毎週のテーマ：水素と窒素の比率をどう調整するか？（10/7----16/7）

数日前に水素炭素比について議論された人気の投稿がありましたので、私なりにまとめてみます。水素炭素比の選定は、通常運転時と非通常運転時に分かれます。通常運転時における水素炭素比の選定では、まず原料ガスの品質を考慮します。品質が非常に良い場合は塔後の放散は全く不要で、厳密に3:1で制御します。一方、塔後の放散が必要な場合は、各工場の実情に応じて、2.8～2.9で制御するところもあれば、3.1～3.3で制御するところもあります。個人的には2.8～2.9が適切だと考えています。 異常な運転状態下、例えば負荷の変動やタワーへの投入水素濃度が異常な場合は、一時的に水素炭素比を大幅に変更することができる。原則として、タワーへ供給されるガスの水素濃度を正常な値に戻す；例えば、新鮮ガスの量が多すぎたり、合成塔にアンモニアが混入したり、温度差が大きくなるなど、より深刻な状況では、一時的に新鮮ガスの供給を止め、システムを自己循環させたり、電気炉で保温を行ったりする必要があります。

参考答案　見てみても構いません。参考程度です。半水素ガスの水素と窒素の比率は、アンモニア合成の生産において重要な管理指標の一つです。水素と窒素の体積比が3：1のとき、アンモニアの平衡濃度は最大になる。水素と窒素のいずれか一方が過剰になると、反応に関与する窒素水素ガスの全ガス中での割合は減少する。通常、合成塔に供給されるガスの約80％は水素と窒素で占められている。循環ガス中の不活性ガスやアンモニアを除き、残った水素と窒素を3：1の比率で合成反応に用いる場合、水素はその75％、窒素は25％となる。水素が3％過剰な場合、水素と窒素の混合気中の水素含有量は78％、窒素含有量は22％となり、22％の窒素と反応するのは水素の66％のみである。したがって、反応に関与する水素と窒素の混合気は全体のガスの88％を占めることになる。水素と窒素の混合ガスにおいて窒素の含有量が3％過剰だと、その組成は窒素28％、水素72％となり、72％の水素は24％の窒素としか結合できないため、反応に関与する水素と窒素は96％となる。明らかに、窒素の過剰の方が水素の過剰よりもはるかに良い。 また、アンモニア合成反応の速度から見ると、非平衡状態において窒素の分圧を適切に上昇させることは、触媒による窒素の吸着速度に有利である。なぜなら、窒素の活性吸着がアンモニア合成反応過程における制御ステップだからである。水素と窒素のガス比率を「3」よりわずかに低くすることで、ガス中の窒素の分圧を高め、より多くの窒素が触媒表面に拡散し、吸着の機会が増えて合成率が向上する。合成率の向上により、圧縮機の電力消費もそれに応じて減少する。 水素と窒素の比率が高すぎると、合成反応に非常に悪影響を与えます。循環ガス中の水素が75％、不活性ガスが20％、窒素が5％の場合、5分の窒素は15％の水素としか反応せず、つまり反応に関与する成分は20％のみで、残りの80％のガスは反応しない。そのため合成率は著しく低下し、合成圧力は上昇し、放散量も増加する。大量の水素が放出されることでアンモニアの生産量に影響を及ぼすだけでなく、各種消費指標も上昇する。したがって、循環ガス中の水素と窒素の比率は2.4～2.8の間に抑えるのが適切である。しかし、水素と窒素のガスは3：1の比率でアンモニアに合成されるため、補充ガスの水素と窒素の比率も「3」が適している。

オンライン分析計により、循環ガス中の水素窒素比が2.8～2.9の範囲内かを確認し、範囲外の場合は新鮮ガスの水素窒素比を調整することで、循環ガスの水素窒素比を所定値にする。範囲内であれば、新鮮ガスの水素と窒素の比率を3：1に保てばよいのです！ タワー内のアンモニア濃度が基準を超えた場合は、まずサブラインを調整したり循環量を減らしたりしてベッド温度を維持し、同時に分離タンクの液面、アンモニア冷却器の液面、温度、圧力が目標範囲内にあるかを確認し、範囲内に抑える。もしアンモニア冷却器の圧力が範囲外であれば、冷凍機の容量を増やせばよい

1) 制御方式（Control Scheme）は、現場の工程および工場からの要求に基づき、3ループのシリアル制御方式を提案した。主回路（ARC6）は水素・窒素比制御回路であり、入力値は水素・窒素比の実測値、水素・窒素比の設定値はDCSが通信によって出力し、出力値は副回路の設定値となる； 副回路(ARC3)は低変出口の水素含有量を制御する回路で、入力値は低変出口の水素含有量であり、出力値は次副回路の給定値となる；次副回路(FRC3)は空気流量制御回路で、入力は空気流量であり、出力値は通信方式によって直接DCSに送られ、そこからDCSが現場の空気流量制御弁に送信する。同時に、フィードバック経路に大きな影響を与える3つの量をフィードフォワード量として提案する。現場の実際の状況によると、第1ループの遅延は約10～15分、第2ループの遅延は約20分、第3ループの遅延は非常に小さい。したがって、最初の2つのループではオーバーシュートしないように安定して調整を行い、かつフィードフォワードをサブループに加えることで、空気流量が迅速に調整されるようにする。 制御方式は図1に示す通りです。 図（4） 制御方式　Figure （4） Control Scheme
3つのループすべてでモデルレス制御方式が採用されており、サブループに加えられる3つのフィードフォワード量は、それぞれ原料油田ガスの流量（FRC!）、スペリソン戻り流量、および循環ガスの温度変化量（TD106）である。

オンライン分析計、手動分析、合成塔のホットスポット温度およびシステム圧力を用いて総合的に判断する

ご存知の通り、ガス製造から合成までの工程は長く、合成された水素の比率に変化が生じてからガス製造側で調整を行うと、しばしば大幅な遅れが生じます。したがって、変換後に水素含有量（当時は変換水素と呼んでいました）を測定し、このデータに基づいて水素窒素比を調整する方がはるかに良いのです。

異なる工程フローに対応する水素窒素比の調整手段もまた異なるはずである。例えば我々の工場では変換、炭化、メタノール、銅洗いの工程を採用しており、通常は変換工程およびメタノール出口の一酸化炭素を安定して制御すれば、合成水素の窒素比も安定し、大きく変動することはない。この場合、主にガス製造の調整制御が関係している；しかし、一酸化炭素の排出量が基準を超えると、メタノールの負荷が増加する。なぜなら、メタノールを合成する反応には大量の水素が必要だからである。これには通常、まずメタノールの温度が上昇し、次に合成に用いられる水素と窒素の比率が急激に低下し、合成反応の効率が悪くなるという現象が見られる；調整の過程において、水素回収を補助手段として；製ガス炉の状態が悪い場合、水素と窒素の比率を目標値内に調整するのは非常に難しい。

水素窒素比の調整は自己制御方式を採用し、ガスタンク出口、脱硫出口、浄化出口、合成入口、合成塔出口にはすべて水素計が設置されている。調整手段とは、上記のいくつかのパラメータを用いて送風段階の回収時間を調整することです。使用状況は基本的に安定しており、誤差が大きくなった場合は製ガス作業員が修正すればよい。水素窒素比の自己調整は、全生産システムが安定している状態で運用すると比較的安定し正常に機能するが、大きな変動が生じると水素窒素比の自己調整も誤差が生じやすくなる。合成工程においては、水素と窒素の比率に大きな偏差が生じた場合のみ、水素回収流量の調整を検討する（循環ガスの放流量を調整してガス組成を修正する目的で）。

異なる工程フローに対応する水素窒素比の調整手段もまた異なるはずである。例えば我々の工場では変換・脱炭・メタノール・メタンの工程を採用しており、通常は変換工程およびメタノール出口の一酸化炭素を安定して制御すれば、合成水素の窒素比も安定し、大きく変動することはない。この場合、主にガス製造の調整制御が関係している；しかし、一酸化炭素の排出量が基準を超えると、メタノールの負荷が増加する。なぜなら、メタノールを合成する反応には大量の水素が必要だからである。これには通常、まずメタノールの温度が上昇し、次に合成に用いられる水素と窒素の比率が急激に低下し、合成反応の効率が悪くなるという現象が見られる；調整の過程において、水素回収を補助手段として

返信 1# TH373637 水素・窒素比の調整原則は、送風段階で早期に煙突を閉じ（つまり回収する）ことで水素と窒素を回収することが主です。一時的な調整には、手動による吹き掃除を主とするか、窒素を添加する方法を用いるか、あるいは窒素の添加と吹き掃除・回収を組み合わせて考慮し、柔軟に活用する。窒素調整時の送風・回収の増減は、1台の炉に集中させないこと。生産が不安定なガスストーブは、できるだけ水素窒素比ストーブとしては使用しないようにしましょう。水素を調整する際には、外部の生産負荷や効果が現れるタイミングを把握しておく必要があります。負荷の増減や停止・停止による影響を先読みし、早期に適切に調整しなければなりません。ガスストーブの運転状況や原料の変動をタイムリーに把握し、炉の状態を安定させることで、半水炭化水素の安定供給を確保できる。循環水素の水素窒素比を制御するには、補給水素の変化から循環水素の変化を推定し、補給水素の安定軸を見出す必要があり、その軸付近で操作することで循環水素の安定が確保される。もちろん、この軸は相対的なものであり、アルコールとアンモニアの比率や生産負荷、不活性ガスの合成といった要因の変化に応じて変動します。水素が減少する要因は多く、炉温の低下、火層の不均一、ガスストーブの異常な動作、燃料層の凹みやひっくり返り、送風孔の問題、または局部的な過酸化状態などが原因で、水素は急速に減少する。また、送風負荷が減少したり、蒸気の使用量が不安定になったりすると、送風と洗浄が同時に行われて機器に故障が生じます。例えば、煙突バルブが開かない、閉まらない、二次空気バルブが閉まらない、開かない、または総蒸気が供給されないなどが原因で、水素の供給が不安定になることがあります。また、後工程の変換炉における一酸化炭素の転換率の変動や、脱炭ガス中の二酸化炭素濃度も水素の安定性に影響を与えます。したがって、水素と窒素の比率を制御するには、様々な状況を総合的に考慮し、先見の明を持って操作して、水素と窒素の比率をより安定したレベルに保つ必要がある。

これには、分析結果を参考にして水素と窒素の比率を調整する必要があり、操作時には水素と窒素の比率を2.85～2.95の範囲に保つと反応が最も良好になります。また、合成塔の圧力は15MPaです。

こちらでは2.0から2.4に抑えており、具体的な数値は合成反応次第です

浄化工程の運転状態が安定している場合、水素と窒素の比率も安定しており、大きな調整は必要なく、通常は2.9～3.0で管理されます。調整の原則は、微小幅で頻繁に調整し、水素と窒素の比率を最適な範囲に保つことです。

一定の負荷下で、塔圧は最も低く、循環量は最も少ない。この時の水素窒素比が最も適している。

工程の操作方法が異なれば、注目すべき点も異なります。しかし全体的に見て、水素と窒素の比率を調整する上で最も重要なのはまず安定さを保つことであり、大幅に調整したり、上昇のみや下降のみの調整は避けるべきです。指標の周りを行ったり来たりしながら調整し、指標の状況に基づいて回収時間の長さを判断するだけです。指標の変動が大きくても慌てる必要はなく、依然として上下動はありますが、その上下動の幅をうまくコントロールすることが重要です。後段の工程では、指標の状況に応じて適切に連携し、システム内に圧力が溜まらないようにしなければならない。（ガスがどうしても通過できない場合は、他の非通常的な手段を用いてガスの流速を上げることができる）また、ガスの成分がシステムによって意図的に変更されないようにする必要がある。この工程において水素と窒素の比率に影響を与える要因を特定し、それぞれの影響度や相互の影響関係を蓄積する。丁寧に積み重ね、連携を強化し、集中して操作すれば、指標はあなたの操作にますます従順になるでしょう。

損失を考慮しない場合、水素と窒素の比率は3でなければならず、これにより循環による蓄積が原因で塔内のガスの水素・窒素比率が乱れるのを防ぐことができる。また、液安中では窒素の溶解度が水素よりも高いため、循環による蓄積が原因で水素・窒素比率が乱れるのを防ぐためには、循環ガス中の水素・窒素比率を3よりわずかに低くし、同時に一定量の過剰な窒素を維持する必要がある。圧力が比較的低い合成システムでは水素と窒素の損失が少ないため、水素窒素比はできるだけ3に近づける必要がある。水素窒素比の不均衡がそれほど深刻でない場合は、直ちに新鮮ガスの水素窒素比を逆方向に調整し、同時に循環ガスの排出バルブを適宜開いて余分な水素と窒素を排出することで置換する。さらに、触媒層の温度を安定させるために、一段目の触媒層への入気温度を上げる必要がある。水素と窒素の比率が高い場合は、合成ガス圧縮機のサージ防止弁をさらに開き、回転速度を調整して、合成ガス圧縮機のサージを防ぐ必要がある。

水素と窒素の供給源を直接探す。 水素：一部は製ガス炉から、もう一部は変換工程から来る。 窒素：製ガス工程から。一般的に水素と窒素の比率は窒素の量で調整され、主に上方から窒素を吹き込む時間によって制御される；水素の場合、送風による回収量を調整できるのでしょうか。 私はそう思っているよ、へへ！

ブラウン法は、冷却浄化工程によってH/N比を調整し、一般的には3:1となります。具体的な制御値は触媒の活性に応じて決定されます。

学んだ：):)大変役立った

合成アンモニアに初めて触れ、学んでいるところです*