BR112012003424B1 - aparelho para a decomposição de carbamato de amônio em uma seção de síntese de ureia de uma planta de extraçao de ureia e método de modificação do referido aparelho" - Google Patents

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Abstract

aparelho para a decomposição de carbamato de amônio não convertido em soluções de ureia em um processo de síntese de ureia a presente invenção refere-se a um aparelho utilizado para a decomposição de carbamato de amônio não convertido em uma solução de ureia fornecida em uma seção de síntese de extração de ureia. o aparelho compreende um certo número de tubos de permutação de calor entre uma câmara superior e uma câmara inferior, um distribuidor de líquidos montado em cada tubo permutador de calor e um separador de gás/líquido em conjunto com um cesto perfurado no centro da câmara superior.

Description

Ureia pode ser preparada através da introdução de um excesso de amônia em conjunto com dióxido de carbono a uma pressão entre 12 e 40 MPa e a uma temperatura entre 150 e 250°C para uma seção de síntese de ureia. A formação de ureia resultante pode ser apresentada sob a forma de dois passos de reação consecutivos, em um primeiro passo carbamato de amónio sendo formado de acordo com a reação exotérmica I:
2NH3 + CO2 H2N - CO - ONH4 (I) depois do que o carbamato de amônio formado é desidratado em um segundo passo para dar ureia de acordo com a reação de equilíbrio endotérmica II:
H2N-CO-ONH4 bH2N-CO-NH2+ H2O (II)
Até o ponto em que estas reações têm lugar, depende, entre outras coisas, da temperatura e do excesso de amônia utilizado. O produto de reação é obtido sob a forma de uma solução de ureia compreendendo tipicamente ureia, água, amônia desacoplada e carbamato de amônio. O carbamato de amônio e a amônia são removidos da solução e são, de preferência, retornados para a seção de síntese da ureia. Em adição à solução acima mencionada na seção de síntese de ureia, uma mistura de gás é formada, que consiste em amônia e dióxido de carbono não convertido em conjunto com gases inertes, o assim chamado off-gas do reator químico. A seção de síntese de ureia pode compreender zonas separadas para a formação de carbamato de amônio e ureia. Estas zonas podem também ser combinadas em um único aparelho.
Uma planta de extração de ureia é entendida como sendo uma planta de ureia em que a decomposição de carbamato de amônio que não tenha sido convertido em ureia e a expulsão do excesso de amônia habitual em grande parte tem lugar a uma pressão que é essencial mente quase igual à pressão no reator de síntese. Esta decomposição e expulsão ocorrem em
Petição 870180034688, de 27/04/2018, pág. 14/17
2/7 um ou mais decapantes instalados a jusante da seção de síntese de ureia, possivelmente com o auxílio de um gás de extração, tal como, por exemplo, dióxido de carbono e/ou amônia, e com a adição de calor. É também possível usar um decapante térmico. Decapagem térmica significa que seja utilizado exclusivamente o fornecimento de calor para decompor carbamato de amônio e para remover a amônia e dióxido de carbono da solução de ureia. A corrente de gás que deixa o decapante térmico contendo amônia e dióxido de carbono é condensada em um condensador de alta pressão e depois retornada para a seção de síntese da ureia.
Em uma planta de extração de ureia a zona de síntese é operada a uma temperatura de 160 - 240 0 C e de preferência a uma temperatura de 170 - 220 0 C. A pressão no reator de síntese é de 12 - 21 MPa, de preferência de 12,5 - 20 MPa. A proporção molar de amônia para dióxido de carbono (razão N/C) na seção de síntese de ureia de uma planta de extração encontra-se geralmente entre 2,2 e 5 e de preferência entre 2,5 e 4,5 mol/mol. A seção de síntese pode ser um reator único ou uma pluralidade de reatores dispostos em paralelo ou em série.
Após a decapagem, a pressão da solução de ureia extraída é reduzida na recuperação de ureia e a solução de ureia é concentrada através da evaporação de água. O fluxo de carbamato produzido formado em uma seção de recuperação operando a uma menor pressão do que a pressão na seção de síntese de ureia, é, de preferência retornado para a seção de síntese da ureia. A seção de recuperação pode consistir em uma única seção ou uma pluralidade de seções de recuperação dispostas em série.
Um método frequentemente usado para a preparação de ureia de acordo com um processo de extração é o processo de extração de amônia Snamprogetti como, por exemplo, descrito na Patente número 1.188.051, publicada em 15 de Abril de 1970. Em tal processo de extração de ureia, a diferença de pressão entre o reator e o extrator de alta pressão é normalmente entre 0,1 e 5 MPa e de preferência entre 0,5 e 0,2 MPa. Uma alimentação de dióxido de carbono nesse método é geralmente completamente adicionada ao reator. A alimentação de dióxido de carbono contém um vapor
3/7 inerte e, muitas vezes o ar é fornecido para que o dióxido de carbono mantenha os materiais utilizados na síntese resistentes contra a corrosão excessiva. A solução de ureia que deixa o reator contendo água, ureia e carbamato de amônio não convertido em conjunto com o vapor inerte que contém amônia e dióxido de carbono gasoso não convertidos é fornecido após fluir para um extrator de alta pressão. Um extrator de alta pressão é um permutador de calor que compreende uma carcaça e um ou mais tubos. A partir da carcaça, é fornecido vapor que proporciona o calor necessário requerido para a reação de decomposição de carbamato de amônio em amônia e vapor de dióxido de carbono. Na parte superior dos tubos, a solução de ureia é adicionada e o líquido flui como uma película de líquido ao longo do tubo para o canal inferior do extrator. O vapor libertado pela decomposição da reação de carbamato de amônio deixa os tubos permutadores de calor na parte superior. É possível que o gás de extração seja adicionado na parte inferior dos tubos permutadores de calor, a fim de melhorar a eficiência de decomposição. É também possível que o ar seja fornecido na parte inferior do permutador de calor para proteger o material do lado do processo do aparelho contra a corrosão excessiva. Corrosão excessiva é entendida como sendo dano severo ao material de construção.
A presente invenção refere-se a um aparelho para a decomposição de carbamato de amônio em uma seção de síntese de ureia ou de uma planta extração de ureia compreendendo um número de tubos de permutação de calor entre uma câmara superior e uma câmara inferior.
O requerente descobriu um aparelho, também chamado um extrator de alta pressão, que otimiza a distribuição de líquidos sobre os tubos permutadores de calor a fim de melhorar o desempenho do extrator de alta pressão. Extratores de alta pressão de estado da arte sofrem frequentemente de uma corrosão excessiva dos tubos permutadores de calor, assim como de uma diminuição na eficiência da decomposição de carbamato de amônio. Uma diminuição da eficiência leva a uma quantidade excessiva de carbamato de amônio passando do extrator de alta pressão para a seção(ões) de recuperação a jusante, causando limitações de capacidade da planta e/ou
4/7 emissões de amônia em excesso.
Este problema é resolvido pelo aparelho da presente invenção em que a câmara superior compreende um separador de gás/líquido. Um separador de gás/líquido na câmara superior do extrator de alta pressão separa a fase gás da fase líquida antes que ocorra a distribuição de líquidos sobre os tubos de permutação de calor do extrator. Os tubos permutadores de calor são fornecidos com um distribuidor de líquido que permite igualmente carregar cada tubo de permutação de calor com solução de ureia.
Surpreendentemente, isto resulta em o líquido ser uniformemente distribuído ao longo dos tubos de permutação de calor desse extrator, evitando assim a corrosão excessiva desses tubos e causando ótima eficiência de remoção.
Em uma modalidade preferida da invenção, a câmara superior compreende ainda um cesto de distribuição líquido perfurado no centro da câmara superior do aparelho.
Através do referido cesto perfurado de distribuição de líquidos uma ainda melhor distribuição de líquidos sobre os tubos de permutação de calor é obtida.
Preferivelmente, o separador de gás/líquido é um de tipo tangencial ou tipo ciclone.
O separador gás/líquido e ou o cesto de distribuição podem ser feitos de vários materiais como o aço inoxidável, titânio, ou de material bimetálico de zircônio. De preferência, o material é um ferrite/austenite como por exemplo, descrito na Patente dos EUA Número 5582656.
A invenção será explicada em maior detalhe a seguir, utilizando os desenhos.
A figura 1 é um diagrama esquemático descrevendo um processo estado da arte de extração de ureia.
A figura 2 mostra um exemplo de uma distribuição de líquidos sobre os tubos permutadores de calor de acordo com a invenção.
A figura 3 mostra um exemplo do canal superior do aparelho de acordo com a invenção.
5/7
Na figura 1 o dióxido de carbono é adicionado ao reator (1)) na seção de síntese de ureia do processo de extração de ureia através de (11). O dióxido de carbono pode conter um gás inerte, tipicamente ar para evitar a corrosão excessiva. No reator (1) a reação de hidratação de carbamato de amônio em ureia tem lugar. A reação é tipicamente realizada a uma pressão entre 14 MPa e 18 MPa, mas são possíveis outras pressões da mesma forma. A solução de ureia formada, tendo uma temperatura de 175 ° C a 190 0 C, juntamente com o vapor inerte são enviados para o extrator (4) através de uma linha de duas fases (13). Nessa linha (13) geralmente uma válvula é instalada para assegurar uma diferença de pressão de cerca de 0,2 a 2 MPa entre o reator (1) e o extrator (4), permitindo que a solução de ureia a ser escorrida. No extrator (4) tem lugar a decomposição de carbamato de amônio não convertido. Um extrator de alta pressão compreende tipicamente uma carcaça e tubo tipo trocador de calor. Calor é adicionado por meio de vapor saturado (23) com uma pressão entre 1 MPa e 3 MPa na parte da carcaça desse permutador de calor para fornecer o calor necessário para a reação de decomposição. A solução de ureia extraída deixa a zona de síntese para uma ou mais seção(ões) de processamento a jusante através da linha de líquido (15).
O vapor, deixando o extrator (4) através da linha (14) é enviado para um condensador de carbamato (3) na seção de síntese da ureia. O carbamato de amônio formado na(s) seção(ões) de recuperação à jusante é re-introduzido na seção de síntese através da linha (20) através do condensador de carbamato (3). O calor liberado pela reação de carbamato de amônio (I) é geralmente utilizado para produzir vapor que é usado, por exemplo, nos aquecedores e ejetores nas seções de processamento a jusante da planta de extração de ureia. O condensador de carbamato (3) pode ser um condensador do tipo película descendente, um condensador de tipo chaleira, bem como um condensador de tipo submerso.
O carbamato de amônio formado em conjunto com o amônia não convertida e gás dióxido de carbono, são enviados através da linha (16) para um separador de líquido/gás (2) no qual a fase vapor é separada da fase
6/7 líquida. A fase vapor deixa a zona de síntese através da linha (18) e geralmente é enviada para a(s) seção(ões) de recuperação a jusante, que operam a uma pressão mais baixa do que a seção de síntese. A fase líquida, que contém carbamato de amônio, água, amônia e dióxido de carbono dissolvido e, em alguns casos, ureia é enviado através da linha (17) para um ejetor de amônia de alta pressão (5). O ejetor de amônia de alta pressão (5) aumenta a pressão do referido líquido, em cerca de 0,2 a 2 MPa. Como uma força motriz, amônia introduzida através de (19) é usado. A amônia pode ser aquecida antes de ser usada como a força motriz para o ejetor (5). O carbamato de amônio formado em conjunto com a amônia é enviado através da linha (12) para o reator (1) onde a reação de síntese de ureia tem lugar até que se aproxima do equilíbrio descrito na reação (II). A proporção molar de amônia para dióxido de carbono na zona de síntese é tipicamente entre 2,2 e 5 e, mais especificamente entre 2,5 e 4.
A figura 2 mostra um exemplo da câmara superior do aparelho de acordo com a invenção.
A mistura de gás e solução de ureia a partir do reator de ureia (1) na seção de síntese entra no canal superior do reator através de um tubo (13) ligado a um separador de gás/líquido (6). Este separador de gás/líquido (6) é, de preferência, do tipo tangencial ou tipo ciclone. No separador de gás/líquido (6), a fração de gás é separada da fração líquida. A fração gás deixa o separador de gás/líquido no topo através do tubo (14) que está ligado à parte superior da câmara superior. A fração líquida é descarregada através de (21) para o cesto perfurado de distribuição de líquido (7) a partir de onde o líquido é distribuído ao longo do diâmetro da seção transversal da câmara superior, criando assim um nível de líquido (40) acima dos distribuidores de líquido (50). Via os distribuidores de líquido (50) cada tubo permutador de calor (10) é carregado com uma solução de ureia de forma igual. O vapor, liberado pela decomposição do carbamato de amônio na solução de ureia, deixa o tubo permutador de calor (10) através do tubo de gás (8) para a parte superior da câmara superior. Esse vapor em conjunto com o gás a partir do separador de gás/líquido (6) deixa o extrator através de um bocal
7/7 (não mostrado) e tubo (14) para a parte de processamento na seção de síntese de ureia.
A figura 3 mostra um exemplo de uma modalidade da distribuição de líquidos sobre os tubos de permutação de calor de acordo com a invenção.
Líquido (21) a partir do separador de gás/líquido entra no cesto de distribuição de líquido (7), que está localizado no centro da câmara superior do extrator. Para assegurar um nível constante de líquido acima da camada de tubo (9), o cesto pode ser provido com um certo número de furos ou pode ser constituído por uma moldura com uma gaze de malha fina. O cesto faz com que o líquido seja dividido igualmente sobre a área em corte transversal da câmara superior do extrator. O desempenho de extração é ótimo caso a carga de líquido em cada tubo de permutação de calor seja igual. De acordo com a invenção isto é realizado através da criação e assegurando uma cabeça estática h1 constante de líquido acima do distribuidor de líquido (50 para cada tubo de permutação de calor (10). A diferença entre as cabeças estáticas em cada um dos distribuidores de líquido (50) ao longo do corte transversal do diâmetro do canal superior deve ser inferior a 200 mm e preferivelmente a diferença não é mais do que 100 mm. Para obter uma tão pequena quanto possível diferença entre as cabeças estáticas sobre os distribuidores de líquido (50), o cesto de distribuição de líquido d é perfurado com 1 a 6 furos líquidos e preferivelmente de 2 a 4 furos líquidos. O diâmetro dos orifícios no distribuidor de líquido é de 1 a 4 mm e 2 a 3 mm preferivelmente.
O vapor formado no tubo de permutação de calor (10), provocado pela decomposição de carbamato de amônio em amônia e dióxido de carbono e, se aplicável um gás adicional de extração, deixa o tubo de permutação de calor (10) através do tubo de gás (30). O extrator é concebido de tal forma que o nível de líquido em todas as circunstâncias é menor do que o comprimento dos tubos de gás (8). Isto pode ser obtido através da variação do tamanho dos distribuidores de líquido (50).

Claims (5)

1. Aparelho para a decomposição de carbamato de amônio em uma seção de síntese de ureia de uma planta de extração de ureia compreendendo um número de tubos permutadores de calor entre uma câmara superior e uma câmara inferior, em que a câmara superior compreende um separador de gás/líquido para receber uma mistura de gás e solução de ureia de um reator de ureia, e em que cada tubo permutador de calor é fornecido com um distribuidor de líquido, caracterizado pelo fato de que o aparelho compreende ainda um cesto perfurado de distribuição de líquido no centro da câmara superior do aparelho para receber uma fração líquida descarregada do referido separador de gás/líquido e para distribuir a referida fração ao longo do diâmetro da seção transversal da câmara superior, criando assim um nível de líquido acima dos distribuidores de líquido, em que os distribuidores de líquido estão dispostos para carregar cada tubo permutador de calor com solução de ureia de forma igual.
2. Aparelho, de acordo com reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o cesto de distribuição de líquido é perfurado com orifícios com um diâmetro de 1 - 4 mm e preferencial mente com um diâmetro de 2 - 3 mm ou que o cesto é fabricado em um quadro de gaze de malha.
3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o separador de gás/líquido e/ou cesto de distribuição são feitos de aço inoxidável, titânio ou zircônio ou de preferência um material de ferrita/austenita.
4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o separador de gás/líquido é um do tipo tangencial ou tipo ciclone.
5. Método de modificação de um aparelho existente para a decomposição de carbamato de amônio em uma seção de síntese de ureia de uma planta de extração de ureia compreendendo um número de tubos permutadores de calor entre uma câmara superior e uma câmara inferior em um aparelho como definido na reivindicação 1, sendo o referido método caracterizado pelo fato de que compreende modificar a câmara superior adicionando um separador de gás/líquido e/ou um cesto perfurado de
Petição 870180034688, de 27/04/2018, pág. 15/17
2/2 distribuição de líquido de tal modo que a câmara superior modificada compreende um separador de gás/líquido e um cesto perfurado de distribuição de líquido no centro da câmara superior do aparelho para receber uma fração líquida descarregada do referido separador de gás/líquido e para 5 distribuir a referida fração ao longo do diâmetro da seção transversal da câmara superior, criando assim um nível de líquido acima dos distribuidores de líquido, e de modo que cada tubo permutador de calor é provido com um distribuidor de líquido, em que os distribuidores de líquido estão dispostos para carregar cada tubo permutador de calor com solução de ureia de forma 10 igual.
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