために投入されるエネルギーを低減することができる。 Furthermore, in the ammonia synthesis system 1 of the first embodiment, the H2 / N2 ratio during pre-activation operation is controlled to be smaller than the H2 / N2 ratio during post-activation operation. Therefore, when the ammonia synthesis system 1 is equipped with a first catalyst 41 in which the H2 / N2 ratio appropriate for ammonia synthesis before catalyst activation is smaller than the H2 / N2 ratio appropriate for ammonia synthesis after catalyst activation, a reaction gas with an appropriate H2 / N2 ratio can be introduced into the first catalyst 41 at any time, before or after activation, thereby enabling efficient ammonia synthesis. In particular, regarding the pre-activation operation, by introducing a reaction gas with an appropriate H2 / N2 ratio into the first catalyst 41, it becomes possible to activate the first catalyst 41 at a low temperature (see Figure 7), and the time until the first catalyst 41 is activated can be shortened (see Figure 8), thus reducing the time required for activation and the energy input for activation.

また、第1実施形態のアンモニア合成システム1では、活性化前運転時において反応器40に導入される反応ガスの流量を、活性化後運転時において反応器40に導入される反応ガスの流量よりも小さくなるよう制御される。したがって、反応器40に導入されたのちアンモニアの合成反応によって昇温された反応ガスが反応器40中に保持される時間を長くすることができる。その結果、昇温された反応ガスと第1触媒41(および第2触媒42)との接触時間が長くなることにより、第1触媒41(および第2触媒42)の昇温を促進することができる。 Furthermore, in the ammonia synthesis system 1 of the first embodiment, the flow rate of the reaction gas introduced into the reactor 40 during pre-activation operation is controlled to be lower than the flow rate of the reaction gas introduced into the reactor 40 during post-activation operation. Therefore, the time that the reaction gas, which has been heated by the ammonia synthesis reaction after being introduced into the reactor 40, is retained in the reactor 40 can be extended. As a result, the contact time between the heated reaction gas and the first catalyst 41 (and the second catalyst 42) is extended, thereby promoting the heating of the first catalyst 41 (and the second catalyst 42).

<第2実施形態>
第2実施形態のアンモニア合成システムは、第1実施形態のアンモニア合成システム1と比べて、活性化前運転時において、反応器40に導入される反応ガス中のH2/N2比を変動させる点を除いて、第1実施形態のアンモニア合成システム1と同じである。
<Second Embodiment>
The ammonia synthesis system of the second embodiment is the same as the ammonia synthesis system 1 of the first embodiment, except that the H2 / N2 ratio in the reaction gas introduced into the reactor 40 is varied during the pre-activation operation.

図11は、H2/N2比の変動処理の手順の一例を示すフローチャートである。H2/N2比の変動処理は、活性化前運転時の間に、定期的に実行される。本実施形態において、活性化前運転時において、H2/N2比は当初0.5になるよう制御されており、H2/N2比の変動処理中に実施される増加制御(後述)および減少制御(後述)に応じて、そのH2/N2比は変動する。 Figure 11 is a flowchart showing an example of the procedure for processing the H2 / N2 ratio. The H2 /N2 ratio processing is performed periodically during the pre-activation operation. In this embodiment, during the pre-activation operation, the H2 / N2 ratio is initially controlled to be 0.5, and the H2 / N2 ratio fluctuates in accordance with the increase control (described later) and decrease control (described later) performed during the H2 / N2 ratio processing.

2/N2比の変動処理が開始されると、制御部50は、まず初めに、H2/N2比の変動処理が開始されてから設定時間Δt1を経過したか否か判定する(ステップS21)。設定時間Δt1を経過していない場合(ステップS21:NO)、制御部50は、設定時間Δt1を経過するまでステップS21を繰り返す。 When the H2 / N2 ratio variation process is started, the control unit 50 first determines whether a set time Δt1 has elapsed since the H2 / N2 ratio variation process started (step S21). If the set time Δt1 has not elapsed (step S21: NO), the control unit 50 repeats step S21 until the set time Δt1 has elapsed.

設定時間Δt1を経過した場合(ステップS21:YES)、制御部50は、第1触媒41の温度が活性化温度以上になったか判定する(ステップS22)。第1触媒41の温度が活性化温度より低い場合(ステップS22:NO)、制御部50は、第1触媒41よりも下流側にて検出される下流側アンモニア濃度が、比較対象濃度よりも高いか判定する(ステップS23)。下流側アンモニア濃度は、反応器40のうち第1触媒41と第2触媒42との間に設けられたガスセンサ(不図示)によって検出される。また、ここでいう比較対象濃度とは、第1触媒41の温度から算出される平衡状態でのアンモニア濃度(上述のアンモニア平衡濃度に相当)に所定割合Zを乗じた濃度のことである。比較対象濃度の算出に用いられる第1触媒41の温度は、比較対象である下流側アンモニア濃度が検出された時期と略同時期の第1触媒41の温度である。略同時期での温度取得が難しい場合であっても、第1触媒41の温度は、比較対象である下流側アンモニア濃度が検出された時期とできるだけ同時期に近い時期の第1触媒41の温度である方が好ましい。平衡状態でのアンモニア濃度は、第1触媒41の温度と、その温度における平衡状態でのアンモニア濃度と、が対応付けられたマップを用いて取得される。所定割合Zは、0.5~1の範囲の任意の値が設定され、本実施形態では、一定値として0.8が設定されている。すなわち、本実施形態では、ステップS23において、制御部50は、下流側アンモニア濃度が、アンモニア平衡濃度(下流側アンモニア濃度検出時とほぼ同時期における反応器40内の温度条件下において、平衡状態であった場合の反応器40内のアンモニア濃度)に0.8を乗じた比較対象濃度よりも高いか判定する。なお、所定割合Zは第1触媒41の温度や反応ガス中のH2/N2比に応じて都度変動させてもよい。下流側アンモニア濃度が、比較対象濃度よりも高くない場合(ステップS23:NO)、制御部50は、再びステップS21の処理を実行し、ステップS23の処理を終えてから設定時間Δt1を経過したか否か判定する(ステップS21)。 If a set time Δt1 has elapsed (step S21: YES), the control unit 50 determines whether the temperature of the first catalyst 41 has risen to or above the activation temperature (step S22). If the temperature of the first catalyst 41 is lower than the activation temperature (step S22: NO), the control unit 50 determines whether the downstream ammonia concentration detected downstream of the first catalyst 41 is higher than the comparison concentration (step S23). The downstream ammonia concentration is detected by a gas sensor (not shown) installed between the first catalyst 41 and the second catalyst 42 in the reactor 40. The comparison concentration here refers to the concentration obtained by multiplying the ammonia concentration at equilibrium (corresponding to the ammonia equilibrium concentration described above), calculated from the temperature of the first catalyst 41, by a predetermined ratio Z. The temperature of the first catalyst 41 used in calculating the comparison concentration is the temperature of the first catalyst 41 at approximately the same time as when the downstream ammonia concentration, which is the comparison target, is detected. Even if it is difficult to obtain temperatures at approximately the same time, it is preferable that the temperature of the first catalyst 41 be as close as possible to the time when the downstream ammonia concentration, which is the comparison target, is detected. The ammonia concentration at equilibrium is obtained using a map that correlates the temperature of the first catalyst 41 with the ammonia concentration at equilibrium at that temperature. The predetermined ratio Z is set to any value in the range of 0.5 to 1, and in this embodiment, it is set to a constant value of 0.8. That is, in this embodiment, in step S23, the control unit 50 determines whether the downstream ammonia concentration is higher than the comparison target concentration obtained by multiplying the ammonia equilibrium concentration (the ammonia concentration in the reactor 40 when it was in equilibrium under the temperature conditions in the reactor 40 at approximately the same time as when the downstream ammonia concentration was detected) by 0.8. The predetermined ratio Z may be varied each time depending on the temperature of the first catalyst 41 and the H2 / N2 ratio in the reaction gas. If the downstream ammonia concentration is not higher than the comparison concentration (step S23: NO), the control unit 50 executes the process in step S21 again and determines whether a set time Δt1 has elapsed since the completion of the process in step S23 (step S21).

一方、下流側アンモニア濃度が、比較対象濃度よりも高い場合(ステップS23:YES)、制御部50は、反応器40に導入される反応ガス中のH2/N2比を増加させる増加制御を実行する(ステップS24)。図11に示すH2/N2比の変動処理において、1回目の増加制御である場合、制御部50は、活性化前運転時の当初のH2/N2比であった0.5にΔXを加えた値(0.5+ΔX)にH2/N2比を更新し、その更新後のH2/N2比の反応ガスとなるよう、第1混合器10に供給される水素の量と窒素の量とを調整する。ΔXは、0.01~0.1の範囲の任意の値が設定される。 On the other hand, if the downstream ammonia concentration is higher than the comparison concentration (step S23: YES), the control unit 50 performs an increase control to increase the H2 / N2 ratio in the reaction gas introduced into the reactor 40 (step S24). In the H2 / N2 ratio fluctuation process shown in Figure 11, if it is the first increase control, the control unit 50 updates the H2 / N2 ratio to a value obtained by adding ΔX to the initial H2 /N2 ratio of 0.5 during the pre-activation operation (0.5 + ΔX), and adjusts the amount of hydrogen and nitrogen supplied to the first mixer 10 so that the reaction gas has the updated H2 / N2 ratio. ΔX is set to any value in the range of 0.01 to 0.1.

増加制御を実行後(ステップS24)、制御部50は、設定時間Δt2を経過したか否か判定する(ステップS25)。設定時間Δt2を経過していない場合(ステップS25:NO)、制御部50は、設定時間Δt2を経過するまでステップS25を繰り返す。なお、設定時間Δt2は、ステップS21における設定時間Δt1と同じ長さの時間であってもよいし、異なる長さの時間であってもよい。 After executing the increase control (step S24), the control unit 50 determines whether the set time Δt2 has elapsed (step S25). If the set time Δt2 has not elapsed (step S25: NO), the control unit 50 repeats step S25 until the set time Δt2 has elapsed. Note that the set time Δt2 may be the same length as the set time Δt1 in step S21, or it may be a different length.

設定時間Δt2を経過した場合(ステップS25:YES)、制御部50は、H2/N2比を増加させてから設定時間Δt2を経過した後の下流側アンモニア濃度が、最後の増加制御を行う契機となった下流側アンモニア濃度よりも高いか判定する(ステップS26)。ここで、最後の増加制御を行う契機となった下流側アンモニア濃度とは、最後に下流側アンモニア濃度が比較対象濃度よりも高くなったとき(ステップS23:YES)の下流側アンモニア濃度のことである。換言すれば、最後の増加制御を行う前のH2/N2比の反応ガスが反応器40に導入されている状態において、比較対象濃度以上となったときの下流側アンモニア濃度のことである。具体的には、例えば、増加制御が1回だけしか実行されていない場合には、増加制御が1回も行われていない当初のH2/N2比(本実施形態では0.5)の反応ガスが反応器40に導入されている状態において、比較対象濃度以上となったときの下流側アンモニア濃度のことであり、増加制御がN回(Nは2以上の整数)実行されている場合には、増加制御がN-1回実行されているH2/N2比の反応ガスが反応器40に導入されている状態において、比較対象濃度以上となったときの下流側アンモニア濃度のことである。すなわち、ステップS26において、制御部50は、最後に行った増加制御により、下流側アンモニア濃度が増大したか判定する。 If the set time Δt2 has elapsed (step S25: YES), the control unit 50 determines whether the downstream ammonia concentration after the set time Δt2 has elapsed since increasing the H2 / N2 ratio is higher than the downstream ammonia concentration that triggered the final increase control (step S26). Here, the downstream ammonia concentration that triggered the final increase control is the downstream ammonia concentration at the time when the downstream ammonia concentration last became higher than the comparison target concentration (step S23: YES). In other words, it is the downstream ammonia concentration when the reaction gas with the H2 / N2 ratio before the final increase control was introduced into the reactor 40 became higher than or equal to the comparison target concentration. Specifically, for example, if the increase control has only been performed once, it refers to the downstream ammonia concentration when it exceeds the comparison target concentration while the reaction gas with the initial H2 / N2 ratio (0.5 in this embodiment), which has not been subjected to any increase control, is introduced into the reactor 40. If the increase control has been performed N times (N is an integer of 2 or more), it refers to the downstream ammonia concentration when it exceeds the comparison target concentration while the reaction gas with the H2 / N2 ratio, which has been subjected to N-1 increase control times, is introduced into the reactor 40. In other words, in step S26, the control unit 50 determines whether the downstream ammonia concentration has increased due to the last increase control performed.

2/N2比を増加させてから設定時間Δt2を経過した後の下流側アンモニア濃度が、最後の増加制御を行う契機となった下流側アンモニア濃度よりも高い場合(ステップS26:YES)、制御部50は、再びステップS22の処理を実行する。そして、第1触媒41の温度が活性化温度より低い場合(ステップS22;NO)であって、且つ、下流側アンモニア濃度が比較対象濃度よりも高い場合(ステップS23:YES)、制御部50は、さらに増加制御を実行する(ステップS24)。すなわち、制御部50は、H2/N2比を増加させてから設定時間Δt2を経過した後の下流側アンモニア濃度が、最後の増加制御を行う契機となった下流側アンモニア濃度よりも高く(ステップS26:YES)、且つ、比較対象濃度よりも高くなるたびに(ステップS23:YES)、増加制御を追加で行う。このときの増加制御においても、現状のH2/N2比にΔXを加えた値に、H2/N2比は更新される。 If the downstream ammonia concentration after a set time Δt2 has elapsed since increasing the H2 / N2 ratio is higher than the downstream ammonia concentration that triggered the last increase control (step S26: YES), the control unit 50 executes the process in step S22 again. If the temperature of the first catalyst 41 is lower than the activation temperature (step S22: NO), and the downstream ammonia concentration is higher than the comparison target concentration (step S23: YES), the control unit 50 executes further increase control (step S24). In other words, the control unit 50 performs additional increase control each time the downstream ammonia concentration after a set time Δt2 has elapsed since increasing the H2 / N2 ratio is higher than the downstream ammonia concentration that triggered the last increase control (step S26: YES), and also higher than the comparison target concentration (step S23: YES). Even in this increase control, the H2 / N2 ratio is updated to a value obtained by adding ΔX to the current H2 /N2 ratio .

一方、H2/N2比を増加させてから設定時間Δt2を経過した後の下流側アンモニア濃度が、最後の増加制御を行う契機となった下流側アンモニア濃度よりも低い場合(ステップS26:NO)、制御部50は、H2/N2比を最後の増加制御を行う前のH2/N2比に戻す減少制御を実行する(ステップS27)。減少制御においては、制御部50は、現状のH2/N2比からΔXを引いた値(現状のH2/N2比-ΔX)にH2/N2比を更新し、その更新後のH2/N2比の反応ガスとなるよう、第1混合器10に供給される水素の量と窒素の量とを調整する。具体的には、例えば、増加制御が1回だけしか実行されていない場合には、増加制御が1回も行われていない当初のH2/N2比(本実施形態では0.5)に戻し、増加制御がN回(Nは2以上の整数)実行されている場合には、増加制御がN-1回実行されている時点でのH2/N2比に戻す。減少制御を実行後(ステップS27)、制御部50は、再びステップS21の処理を実行し、ステップS27の処理を終えてから設定時間Δt1を経過したか否か判定する(ステップS21)。 On the other hand, if the downstream ammonia concentration after a set time Δt2 has elapsed since increasing the H2 / N2 ratio is lower than the downstream ammonia concentration that triggered the final increase control (step S26: NO), the control unit 50 performs a decrease control to return the H2 / N2 ratio to the H2 / N2 ratio before the final increase control (step S27). In the decrease control, the control unit 50 updates the H2 /N2 ratio to a value obtained by subtracting ΔX from the current H2 / N2 ratio (current H2 / N2 ratio - ΔX), and adjusts the amount of hydrogen and nitrogen supplied to the first mixer 10 so that the reaction gas has the updated H2 / N2 ratio. Specifically, for example, if the increase control has been executed only once, the H2/N2 ratio is returned to the initial H2 / N2 ratio (0.5 in this embodiment) which was used when the increase control had not been executed at all. If the increase control has been executed N times (where N is an integer of 2 or more), the H2 / N2 ratio is returned to the ratio at the point when the increase control had been executed N-1 times. After the decrease control is executed (step S27), the control unit 50 executes the process of step S21 again and determines whether a set time Δt1 has elapsed since the completion of the process of step S27 (step S21).

このように、制御部50は、上述したステップS21~27の各々の処理を実行する。そして、制御部50は、第1触媒41の温度が活性化温度以上になった場合(ステップS22)、制御部50は、H2/N2比の変動処理を終了する。すなわち、第2実施形態のアンモニア合成システムの運転状態は、活性化前運転から活性化後運転に移行することから、制御部50は、活性化後運転時のH2/N2比(第1実施形態と同様の1.25)になるよう第1混合器10に供給される水素の量と窒素の量とを調整する。 In this manner, the control unit 50 executes each of the processes in steps S21 to S27 described above. When the temperature of the first catalyst 41 rises above the activation temperature (step S22), the control unit 50 terminates the H2 / N2 ratio adjustment process. That is, since the operating state of the ammonia synthesis system in the second embodiment transitions from pre-activation operation to post-activation operation, the control unit 50 adjusts the amount of hydrogen and nitrogen supplied to the first mixer 10 so that the H2 / N2 ratio during post-activation operation (1.25, the same as in the first embodiment) is achieved.

以上説明したように、第2実施形態のアンモニア合成システムによれば、活性化前運転時において、H2/N2比を増加させてから設定時間Δt2を経過した後の下流側アンモニア濃度が、最後の増加制御を行う契機となった下流側アンモニア濃度よりも高く、且つ、比較対象濃度よりも高くなるたびに、追加で増加制御が実行されることから、活性化前運転時の反応ガス中のH2/N2比を段階的に増加させて最適な値に近付けることができる。したがって、活性化前運転時において、アンモニアをより効率的に合成することができる。一方、活性化前運転時において、H2/N2比を増加させてから設定時間Δt2を経過した後の下流側アンモニア濃度が、最後の増加制御を行う契機となった下流側アンモニア濃度よりも低い場合には減少制御が実行されることから、活性化前運転時の反応ガス中のH2/N2比が最適な値を超えて増加し続けるのを防止することができる。 As explained above, according to the ammonia synthesis system of the second embodiment, during the pre-activation operation, if the downstream ammonia concentration after a set time Δt2 has elapsed since increasing the H2 / N2 ratio is higher than the downstream ammonia concentration that triggered the final increase control, and also higher than the comparison concentration, an additional increase control is performed. This allows the H2 / N2 ratio in the reaction gas during the pre-activation operation to be gradually increased and brought closer to the optimal value. Therefore, ammonia can be synthesized more efficiently during the pre-activation operation. On the other hand, during the pre-activation operation, if the downstream ammonia concentration after a set time Δt2 has elapsed since increasing the H2 / N2 ratio is lower than the downstream ammonia concentration that triggered the final increase control, a decrease control is performed. This prevents the H2 / N2 ratio in the reaction gas during the pre-activation operation from continuing to increase beyond the optimal value.

<第3実施形態>
第3実施形態のアンモニア合成システム1aは、第1実施形態のアンモニア合成システム1と比べて、主に、流路切替部91および流路切替部92を備える点と、図14で説明する流路切替処理および図15で説明する温度調整処理を実行する点と、を除いて、第1実施形態のアンモニア合成システム1と同じである。
<Third Embodiment>
The ammonia synthesis system 1a of the third embodiment is the same as the ammonia synthesis system 1 of the first embodiment, except that it mainly includes a flow path switching unit 91 and a flow path switching unit 92, and performs a flow path switching process described in Figure 14 and a temperature adjustment process described in Figure 15.

図12は、第3実施形態のアンモニア合成システム1aの構成を例示した説明図である。流路切替部91は、流路F0を介して反応器40と接続された三方弁である。流路切替部91は、流路切替部91と第2混合器30とを接続した流路F1と、流路切替部91と流路切替部92とを接続した流路F2aと、のいずれかに反応後ガスが流れる流路を切り替える。流路切替部92は、流路F2aを介して流路切替部91と接続された三方弁である。流路切替部92は、流路切替部92と気液分離器60とを接続した流路F2bと、反応後ガスをアンモニア合成システム1aの外部に排出する流路F3と、のいずれかに反応後ガスが流れる流路を切り替える。 Figure 12 is an explanatory diagram illustrating the configuration of the ammonia synthesis system 1a according to the third embodiment. The flow path switching unit 91 is a three-way valve connected to the reactor 40 via flow path F0. The flow path switching unit 91 switches the flow path of the post-reaction gas to either flow path F1, which connects the flow path switching unit 91 to the second mixer 30, or flow path F2a, which connects the flow path switching unit 91 to the flow path switching unit 92. The flow path switching unit 92 is a three-way valve connected to the flow path switching unit 91 via flow path F2a. The flow path switching unit 92 switches the flow path of the post-reaction gas to either flow path F2b, which connects the flow path switching unit 92 to the gas-liquid separator 60, or flow path F3, which discharges the post-reaction gas to the outside of the ammonia synthesis system 1a.

例えば、反応後ガスの流れる流路が流路F1に切り替わっている場合、反応後ガスを冷却する冷却器に相当する気液分離器60を経ることなく反応後ガスは反応器40の上流側(本実施形態では第2混合器30)に循環される。一方、反応後ガスの流れる流路が流路F2a且つ流路F2bに切り替わっている場合、反応後ガスは冷却器である気液分離器60に送られる。すなわち、流路切替部91および流路切替部92は、冷却器(本実施形態では気液分離器60)を経ることなく反応後ガスを反応器40の上流側に循環させる第1流路(本実施形態では流路F1)と、反応後ガスを冷却器に送る第2流路(本実施形態では流路F2a,流路F2b)と、のいずれかに反応後ガスが流れる流路を切り替えることが可能である。 For example, when the flow path for the post-reaction gas is switched to flow path F1, the post-reaction gas is circulated to the upstream side of the reactor 40 (the second mixer 30 in this embodiment) without passing through the gas-liquid separator 60, which acts as a cooler for the post-reaction gas. On the other hand, when the flow path for the post-reaction gas is switched to both flow paths F2a and F2b, the post-reaction gas is sent to the gas-liquid separator 60, which acts as a cooler. In other words, the flow path switching unit 91 and the flow path switching unit 92 can switch the flow path of the post-reaction gas to either a first flow path (flow path F1 in this embodiment) that circulates the post-reaction gas to the upstream side of the reactor 40 without passing through the cooler (gas-liquid separator 60 in this embodiment), or a second flow path (flow paths F2a and F2b in this embodiment) that sends the post-reaction gas to the cooler.

図13は、反応器40への反応ガスの導入が開始されてから第1触媒41の温度変化の推移の一例を示した説明図である。図13において、横軸は経過時間(h)を示し、縦軸は第1触媒41の温度(℃)を示す。タイミングT0からタイミングT2までの間は活性化前運転BEに相当する。すなわち、タイミングT0から活性化前運転BEが開始されたのちタイミングT2にて第1触媒41の温度は活性化温度CAに至る。一方、タイミングT2以降は活性化後運転AFに相当する。活性化後運転AF時にタイミングT3以降で分岐している実線の線分Lc1および破線の線分Lc2の詳細は後述する。 Figure 13 is an explanatory diagram showing an example of the temperature change of the first catalyst 41 from the start of introduction of reaction gas into reactor 40. In Figure 13, the horizontal axis represents elapsed time (h), and the vertical axis represents the temperature of the first catalyst 41 (°C). The period from timing T0 to timing T2 corresponds to pre-activation operation BE. That is, after the pre-activation operation BE starts at timing T0, the temperature of the first catalyst 41 reaches the activation temperature CA at timing T2. On the other hand, the period from timing T2 onwards corresponds to post-activation operation AF. Details of the solid line segment Lc1 and the dashed line segment Lc2 that branch off from timing T3 onwards during post-activation operation AF will be described later.

図13において、第1設定温度C1は、活性化温度CAよりも低い温度の範囲内で設定された温度である。第1設定温度C1は、反応器40に導入される反応ガス中のH2/N2比や第1触媒41の温度に応じたアンモニア合成反応の反応効率を考慮して設定され、例えば、活性化温度CAよりも100℃低い温度を下限とした範囲内で設定される。制御部50は、活性化前運転BE時に、第1触媒41の温度が第1設定温度C1よりも低い場合、反応後ガスが流れる流路が第1流路(本実施形態では流路F1)になるよう流路切替部91を制御する。一方、制御部50は、活性化前運転BE時に、第1触媒41の温度が第1設定温度C1以上である場合、反応後ガスが流れる流路が第2流路(本実施形態では流路F2a,流路F2b)になるよう流路切替部91,92を制御する。このように流路を切り替える流路切替処理が活性化前運転BE時に実行される。図13においては、活性化前運転BE時において、タイミングT0からタイミングT1までの間は、反応後ガスは第1流路を流れ、タイミングT1からタイミングT2までの間は、反応後ガスは第2流路を流れる。 In Figure 13, the first set temperature C1 is a temperature set within a range lower than the activation temperature CA. The first set temperature C1 is set considering the reaction efficiency of the ammonia synthesis reaction depending on the H2 /N2 ratio in the reaction gas introduced into the reactor 40 and the temperature of the first catalyst 41, and is set within a range with a lower limit of 100°C lower than the activation temperature CA. During the pre-activation operation BE, if the temperature of the first catalyst 41 is lower than the first set temperature C1, the control unit 50 controls the flow path switching unit 91 so that the flow path through which the post-reaction gas flows becomes the first flow path (flow path F1 in this embodiment). On the other hand, during the pre-activation operation BE, if the temperature of the first catalyst 41 is above the first set temperature C1, the control unit 50 controls the flow path switching units 91 and 92 so that the flow path through which the post-reaction gas flows becomes the second flow path (flow paths F2a and F2b in this embodiment). This flow path switching process is performed during the pre-activation operation BE. In Figure 13, during the pre-activation operation BE, the post-reaction gas flows through the first channel from timing T0 to timing T1, and from timing T1 to timing T2, the post-reaction gas flows through the second channel.

反応後ガスは、上流側加熱器45および下流側加熱器46にて加熱されてから反応器40に導入された反応ガスが更に発熱反応であるアンモニアの合成反応を経て反応器40から排出されたガスであるため比較的高温である。このため、第3実施形態のアンモニア合成システム1aでは、第1触媒41の温度が第1設定温度C1よりも低い間は、反応後ガスが第1流路を流れることによって冷却器である気液分離器60で冷却されることなく再び反応器40の上流側に循環することによって、反応後ガスの持つ熱エネルギーが第1触媒41や第2触媒42の加熱に再利用される。また、第1触媒41の温度が第1設定温度C1よりも低い間は、反応後ガス中に未反応の水素および未反応の窒素が比較的多く残存しているため、循環させた反応後ガスの量に応じて新規に反応器40に導入する反応ガスの量を減らすことも可能である。例えば、流路切替部91が流路F1に流す反応後ガスの流量を調整可能である場合、流路F1に流す反応後ガスの流量が多くなるほど、新規に反応器40に導入する反応ガスの量を減らしてもよい。また、流路切替部91が流路F1に流す反応後ガスの流量を調整可能でなく、流路F1に流す反応後ガスの流量が略一定である場合にも、新規に反応器40に導入する反応ガスの量は、流路F1に反応後ガスが流れていない場合と比べて、流路F1に反応後ガスが流れている場合には減らしてもよい。 The post-reaction gas is relatively hot because it is the reaction gas that is heated in the upstream heater 45 and the downstream heater 46 before being introduced into the reactor 40, and then discharged from the reactor 40 after undergoing the exothermic reaction of ammonia synthesis. Therefore, in the ammonia synthesis system 1a of the third embodiment, as long as the temperature of the first catalyst 41 is lower than the first set temperature C1, the post-reaction gas flows through the first flow path and is circulated back to the upstream side of the reactor 40 without being cooled by the gas-liquid separator 60, which is a cooler. As a result, the thermal energy of the post-reaction gas is reused to heat the first catalyst 41 and the second catalyst 42. Also, as long as the temperature of the first catalyst 41 is lower than the first set temperature C1, a relatively large amount of unreacted hydrogen and unreacted nitrogen remains in the post-reaction gas, so it is possible to reduce the amount of reaction gas newly introduced into the reactor 40 according to the amount of post-reaction gas that has been circulated. For example, if the flow path switching unit 91 can adjust the flow rate of the post-reaction gas flowing through flow path F1, the amount of reaction gas newly introduced into reactor 40 may be reduced as the flow rate of the post-reaction gas flowing through flow path F1 increases. Furthermore, even if the flow path switching unit 91 cannot adjust the flow rate of the post-reaction gas flowing through flow path F1, and the flow rate of the post-reaction gas flowing through flow path F1 is approximately constant, the amount of reaction gas newly introduced into reactor 40 may be reduced when post-reaction gas is flowing through flow path F1 compared to when no post-reaction gas is flowing through flow path F1.

活性化前運転BE時に流路切替処理を実行する一方で、制御部50は、活性化後運転AF時には第1触媒41の温度を調整する温度調整処理を実行する。図13において、実線の線分Lc1は、本実施形態としての温度調整処理が行われる場合の第1触媒41の温度変化を示している。破線の線分Lc2は、比較例としての温度調整処理が行われない場合の第1触媒41の温度変化を示している。なお、破線の線分Lc2のうちタイミングT5より後で実線の線分Lc1と合流して以降の部分は、実線の線分Lc1と重なっているものとする。 During the pre-activation operation BE, the flow path switching process is executed, while the control unit 50 performs a temperature adjustment process to adjust the temperature of the first catalyst 41 during the post-activation operation AF. In Figure 13, the solid line segment Lc1 shows the temperature change of the first catalyst 41 when the temperature adjustment process is performed as in this embodiment. The dashed line segment Lc2 shows the temperature change of the first catalyst 41 when the temperature adjustment process is not performed, as in a comparative example. Note that the portion of the dashed line segment Lc2 after timing T5, where it merges with the solid line segment Lc1, is considered to overlap with the solid line segment Lc1.

図13において、第2設定温度C2は、活性化温度CAよりも高い温度の範囲内で設定された温度である。第2設定温度C2は、反応器40に導入される反応ガス中のH2/N2比、活性化後の第1触媒41における温度上昇の推移や第1触媒41に劣化が生じ始めるとみなされる温度等を考慮して設定される。制御部50は、活性化後運転AF時に、第1触媒41の温度が第2設定温度C2よりも高い場合、第1触媒41の温度を低下させる温度低下制御を実行する。制御部50は、温度低下制御として、反応器40に導入される反応ガス中のH2/N2比を小さくする。例えば、第1,2実施形態のように、活性化後運転時の反応ガス中のH2/N2比が1.25になるよう制御されていた場合には、制御部50は、反応ガス中のH2/N2比を1.25より小さくなるよう制御する。反応ガス中のH2/N2比が小さくなると、アンモニアの合成反応に用いられる水素の量および窒素の量が減少し、合成反応に伴う発熱量が減少する。その結果、第1触媒41の温度を低下させることが可能となる。このように第1触媒41の温度を調整する温度調整処理が活性化後運転AF時に実行される。図13においては、活性化後運転AF時において、タイミングT3にて第1触媒41の温度が第2設定温度C2よりも高くなったことを契機として温度低下制御が実行されたことにより、破線の線分Lc2と比べて、実線の線分Lc1では第1触媒41の急激な温度上昇が抑制されている。その後、タイミングT5にて第1触媒41の温度が第2設定温度C2以下となったことを契機として温度低下制御は停止される。なお、タイミングT5以降においても、活性化後運転AF時である限り、再び第1触媒41の温度が第2設定温度C2よりも高くなった場合には、温度低下制御は再度実行される。また、図13において、タイミングT4は、実線の線分Lc1が示す第1触媒41の温度変化における反応安定化時に相当する。 In Figure 13, the second set temperature C2 is a temperature set within a range higher than the activation temperature CA. The second set temperature C2 is set considering the H2 / N2 ratio in the reaction gas introduced into the reactor 40, the temperature rise in the first catalyst 41 after activation, and the temperature at which deterioration of the first catalyst 41 is considered to begin. During post-activation operation AF, if the temperature of the first catalyst 41 is higher than the second set temperature C2, the control unit 50 performs temperature reduction control to lower the temperature of the first catalyst 41. As temperature reduction control, the control unit 50 reduces the H2 / N2 ratio in the reaction gas introduced into the reactor 40. For example, if the H2 / N2 ratio in the reaction gas during post-activation operation was controlled to be 1.25, as in the first and second embodiments, the control unit 50 controls the H2 / N2 ratio in the reaction gas to be less than 1.25. When the H2 / N2 ratio in the reaction gas decreases, the amount of hydrogen and nitrogen used in the ammonia synthesis reaction decreases, and the amount of heat generated by the synthesis reaction decreases. As a result, it becomes possible to lower the temperature of the first catalyst 41. This temperature control process to adjust the temperature of the first catalyst 41 is performed during post-activation operation AF. In Figure 13, during post-activation operation AF, at timing T3, when the temperature of the first catalyst 41 rises above the second set temperature C2, temperature reduction control is performed. As a result, the rapid temperature rise of the first catalyst 41 is suppressed in the solid line segment Lc1 compared to the dashed line segment Lc2. Subsequently, at timing T5, when the temperature of the first catalyst 41 falls below the second set temperature C2, the temperature reduction control is stopped. Even after timing T5, as long as it is post-activation operation AF, if the temperature of the first catalyst 41 rises above the second set temperature C2 again, the temperature reduction control will be performed again. Furthermore, in Figure 13, timing T4 corresponds to the time when the reaction stabilizes during the temperature change of the first catalyst 41, as indicated by the solid line segment Lc1.

触媒が活性化した際には、触媒の温度は急激に上昇する。この急激な上昇によって触媒の温度が高温のまま維持されると、触媒の熱劣化を引き起こす可能性がある。上述したように、第3実施形態のアンモニア合成システム1aでは、第1触媒41の温度が第2設定温度C2よりも高い場合に温度低下制御を実行することで、第1触媒41が熱劣化する可能性を低減している。 When a catalyst is activated, its temperature rises rapidly. If this rapid rise causes the catalyst temperature to remain high, it can lead to thermal degradation of the catalyst. As described above, in the ammonia synthesis system 1a of the third embodiment, temperature reduction control is performed when the temperature of the first catalyst 41 is higher than the second set temperature C2, thereby reducing the possibility of thermal degradation of the first catalyst 41.

図14は、流路切替処理の手順の一例を示すフローチャートである。流路切替処理は、活性化前運転の開始とともに実行される。流路切替処理が開始された時点では、反応後ガスが流れる流路は第1流路であるとする。 Figure 14 is a flowchart illustrating an example of the flow path switching procedure. The flow path switching procedure is performed simultaneously with the start of the pre-activation operation. At the start of the flow path switching procedure, the flow path through which the post-reaction gas flows is assumed to be the first flow path.

流路切替処理が開始されると、制御部50は、まず初めに、流路切替処理が開始されてから設定時間Δt3を経過したか否か判定する(ステップS31)。設定時間Δt3を経過していない場合(ステップS31:NO)、制御部50は、設定時間Δt3を経過するまでステップS31を繰り返す。 When the flow path switching process begins, the control unit 50 first determines whether a set time Δt3 has elapsed since the start of the flow path switching process (step S31). If the set time Δt3 has not elapsed (step S31: NO), the control unit 50 repeats step S31 until the set time Δt3 has elapsed.

一方、設定時間Δt3を経過した場合(ステップS31:YES)、制御部50は、第1触媒41の温度が第1設定温度C1以上であるか否か判定する(ステップS32)。第1触媒41の温度が第1設定温度C1よりも低い場合、(ステップS32:NO)、制御部50は、再びステップS31の処理を実行し、ステップS32の処理を終えてから設定時間Δt3を経過したか否か判定する(ステップS31)。このとき、反応後ガスが流れる流路は第1流路のままで維持されている。 On the other hand, if the set time Δt3 has elapsed (step S31: YES), the control unit 50 determines whether the temperature of the first catalyst 41 is equal to or greater than the first set temperature C1 (step S32). If the temperature of the first catalyst 41 is lower than the first set temperature C1 (step S32: NO), the control unit 50 executes the process in step S31 again and determines whether the set time Δt3 has elapsed since the completion of the process in step S32 (step S31). At this time, the flow path through which the post-reaction gas flows remains the first flow path.

一方、第1触媒41の温度が第1設定温度C1以上である場合(ステップS32:YES)、制御部50は、反応後ガスが流れる流路が第2流路になるよう流路切替部91,92を制御する(ステップS33)。その後、制御部50は、流路切替処理を終了する。 On the other hand, if the temperature of the first catalyst 41 is equal to or higher than the first set temperature C1 (step S32: YES), the control unit 50 controls the flow path switching units 91 and 92 so that the flow path through which the post-reaction gas flows becomes the second flow path (step S33). After that, the control unit 50 terminates the flow path switching process.

図15は、温度調整処理の手順の一例を示すフローチャートである。温度調整処理は、活性化後運転の間、繰り返し実行される。温度調整処理が開始されると、制御部50は、まず初めに、温度調整処理が開始されてから設定時間Δt4を経過したか否か判定する(ステップS41)。設定時間Δt4を経過していない場合(ステップS41:NO)、制御部50は、設定時間Δt4を経過するまでステップS41を繰り返す。 Figure 15 is a flowchart illustrating an example of the temperature adjustment process procedure. The temperature adjustment process is repeatedly performed during post-activation operation. When the temperature adjustment process begins, the control unit 50 first determines whether a set time Δt4 has elapsed since the start of the process (step S41). If the set time Δt4 has not elapsed (step S41: NO), the control unit 50 repeats step S41 until the set time Δt4 has elapsed.

一方、設定時間Δt4を経過した場合(ステップS41:YES)、制御部50は、第1触媒41の温度が第2設定温度C2よりも高いか否か判定する(ステップS42)。第1触媒41の温度が第2設定温度C2よりも高い場合(ステップS42:YES)、制御部50は、第1触媒41の温度を低下させる温度低下制御を実行する(ステップS43)。その後、制御部50は、再びステップS41の処理を実行し、ステップS43の処理を終えてから設定時間Δt4を経過したか否か判定する(ステップS41)。本実施形態では、制御部50は、温度低下制御を実行したのち後述のステップS44の処理が実行される前に再度ステップS42にて肯定判定がなされた場合(ステップS42:YES)には、追加で温度低下制御を実行する。追加の温度低下制御においては、最後に実行した温度低下制御によって小さくなっていた反応ガス中のH2/N2比を追加の温度低下制御によって更に小さくする。このように、温度調整処理では、第1触媒41の温度が第2設定温度C2以下になるまで温度低下制御を繰り返して反応ガス中のH2/N2比を段階的に小さくする。 On the other hand, if the set time Δt4 has elapsed (step S41: YES), the control unit 50 determines whether the temperature of the first catalyst 41 is higher than the second set temperature C2 (step S42). If the temperature of the first catalyst 41 is higher than the second set temperature C2 (step S42: YES), the control unit 50 executes a temperature reduction control to lower the temperature of the first catalyst 41 (step S43). After that, the control unit 50 executes the process of step S41 again and determines whether the set time Δt4 has elapsed after the process of step S43 has been completed (step S41). In this embodiment, if the control unit 50 has executed the temperature reduction control and before the process of step S44 described later is executed, an affirmative determination is made again in step S42 (step S42: YES), an additional temperature reduction control is executed. In the additional temperature reduction control, the H2 / N2 ratio in the reaction gas, which had been reduced by the last temperature reduction control, is further reduced by the additional temperature reduction control. In this way, the temperature control process is repeated until the temperature of the first catalyst 41 falls below the second set temperature C2, thereby gradually reducing the H2 / N2 ratio in the reaction gas.

一方、第1触媒41の温度が第2設定温度C2以下である場合(ステップS42:NO)、制御部50は、温度低下制御を停止する(ステップS44)。このとき、反応ガス中のH2/N2比は、温度低下制御が実行される前(活性化後運転開始時)の値になるよう制御される。なお、ステップS44の処理が実行される時点で温度低下制御が実行されていなかった場合には、反応ガス中のH2/N2比は、活性化後運転開始時の値のまま維持される。ステップS44の処理後、制御部50は、温度調整処理を終了する。温度調整処理は一旦終了されても、上述したように活性化後運転の間である限りは繰り返し実行される。 On the other hand, if the temperature of the first catalyst 41 is below the second set temperature C2 (step S42: NO), the control unit 50 stops the temperature reduction control (step S44). At this time, the H2 / N2 ratio in the reaction gas is controlled to the value before the temperature reduction control is performed (at the start of post-activation operation). If the temperature reduction control was not performed when the process in step S44 is executed, the H2 / N2 ratio in the reaction gas is maintained at the value at the start of post-activation operation. After the process in step S44, the control unit 50 terminates the temperature adjustment process. Even if the temperature adjustment process is terminated once, it is repeatedly performed as long as it is during post-activation operation, as described above.

以上説明したように、第3実施形態のアンモニア合成システム1aによれば、第1触媒41の温度が第1設定温度C1よりも低い間は、反応後ガスが気液分離器60で冷却されることなく再び反応器40の上流側に循環されることから、反応後ガスの持つ熱エネルギーを第1触媒41や第2触媒42の加熱に再利用することができる。また、第1触媒41の温度が第1設定温度C1よりも低い間においては反応後ガス中に未反応の水素および未反応の窒素が比較的多く残存しているため、循環させた反応後ガスの量に応じて新規に反応器40に導入する反応ガスの量を減らすことができる。すなわち、第3実施形態のアンモニア合成システム1aによれば、反応後ガスを循環させることによって、反応ガスを生成するために要するエネルギー(特に水素の生成に要するエネルギー)およびその反応ガスを加熱するために要する熱エネルギーを低減することができる。 As explained above, according to the ammonia synthesis system 1a of the third embodiment, as long as the temperature of the first catalyst 41 is lower than the first set temperature C1, the post-reaction gas is recirculated to the upstream side of the reactor 40 without being cooled in the gas-liquid separator 60. Therefore, the thermal energy of the post-reaction gas can be reused to heat the first catalyst 41 and the second catalyst 42. Furthermore, since a relatively large amount of unreacted hydrogen and unreacted nitrogen remains in the post-reaction gas while the temperature of the first catalyst 41 is lower than the first set temperature C1, the amount of reaction gas newly introduced into the reactor 40 can be reduced according to the amount of post-reaction gas that has been circulated. In other words, according to the ammonia synthesis system 1a of the third embodiment, by circulating the post-reaction gas, the energy required to generate the reaction gas (especially the energy required to generate hydrogen) and the thermal energy required to heat the reaction gas can be reduced.

比較例として、第1触媒41の温度が第1設定温度C1よりも低い間であっても反応後ガスが反応器40の上流側に循環されない場合、反応後ガスは、流路F2bを介して気液分離器60に送られるか、もしくは、流路F3を介してアンモニア合成システム1aの外部に排出されることになる。前者の場合には、反応後ガスの持つ熱エネルギーは気液分離器60での冷却により消失する。後者の場合には、反応後ガスの持つ熱エネルギーや反応後ガス中に比較的多く存在している未反応の水素および未反応の窒素が廃棄されることになる。この点、第3実施形態のアンモニア合成システム1aによれば、第1流路を介して反応器40の上流側に反応後ガスを循環させることによって、反応後ガスの持つ熱エネルギーや反応後ガス中に比較的多く存在している未反応の水素および未反応の窒素を再利用できることから、活性化前運転時においてアンモニア合成システム1の稼働時に消費されるエネルギーを省力化することができる。 As a comparative example, if the post-reaction gas is not circulated upstream of the reactor 40 even when the temperature of the first catalyst 41 is lower than the first set temperature C1, the post-reaction gas will be sent to the gas-liquid separator 60 via the flow path F2b, or discharged outside the ammonia synthesis system 1a via the flow path F3. In the former case, the thermal energy of the post-reaction gas is lost through cooling in the gas-liquid separator 60. In the latter case, the thermal energy of the post-reaction gas, as well as the relatively large amount of unreacted hydrogen and unreacted nitrogen present in the post-reaction gas, will be wasted. In this respect, according to the ammonia synthesis system 1a of the third embodiment, by circulating the post-reaction gas upstream of the reactor 40 via the first flow path, the thermal energy of the post-reaction gas, as well as the relatively large amount of unreacted hydrogen and unreacted nitrogen present in the post-reaction gas, can be reused, thus reducing the energy consumed during the operation of the ammonia synthesis system 1 during the pre-activation operation.

また、第3実施形態のアンモニア合成システム1aでは、第1触媒41の温度が第2設定温度C2よりも高い場合に温度低下制御が実行されることから、第1触媒41が熱劣化する可能性を低減することができる。 Furthermore, in the ammonia synthesis system 1a of the third embodiment, temperature reduction control is performed when the temperature of the first catalyst 41 is higher than the second set temperature C2, thereby reducing the possibility of thermal degradation of the first catalyst 41.

<本実施形態の変形例>
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
<Modified versions of this embodiment>
The present invention is not limited to the embodiments described above, and can be implemented in various forms without departing from its spirit, for example, the following modifications are also possible.

[変形例1]
上記実施形態は一例であって、アンモニア合成システムの構成および制御等については種々変形可能である。例えば、アンモニア合成システムは、気液分離器60およびタンク70を備えておらず、アンモニア合成システムに接続している別のシステムが気液分離器60およびタンク70を備えていてもよい。アンモニア合成システムは、第1混合器10および第2混合器30を備えてなくてもよく、反応器40に接続する配管内で各種ガスが混合されてもよい。また、上記実施形態では、反応器40内には、2つの触媒(第1触媒41および第2触媒42)が収容されていたが、反応器40内には、1つの触媒のみが収容されていてもよい。
[Variation 1]
The above embodiment is merely an example, and the configuration and control of the ammonia synthesis system can be modified in various ways. For example, the ammonia synthesis system may not include a gas-liquid separator 60 and a tank 70, and another system connected to the ammonia synthesis system may include a gas-liquid separator 60 and a tank 70. The ammonia synthesis system may not include a first mixer 10 and a second mixer 30, and various gases may be mixed in the piping connected to the reactor 40. Also, in the above embodiment, two catalysts (first catalyst 41 and second catalyst 42) were contained in the reactor 40, but only one catalyst may be contained in the reactor 40.

[変形例2]
上記実施形態では、制御部50は、活性化前運転時のH2/N2比を、活性化後運転時のH2/N2比よりも小さくなるよう制御していたが、これに限られない。制御部50は、活性化前運転時のH2/N2比を、活性化後運転時のH2/N2比よりも大きくなるよう制御してもよい。触媒活性化前のアンモニア合成に適切なH2/N2比が、触媒活性化後のアンモニア合成に適切なH2/N2比よりも大きい触媒をアンモニア合成システムが備える場合には、このような制御によって、アンモニアを効率的に合成することができる。
[Modified example 2]
In the above embodiment, the control unit 50 controlled the H2 / N2 ratio during pre-activation operation to be smaller than the H2 / N2 ratio during post-activation operation, but it is not limited to this. The control unit 50 may also control the H2 / N2 ratio during pre-activation operation to be larger than the H2 / N2 ratio during post-activation operation. If the ammonia synthesis system is equipped with a catalyst in which the H2 / N2 ratio appropriate for ammonia synthesis before catalyst activation is larger than the H2 / N2 ratio appropriate for ammonia synthesis after catalyst activation, ammonia can be synthesized efficiently by such control.

[変形例3]
上記実施形態では、制御部50は、反応器40に導入される反応ガス中のH2/N2比を制御するとともに、反応器40に導入される反応ガスの流量を制御していたが、これに限られない。例えば、制御部50は、反応器40に導入される反応ガス中のH2/N2比を制御するが、反応器40に導入される反応ガスの流量を制御することはなく、制御部50とは別個の制御部が、反応器40に導入される反応ガスの流量を制御してもよい。
[Modification 3]
In the above embodiment, the control unit 50 controlled the H2 / N2 ratio in the reaction gas introduced into the reactor 40, as well as the flow rate of the reaction gas introduced into the reactor 40, but is not limited to this. For example, the control unit 50 may control the H2 / N2 ratio in the reaction gas introduced into the reactor 40, but not the flow rate of the reaction gas introduced into the reactor 40, and a separate control unit may control the flow rate of the reaction gas introduced into the reactor 40.

[変形例4]
上記実施形態では、第1触媒41の温度が活性化温度以上である場合(ステップS11:YES)、制御部50は、反応器40に導入される反応ガス中のH2/N2比を、活性化後運転時のH2/N2比として予め設定されたH2/N2比(上記実施形態では1.25)になるよう制御していたが(ステップS15)、これに限られない。例えば、制御部50は、第1触媒41の温度が活性化温度以上となったのち(ステップS11:YES)、その後の温度上昇に伴ってH2/N2比が徐々に大きくなるよう制御してもよい。換言すれば、活性化温度以上となったのちすぐに、活性化後運転時のH2/N2比として予め設定されたH2/N2比になるよう制御するのではなく、活性化温度以上となったのちその後の温度上昇に伴ってH2/N2比を大きくしていってもよいということである。第1触媒41の温度が活性化温度以上となってから反応安定化時となるまでの期間が実験結果等から予め確認されている場合には、その期間の開始タイミングから終了タイミングまでの間に、活性化前運転時のH2/N2比から活性化後運転時のH2/N2比となるよう、制御部50は、第1混合器10に供給される水素の量と窒素の量とを調整してもよい。
[Modification 4]
In the above embodiment, when the temperature of the first catalyst 41 is above the activation temperature (step S11: YES), the control unit 50 controls the H2 / N2 ratio in the reaction gas introduced into the reactor 40 to a preset H2 / N2 ratio ( 1.25 in the above embodiment) for post-activation operation (step S15), but is not limited to this. For example, after the temperature of the first catalyst 41 reaches above the activation temperature (step S11: YES), the control unit 50 may control the H2 / N2 ratio to gradually increase as the temperature rises. In other words, instead of immediately controlling the H2 / N2 ratio to a preset H2 / N2 ratio for post-activation operation after the temperature reaches above the activation temperature, the H2 / N2 ratio may be increased as the temperature rises after the temperature reaches above the activation temperature. If the period from when the temperature of the first catalyst 41 reaches or exceeds the activation temperature until the reaction stabilizes has been confirmed in advance from experimental results, the control unit 50 may adjust the amount of hydrogen and nitrogen supplied to the first mixer 10 so that the H2 / N2 ratio changes from the H2/ N2 ratio during pre-activation operation to the H2 /N2 ratio during post-activation operation, between the start and end of that period.

上記実施形態では、反応後ガスを反応器40の上流側に循環させる第1流路(流路F1)は、第2混合器30に接続されていたが、これに限られない。第1流路は、反応器40の上流側である限り、任意の位置に接続されていてもよい。 In the above embodiment, the first channel (channel F1) for circulating the post-reaction gas upstream of the reactor 40 was connected to the second mixer 30, but it is not limited to this. The first channel may be connected to any position as long as it is upstream of the reactor 40.

上記実施形態では、温度低下制御の際には、反応器40に導入される反応ガス中のH2/N2比を小さくするのみであったが、これに限られない。例えば、温度低下制御の際には、反応ガス中のH2/N2比を小さくすることに加えて、上流側加熱器45および下流側加熱器46(図2参照)による反応ガスの加熱量を低下させたり、反応器40に導入される反応ガスの流量を低下させたりしてもよい。また、例えば、温度調整処理(図15)にて最初の温度低下制御では、反応ガス中のH2/N2比を小さくすることのみを実行し、再度ステップS42にて肯定判定がなされたことによる追加の温度低下制御では、反応ガス中のH2/N2比を小さくすることに加えて、反応ガスの加熱量を低下させたり、反応ガスの流量を低下させたりしてもよい。また、追加の温度低下制御が実行されるたびに、反応ガス中のH2/N2比を段階的に小さくすることに加えて、反応ガスの加熱量を段階的に低下させたり、反応ガスの流量を段階的に低下させたりしてもよい。 In the above embodiment, temperature reduction control was performed only by reducing the H2 / N2 ratio in the reaction gas introduced into reactor 40, but is not limited to this. For example, in addition to reducing the H2 / N2 ratio in the reaction gas, the amount of heating of the reaction gas by the upstream heater 45 and the downstream heater 46 (see Figure 2) may be reduced, or the flow rate of the reaction gas introduced into reactor 40 may be reduced. Also, for example, in the temperature adjustment process (Figure 15), in the initial temperature reduction control, only the H2 / N2 ratio in the reaction gas may be reduced, and in the additional temperature reduction control performed after a positive judgment is made again in step S42, in addition to reducing the H2 / N2 ratio in the reaction gas, the amount of heating of the reaction gas may be reduced or the flow rate of the reaction gas may be reduced. Furthermore, each time additional temperature reduction control is performed, in addition to gradually decreasing the H2 / N2 ratio in the reaction gas, the amount of heating of the reaction gas may be gradually reduced, or the flow rate of the reaction gas may be gradually reduced.

上記実施形態では、温度低下制御を実行したのち再度ステップS42にて肯定判定がなされた場合には、追加で温度低下制御を実行していたが、これに限られない。温度低下制御を実行したのち再度ステップS42にて肯定判定がなされた場合に、追加で温度低下制御を実行しなくてもよい。このような場合、最後に実行した温度低下制御によって小さくなった反応ガス中のH2/N2比をそのまま維持する。 In the above embodiment, if a positive determination was made again in step S42 after the temperature reduction control was performed, additional temperature reduction control was performed, but this is not limited to this. If a positive determination was made again in step S42 after the temperature reduction control was performed, additional temperature reduction control does not need to be performed. In such a case, the H2 / N2 ratio in the reaction gas, which was reduced by the last temperature reduction control performed, is maintained as is.

上記実施形態では、流路切替処理において、反応後ガスが流れる流路を第1流路から第2流路に切り替える基準として、第1触媒41と第1設定温度C1との比較が用いられていたが、これに限られない。例えば、反応後ガスが流れる流路を第1流路から第2流路に切り替える基準として、第1触媒41と第1設定温度C1との比較に加えて、第2触媒42の温度と第2触媒42用に設定された設定温度との比較が用いられてもよい。このような形態においては、第1触媒41の温度が第1設定温度C1以上であって、且つ、第2触媒42の温度が第2触媒42用に設定された設定温度以上である場合に、反応後ガスが流れる流路を第1流路から第2流路に切り替える。また、温度調整処理においても同様に、第1触媒41と第2設定温度C2との比較に加えて、第2触媒42の温度と第2触媒42用に設定された設定温度との比較が用いられてもよい。このような形態においては、第1触媒41の温度が第2設定温度C2よりも高く、且つ、第2触媒42の温度が第2触媒42用に設定された設定温度以上である場合に、温度低下制御を実行する。 In the above embodiment, in the flow path switching process, a comparison between the first catalyst 41 and the first set temperature C1 was used as the criterion for switching the flow path through which the post-reaction gas flows from the first flow path to the second flow path, but the embodiment is not limited to this. For example, in addition to the comparison between the first catalyst 41 and the first set temperature C1, a comparison between the temperature of the second catalyst 42 and the set temperature set for the second catalyst 42 may be used as the criterion for switching the flow path through which the post-reaction gas flows from the first flow path to the second flow path. In such an embodiment, the flow path through which the post-reaction gas flows is switched from the first flow path to the second flow path when the temperature of the first catalyst 41 is equal to or greater than the first set temperature C1, and the temperature of the second catalyst 42 is equal to or greater than the set temperature set for the second catalyst 42. Similarly, in the temperature adjustment process, in addition to the comparison between the first catalyst 41 and the second set temperature C2, a comparison between the temperature of the second catalyst 42 and the set temperature set for the second catalyst 42 may be used. In this configuration, temperature reduction control is performed when the temperature of the first catalyst 41 is higher than the second set temperature C2, and the temperature of the second catalyst 42 is equal to or greater than the set temperature set for the second catalyst 42.

上記実施形態では、温度調整処理において、温度低下制御を実行する基準として、第1触媒41の温度と第2設定温度C2との比較が用いられていたが、これに限られない。例えば、温度低下制御を実行する基準として、第1触媒41の温度と第2設定温度C2との比較に加えて、単位時間あたりの第1触媒41の温度上昇値(図13に示した第1触媒41の温度変化の傾きに相当)と設定温度上昇値との比較が用いられてもよい。このような形態においては、第1触媒41の温度が第2設定温度C2よりも高く、且つ、単位時間あたりの第1触媒41の温度上昇値が設定温度上昇値よりも大きい場合に、温度低下制御が実行される。ここでいう単位時間は、任意の長さの時間であってよいが、設定温度上昇値との比較を行う時点の直前の単位時間であるのが好ましい。設定温度上昇値は、第1触媒41が活性化してから急激に上昇する温度の単位時間あたりの上昇値を参照して設定される。詳細には、単位時間あたりの第1触媒41の温度上昇値が設定温度上昇値よりも大きい場合に、第1触媒41は活性化を経て急激に温度上昇している状態であるとみなすことができるよう、設定温度上昇値は設定される。 In the above embodiment, the temperature control process used a comparison between the temperature of the first catalyst 41 and the second set temperature C2 as the criterion for executing temperature reduction control, but it is not limited to this. For example, in addition to the comparison between the temperature of the first catalyst 41 and the second set temperature C2, a comparison between the temperature rise of the first catalyst 41 per unit time (corresponding to the slope of the temperature change of the first catalyst 41 shown in Figure 13) and the set temperature rise value may be used as the criterion for executing temperature reduction control. In such an embodiment, temperature reduction control is executed when the temperature of the first catalyst 41 is higher than the second set temperature C2, and the temperature rise of the first catalyst 41 per unit time is greater than the set temperature rise value. The unit time here may be any length of time, but it is preferable that it be the unit time immediately before the time when the comparison with the set temperature rise value is performed. The set temperature rise value is set by referring to the temperature rise per unit time of the temperature that rises rapidly after the first catalyst 41 is activated. In detail, the set temperature rise value is set such that, when the temperature rise value of the first catalyst 41 per unit time is greater than the set temperature rise value, the first catalyst 41 can be considered to be in a state of rapid temperature increase after activation.

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。 The embodiments described above have been explained based on the embodiments and modifications described above. The embodiments described above are provided to facilitate understanding of the embodiments and do not limit them. The embodiments may be modified and improved without departing from their spirit or the scope of the claims, and equivalent embodiments are included. Furthermore, technical features not described as essential in this specification may be appropriately deleted.

本発明は、以下の形態としても実現することが可能である。
[適用例1]
アンモニアを合成するアンモニア合成システムであって、
水素と窒素とを含む反応ガスからアンモニアを合成する合成反応を促進する触媒を収容する反応器と、
前記反応器に導入される前記反応ガス中の窒素に対する水素の割合であるH2/N2比を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記触媒が活性化したとみなされる活性化温度まで前記触媒の温度を昇温させる活性化前運転時のH2/N2比を、前記触媒の温度が前記活性化温度に到達した後の活性化後運転時のH2/N2比とは異なる値に制御する、アンモニア合成システム。
[適用例2]
適用例1に記載のアンモニア合成システムであって、
前記制御部は、前記活性化前運転時のH2/N2比を、前記活性化後運転時のH2/N2比よりも小さくなるよう制御する、アンモニア合成システム。
[適用例3]
適用例1または適用例2に記載のアンモニア合成システムであって、
前記制御部は、前記活性化前運転時に、
前記触媒よりも下流側にて検出される下流側アンモニア濃度が、前記触媒の温度から算出される平衡状態でのアンモニア濃度に所定割合を乗じた比較対象濃度よりも高い場合に、H2/N2比を増加させる増加制御を実行し、
2/N2比を増加させてから設定時間を経過した後の前記下流側アンモニア濃度が、最後の前記増加制御を行う契機となった前記下流側アンモニア濃度よりも高く、且つ、前記比較対象濃度よりも高くなるたびに、前記増加制御を追加で実行し、
2/N2比を増加させてから前記設定時間を経過した後の前記下流側アンモニア濃度が、最後の前記増加制御を行う契機となった前記下流側アンモニア濃度よりも低い場合、H2/N2比を最後の前記増加制御を行う前のH2/N2比に戻す減少制御を実行する、アンモニア合成システム。
[適用例4]
適用例1から適用例3までのいずれかに記載のアンモニア合成システムであって、
前記制御部は、前記反応器に導入される前記反応ガスの流量を制御し、
前記制御部は、前記活性化前運転時における前記反応ガスの流量を、前記活性化後運転時における前記流量よりも小さくなるよう制御する、アンモニア合成システム。
[適用例5]
適用例1から適用例4までのいずれかに記載のアンモニア合成システムであって、さらに、
前記反応器から排出される反応後ガスを冷却する冷却器と、
前記冷却器を経ることなく前記反応後ガスを前記反応器の上流側に循環させる第1流路と、前記反応後ガスを前記冷却器に送る第2流路と、のいずれかに前記反応後ガスが流れる流路を切り替える流路切替部と、を備え、
前記制御部は、前記活性化前運転時に、
前記触媒の温度が前記活性化温度よりも低い温度の範囲内で設定された第1設定温度よりも低い場合、前記流路が前記第1流路になるよう前記流路切替部を制御し、
前記触媒の温度が前記第1設定温度以上である場合、前記流路が前記第2流路になるよう前記流路切替部を制御する、アンモニア合成システム。
[適用例6]
適用例1から適用例5までのいずれかに記載のアンモニア合成システムであって、
前記制御部は、前記活性化後運転時に、前記触媒の温度が前記活性化温度よりも高い温度の範囲内で設定された第2設定温度よりも高い場合、前記触媒の温度を低下させる温度低下制御を実行する、アンモニア合成システム。
The present invention can also be realized in the following forms.
[Application Example 1]
an ammonia synthesis system for synthesizing ammonia,
A reactor containing a catalyst that facilitates a synthesis reaction for the synthesis of ammonia from a reaction gas containing hydrogen and nitrogen,
The reactor comprises a control unit that controls the H2 / N2 ratio, which is the ratio of hydrogen to nitrogen in the reaction gas introduced into the reactor,
An ammonia synthesis system, wherein the control unit controls the H2 / N2 ratio during pre-activation operation, in which the temperature of the catalyst is raised to an activation temperature at which the catalyst is considered to be activated, to a different value from the H2 / N2 ratio during post-activation operation after the temperature of the catalyst has reached the activation temperature.
[Application Example 2]
The ammonia synthesis system described in Application Example 1,
The control unit controls the H2 / N2 ratio during the pre-activation operation to be smaller than the H2 / N2 ratio during the post-activation operation, in an ammonia synthesis system.
[Application Example 3]
An ammonia synthesis system as described in Application Example 1 or Application Example 2,
The control unit, during the pre-activation operation,
When the downstream ammonia concentration detected downstream of the catalyst is higher than the comparison concentration obtained by multiplying the ammonia concentration at equilibrium, calculated from the temperature of the catalyst, by a predetermined ratio, an increase control is performed to increase the H2 / N2 ratio.
Each time the downstream ammonia concentration, after a set time has elapsed since increasing the H2 / N2 ratio, becomes higher than the downstream ammonia concentration that triggered the last increase control, and also higher than the comparison target concentration, the increase control is executed additionally.
An ammonia synthesis system that, if the downstream ammonia concentration after the set time has elapsed since increasing the H2 / N2 ratio is lower than the downstream ammonia concentration that triggered the last increase control, performs a decrease control to return the H2 / N2 ratio to the H2 /N2 ratio before the last increase control.
[Application Example 4]
An ammonia synthesis system according to any of Application Examples 1 to 3,
The control unit controls the flow rate of the reaction gas introduced into the reactor,
An ammonia synthesis system in which the control unit controls the flow rate of the reaction gas during the pre-activation operation to be less than the flow rate during the post-activation operation.
[Application Example 5]
An ammonia synthesis system according to any of Application Examples 1 to 4, further,
A cooler for cooling the post-reaction gas discharged from the reactor,
The system includes a first flow path that circulates the post-reaction gas to the upstream side of the reactor without passing through the cooler, and a second flow path that sends the post-reaction gas to the cooler, and a flow path switching unit that switches the flow path through which the post-reaction gas flows.
The control unit, during the pre-activation operation,
If the temperature of the catalyst is lower than a first set temperature set within a range of temperatures lower than the activation temperature, the flow path switching unit is controlled so that the flow path becomes the first flow path.
An ammonia synthesis system that controls the flow path switching unit so that the flow path becomes the second flow path when the temperature of the catalyst is equal to or higher than the first set temperature.
[Application Example 6]
An ammonia synthesis system according to any of Application Examples 1 to 5,
The control unit, during post-activation operation, performs temperature reduction control to lower the temperature of the catalyst if the temperature of the catalyst is higher than a second set temperature set within a range of temperatures higher than the activation temperature, in an ammonia synthesis system.

1,1a…アンモニア合成システム
10…第1混合器
20…第1圧縮器
30…第2混合器
40…反応器
41…第1触媒
42…第2触媒
43…内側配管
44…外側配管
45…上流側加熱器
46…下流側加熱器
50…制御部
60…気液分離器
70…タンク
80…第2圧縮器
91,92…流路切替部
F0,F1,F2a,F2b,F3…流路
1, 1a... Ammonia synthesis system 10... First mixer 20... First compressor 30... Second mixer 40... Reactor 41... First catalyst 42... Second catalyst 43... Inner piping 44... Outer piping 45... Upstream heater 46... Downstream heater 50... Control unit 60... Gas-liquid separator 70... Tank 80... Second compressor 91, 92... Flow path switching unit F0, F1, F2a, F2b, F3... Flow path

Claims (6)

アンモニアを合成するアンモニア合成システムであって、
水素と窒素とを含む反応ガスからアンモニアを合成する合成反応を促進する触媒を収容する反応器と、
前記反応器に導入される前記反応ガス中の窒素に対する水素の割合であるH2/N2比を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記触媒が活性化したとみなされる活性化温度まで前記触媒の温度を昇温させる活性化前運転時のH2/N2比を、前記触媒の温度が前記活性化温度に到達した後の活性化後運転時のH2/N2比とは異なる値に制御する、アンモニア合成システム。
an ammonia synthesis system for synthesizing ammonia,
A reactor containing a catalyst that facilitates a synthesis reaction for the synthesis of ammonia from a reaction gas containing hydrogen and nitrogen,
The reactor comprises a control unit that controls the H2 / N2 ratio, which is the ratio of hydrogen to nitrogen in the reaction gas introduced into the reactor,
An ammonia synthesis system, wherein the control unit controls the H2 / N2 ratio during pre-activation operation, in which the temperature of the catalyst is raised to an activation temperature at which the catalyst is considered to be activated, to a different value from the H2 / N2 ratio during post-activation operation after the temperature of the catalyst has reached the activation temperature.
請求項1に記載のアンモニア合成システムであって、
前記制御部は、前記活性化前運転時のH2/N2比を、前記活性化後運転時のH2/N2比よりも小さくなるよう制御する、アンモニア合成システム。
The ammonia synthesis system according to claim 1,
The control unit controls the H2 / N2 ratio during the pre-activation operation to be smaller than the H2 / N2 ratio during the post-activation operation, in an ammonia synthesis system.
請求項1または請求項2に記載のアンモニア合成システムであって、
前記制御部は、前記活性化前運転時に、
前記触媒よりも下流側にて検出される下流側アンモニア濃度が、前記触媒の温度から算出される平衡状態でのアンモニア濃度に所定割合を乗じた比較対象濃度よりも高い場合に、H2/N2比を増加させる増加制御を実行し、
2/N2比を増加させてから設定時間を経過した後の前記下流側アンモニア濃度が、最後の前記増加制御を行う契機となった前記下流側アンモニア濃度よりも高く、且つ、前記比較対象濃度よりも高くなるたびに、前記増加制御を追加で実行し、
2/N2比を増加させてから前記設定時間を経過した後の前記下流側アンモニア濃度が、最後の前記増加制御を行う契機となった前記下流側アンモニア濃度よりも低い場合、H2/N2比を最後の前記増加制御を行う前のH2/N2比に戻す減少制御を実行する、アンモニア合成システム。
An ammonia synthesis system according to claim 1 or claim 2,
The control unit, during the pre-activation operation,
When the downstream ammonia concentration detected downstream of the catalyst is higher than the comparison concentration obtained by multiplying the ammonia concentration at equilibrium, calculated from the temperature of the catalyst, by a predetermined ratio, an increase control is performed to increase the H2 / N2 ratio.
Each time the downstream ammonia concentration, after a set time has elapsed since increasing the H2 / N2 ratio, becomes higher than the downstream ammonia concentration that triggered the last increase control, and also higher than the comparison target concentration, the increase control is executed additionally.
An ammonia synthesis system that, if the downstream ammonia concentration after the set time has elapsed since increasing the H2 / N2 ratio is lower than the downstream ammonia concentration that triggered the last increase control, performs a decrease control to return the H2 / N2 ratio to the H2 /N2 ratio before the last increase control.
請求項1または請求項2に記載のアンモニア合成システムであって、
前記制御部は、前記反応器に導入される前記反応ガスの流量を制御し、
前記制御部は、前記活性化前運転時における前記反応ガスの流量を、前記活性化後運転時における前記流量よりも小さくなるよう制御する、アンモニア合成システム。
An ammonia synthesis system according to claim 1 or claim 2,
The control unit controls the flow rate of the reaction gas introduced into the reactor,
An ammonia synthesis system in which the control unit controls the flow rate of the reaction gas during the pre-activation operation to be less than the flow rate during the post-activation operation.
請求項1または請求項2に記載のアンモニア合成システムであって、さらに、
前記反応器から排出される反応後ガスを冷却する冷却器と、
前記冷却器を経ることなく前記反応後ガスを前記反応器の上流側に循環させる第1流路と、前記反応後ガスを前記冷却器に送る第2流路と、のいずれかに前記反応後ガスが流れる流路を切り替える流路切替部と、を備え、
前記制御部は、前記活性化前運転時に、
前記触媒の温度が前記活性化温度よりも低い温度の範囲内で設定された第1設定温度よりも低い場合、前記流路が前記第1流路になるよう前記流路切替部を制御し、
前記触媒の温度が前記第1設定温度以上である場合、前記流路が前記第2流路になるよう前記流路切替部を制御する、アンモニア合成システム。
An ammonia synthesis system according to claim 1 or claim 2, further comprising:
A cooler for cooling the post-reaction gas discharged from the reactor,
The system includes a first flow path that circulates the post-reaction gas to the upstream side of the reactor without passing through the cooler, and a second flow path that sends the post-reaction gas to the cooler, and a flow path switching unit that switches the flow path through which the post-reaction gas flows.
The control unit, during the pre-activation operation,
If the temperature of the catalyst is lower than a first set temperature set within a range of temperatures lower than the activation temperature, the flow path switching unit is controlled so that the flow path becomes the first flow path.
An ammonia synthesis system that controls the flow path switching unit so that the flow path becomes the second flow path when the temperature of the catalyst is equal to or higher than the first set temperature.
請求項1または請求項2に記載のアンモニア合成システムであって、
前記制御部は、前記活性化後運転時に、前記触媒の温度が前記活性化温度よりも高い温度の範囲内で設定された第2設定温度よりも高い場合、前記触媒の温度を低下させる温度低下制御を実行する、アンモニア合成システム。
An ammonia synthesis system according to claim 1 or claim 2,
The control unit, during post-activation operation, performs temperature reduction control to lower the temperature of the catalyst if the temperature of the catalyst is higher than a second set temperature set within a range of temperatures higher than the activation temperature, in an ammonia synthesis system.
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