BR112013028103B1

BR112013028103B1 - Processo integrado para produzir nitrato de amônio

Info

Publication number: BR112013028103B1
Application number: BR112013028103-0A
Authority: BR
Inventors: Anthony Matthew Johnston; Brian Scott Haynes
Original assignee: The University Of Sydney; Yara International Asa
Priority date: 2011-05-16
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2020-03-03
Also published as: US20130149230A1; AU2011353511B1; PT2709953T; HUE034639T2; EP2709953A1; HRP20171663T1; EP2709953A4; DK2709953T3; RS56478B1; PL2709953T3; EP2709953B1; SI2709953T1; AR084075A1; LT2709953T; CA2830952C; BR112013028103A2; US8628745B2; CA2830952A1; WO2012155173A1; RU2013153498A

Abstract

resumo patente de invenção: "processo integrado para produzir nitrato de amônio". a presente invenção refere-se a um processo para produzir nitrato de amônio em que: a) uma alimentação de oxidante gasoso composta pelo menos substancialmente por amônia, vaporização e um gás oxidante é exposta a condições em que a amônia é oxidada para produzir uma mistura de reação que inclui monóxido de nitrogênio e vapor de água, b) a mistura de reação é resfriada em um trocador de calor através do qual o monóxido de nitrogênio é oxidado, o vapor de água é condensado e os produtos da oxidação de monóxido de nitrogênio reagem com e são absorvidos pela água condensada para formar uma corrente de ácido nítrico, sendo que substancialmente todo o monóxido de nitrogênio na mistura de reação é convertido em ácido nítrico, e c) a corrente de ácido nítrico é reagida com uma corrente de amônia em um estágio de produção de nitrato de amônio para formar o nitrato de amônio. substancialmente toda a vaporização dentro da alimentação de oxidante é derivada do estágio de produção de nitrato de amônio, e pelo menos 10% da amônia dentro da alimentação de oxidante são derivados e transportados pela vaporização do estágio de produção de nitrato de amônio. é também revelado nitrato de amônio, em qualquer de suas várias formas possíveis, quando produzido pelo processo revelado.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para PROCESSO INTEGRADO PARA PRODUZIR NITRATO DE AMÔNIO. CAMPO DA TÉCNICA DA INVENÇÃO [001] A presente invenção refere-se a um processo para produzir nitrato de amônio e que integra a produção de ácido nítrico com a produção de nitrato de amônio.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO [002] O Pedido de Patente Internacional n° PCT/AU2011/001556, datado de 01/12/2011, com base no Pedido de Patente Provisório n° 2010905289, depositado na Austrália em nome de Optint Pty Limited e Universidade de Sidnei em 01 de dezembro de 2010, revela um processo integrado para a produção de nitrato de amônio em que:

a) uma alimentação de oxidante gasoso composta pelo menos substancialmente por amônia, vaporização e um gás oxidante é exposta a condições em que a amônia é oxidada para produzir uma mistura de reação que inclui monóxido de nitrogênio e vapor de água,

b) a mistura de reação é resfriada em um trocador de calor através do qual o monóxido de nitrogênio é oxidado, o vapor de água é condensado e os produtos da oxidação de monóxido de nitrogênio reagem com e são absorvidos pela água condensada para formar uma corrente de ácido nítrico, e

c) a corrente de ácido nítrico é reagida com uma corrente de amônia para formar o nitrato de amônio.

[003] Conforme revelado no Pedido de Patente citado, as correntes separadas da amônia são alimentadas aos estágios de produção de ácido nítrico e nitrato de amônio. Além disso, em uma modalidade do processo revelado, a vaporização que é gerada no curso da concentração de uma solução de nitrato de amônio no estágio de produção de nitrato de amônio é transferida para o estágio de produção de ácido nítrico para formar pelo menos uma porção do componente de

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 20/59

2/32 vaporização da alimentação de oxidante ou para formar uma porção de um componente de água ou vaporização de uma alimentação de partida da qual a alimentação de oxidante é derivada. Conforme adicionalmente revelado em uma modalidade, um pequeno excesso de amônia pode ser suprido ao estágio de produção de nitrato de amônio (para os propósitos de minimizar a corrosão do evaporador e supressão da pressão parcial de ácido nítrico no espaço de vapor do evaporador) e, como consequência, uma pequena quantidade de amônia (substancialmente menos que 10% do componente de amônia da alimentação de oxidante) podem ser alimentados ao estágio de produção de ácido nítrico com a vaporização.

[004] Os presentes inventores determinaram agora que, por alimentação de um excesso substancial (isto é, pelo menos 10%) de amônia ao estágio de produção de nitrato de amônio, o tamanho do reator de nitrato de amônio pode ser reduzido, conforme possa ser o requisito de precisão de mistura para reação completa do ácido nítrico. Além disso, foi determinado que o excesso substancial de amônia pode ser usualmente alimentado do estágio de produção de nitrato de amônio para o estágio de produção de ácido nítrico em uma alimentação de vaporização que compreende substancialmente toda aquele exigido pelo estágio de produção de ácido nítrico.

[005] Conforme também revelado no Pedido de Patente, o constituinte de gás oxidante da alimentação de oxidante compreende um gás que contém mais de cerca de 80% de oxigênio. No entanto, os presentes inventores determinaram agora que o gás oxidante pode compreender ar ou outra mistura de gás oxidante que é menos rica que 80% de oxigênio; aceitando-se que o volume de absorção-reação será substancialmente maior, mas sendo que o mesmo é compensado pelo potencial para custo substancialmente reduzido de emprego de um gás oxidante rico em oxigênio.

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 21/59

3/32

SUMÁRIO DA INVENÇÃO [006] A presente invenção pode ser definida de modo a fornecer um processo para produzir nitrato de amônio em que:

b) a mistura de reação é resfriada em um trocador de calor através do qual o monóxido de nitrogênio é oxidado, o vapor de água é condensado e os produtos da oxidação de monóxido de nitrogênio reagem com e são absorvidos pela água condensada para formar uma corrente de ácido nítrico, sendo que substancialmente todo o monóxido de nitrogênio na mistura de reação é convertido em ácido nítrico,

c) a corrente de ácido nítrico é reagida com uma corrente de amônia em um estágio de produção de nitrato de amônio para formar o nitrato de amônio,

d) pelo menos 80% da vaporização dentro da alimentação de oxidante são derivados do estágio de produção de nitrato de amônio, e

e) pelo menos 10% da amônia dentro da alimentação de oxidante são derivados e transportados pela vaporização do estágio de produção de nitrato de amônio.

[007] A presente invenção pode ser também definida de modo a fornecer nitrato de amônio (em qualquer uma de suas várias formas possíveis) quando produzido pelo processo acima.

[008] Conforme empregado acima e nas seguintes definições da invenção, o termo gás oxidante deve ser entendido como incluindo ou outra mistura de gás oxidante ou, de modo desejável, um gás que contém mais de cerca de 80% e mais desejavelmente acima de 95% de oxigênio.

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 22/59

4/32 [009] Além disso, por substancialmente todo o monóxido de nitrogênio nas definições acima e seguintes da invenção quer-se dizer uma quantidade de monóxido de nitrogênio maior que 90%, desejavelmente maior que 95% e, mais desejavelmente, até um nível que se aproxima o máximo possível de 100% do mesmo presente na mistura de reação. Quando a conversão dentro do trocador de calor ocorre em um nível mais baixo que aquele que é mais desejado, o processo de reação-absorção pode ser continuado em um vaso ou tubo de reatorabsorvedor, com ou sem troca de calor. Assim, a conversão próxima a 10% no trocador de calor não é essencial devido ao fato de que o processo de reação-absorção pode ser continuado, além daquele que ocorre no trocador de calor, em um reator-absorvedor adiabático subsequente, embora em uma extensão limitada. Ou seja, sabe-se que temperaturas mais altas são deletérias à conversão e absorção de monóxido de nitrogênio e, na extensão que a subsequente reaçãoabsorção é tomada sem perda de calor, elevações de temperatura substanciais podem ocorrer na corrente de reação. Por exemplo, a progressão de 99% a 100% de conversão de monóxido de nitrogênio ser perda de calor poderia acarretar uma elevação de temperatura da ordem de 2,5 °C, enquanto a progressão de 90% a 100% de conversão poderia acarretar um aumento de temperatura de 24 °C.

[0010] Além disso, o termo concentração conforme usado dentro deste relatório descritivo deve ser entendido como significando:

[0011] no contexto de soluções aquosas - a porcentagem de soluto puro (por exemplo, nitrato de amônio ou ácido nítrico) em uma solução em uma base de peso/peso; e [0012] no contexto de misturas gasosas - a porcentagem de componente puro (por exemplo, oxigênio) em uma mistura em uma base de volume/volume.

[0013] A vaporização derivada do estágio de produção de nitrato

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 23/59

5/32 de amônio desejavelmente compreende entre 80% e 100% do componente de vaporização da alimentação de oxidante gasoso e mais desejavelmente compreende cerca de 100% do componente de vaporização da alimentação de oxidante gasoso. Quando menos que 100% da vaporização são derivados do estágio de produção de nitrato de amônio, o saldo da vaporização necessária será derivado de uma fonte separada.

[0014] Enquanto a amônia derivada do estágio de produção de nitrato de amônio pode ser tão baixa quanto 10%, a mesma será desejavelmente um componente substancialmente maior e pode compreender pelo menos 80% do componente de amônia da alimentação de oxidante gasoso, sendo que o saldo da alimentação de amônia necessária é derivado de uma fonte externa de amônia. No entanto, a amônia derivada do estágio de produção de nitrato de amônio desejavelmente compreende entre 80% e 100% do componente de amônia da alimentação de oxidante gasoso e mais desejavelmente compreende cerca de 100% do componente de amônia da alimentação de oxidante gasoso. No último caso e conforme descrito em seguida neste relatório descritivo, a amônia será alimentada ao estágio de produção de nitrato de amônio, de uma fonte externa, em uma quantidade aproximadamente igual à quantidade total a ser consumida no estágio de produção de nitrato de amônio e no estágio de produção de ácido nítrico. Essa será ligeiramente mais que o dobro da quantidade a ser consumida no estágio de produção de nitrato de amônio.

[0015] O ácido nítrico produzido dentro do processo definido acima será inerentemente diluído. O ácido nítrico terá, por exemplo, uma concentração da ordem de 20% a 50%, dependendo da quantidade de água que está contida na mistura de reação e na composição do gás oxidante. Como consequência, nesse caso, o nitrato de amônio produzido pela reação inicial do ácido nítrico diluído e amônia no estágio de

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 24/59

6/32 produção de nitrato de amônio também representará uma fração ponderai relativamente baixa (por exemplo, da ordem de 30% a 60%) da corrente de produto de reação (que pode ter duas fases), mas a solução de nitrato de amônio na fase líquida resultante pode ter a concentração elevada (por exemplo, a um nível da ordem de 75% a 85%) por adição de calor, (que pode ser derivado do estágio de produção de ácido nítrico conforme descrito abaixo), para remover a água em excesso.

[0016] O calor para concentrar a solução de nitrato de amônio na corrente de produto de reação mencionada acima pode ser transferido ao estágio de produção de nitrato de amônio por troca de calor direta entre a mistura de reação (que é derivada de oxidação de amônia dentro do estágio de produção de ácido nítrico) e a corrente de produto de reação de duas fases ou por troca de calor indireta entre os dois estágios com o uso de um laço de acoplamento intermediário de um meio de transferência de calor tal como água ou vaporização/água. Tal calor pode ser também derivado do calor de reação entre a amônia e o ácido nítrico e/ou de uma fonte externa.

[0017] Em uma modalidade da presente invenção, a vaporização e a amônia para a alimentação de oxidante são derivadas de um dispositivo separador de fase associado a um evaporador de solução de nitrato de amônio dentro do estágio de produção de nitrato de amônio. A separação de fase de líquido-vapor pode ser auxiliada dentro do dispositivo separador de qualquer uma das várias formas possíveis, incluindo por precipitação eletrostática ou pelo emprego de um dispositivo desnebulizador para auxiliar a remoção de gotículas de líquido que contêm nitrato de amônio. No último caso, o dispositivo desnebulizador pode (mas não precisa necessariamente) ser aspergido com água ou outro líquido para evitar a produção de sólidos de nitrato de amônio. Se água ou outro líquido for empregado, o mesmo pode ser derivado

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 25/59

7/32 ou de uma fonte externa ou de dentro do próprio estágio de produção de nitrato de amônio.

[0018] Em uma modalidade adicional da invenção, pelo menos dois evaporadores de solução de nitrato de amônio e dispositivos separadores associados respectivos podem ser incorporados no estágio de produção de nitrato de amônio, assim a vaporização e a amônia para a alimentação de oxidante podem ser derivadas de um primeiro dos separadores e pelo menos uma porção de (adicional) vaporização do segundo dos separadores pode ser condensada para formar uma corrente de líquido a ser empregada como água de lavagem para o(s) dispositivo(s) desnebulizador(es) em um ou outro ou ambos os dispositivos separadores de fase.

[0019] Em uma modalidade alternativa em que a água de lavagem pode ser necessária, um único evaporador de solução de nitrato de amônio pode ser empregado e a vase de vapor de um separador (único) associado ser dividida em duas correntes, uma para compreender a alimentação de oxidante e a outra para ser condensada para emprego como alimentação de água de lavagem, a última das quais pode conter uma concentração significante de amônia dissolvida.

[0020] Com a integração de várias modalidades possíveis (opcionais) da presente invenção, um processo integrado pode ser atingido em que, em estado estável:

a) As duas únicas alimentações de material ao processo são amônia e um gás oxidante, desejavelmente um gás que contém pelo menos 80% de oxigênio, mas, como uma alternativa, ar. A vaporização de lastro e a água de lavagem (se empregada) usada no processo são geradas por reações químicas dentro do próprio processo e saem como (parte do) o produto final.

b) Não há, como consequência de (a), necessidade de uma alimentação de água, e nenhuma corrente de efluente ou água conta

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 26/59

8/32 minada precisa ser produzida; embora a partida possa requerer algumas alimentações temporárias e efluente.

c) O processo integrado é autossuficiente em calor.

d) Quando o gás oxidante compreende oxigênio, não haverá corrente de efluente substancial, outra que a corrente de produto e uma corrente de gás residual que é composta principalmente de constituintes outros que oxigênio inicialmente presente na corrente de gás oxidante e oxigênio em excesso; embora, quando o gás oxidante compreende ar, haverá uma corrente de efluente de gás residual substancial que contém o nitrogênio originalmente presente no ar.

e) Se dois evaporadores e alimentações de água de lavagem forem empregados, o fluxo de lastro de vaporização direcionado ao oxidante pode ser ajustado alterando-se o saldo de carregamento de calor entre os dois evaporadores, com, por exemplo, um aumento no fluxo de lastro de vaporização sendo acompanhado por uma diminuição correspondente no fluxo de água de lavagem.

[0021] A vaporização na alimentação de oxidante contribui para manter a mistura de amônia e oxigênio abaixo do limite explosivo e para moderar a elevação de temperatura durante a oxidação de amônia, assim como para funcionar, quando condensada, para absorver os produtos da oxidação de monóxido de nitrogênio.

[0022] O trocador de calor que é empregado no processo de absorção no estágio de produção de ácido nítrico pode compreender qualquer tipo de trocador de calor que forneça transferência de calor de um fluido de processo (na presente invenção, a mistura de reação) a um fluido refrigerante; por exemplo, um trocador de do tipo carcaçae-tubo, um trocador de calor do tipo circuito impresso, um trocador de calor do tipo placa ou um trocador de calor do tipo de ventilação forçada. As passagens de fluxo de fluido dentro do trocador de calor desejavelmente têm uma dimensão de corte transversal pequena (por

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 27/59

9/32 exemplo, menor que cerca de 3 mm e desejavelmente menor que cerca 2 mm de diâmetro equivalente) fim de auxiliar uma transferência de massa e facilitar a compacidade do trocador de calor. Além disso, dependendo das exigências de processamento, um único trocador de calor pode ser empregado ou dois ou mais trocadores de calor podem ser conectados em paralelo ou em série e as expressões um trocador de calor e o trocador de calor conforme empregadas neste relatório descritivo devem ser entendidas nesse contexto. O fluido de refrigerante pode compreender um gás, por exemplo, ar forçado por ventoinha, ou um líquido tal como água.

[0023] O emprego inovador do trocador de calor para concluir a absorção no estágio de absorção (como distinto do emprego nos processos da técnica anterior de uma torre de absorção de contra corrente) resulta na produção de ácido nítrico relativamente diluído. Tal ácido tem pressões de vapor de equilíbrio baixas de ácido nítrico e gases nitrosos, isso obvia a necessidade de contato de contra corrente para atingir a absorção completa desses componentes. No entanto, a taxa em que a conversão de monóxido de nitrogênio em ácido ocorre, conforme o processo se aproxima da conclusão, é determinada principalmente pela taxa química de oxidação de monóxido de nitrogênio, que é fortemente promovida por concentrações mais altas de monóxido de nitrogênio e oxigênio. No processo da presente invenção, a vaporização que é empregada ao lastro do processo de oxidação substancialmente condensa durante o curso do processo de absorção pra formar uma parte do produto de ácido nítrico diluído, assim aumentando a concentração dos reagentes gasosos residuais e facilitando sua reação e absorção relativamente rápida. O efeito é intensificar o processo de reação/absorção, cujo efeito é maior quando, como em concordância com uma modalidade da invenção, a composição de gás oxidante está próxima a 100% de oxigênio. Em uma modalidade alternativa da

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 28/59

10/32 invenção, quando o gás oxidante compreende ar ou outra mistura de gás que contém substancialmente menos que 100% de oxigênio, um gás diluente não condensável (por exemplo, uma mistura de nitrogênio e argônio) atenua a intensificação atingível mediante a condensação da vaporização, isso requer que o trocador de calor seja maior do que seria necessário com um gás oxidante mais rico em oxigênio. Se o gás oxidante compreender ar, o trocador de calor pode precisar ter duas ordens de magnitude ou mais em volume do que seria necessário para um gás oxidante que compreende próximo a 100% de oxigênio, mas, conforme previamente determinado, isso pode ser compensado pelo potencial de custo substancialmente reduzido de emprego de um gás oxidante menos rico em oxigênio.

[0024] Quando o ar, por exemplo, é empregado ao invés de oxigênio como o componente de gás oxidante da alimentação de oxidante, apenas o ar suficiente desejavelmente será alimentado ao estágio de oxidação de amônia (doravante referido como o oxidante) para concluir a oxidação da amônia. O remanescente do ar (conforme exigido para a oxidação do monóxido de nitrogênio) será então alimentado na corrente de gás de reação após o oxidante e antes do estágio de absorção no trocador de calor. É em geral desejável minimizar o fluxo de ar ao oxidante a fim de minimizar qualquer necessidade de préaquecimento para o ar e fluxo através do oxidante. A necessidade, se houver, de pré-aquecimento do ar será determinada pelo fluxo de reciclagem de vaporização-amônia ao oxidante e qualquer préaquecimento que possa ser necessário desejavelmente é efetuado pela troca de calor com a corrente de gás de reação a fim de atingir a temperatura de oxidante necessária.

[0025] Quando o gás oxidante compreende um gás que contém mais de 80% oxigênio (doravante referido como oxigênio), o oxigênio na alimentação de oxidante pode ser fornecido em uma quantidade

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 29/59

11/32 suficiente para oxidar substancialmente toda a amônia e substancialmente todo o monóxido de nitrogênio. Alternativamente, o oxigênio na alimentação pode ser fornecido em uma quantidade suficiente para oxidar substancialmente toda a amônia e oxigênio adicional pode ser adicionado à mistura de reação antes de o vapor de água condensar a fim de oxidar substancialmente todo o monóxido de nitrogênio.

[0026] No estágio de oxidação de amônia (em que a alimentação de amônia-gás oxidante com lastro de vaporização é oxidada para formar, predominantemente, monóxido de nitrogênio dentro do gás nitroso), a alimentação de oxidante pode ser aquecida a uma temperatura que está dentro da faixa de 700 °C a 1.000 °C (tipicamente cerca de 800 °C), a uma pressão dentro da faixa de 100 KPa (1 bar (abs.)) a 1.500 KPa (15 bar (abs.)) (tipicamente cerca de 200 KPa (2 bar (abs.))) na presenta de um catalisador. O catalisador pode ser incorporado em qualquer tipo de sistema catalítico, incluindo, um leito de óxido de cobalto ou um catalisador de platina-ródio na forma de camadas de renda tricotada ou tecido. O aquecimento da alimentação de oxidante no oxidante pode ser produzido pela liberação de calor adiabático da reação ou pela troca de calor com um fluido externo ou por uma combinação de ambos. Quando a troca de calor é efetuada por aquecimento ou por resfriamento, o oxidante pode compreender um reator trocador de calor.

[0027] A mistura de reação do processo de oxidação de amônia pode ser resfriada a uma primeira temperatura acima do ponto de condensação da mistura de reação (por exemplo, a uma temperatura de cerca de 140 °C) por troca de calor com um fluido de transferência de calor. Esse fluido de transferência de calor pode ser empregado para transferir calor para concentrar (por evaporação) a solução de nitrato de amônio no estágio de produção de nitrato de amônio. Assim, no caso da modalidade da invenção conforme descrita acima, o fluido

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 30/59

12/32 de transferência de calor pode ser direcionado a um trocador de calor que constitui o evaporador ou, se houver mais de um, cada evaporador.

[0028] A oxidação do monóxido de nitrogênio e as reações concorrentes que levam à formação do ácido nítrico são controladas pelas pressões e temperaturas de operação apropriadas ao projeto de sistema e, pelo menos na fase de absorção final, pela temperatura de refrigerante disponível. A oxidação ocorre apenas em uma extensão limitada até o resfriamento pós-oxidação ser iniciado, ou seja, (a partir das figuras previamente exemplificativas) em temperaturas tão altas quanto 800 °C. Quando a mistura de reação é resfriada, o primeiro líquido será formado no ponto de condensação na pressão de operação e a formação de ácido continuará conforme a mistura é ainda mais resfriada. A uma pressão de operação de cerca de 1.500 KPa (15 bar (abs.)) será formado um condensado e, assim, a formação de ácido nítrico começará, na temperatura de saturação correspondente de cerca de 200 °C e a formação de ácido continuará até uma temperatura de cerca de 50 °C, assumindo-se que a última temperatura seja limitada pela temperatura de fluido refrigerante disponível. Para operação a 200 KPa (2 bar (abs.)), a formação de ácido começará em cerca de 110 °C.

[0029] A composição das impurezas gasosas não condensadas ou absorvidas na fase de absorção no estágio de produção de ácido nítrico dependerá da composição (por exemplo, ar ou oxigênio) do gás oxidante e, no caso de um gás oxidante composto por 80%+ de oxigênio, pode incluir oxigênio, argônio não reagido em excesso e outras impurezas introduzidas com a alimentação de gás oxidante ao processo e nitrogênio e óxido nitroso formado como subprodutos no oxidante. Essas impurezas gasosas podem ser separadas do ácido nítrico por meio de pelo menos um vaso de separação antes de o ácido nítrico e

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 31/59

13/32 amônia ser reagido no estágio de produção de nitrato de amônio. [0030] Como o absorvedor de ácido nítrico recebe sua alimentação do oxidante enquanto o evaporador de nitrato de amônio entrega alimentação ao oxidante, se a compressão mecânica de valor deve ser evitada, a pressão de absorvedor de ácido nítrico precisará estar abaixo da pressão do reator de nitrato de amônio e o ácido nítrico precisará ser bombeado à pressão de reator.

[0031] A reação do ácido nítrico e amônia no estágio de produção de nitrato de amônio pode ser efetuada por qualquer método conhecido na técnica, incluindo, por exemplo, por cofluxo dos reagentes de modo adiabático através de um comprimento adequado de tubo ou duto. A reação pode ser alternativamente efetuada em um reator não adiabático (troca de calor), em que os reagentes (cofluxo) serão aquecidos ou resfriados por um meio de transferência de calor. Como uma alternativa adicional, a reação pode ser efetuada por mistura da amônia e ácido nítrico em um vaso que pode, conforme necessário, ou ser aquecido ou resfriado. O reator pode também funcionar como um evaporador.

[0032] O ácido nítrico pode ser aquecido antes da mistura com e reação com a amônia. Dessa forma, pelo menos parte do calor liberado pela reação pode resultar na geração de vaporização, ao invés de resultar simplesmente no pré-aquecimento da corrente de nitrato de amônio a uma temperatura abaixo do ponto de ebulição em um evaporador seguinte. Tal pré-aquecimento do ácido nítrico pode ser efetuado por transferência de calor de correntes quentes dentro do estágio de produção de ácido nítrico, por exemplo, da corrente de mistura de reação do oxidante ou de uma corrente de reciclagem de líquido. Alternativamente, o pré-aquecimento do ácido nítrico pode ser efetuado por transferência de calor da vaporização que é separada da solução de nitrato de amônio no segundo separador mencionado acima.

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 32/59

14/32 [0033] A amônia pode ser alimentada ao estágio de produção de nitrato de amônio em uma forma líquida ou, desejavelmente, na forma gasosa. A pressão de alimentação precisará ser pelo menos são alta quanto aquela da corrente de alimentação de ácido nítrico no ponto de mistura e a amônia pode estar em qualquer temperatura conveniente, tipicamente próxima à temperatura ambiente.

[0034] O primeiro evaporador será operado em uma pressão ligeiramente acima da pressão de combustor de amônia e desejavelmente acima da pressão atmosférica, a fim de evitar a possibilidade de infiltração de ar no(s) evaporador(es) e oxidante. O(s) evaporador(es) pode(m) ser operado(s) a, por exemplo, 150 KPa (1,5 bar (abs.)) a 250 KPa (2,5 bar (abs.)).

[0035] A temperatura da evaporação depende da pressão de evaporação e concentração de solução de nitrato de amônio. Por exemplo, o ponto de ebulição de 39% de solução de nitrato de amônio a 100 KPa (1 bar (abs)) é 107 °C, enquanto o ponto de ebulição de 80% de solução de nitrato de amônio a 300 KPa (3 bar (abs)) é cerca de 168 °C. Sabe-se que o aquecimento de nitrato de amônio sólido a uma temperatura de 170 °C ou mais traz com o mesmo o risco de decomposição rápida do nitrato de amônio e deve ser evitado. Sendo assim, para uma intensidade de produto de, por exemplo, a ordem de 80% de nitrato de amônio, o(s) evaporador(es) será praticamente limitado à operação abaixo de 300 KPa (3 bar (abs.)).

[0036] O calor pode ser transferido (conforme mencionado acima) da mistura de reação de ácido nítrico para a solução de nitrato de amônio dentro do(s) evaporador(es) por contato de troca de calor direto entre as correntes ou indiretamente por meio de um meio de transferência de calor em um laço de acoplamento intermediário; que pode, por exemplo, compreende um circuito de água de ebulição/condensação ou um circuito de água pressurizado de fase única.

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 33/59

15/32

Um laço de acoplamento de transferência de calor intermediário pode ser empregado para evitar o risco de que temperaturas de parede excessivamente altas (>170 °C) ocorram em um trocador de calor que acopla diretamente a mistura de reação quente (a, por exemplo, 800 °C) com a corrente de nitrato de amônio em ebulição.

[0037] Se o calor insuficiente estiver disponível a partir da mistura de reação de ácido nítrico e a reação de nitrato de amônio para concentrar o nitrato de amônio à intensidade necessária, calor de uma fonte externa pode ser suprido ao processo, por exemplo, por aquecimento do meio de transferência de calor no laço de acoplamento intermediário.

[0038] A evaporação de água da solução de nitrato de amônio diluída pode ser efetuada em uma variedade de configurações de equipamento. Por exemplo, a evaporação da solução de nitrato de amônio diluída pode ser efetuada em um trocador de calor de evaporação de passagem única (passagem de uma vez).

[0039] Alternativamente, a solução de nitrato de amônio em ebulição pode ser circulada novamente através do trocador de calor sob a influência de efeitos de flutuabilidade acionada por gravidade (isto é, circulação natural) ou por bombeamento. Por exemplo, o trocador de calor de evaporação pode ser submergido sob o nível de líquido de solução de nitrato de amônio em ebulição dentro de um vaso ou formar parte de um laço de termossifão externo a um vaso separador.

[0040] Em uma alternativa adicional, a solução de nitrato de amônio pode ser concentrada em um evaporador de filme de queda.

[0041] Nas modalidades da invenção que empregam um laço de acoplamento de transferência de calor intermediário em ebulição/condensação, a temperatura de saturação de vaporização deve estar acima do ponto de ebulição da solução de nitrato de amônio necessária - por exemplo, para 80% de solução, acima de 152 °C em um

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 34/59

16/32 evaporador a 200 KPa (2 bar (abs.)), ou acima de 127 °C em um evaporador a 100 KPa (1 bar (abs.)).A diferença de temperatura média entre os fluidos de aquecimento e ebulição em um evaporador de uma passagem é maior que aquela entre os fluidos em um evaporador de recirculação e, portanto, o evaporador de uma passagem pode ser menor.

[0042] Nas modalidades da invenção que empregam um laço de acoplamento de transferência de calor intermediário de fase única e um evaporador de recirculação, o meio de transferência de calor deve circular em temperaturas acima do ponto de ebulição da solução de nitrato de amônio necessária.

[0043] Nas modalidades da invenção que empregam um laço de acoplamento de transferência de calor intermediário de fase única e um evaporador de uma passagem, a temperatura máxima alcançada pelo meio de transferência de calor deve exceder o ponto de ebulição da solução de nitrato de amônio necessária. No entanto, a temperatura mínima do meio de transferência de calor precisa apenas exceder o ponto de ebulição da solução de nitrato de amônio diluída do reator de nitrato de amônio, por exemplo, para 39% de solução de nitrato de amônio, acima de 129 °C em um evaporador a 200 KPa (2 bar (abs.)) ou acima de 107 °C em um evaporador a 100 KPa (1 bar (abs.)). Assim, quando um laço de transferência de calor intermediário de fase única é usado com um evaporador de uma passagem, o calor pode ser extraído da mistura de reação de ácido nítrico em temperaturas mais baixas do que com o laço de acoplamento de transferência de calor intermediário de água em ebulição/condensação, assim aumentando a quantidade de calor recuperada da mistura de reação.

[0044] Uma vantagem adicional de um evaporador de uma passagem sobre um evaporador de recirculação pode ser que o fluxo de passagem forçado de solução de nitrato de amônio possa tornar o

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 35/59

17/32 mesmo propenso à obstrução por sólidos cristalinos que o trocador de calor submerso, em que as quedas de pressão desenvolvidas por circulação natural serão tipicamente muito menores que aquelas que surgem com o fluxo de uma passagem e, portanto, menos provável que desenvolva obstruções.

[0045] O separador ou (se houver dois) cada um dos separadores em que as fases de vapor e líquido do(s) evaporador(es) são separadas pode compreender um vaso separador de qualquer tipo conhecido na técnica. Conforme indicado previamente no contexto de uma modalidade da invenção, a fim de auxiliar a separação de gotículas líquidas da vaporização do evaporador, um dispositivo desnebulizador de uma forma ou outra pode ser empregado em direção à extremidade superior do vaso separador e, a fim de evitar a deposição de sólidos em tal dispositivo desnebulizador, o mesmo pode ser aspergido com líquido de lavagem. O líquido de lavagem pode compreender água condensada (conforme descrito acima) ou uma solução de ácido nítrico, amônia ou nitrato de amônio.

[0046] Em uma modalidade da invenção, quando dois evaporadores são empregados, o líquido de lavagem pode ser coletado em bandejas de gota e ser alimentado a um segundo dos dois evaporadores antes de o líquido residual ser alimentado de volta à corrente de solução de nitrato de amônio, para eliminar ou minimizar a diluição da solução de nitrato de amônio que poderia ser de outro modo causada pelo líquido de lavagem.

[0047] As impurezas gasosas podem, em operação do sistema, entrar em qualquer um dentre o estágio de produção de ácido nítrico ou o estágio de produção de nitrato de amônio com a alimentação de amônia, com a alimentação de oxigênio e/ou, se a produção de água for necessária, com a alimentação de água. Além disso, oxigênio, nitrogênio, argônio e outras impurezas gasosas, que não são ventilados

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 36/59

18/32 de um separador após o absorvedor, podem passar do estágio de produção de ácido nítrico ao estágio de produção de nitrato de amônio. Além disso, em geral, hidrogênio (que pode entrar com a amônia), circulará dentro do processo integrado até o mesmo reagir para formar água no combustor de amônia; e oxigênio em excesso e não condensável, impurezas gasosas inertes, tal como argônio e nitrogênio, circularão até alcançarem um ponto de ventilação, mais provavelmente no separador de ácido após o absorvedor de ácido nítrico.

[0048] As impurezas dissolvidas podem entrar no processo na produção de água (se houver) e podem ser descarregadas com o produto de nitrato de amônio.

[0049] Sob algumas circunstâncias, é possível que calor suficiente possa não estar disponível a partir da mistura de reação (produzida no estágio de produção de ácido nítrico) para concentrar a solução de nitrato de amônio na extensão necessária. Então, na ausência de outra fonte de calor em temperatura suficientemente alta dentro do processo integrado para acionar o processo de evaporação, medidas alternativas, tais como evaporação com múltiplos efeitos e/ou a importação de calor de uma fonte externa podem ser adotadas.

[0050] Em uma modalidade da invenção em que, por exemplo, a alimentação de amônia do estágio de produção de nitrato de amônio ao estágio de produção de ácido nítrico compreende aproximadamente 100% do componente de amônia da alimentação de oxidante, um procedimento de partida precisará ser empregado para iniciar a produção do ácido nítrico e produção consequente de uma mistura de nitrato de amônio-vaporização de duas fases, para fornecer retroalimentação de uma mistura de vaporização-amônia ao estágio de produção de ácido nítrico. Tal procedimento de partida é descrito em termos gerais adiante neste relatório descritivo.

[0051] A invenção será mais completamente entendida a partir da

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 37/59

19/32 seguinte descrição de quatro modalidades ilustrativas de processos integrados para produzir nitrato de amônio. As descrições são fornecidas como forma de exemplo em referência aos fluxogramas esquemáticos conforme mostrado nos desenhos anexos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0052] Nos desenhos:

[0053] A Figura 1 mostra uma primeira modalidade do processo integrado, em que toda a vaporização e amônia dentro de uma alimentação de oxidante a um estágio de produção de ácido nítrico é derivada de um estágio de produção de nitrato de amônio, [0054] A Figura 2 mostra uma segunda modalidade do processo integrado, em que uma corrente de vaporização é condensada e empregada como água de lavagem para um dispositivo desnebulizador dentro de cada um dos dois separadores de vaporização-nitrato de amônio dentro do estágio de produção de nitrato de amônio, [0055] A Figura 3 mostra uma variação da modalidade da Figura 2, em que uma mistura de água de lavagem-nitrato de amônio é recuperada dos separadores dentro do estágio de produção de nitrato de amônio, e [0056] A Figura 4 mostra uma terceira modalidade do processo integrado, em que ar, como uma alternativa ao oxigênio, é empregado como um gás oxidante no estágio de produção de ácido nítrico. DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES ILUSTRATIVAS [0057] O processo integrado de produção de nitrato de amônio conforme ilustrado em cada uma das Figuras 1 a 4 envolve dois processos interdependentes, um realizado em um estágio de produção de ácido nítrico (estágio de ácido nítrico) 10 que é mostrado à esquerda da linha mediana 11 no diagrama e o outro realizado em um estágio de produção de nitrato de amônio (estágio AN) 12 conforme mostrado à direita da linha mediana 11.

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 38/59

20/32 [0058] Em termos gerais, uma corrente de ácido nítrico diluída 13 do estágio de ácido nítrico 10 é reagida com uma corrente de amônia 14 no estágio AN 12 para formar uma segunda corrente de nitrato de amônio que tem uma fase de vapor que consiste predominantemente em vaporização e amônia e uma fase líquida de solução de nitrato de amônio. A fase líquida é então concentrada por evaporação para formar uma corrente de produto de nitrato de amônio 15 de uma concentração exigida. A concentração pode ser efetuada por meio de um evaporador único e um separador associado conforme mostrado nas Figuras 1 e 4 ou, conforme ilustrado nas Figuras 2 e 3, por emprego de dois evaporadores conectados em série e separadores associados. [0059] No estágio de ácido nítrico 10, uma alimentação de oxidante (alimentador de combustor)16, composta de um componente de alimentação de mistura de amônia-vaporização 17 e um componente de alimentação de gás oxidante 18, conforme mostrado nas Figuras 1 a 3 ou 18D, conforme mostrado na Figura 4, é alimentado a um oxidante (combustor) 19. Ambos ou, mais precisamente, todos os três (amônia, vaporização e gás oxidante) componentes da alimentação de combustor são entregues sob pressão ligeiramente maior que a pressão de combustor de cerca de 200 KPa (2 bar (abs.)) e a uma temperatura suficiente para impedir a formação de condensado na alimentação. Para esse fim, a linha de entrega para o componente de alimentação de mistura de amônia-vaporização 17 pode ser aquecida ao longo de pelo menos uma porção de seu comprimento para impedir qualquer queda de temperatura ao longo da linha.

[0060] Nas modalidades das Figuras 1 a 3, a alimentação de gás oxidante 18 compreende oxigênio, enquanto na modalidade da Figura 4, a alimentação de gás oxidante 18D compreende ar. Os aspectos da invenção que são ilustradas na Figura 4, particularmente em relação ao suprimento de ar como o gás oxidante, são descritos em mais detaPetição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 39/59

21/32 lhes adiante neste relatório descritivo.

[0061] Conforme ilustrado em cada uma das Figuras 1 a 3,100% do componente de vaporização da alimentação de oxidante 16 são derivados do estágio AN12. No entanto, deve-se perceber que, dentro do contexto da invenção, substancialmente toda (por exemplo, 80% ou mais) a vaporização pode ser derivada do estágio AN, com uma alimentação de produção pequena sendo derivada de uma fonte alternativa (não mostrada). Similarmente, enquanto, conforme ilustrado, 100% do componente de amônia da alimentação de oxidante são derivados de e transportados na vaporização a partir de, o estágio NA 12, uma porção (usualmente pequena, mas possivelmente até um máximo de 90%) do componente de amônia pode ser derivada de uma fonte alternativa (não mostrada).

[0062] O combustor 19 pode compreender qualquer tipo de oxidante de amônia conhecido na técnica para uso em uma conversão catalítica de temperatura alta de uma mistura de amônia-oxigênio e pode empregar qualquer tipo conhecido de sistema catalítico, incluindo leito de óxido de cobalto. Em uma forma adequada, o mesmo pode incorporar um catalisador de platina-ródio na forma de camadas de renda tricotada ou tecido. Em outra forma, o combustor pode ser configurado como um trocador de calor-reator em que o calor liberado durante a reação é transferido simultaneamente a um refrigerante.

[0063] A alimentação de amônia-gás oxidante com lastro de vaporização 16 ao combustor 19 é aquecida por uma combinação de condução, convecção e radiação à temperatura de reação pelas camadas de catalisador e reage nas camadas de catalisador para formar uma mistura de reação que inclui uma corrente de gás nitroso. Exceto quando a oxidação é efetuada em um trocador de calor-reator, o processo geral é essencialmente (isto é, quase) adiabático e a temperatura alcançada (assumindo-se conversão altamente seletiva, completa

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 40/59

22/32 de amônia em monóxido de nitrogênio) é primariamente uma função da concentração de amônia presente, a quantidade de lastro de vaporização presente e o nível de pré-aquecimento de alimentação. A temperatura será tipicamente cerca de 800 °C quando a razão molar entre água e amônia na alimentação de partida é cerca de 5,6 e a fração de mol de amônia na alimentação de combustor é cerca de 11,4%. Tal composição de alimentação de combustor se encontra fora dos limites de explosão de amônia esperados e fera um produto de ácido nítrico de cerca de 20% a cerca de 37% dependendo da quantidade de água que está contida na mistura de reação [0064] A mistura de reação resultante, incluindo monóxido de nitrogênio e vapor de água, indicada como corrente 20, é alimentada a um trocador de calor seguinte 21 em que a mistura de reação é resfriada a uma temperatura acima do nível de ponto de condensação (por exemplo, a uma temperatura da ordem de 140 °C) por troca de calor com um fluido de transferência de calor tal como água em ebulição, água ou óleo de fase única pressurizada.

[0065] Na saída do trocador de calor 21, a mistura de reação resfriada 20, em que monóxido de nitrogênio terá começado a oxidar, é alimentada a um absorvedor na forma de um trocador de calor 22. A condensação de vapor de água e oxidação continuada do monóxido de nitrogênio e reações concorrentes que levam à formação de ácido nítrico, no trocador de calor 22, são controladas por pressões e temperaturas de operação empregadas no sistema. O calor é trocado entre a mistura de reação resfriada 20 (conforme a mesma prossegue através de canais 23 do trocador de calor 22) e um fluido de troca de calor 25, tipicamente água, que é direcionado a canais de passagem de contra corrente 24 do trocador de calor 22.

[0066] O trocador de calor 22 pode compreender qualquer tipo de trocador de calor que é conhecido na técnica que seja adequado para

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 41/59

23/32 uso na condensação/oxidação da alimentação de mistura de reação 20 até o ácido nítrico diluído, incluindo um trocador de calor do tipo carcaça-e-tubo, um trocador de calor do tipo ventilação forçada, um trocador de calor do tipo placa ou trocador de calor do tipo de circuito impresso. As passagens de fluxo de fluido dentro do trocador de calor desejavelmente têm uma dimensão de corte transversal pequena (por exemplo, menor que cerca de 3 mm e desejavelmente menor que cerca 2 mm de diâmetro equivalente) a fim de auxiliar uma transferência de massa e calor e facilitar a compacidade do trocador de calor. Além disso, embora um trocador de calor único seja mostrado para propósitos ilustrativos nas respectivas Figuras, o trocador de calor pode compreender um único trocador de calor ou o mesmo pode ser constituído por uma pluralidade de trocadores de calor conectados em paralelo ou série, dependendo das exigências de processamento. O fluido de troca de calor 25 pode compreender qualquer fluido (isto é, líquido ou gás) apropriado ao tipo de trocador de calor que é empregado.

[0067] Os gases que não são condensados ou absorvidos no trocador de calor são separados do ácido nítrico, para formar um gás residual 26, por um separador 27, levando à corrente de ácido nítrico livre de gás 13. Os componentes principais do gás residual 26 serão oxigênio, argônio ou outras impurezas em excesso e introduzidos com a alimentação de oxigênio ao processo, nitrogênio e óxido nitroso formados como subprodutos no combustor e vapor de água.

[0068] O gás residual que sai do separador 27 conterá também concentrações muito baixas de gases nitrosos. No entanto, conforme ilustrado, o gás residual pode ser alimentado do separador 27 para um separador adicional 27A por meio de um resfriador-condensador 27B, esses vasos atuando efetivamente para fornecer reação-absorção subsequente àquela fornecida no trocador de calor 22. Gases nitrosos e vapor de ácido nítrico absorvidos no resfriador-condensador criam

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 42/59

24/32 uma corrente de ácido muito fraco (tipicamente <2%) que é alimentado de volta ao separador 27, assim efetivamente eliminando a emissão de vapor de ácido nítrico e reduzindo substancialmente as emissões de NOx do processo enquanto também acentua ligeiramente o rendimento de produto.

[0069] Oxigênio suplementar, se necessário, pode ser injetado na corrente de mistura de reação 20 a fim de fornecer um suprimento em excesso pequeno de oxigênio para facilitar a oxidação completa de monóxido de nitrogênio na mistura de reação.

[0070] Similarmente, se necessário, vaporização ou água suplementar pode ser injetada na corrente de mistura de reação 20 a fim de fornecer condensado suficiente para facilitar a oxidação completa e absorção do dióxido de nitrogênio.

[0071] A corrente de ácido nítrico diluída 13 do separador de fase

27, a cerca da pressão de absorvedor, é bombeada por uma bomba 28 a uma pressão ligeiramente acima daquela em um reator de nitrato de amônio seguinte 29 e um evaporador 30 para permitir quedas de pressão através do equipamento interveniente.

[0072] O reator de nitrato de amônio 29, conforme ilustrado, simplesmente compreende um comprimento de tubo ou duto adiabático em que a fase líquida da corrente de duas fases, resultante da reação, será apenas parcialmente concentrada.

[0073] A corrente de ácido nítrico pressurizada e quente13 é misturada com a alimentação de amônia gasosa 14, a uma pressão similar e alimentada ao reator 29, gerando a corrente de reação 33, que compreende uma corrente de duas fases que consiste em solução de nitrato de amônio na fase líquida e uma mistura de vaporização/amônia na fase de vapor. Em geral, cerca de 39% dessa corrente de duas fases serão nitrato de amônio. A liberação de calor de reação gera a vaporização de águia na fase de vapor e, consequentemente,

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 43/59

25/32 concentração parcial do nitrato de amônio dentro da fase líquida. Excesso suficiente de amônia 14 é alimentado ao estágio AN 12 para atender o requisito de componente de amônia inteiro da alimentação de oxidante 16 para o estágio de ácido nítrico 10.

[0074] Após passar através do trocador de calor-evaporador 30, a corrente 33 é alimentada a um separador por gravidade 34, a partir do qual emerge a solução de nitrato de amônio 15 (a cerca de 80% de concentração) e a corrente de vapor 17, a última das quais é predominantemente uma mistura de vaporização e amônia, que é retornada ao estágio de ácido nítrico 10. A concentração da solução de nitrato de amônio pode cair a um nível de 67% de concentração de cerca de 80% de concentração se a mesma for diluída por água (conforme referido abaixo em relação à Figura 2) de um dispositivo desnebulizador 36 e percebe-se nesse ponto que, no caso em que tal diluição poderia ser levada a ocorrer, isso pode ser obviado no processo (a ser descrito abaixo) conforme ilustrado na Figura 3.

[0075] Devido ao fato de que a pressão no separador 34 será ligeiramente mais alta que a pressão no combustor 19, a mistura de vaporização/amônia pode fluir do separador para o combustor 19 sem o auxílio de compressão mecânica.

[0076] O dispositivo desnebulizador 36 está localizado dentro do separador 34 e é empregado para auxiliar a retirada de gotículas de líquido que contêm nitrato de amônio da vaporização. Na modalidade da invenção ilustrada na Figura 1, uma fonte externa 35 de água de lavagem é fornecida para aspergir o dispositivo desnebulizador como e quando necessário, por exemplo, durante a partida ou encerramento do processo.

[0077] O dispositivo desnebulizador 36 pode compreender múltiplas almofadas de desnebulizador, por exemplo, uma paleta inferior de paletas em formato de V e uma paleta superior de malhas tricotadas.

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 44/59

26/32 [0078] Para garantir que o resfriamento da corrente de alimentação 17 não ocorra e, assim, garantir que a mistura de alimentação de combustor 16 seja superaquecida e não contenha gotículas de água que podem afetar o catalisador de combustor, a corrente de vaporização 17 pode ser, se necessário, aquecida em sua passagem ao combustor 19 e/ou a alimentação de gás oxidante ao combustor pode ser aquecida por troca de calor com o calor transferido da mistura de reação 20. Em alguns casos, a alimentação de gás oxidante 18 pode ser suficientemente quente (por exemplo, 100 °C a 180 °C), devido à compressão em um compressor, para nenhum pré-aquecimento adicional de qualquer alimentação ser necessário.

[0079] A solução de nitrato de amônio 15 do separador 34 é passada através de uma válvula de gaveta de pressão 37 por meio de um resfriador 38 para evitar a descarga da solução na válvula.

[0080] Nas modalidades da invenção conforme ilustradas nas Figuras 2 e 3, a corrente de ácido nítrico diluído 13 do separador de fase 27 e a corrente de amônia 14 são pré-aquecidas em um trocador de calor 31 por calor transferido (por meio de um laço de fluido B) de um condensador de água de lavagem 32.

[0081] O calor é adicionado à corrente de ácido nítrico 13 e à corrente de amônia 14 no trocador de calor 31 de modo a garantir que parte do calor de reação liberado pela reação de nitrato de amônio gere a vaporização. Por exemplo, no pré-aquecimento dos reagentes a 95°C, calor suficiente será liberado para concentrar a solução de nitrato de amônio na fase líquida da corrente 33 a 46% dentro do reator, com o remanescente do calor de evaporação ao primeiro evaporador 30 e a um segundo evaporador 30A sendo fornecido pela transferência de calor (por meio de laço de fluido A) do trocador de calor 21.

[0082] Após passar através do primeiro trocador de calorevaporador 30, a corrente 33 é alimentada a um primeiro separador

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 45/59

27/32 por gravidade 34, a partir do qual emerge a solução de nitrato de amônio 35 e a corrente de vapor 17, a última das quais é predominantemente uma mistura de vaporização e amônia que, conforme descrito acima no contexto da Figura 1, é retornada ao estágio de ácido nítrico 10.

[0083] O dispositivo desnebulizador 36 está localizado dentro do separador 34 e é empregado para auxiliar a retirada de gotículas de líquido que contêm nitrato de amônio da vaporização. Para evitar a produção de sólidos de nitrato de amônio no dispositivo, a face inferior do componente ou, se houver mais de um, cada componente do dispositivo 36 é aspergido com água de uma corrente 40.

[0084] As quantidades substanciais de nitrato de amônio na alimentação de oxidante poderiam ser evitadas devido ao fato de que qualquer solução de nitrato de amônio depositada no tubo de alimentação deve ser seca sob algumas condições (por exemplo, partida e encerramento) e apresente um risco de explosão. Aspergir o dispositivo desnebulizador 36 pode, em algumas circunstâncias, ser necessário para atingir um grau alto de separação de líquido e vapor. Além disso, é desejável que uma concentração de nitrato de amônio na vaporização ao oxidante seja diversas ordens de magnitude (por exemplo, 5) mais baixa que aquela na solução de nitrato de amônio.

[0085] Devido à corrente de alimentação de vaporização 17 que entra em contato com a corrente de água líquida 40 na almofada de desnebulizador 36, o resfriamento da corrente de vaporização pode ocorrer. Para garantir que a mistura de alimentação de combustor 16 seja superaquecida e não contenha gotículas de água que podem afetar o catalisador de combustor, a corrente de vaporização 17 pode ser aquecida em sua passagem ao combustor 19 e/ou componente de alimentação de oxigênio 18 ao combustor pode ser aquecido por troca de calor com o calor transferido da mistura de reação 20.

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 46/59

28/32 [0086] Na modalidade da Figura 2, a solução de nitrato de amônio do separador 34 é adicionalmente concentrada (a cerca de 83%) no segundo trocador de calor-evaporador 30A, a partir do qual a mesma passa a um segundo separador por gravidade 42 por meio de um válvula 43 em que evaporação adicional, por descarga, ocorre. A mistura de nitrato de amônio-vaporização de duas fases resultante (com pouca amônia na fase de vapor) é ainda separada como uma corrente de vaporização 44 e a corrente de produto de solução de nitrato de amônio

15. A solução é diluída novamente por gotejamento de água de um dispositivo desnebulizador 45.

[0087] O dispositivo desnebulizador 45 está localizado dentro do separador 42 e, como no caso do dispositivo desnebulizador 36, é empregado para auxiliar a retirada de gotículas de líquido que contêm nitrato de amônio da vaporização. O dispositivo 45 é aspergido com água de uma corrente 46 para evitar a produção de sólidos de nitrato de amônio.

[0088] A corrente de vaporização 44 é passada através do condensador parcial 32 e um condensador completo seguinte 47 e o condensado de água é entregue por uma bomba 48 às duas correntes de água de lavagem 40 e 46.

[0089] A modalidade da invenção conforme ilustrada na Figura 3 é similar àquela descrita acima com referência à Figura 2 e, como no caso das modalidades das Figuras 1 e 2, numerais de referência similares são usados para identificar componentes similares. No entanto, na modalidade da Figura 3, a água de lavagem que contém nitrato de amônio que foi arrastada como gotículas de solução na fase de vapor do separador é recuperada em bandejas de gota 49 em cada um dos separadores 34 e 42 e é passada através do segundo evaporador 30A antes de entrar no segundo separador 42. Com essa disposição, a diluição que poderia de outro modo surgir da mistura de drenagem de

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 47/59

29/32 água de lavagem dos dispositivos desnebulizadores com solução de nitrato de amônio concentrada dos evaporadores é eliminada ou, pelo menos, minimizada.

[0090] O primeiro evaporador 30 funciona, em vigor, como um evaporador de solução de nitrato de amônio único que produz solução de nitrato de amônio concentrada, com o segundo evaporador 30A recebendo uma a solução de nitrato de amônio muito diluída a partir da qual a água de lavagem é recuperada por evaporação da maior parte da água. A drenagem de solução de nitrato de amônio muito diluída dos dispositivos desnebulizadores 36 e 45 é recuperada nos separadores antes de ser evaporada no segundo evaporador 30A e o resíduo líquido se mistura com a solução de nitrato de amônio concentrada.

[0091] Nas modalidades tanto da Figura 2 quanto da Figura 3, o segundo separador 42 desejavelmente é operado a uma pressão mais baixa que o primeiro separador 34, de modo que a evaporação adicional da solução de nitrato de amônio ocorra conforme a mesma é descarregada através da válvula 43 da pressão mais alta para a mais baixa.

[0092] Na partida dos processos descritos acima, como, por exemplo, aquele ilustrado pela Figura 1, uma fonte externa de calor pode ser empregada ao laço de fluido de calor A a uma temperatura adequada que se aproxima daquela empregada em operação de estado estável do processo. A água pode ser então introduzida no separador de ácido nítrico 27 ou um tanque de partida separado pode ser instalado em paralelo com o separador 27, por exemplo, permitindo a geração de vaporização no(s) evaporador(es) e, consequentemente, fornecendo circulação de vaporização de lastro através do oxidante. Sob algumas circunstâncias, pode ser preferencial misturar a água com nitrato de amônio extraído do separador 34 antes do evaporador. Uma vez que a circulação de vaporização de lastro é estabelecida, amônia

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 48/59

30/32 e oxigênio podem ser introduzidos com segurança à vaporização de lastro e o oxidante ser inflamado por um método estabelecido, assim iniciando a produção de ácido nítrico e, consequentemente, nitrato de amônio.

[0093] É feita agora referência à modalidade ilustrativa mostrada na Figura 4. Essa, em alguns aspectos, é similar àquela descrita em referência à Figura 1 e, novamente, numerais de referência similares são usados para identificar componentes similares.

[0094] No estágio de ácido nítrico 10, uma alimentação de oxidante16, composta por um componente de alimentação de mistura de amônia-vaporização 17 e um componente de alimentação de gás oxidante 18D é alimentado ao oxidante 19.

[0095] Conforme indicado na Figura 4, o gás oxidante compreende ar (como distinto do oxigênio conforme identificado como o gás oxidante nos processos descritos em referência às Figuras 1 a 3) e, embora não essencial ao processo, conforme ilustrado, a alimentação de ar 18D é passada através de um trocador de calor 18E em que a mesma é pré-aquecida por troca de calor com a corrente de gás de reação 20. Quando lastro de vaporização suficiente é fornecido para produzir ácido nítrico em cerca de 33,5% de ácido, o ar precisará ser pré-aquecido a cerca de 600 °C a fim de que a temperatura de oxidante necessária seja atingida. No entanto, quando uma quantidade mais baixa de lastro de vaporização é reciclada, por exemplo, produzindo intensidade de ácido nítrico de cerca de 47%, o ar pode ser suficientemente aquecido por compressão para nenhum pré-aquecimento adicional ser necessário.

[0096] A alimentação de ar 18D é selecionada de modo que apenas ar suficiente seja alimentado ao oxidante 19 para fornecer oxidação completa da alimentação de amônia ao oxidante. Ar adicional, conforme necessário para possibilitar a oxidação dos gases de reação

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 49/59

31/32 ao ponto de produção de ácido nítrico, é alimentado à corrente de gás de reação 20 em qualquer um ou mais dos pontos de alimentação 18A a 18C anteriores ao trocador de calor/absorvedor 22.

[0097] Outros aspectos do processo ilustrado pela Figura 4 são substancialmente os mesmos que aqueles que foram descritos previamente em referência à Figura 1, embora a extensão em que a vaporização é reciclada no processo gerará diferentes composições em diferentes pontos no processo.

[0098] A temperatura da mistura de reação do combustor 19 será tipicamente cerca de 800 °C e o produto final de ácido nítrico terá uma concentração de cerca de 20% a cerca de 50%. Por exemplo, quando o ácido nítrico tem uma concentração de cerca de 47% e a alimentação de oxidante tem uma composição de cerca de 10% de amônia, 13% de oxigênio e 28% de vaporização, com o saldo predominantemente de nitrogênio e argônio do ar, a solução de nitrato de amônio resultante (isto é, a fase líquida) que emerge do reator de nitrato de amônio 29, antes do evaporador 30, terá uma concentração de cerca de 68%.

[0099] O trocador de calor 22 pode compreender, conforme previamente descrito, qualquer tipo de trocador de calor, incluindo uma pluralidade de trocadores de calor conectados em série ou paralelo. Conforme previamente determinado, quando, como no caso da modalidade da Figura 4, o gás oxidante compreende ar, o trocador de calor precisará ser maior (tipicamente por duas ordens de magnitude) que aquele empregado quando o gás oxidante compreende um gás mais rico em oxigênio.

[00100] Os gases que não são condensados ou absorvidos no trocador de calor 22 são separados do ácido nítrico, para formar o gás residual 26, pelo separador 27, deixando a ácido nítrico corrente livre de gás 13. Como distinto das modalidades das Figuras 1 a 3, o com

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 50/59

32/32 ponente principal do gás residual será o nitrogênio contido dentro do gás oxidante (isto é, ar).

[00101] Variações e modificações podem ser feitas em relação às modalidades da invenção descritas acima sem que haja desvio do escopo da invenção conforme definido acima e nas reivindicações a seguir.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Processo para produzir nitrato de amônio, caracteriza pelo fato de que:

a) uma alimentação de oxidante gasoso compreendendo amônia, vapor e um gás oxidante é exposta a condições em que a amônia é oxidada para produzir uma mistura de reação que inclui monóxido de nitrogênio e vapor de água,

b) a mistura de reação é resfriada em um trocador de calor através do qual o monóxido de nitrogênio é oxidado, o vapor de água é condensado e os produtos da oxidação de monóxido de nitrogênio reagem com e são absorvidos pela água condensada para formar uma corrente de ácido nítrico, sendo que substancialmente todo o monóxido de nitrogênio na mistura de reação é convertido em ácido nítrico,

c) a corrente de ácido nítrico é reagida com uma corrente de amônia em um estágio de produção de nitrato de amônio para formar uma solução de nitrato de amônio,

d) pelo menos 80% do vapor dentro da alimentação de oxidante são derivados do estágio de produção de nitrato de amônio, e

e) pelo menos 10% da amônia dentro da alimentação de oxidante é transportado pelo vapor do estágio de produção de nitrato de amônio e é derivados do amônio que está em excesso naquele estágio.
2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o vapor derivado do estágio de produção de nitrato de amônio compreende cerca de 100% do componente de vapor da alimentação de oxidante gasoso.
3. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a amônia derivada do estágio de produção de nitrato de amônio compreende pelo menos 80% do componente de amônia da alimentação de oxidante gasoso, sendo que o saldo da ali-

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 52/59

2/4 mentação de amônia necessária é derivado de uma fonte diferente.
4. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a amônia derivada do estágio de produção de nitrato de amônio compreende cerca de 100% do componente de amônia da alimentação de oxidante gasoso.
5. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o vapor e a amônia derivados do estágio de produção de nitrato de amônio compreendem cerca de 100% dos componentes de vaporização e amônia respectivamente da alimentação de oxidante gasoso.
6. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma alimentação de amônia é alimentada ao estágio de produção de nitrato de amônio em uma quantidade aproximadamente igual à quantidade total a ser consumida no estágio de produção de nitrato de amônio e no estágio de produção de ácido nítrico.
7. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o gás oxidante compreende um gás que contém pelo menos 80% de oxigênio.
8. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o gás oxidante compreende um gás que contém pelo menos 90% de oxigênio.
9. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o gás oxidante compreende um gás que contém pelo menos 95% de oxigênio.
10. Processo, de acordo a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o gás oxidante na alimentação de oxidante é fornecido em uma quantidade suficiente para oxidar a amônia na alimentação de oxidante e substancialmente todo o monóxido de nitrogênio na mistura de reação.
11. Processo, de acordo a reivindicação 7, caracterizado

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 53/59

3/4 pelo fato de que o gás oxidante na alimentação de oxidante é fornecido em uma quantidade suficiente para oxidar a amônia na alimentação de oxidante e parte do monóxido de nitrogênio na mistura de reação e em que o gás oxidante adicional é adicionado à mistura de reação para facilitar substancialmente a oxidação completa do monóxido de nitrogênio na mistura de reação.
12. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o gás oxidante compreende ar.
13. Processo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o gás oxidante na alimentação de oxidante é fornecido em uma quantidade apenas suficiente para oxidar a amônia na alimentação de oxidante e em que o gás oxidante adicional é adicionado à mistura de reação para facilitar substancialmente a oxidação completa do monóxido de nitrogênio na mistura de reação, em que o gás oxidante adicional é admitido à mistura de reação após a oxidação da amônia e antes do trocador de calor.
14. Processo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o gás oxidante é aquecido antes da mistura com os componentes de vapor e amônia da alimentação de oxidante.
15. Processo, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o gás oxidante é aquecido pela troca de calor com a mistura de reação.
16. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a solução de nitrato de amônio é concentrada em um evaporador dentro do estágio de produção de nitrato de amônio.
17. Processo, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que um separador de fase é fornecido para receber uma corrente de duas fases (nitrato de amônio-vapor) do evaporador e em que o vapor é separado da corrente de duas fases no separador e

Petição 870190078360, de 13/08/2019, pág. 54/59

4/4 é retornado ao estágio de produção de ácido nítrico, para formar o componente de vapor da alimentação de oxidante, juntamente com a amônia arrastada que é suprida ao estágio de produção de nitrato de amônio em excesso do que é consumida na reação com o ácido nítrico.
18. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a solução de nitrato de amônio é concentrada em dois, primeiro e segundo, evaporadores conectados em série, em que um primeiro separador de fase é fornecido para receber uma corrente de duas fases (nitrato de amônio-vapor) do primeiro evaporador e em que o vapor é separado da corrente de duas fases no primeiro separador e é retornado ao estágio de produção de ácido nítrico, para formar o componente de vaporização da alimentação de oxidante, juntamente com amônia arrastada que é suprida ao estágio de produção de nitrato de amônio em excesso do que é consumida na reação com o ácido nítrico.
19. Processo, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que um segundo separador de fase é fornecido para receber uma corrente de duas fases do segundo evaporador e em que o vapor é separado da corrente de duas fases no segundo separador de fase e é empregado em um estado condensado como água de lavagem em um dispositivo desnebulizador que está localizado em qualquer um ou em cada um dentre o primeiro e o segundo separadores de fase.
20. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o monóxido de nitrogênio em uma quantidade próxima a 100% daquela na mistura de reação é convertida em ácido nítrico no estágio de produção de ácido nítrico.