BR112014017691B1 - Process, catalyst and catalyst synthesis for hydrogen production - Google Patents

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Abstract

PROCESSO E CATALISADOR PARA PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO Refere-se a presente invenção a um processo para a produção de hidrogênio por decomposição catalítica de soluções amoniacais. O objetivo é alcançado pela purificação de uma corrente amoniacal e o emprego desta corrente purificada como carga em um processo de reforma a vapor. A etapa de purificação remove impurezas tais como enxofre, halogênios, metais e hidrocarbonetos olefínicos de correntes amoniacais gasosas geradas em unidades de águas ácidas. A corrente purificada é conduzida para um forno reformador do processo de reforma a vapor, para a conversão da amônia em hidrogênio, que é purificado pelos processos convencionais existentes em unidades de reforma a vapor. Adicionalmente, é sintetizado um catalisador, cujas características possibilitam o seu emprego para a purificação da corrente amoniacal.PROCESS AND CATALYST FOR PRODUCTION OF HYDROGEN The present invention relates to a process for the production of hydrogen by catalytic decomposition of ammoniacal solutions. The objective is achieved by purifying an ammoniacal stream and employing this purified stream as a feedstock in a steam reforming process. The purification step removes impurities such as sulphur, halogens, metals and olefinic hydrocarbons from ammonia gas streams generated in acidic water units. The purified stream is conducted to a steam reforming process reformer furnace, for the conversion of ammonia into hydrogen, which is purified by conventional processes existing in steam reforming units. Additionally, a catalyst is synthesized, whose characteristics allow its use for the purification of the ammoniacal stream.

Description

CAMPO DA INVENÇÃOFIELD OF THE INVENTION

A presente invenção encontra seu campo de aplicação dentre os processos para a produção de hidrogênio por decomposição catalítica de soluções amoniacais. Mais especificamente, a produção catalítica de hidrogênio a partir de correntes gasosas amoniacais geradas na unidade de águas ácidas decorrente de processos de hidrotratamento de hidrocarbonetos. FUNDAMENTOS DA INVENÇÃOThe present invention finds its field of application among the processes for the production of hydrogen by catalytic decomposition of ammoniacal solutions. More specifically, the catalytic production of hydrogen from ammonia gas streams generated in the acidic water unit resulting from hydrocarbon hydrotreatment processes. FUNDAMENTALS OF THE INVENTION

O petróleo é composto por uma complexa mistura de hidrocarbonetos, associada a teores variáveis de compostos orgânicos contendo nitrogênio, enxofre e oxigênio e menores quantidades de metais, tais como: vanádio, níquel, sódio, cálcio e cobre.Oil is composed of a complex mixture of hydrocarbons, associated with varying contents of organic compounds containing nitrogen, sulfur and oxygen and smaller amounts of metals, such as vanadium, nickel, sodium, calcium and copper.

O processamento do petróleo gera inúmeros derivados, dentre os quais, gasolina, óleo diesel e querosene de aviação.Oil processing generates numerous derivatives, including gasoline, diesel oil and aviation kerosene.

Compostos tais como enxofre, nitrogênio, oxigênio, halogênios e metais são classificados como indesejáveis nos derivados, pois ao longo da cadeia de consumo geram poluentes atmosféricos e alteram a integridade de equipamentos e do próprio derivado.Compounds such as sulfur, nitrogen, oxygen, halogens and metals are classified as undesirable in derivatives, as they generate atmospheric pollutants along the consumption chain and alter the integrity of equipment and the derivative itself.

Para garantir a qualidade e a adequação à legislação vigente, é usual encaminhar esses derivados para um tratamento denominado "hidrotratamento", cuja característica é alterar, ou remover, as impurezas presentes nestes derivados pelo emprego de reações de hidrogenação.To ensure quality and compliance with current legislation, it is usual to send these derivatives to a treatment called "hydrotreatment", whose characteristic is to change, or remove, the impurities present in these derivatives through the use of hydrogenation reactions.

Para hidrocarbonetos tendo como contaminantes enxofre e nitrogênio, reações de hidrogenação geram sulfeto de hidrogênio (H2S) e amônia (NH3). Estas reações ocorrem em reatores preenchidos com leitos fixos e que utilizam catalisadores manufaturados em sua maioria com sulfetos de níquel (ou cobalto) e molibdênio, suportados principalmente em alumina.For hydrocarbons with sulfur and nitrogen as contaminants, hydrogenation reactions generate hydrogen sulfide (H2S) and ammonia (NH3). These reactions occur in reactors filled with fixed beds and using catalysts manufactured mostly with nickel (or cobalt) and molybdenum sulfides, supported mainly on alumina.

Durante o processo de hidrotratamento é realizada a injeção de água, que ocorre em etapa prévia à separação entre o hidrogênio utilizado em excesso à estequiometria das reações de hidrogenação e os produtos do processo. O objetivo da injeção de água é reter sulfeto de hidrogênio e amónia em solução aquosa. Este procedimento evita a deposição de sais, tal como o sulfeto de amónia (NH4SH), que poderiam obstruir linhas e equipamentos, após processo de deposição, se presente na corrente de hidrocarbonetos. A solução aquosa assim obtida constitui um efluente denominado "água ácida".During the hydrotreatment process, water is injected, which occurs in a step prior to the separation between the hydrogen used in excess of the stoichiometry of the hydrogenation reactions and the products of the process. The purpose of water injection is to retain hydrogen sulfide and ammonia in aqueous solution. This procedure avoids the deposition of salts, such as ammonium sulfide (NH4SH), which could clog lines and equipment, after the deposition process, if present in the hydrocarbon stream. The aqueous solution thus obtained constitutes an effluent called "acidic water".

Além do hidrotratamento, diversos processos da indústria do refino também geram água ácida. São exemplos: a destilação, o craqueamento catalítico, o hidrocraqueamento, o craqueamento térmico e o coqueamento retardado.In addition to hydrotreatment, several processes in the refining industry also generate acidic water. Examples are distillation, catalytic cracking, hydrocracking, thermal cracking and delayed coking.

A corrente de água ácida contém contaminantes que inviabilizam a sua liberação direta no meio ambiente ou o seu reaproveitamento em processos de refino. Para que isso ocorra, é usual que este efluente sofra um tratamento em uma unidade específica denominada “unidade de águas ácidas” para a retirada do sulfeto de hidrogênio e da amónia. Múltiplas configurações de unidades de águas ácidas são encontradas na literatura técnica especializada. A corrente de água ácida é retificada, e são geradas correntes gasosas contendo amónia e sulfeto de hidrogênio.The acidic water stream contains contaminants that prevent its direct release into the environment or its reuse in refining processes. For this to occur, it is usual for this effluent to undergo treatment in a specific unit called “acid water unit” for the removal of hydrogen sulfide and ammonia. Multiple configurations of acidic water units are found in the specialized technical literature. The acidic water stream is rectified, and gas streams containing ammonia and hydrogen sulfide are generated.

Um método rotineiramente empregado para o tratamento final destas correntes gasosas amoniacais geradas na unidade de águas ácidas é a incineração.A method routinely used for the final treatment of these ammonia gas streams generated in the acid water unit is incineration.

Na indústria de petróleo, o processo Claus é o método padrão para a eliminação do enxofre de efluentes gasosos. Compreende uma primeira etapa térmica (ou de combustão) e uma segunda etapa catalítica (ou de leitos catalíticos).In the petroleum industry, the Claus process is the standard method for removing sulfur from off-gas. It comprises a first thermal (or combustion) stage and a second catalytic (or catalytic bed) stage.

Compostos de enxofre presentes na corrente amoniacal são incinerados nos queimadores de uma unidade do processo Claus para recuperar o enxofre. As reações da etapa térmica do processo Claus são:

Figure img0001
Sulfur compounds present in the ammonia stream are incinerated in the burners of a Claus process unit to recover sulfur. The reactions of the thermal step of the Claus process are:
Figure img0001

Na etapa catalítica, o óxido de enxofre (SO2) reage com o remanescente de sulfeto de hidrogênio, representado pela seguinte reação.

Figure img0002
O enxofre assim recuperado é comercializado no estado líquido ou sólido.In the catalytic step, sulfur oxide (SO2) reacts with the remaining hydrogen sulfide, represented by the following reaction.
Figure img0002
The sulfur thus recovered is sold in the liquid or solid state.

A injeção da corrente gasosa amoniacal, recuperada na unidade de águas ácidas, em uma unidade Claus pode ser um método conveniente de dispor deste efluente. No entanto, produz alguns obstáculos, como a dificuldade em controlar a relação das concentrações de dióxido de enxofre e sulfeto de hidrogênio na seção de combustão, particularmente, quando a corrente amoniacal contiver hidrocarbonetos. Esta relação é um fator critico para a correta operação da unidade. Adicionalmente, o dióxido de carbono (CO2) formado na combustão de hidrocarbonetos ou previamente existente na corrente amoniacal, acarreta perda da eficiência de recuperação do enxofre. A amónia que não for incinerada apresenta a capacidade potencial de formar depósitos de saís nos equipamentos, tais como sulfetos de amónia, comprometendo a eficiência ou o tempo de campanha da unidade. Paralelamente, a incineração parcial pode gerar uma elevada emissão de óxidos de nitrogênio (NOX), danosos ao meio ambiente e sujeitos a restrições previstas na legislação ambiental.The injection of the ammonia gas stream, recovered from the acidic water unit, into a Claus unit can be a convenient method of disposing of this effluent. However, it produces some obstacles, such as the difficulty in controlling the ratio of sulfur dioxide and hydrogen sulfide concentrations in the combustion section, particularly when the ammonia stream contains hydrocarbons. This ratio is a critical factor for the correct operation of the unit. Additionally, the carbon dioxide (CO2) formed in the combustion of hydrocarbons or previously existing in the ammoniacal stream, causes loss of sulfur recovery efficiency. Ammonia that is not incinerated has the potential to form salt deposits on equipment, such as ammonium sulfides, compromising unit efficiency or campaign time. At the same time, partial incineration can generate a high emission of nitrogen oxides (NOX), which are harmful to the environment and subject to restrictions provided for in environmental legislation.

Uma dificuldade adicional enfrentada para o uso de correntes amoniacais em unidades Claus no estado da técnica está limitado a um valor máximo de adição de amónia em relação ao total da carga processada em torno de 30% a 35% em base úmida.An additional difficulty faced for the use of ammonia currents in Claus units in the state of the art is limited to a maximum value of ammonia addition in relation to the total processed load of around 30% to 35% on a wet basis.

Alguns petróleos de ocorrência no Brasil caracterizam-se por altos teores de compostos nitrogenados, por exemplo, o explorado na Bacia de Campos. Em consequência, a unidade de águas ácidas produz uma corrente gasosa com elevador teor de amónia.Some oils occurring in Brazil are characterized by high levels of nitrogen compounds, for example, the one exploited in the Campos Basin. As a result, the acidic water unit produces a gas stream with high ammonia content.

Uma solução técnica para contornar essa situação é a incineração combinada: utilizando-se a unidade Claus até o limite estabelecido pela técnica, e o encaminhamento do excesso de amónia para um incinerador dedicado.A technical solution to overcome this situation is combined incineration: using the Claus unit up to the limit established by the technique, and forwarding the excess ammonia to a dedicated incinerator.

Embora conhecido do estado da técnica, a incineração da corrente amoniacal oriunda da unidade de águas ácidas, seja em uma unidade do tipo Claus ou em um incinerador dedicado, não gera produtos que possam ser comercializados.Although known in the state of the art, the incineration of the ammoniacal stream coming from the acidic water unit, either in a Claus-type unit or in a dedicated incinerator, does not generate products that can be commercialized.

São encontrados, na literatura técnica especializada, diferentes processos para a recuperação de amónia presente em correntes de águas ácidas. A amónia pode ser recuperada diretamente na forma anidra ou em solução aquosa, ou indiretamente, na forma de hidrossulfeto de sódio, tiosulfato de amónia, sulfato de amónia e fosfato de amónia.Different processes for the recovery of ammonia present in acidic water streams are found in the specialized technical literature. Ammonia can be recovered directly in anhydrous form or in aqueous solution, or indirectly in the form of sodium hydrosulfide, ammonium thiosulfate, ammonium sulfate and ammonium phosphate.

Assume grande importância, especificamente para a indústria do petróleo, a recuperação da amónia por meio de sua transformação em hidrogênio, pois este é um insumo utilizado em larga escala em processos de hidrotratamento. Atualmente, para a produção de hidrogênio, são empregados preferencialmente gás natural e nafta, matérias-primas de elevado custo, porém, de múltiplos usos. O primeiro, empregado na matriz energética, o segundo, matéria-prima nas centrais petroquímicas.It is of great importance, specifically for the oil industry, the recovery of ammonia through its transformation into hydrogen, as this is an input used on a large scale in hydrotreatment processes. Currently, for the production of hydrogen, natural gas and naphtha are used preferentially, raw materials of high cost, however, of multiple uses. The first, used in the energy matrix, the second, raw material in petrochemical plants.

O processo mais utilizado para produzir hidrogênio em larga escala, na indústria do refino, é a reforma a vapor. Hidrocarbonetos reagem com vapor de água, em elevadas temperaturas e pressões. São empregados catalisadores a base de níquel em suportes refratários de alfa-alumina, aluminatos de magnésio e aluminatos de cálcio.The process most used to produce hydrogen on a large scale in the refining industry is steam reforming. Hydrocarbons react with water vapor at elevated temperatures and pressures. Nickel-based catalysts are used on refractory supports of alpha-alumina, magnesium aluminates and calcium aluminates.

Em unidades de grande capacidade, os hidrocarbonetos utilizados além do gás natural e da nafta, são os gases de refinaria, o propano e butanos. Tendo como exemplo o metano, as principais reações são representadas pelas equações abaixo, que em conjunto, têm um saldo altamente endotérmico.

Figure img0003
In large capacity units, the hydrocarbons used in addition to natural gas and naphtha are refinery gases, propane and butanes. Taking methane as an example, the main reactions are represented by the equations below, which together have a highly endothermic balance.
Figure img0003

O processo de reforma a vapor é usualmente conduzido pela introdução de uma carga previamente purificada, em um número variável de reatores de leito fixo. Tais reatores são construídos com tubos metálicos, com dimensões típicas entre 7 cm e 15 cm de diâmetro externo e altura na faixa de 10 m a 13 m, localizados no interior de um forno de aquecimento, que supre o calor necessário para as reações. O conjunto de reatores e forno é chamado de reformador primário. A temperatura típica de entrada dos gases a serem processados nos reatores do reformador primário situa-se na faixa de 400°C a 550°C, e a de saída, na faixa de 750°C a 950°C, em pressões típicas na faixa de 10 kgf/cm2 (980,67 kPa) a 35 kgf/cm2 (3432,33 kPa).The steam reforming process is usually carried out by introducing a previously purified feedstock into a variable number of fixed bed reactors. Such reactors are built with metallic tubes, with typical dimensions between 7 cm and 15 cm in external diameter and height in the range of 10 m to 13 m, located inside a heating furnace, which supplies the heat necessary for the reactions. The set of reactors and furnace is called a primary reformer. The typical inlet temperature of the gases to be processed in the reactors of the primary reformer is in the range of 400°C to 550°C, and the outlet temperature, in the range of 750°C to 950°C, at typical pressures in the range from 10 kgf/cm2 (980.67 kPa) to 35 kgf/cm2 (3432.33 kPa).

A reação de decomposição da amônia, termodinamicamente favorecida pelo uso de elevadas temperaturas, é representada pela equação:

Figure img0004
The ammonia decomposition reaction, thermodynamically favored by the use of high temperatures, is represented by the equation:
Figure img0004

Conforme a literatura técnica, sob temperaturas de reação superiores a 527oC e pressão de 1,9 bar (190 kPa), o equilíbrio termodinâmico prevê uma conversão superior a 99,5%.According to the technical literature, under reaction temperatures above 527oC and pressure of 1.9 bar (190 kPa), thermodynamic equilibrium predicts a conversion above 99.5%.

A decomposição da amônia em hidrogênio e nitrogênio pode ser realizada sobre uma variedade de catalisadores, tais como aqueles baseados em: platina (Pt), ródio (Rh), paládio (Pd), irídio (Ir) e níquel (Ni). É conhecido e utilizado na prática industrial, que a decomposição de amônia pode ser realizada por catalisadores à base de níquel sob as condições existentes no reformador primário. Tal decomposição pode ser utilizada para a redução inicial dos catalisadores, fornecidos na forma de óxido de níquel, conforme as equações abaixo:

Figure img0005
The decomposition of ammonia into hydrogen and nitrogen can be carried out over a variety of catalysts, such as those based on: platinum (Pt), rhodium (Rh), palladium (Pd), iridium (Ir) and nickel (Ni). It is known and used in industrial practice that ammonia decomposition can be carried out by nickel-based catalysts under existing conditions in the primary reformer. Such decomposition can be used for the initial reduction of the catalysts, supplied in the form of nickel oxide, according to the equations below:
Figure img0005

A literatura técnica e a prática industrial também ensinam que os catalisadores á base de níquel, utilizados no reformador primário, são altamente suscetíveis à desativação por envenenamento. Contaminantes mais comuns são: enxofre, arsênio, fósforo, chumbo e halogênios. Estes devem ser reduzidos a níveis inferiores a 0,1 ppm, preferencialmente inferiores a 0,01 ppm para alcançar uma adequada atividade catalítica e, consequentemente, um tempo de campanha de pelo menos 3 anos.Technical literature and industrial practice also teach that nickel-based catalysts used in the primary reformer are highly susceptible to deactivation by poisoning. Most common contaminants are: sulphur, arsenic, phosphorus, lead and halogens. These must be reduced to levels below 0.1 ppm, preferably below 0.01 ppm to achieve adequate catalytic activity and, consequently, a campaign time of at least 3 years.

A corrente aquosa que é tratada na unidade de águas ácidas contém sulfeto de hidrogênio e amónia em teores na faixa de 300 ppm a 20.000 ppm, com relações amónia para sulfeto de hidrogênio na faixa de 1 a 2,0. Esta corrente pode ainda conter outros contaminantes, tais como hidrocarbonetos, cloretos, sulfatos, formatos, cianetos, cátions como sódio, potássio e cálcio, ácidos minerais ou orgânicos e gases dissolvidos como dióxido de carbono e oxigênio em concentrações variadas.The aqueous stream that is treated in the acidic water unit contains hydrogen sulfide and ammonia in levels ranging from 300 ppm to 20,000 ppm, with ammonia to hydrogen sulfide ratios ranging from 1 to 2.0. This stream may also contain other contaminants such as hydrocarbons, chlorides, sulfates, formates, cyanides, cations such as sodium, potassium and calcium, mineral or organic acids and dissolved gases such as carbon dioxide and oxygen in varying concentrations.

A corrente gasosa que é gerada na unidade de águas ácidas, além da contaminação por compostos de enxofre, como sulfeto de hidrogênio e mercaptanas, apresenta ainda outros contaminantes, por vezes abaixo dos limites de detecção analíticos, mas suficientes para causar a desativação dos catalisadores de reforma primária. Potenciais contaminantes são os compostos inorgânicos e orgânicos de cloro. Cloretos podem reduzir significativamente a atividade de catalisadores de reforma a vapor.The gaseous stream that is generated in the acidic water unit, in addition to contamination by sulfur compounds, such as hydrogen sulfide and mercaptans, also presents other contaminants, sometimes below the analytical detection limits, but sufficient to cause the deactivation of the catalysts of primary reform. Potential contaminants are inorganic and organic chlorine compounds. Chlorides can significantly reduce the activity of steam reforming catalysts.

O documento US 2007/0178034 apresenta um processo para a remoção de compostos orgânicos e inorgânicos de enxofre de uma corrente amoniacal. O enxofre é removido por um leito fixo absorvente catalítico composto por um catalisador com a massa de níquel variando entre 10% e 30%. O suporte do catalisador é escolhido entre alumina, sílica, titânia, magnésio, zircônia ou uma mistura destes. O promotor é escolhido entre os óxidos dos elementos químicos cério, praseodímio, neodímio, promécio, samário ou uma mistura destes. Os catalisadores de metanação são indicados como os preferidos. A corrente amoniacal, apósUS 2007/0178034 discloses a process for removing organic and inorganic sulfur compounds from an ammonia stream. The sulfur is removed by a fixed catalytic absorbent bed composed of a catalyst with a nickel mass ranging from 10% to 30%. The catalyst support is chosen from alumina, silica, titania, magnesium, zirconia or a mixture thereof. The promoter is chosen from the oxides of the chemical elements cerium, praseodymium, neodymium, promethium, samarium or a mixture thereof. Methanation catalysts are indicated as preferred. The ammoniacal current, after

a retirada do enxofre, é misturada a uma corrente de hidrocarbonetos e é empregada para a geração de hidrogênio em um processo de reforma a vapor. O método de purificação apresentado neste documento é específico para a remoção de compostos de enxofre. Uma corrente amoniacal, gerada em uma unidade de “águas ácidas”, contem uma pluralidade de outros contaminantes.the removal of sulfur, is mixed with a stream of hydrocarbons and is used to generate hydrogen in a steam reforming process. The purification method presented in this document is specific to the removal of sulfur compounds. An ammonia stream, generated in a unit of “acidic water”, contains a plurality of other contaminants.

O documento EP 0096970 apresenta um processo para remoção de compostos orgânicos de enxofre tais como sulfeto de hidrogênio, mercaptanas, sulfetos e dissulfetos presentes em correntes amoniacais geradas no processamento de hidrocarbonetos, xisto betuminoso e carvão. O enxofre é removido em um leito de óxido de zinco a uma temperatura reacional na faixa de 260°C a 454°C. Não ocorre, no entanto, menção à purificação de outros contaminantes, nem ao emprego para a produção de hidrogênio.EP 0096970 presents a process for removing organic sulfur compounds such as hydrogen sulfide, mercaptans, sulfides and disulfides present in ammonia streams generated in the processing of hydrocarbons, oil shale and coal. Sulfur is removed in a bed of zinc oxide at a reaction temperature in the range of 260°C to 454°C. However, there is no mention of the purification of other contaminants, nor the use for the production of hydrogen.

O documento US 7,258,848 apresenta um processo para o tratamento de gases contendo amónia e sulfeto de hidrogênio. A amónia é removida pela lavagem dos gases com um ácido forte, por exemplo, ácido sulfúrico concentrado, de forma a converter à amónia em um sal. A solução aquosa ou o sal cristalizado de amónia podem ser empregados como fertilizante.US 7,258,848 discloses a process for treating gases containing ammonia and hydrogen sulfide. Ammonia is removed by washing the gases with a strong acid, for example concentrated sulfuric acid, in order to convert the ammonia into a salt. The aqueous solution or the crystallized ammonia salt can be used as a fertilizer.

Assim, os processos de purificação de correntes amoniacais geradas em unidades de águas ácidas são específicos para a remoção de compostos de enxofre. O estado da técnica carece de um processo que remova outros contaminantes, tais como compostos de halogênios, metais e hidrocarbonetos, e resulte em uma corrente amoniacal, que, empregada em um processo de reforma catalítica para a produção de hidrogênio, conduza a uma reduzida taxa de desativação dos catalisadores.Thus, the purification processes of ammonia streams generated in acidic water units are specific for the removal of sulfur compounds. The state of the art lacks a process that removes other contaminants, such as compounds of halogens, metals and hydrocarbons, and results in an ammoniacal stream, which, when used in a catalytic reform process for the production of hydrogen, leads to a reduced rate. deactivation of the catalysts.

SUMÁRIO DA INVENÇÃOSUMMARY OF THE INVENTION

É objeto da presente invenção um processo para a produção de hidrogênio por decomposição catalítica de soluções amoniacaisThe object of the present invention is a process for the production of hydrogen by catalytic decomposition of ammoniacal solutions

proveniente de unidades de água ácida. Tal processo envolve a purificação de uma corrente amoniacal e o emprego desta corrente purificada como carga em um processo de reforma a vapor. A etapa de purificação remove impurezas tais como enxofre, halogênios, metais e 5 hidrocarbonetos olefínicos. A corrente purificada é conduzida para um forno reformador, que faz parte do processo de reforma a vapor, para a conversão da amónia em hidrogênio.from acidic water units. Such a process involves purifying an ammoniacal stream and employing this purified stream as a feedstock in a steam reforming process. The purification step removes impurities such as sulfur, halogens, metals and olefinic hydrocarbons. The purified stream is conducted to a reforming furnace, which is part of the steam reforming process, for the conversion of ammonia into hydrogen.

Adicionalmente, é sintetizado um catalisador, cujas características possibilitam seu emprego para a purificação da corrente amoniacal com 10 uma reduzida taxa de desativação.Additionally, a catalyst is synthesized, whose characteristics allow its use for the purification of the ammoniacal stream with a reduced deactivation rate.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃODETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Refere-se a presente invenção a um processo para produção de hidrogênio por decomposição catalítica de soluções amoniacais provenientes de unidades de água ácida. O objetivo é alcançado por meio 15 de um processo realizado em duas etapas principais, a saber: uma primeira etapa de purificação da corrente amoniacal, que compreende um pré-tratamento da corrente amoniacal em uma pluralidade de leitos de catalisadores, e, uma segunda etapa, que consiste na submissão da corrente tratada à reforma a vapor.The present invention relates to a process for producing hydrogen by catalytic decomposition of ammonia solutions from acidic water units. The objective is achieved by means of a process carried out in two main stages, namely: a first stage of purification of the ammoniacal stream, which comprises a pre-treatment of the ammoniacal stream in a plurality of catalyst beds, and, a second stage , which consists of submitting the treated stream to steam reforming.

Adicionalmente, para a realização do processo, é sintetizado um catalisador, cujas características possibilitam seu emprego na etapa de purificação da corrente amoniacal.Additionally, for the accomplishment of the process, a catalyst is synthesized, whose characteristics allow its use in the stage of purification of the ammoniacal stream.

Em linhas gerais a invenção trata de um processo contínuo para a produção de hidrogênio, realizado em duas etapas, sendo que:a primeira etapa compreende os seguintes passos:- remover metais e cloretos existentes na corrente amoniacal gasosa proveniente de unidades de água ácida, em um primeiro leito, composto por materiais escolhidos entre alumina, sílica-aluminas, sílica, titânio, magnésio, zircônio e misturas 30 destes, mantido a uma temperatura reacional na faixa de 300°C a 650°C, sob pressão na faixa de 1 kgf/cm2 (98,0665 kPa) a 40 kgf/cm2 (3922,66 kPa), para obter uma primeira corrente de efluente;- transformar compostos orgânicos de cloretos e enxofre, contaminantes da primeira corrente de efluente, em ácidoclorídrico e sulfeto de hidrogênio, e, adicionalmente, hidrogenar compostos olefínicos, em um segundo leito, composto porcatalisadores de hidrotratamento escolhidos entre cobalto-molibdênio e níquel-molibdênio, suportados em alumina, ealternativamente, suportados em óxidos de zinco, a uma temperatura reacional na faixa de 300°C a 650°C, sob pressão na faixa de 1 kgf/cm2 (98,0665 kPa) a 40 kgf/cm2 (3922,66 kPa), para obter uma segunda corrente de efluente;- remover sulfeto de hidrogênio e compostos inorgânicos de cloro, tais como ácido clorídrico, cloreto de amônia, e, adicionalmente, transformar parcialmente a amônia em hidrogênio e nitrogênio, contaminantes da segunda corrente de efluente, em um terceiro leito, composto por catalisadores promovidos por materiais escolhidos entre os metais alcalinos e alcalinos terrosos, suportados em materiais escolhidos entre óxidos de zinco, alumina, sílicas-alumina e misturas destes, e tendo óxido de níquel como fase ativa, a uma temperatura reacional na faixa de 300°C a 650°C, sob pressão na faixa de 1 kgf/cm2 (98,0665 kPa) a 40 kgf/cm2 (3922,66 kPa), para obter uma terceira corrente de efluente;- remover compostos inorgânicos e orgânicos de enxofre e cloro existentes na terceira corrente de efluente, em um quarto leito, composto por catalisadores escolhidos entre aqueles contendo óxidos de zinco e cobre, a uma temperatura reacional na faixa de 300°C a 650°C, sob pressão na faixa de 1 kgf/cm2 (98,0665 kPa) a 40 kgf/cm2 (3922,66 kPa), para obter uma corrente amoniacal purificada;a segunda etapa compreende os seguintes passos:- alimentar a corrente amoniacal purificada em um reator, para a produção de hidrogênio pelo processo de reforma a vapor, para obter uma corrente gasosa rica em hidrogênio;- purificar a corrente gasosa rica em hidrogênio, para obter o produto final hidrogênio.In general terms, the invention deals with a continuous process for the production of hydrogen, carried out in two stages, where: the first stage comprises the following steps: - remove existing metals and chlorides in the gaseous ammoniacal stream coming from acidic water units, in a first bed, composed of materials chosen from alumina, silica-aluminas, silica, titanium, magnesium, zirconium and mixtures 30 thereof, maintained at a reaction temperature in the range of 300°C to 650°C, under pressure in the range of 1 kgf /cm2 (98.0665 kPa) to 40 kgf/cm2 (3922.66 kPa), to obtain a first effluent stream; - transform organic compounds of chlorides and sulfur, contaminants of the first effluent stream, into hydrochloric acid and hydrogen sulfide , and, additionally, hydrogenate olefinic compounds, in a second bed, composed of hydrotreatment catalysts chosen between cobalt-molybdenum and nickel-molybdenum, supported on alumina, and alternatively, supported on oxides of zinc, at a reaction temperature in the range of 300°C to 650°C, under pressure in the range of 1 kgf/cm2 (98.0665 kPa) to 40 kgf/cm2 (3922.66 kPa), to obtain a second stream of effluent;- remove hydrogen sulfide and inorganic chlorine compounds, such as hydrochloric acid, ammonium chloride, and, additionally, partially transform the ammonia into hydrogen and nitrogen, contaminants from the second effluent stream, in a third bed, composed of catalysts promoted by materials chosen from alkali metals and alkaline earth metals, supported on materials chosen from zinc oxides, alumina, silica-alumina and mixtures thereof, and having nickel oxide as the active phase, at a reaction temperature in the range of 300°C to 650°C, under pressure in the range of 1 kgf/cm2 (98.0665 kPa) to 40 kgf/cm2 (3922.66 kPa), to obtain a third effluent stream; - remove existing inorganic and organic sulfur and chlorine compounds in the third effluent stream, in a fourth bed o, composed of catalysts chosen from among those containing zinc and copper oxides, at a reaction temperature in the range of 300°C to 650°C, under pressure in the range of 1 kgf/cm2 (98.0665 kPa) to 40 kgf/cm2 (3922.66 kPa), to obtain a purified ammoniacal stream; the second stage comprises the following steps:- feeding the purified ammoniacal stream into a reactor, for the production of hydrogen by the steam reforming process, to obtain a rich gas stream into hydrogen;- purify the hydrogen-rich gas stream to obtain the final hydrogen product.

A presente invenção pode ser aplicada a unidades existentes de produção de hidrogênio pelo processo de reforma a vapor, bastando adequar à seção de pré-tratamento da unidade existente à pluralidade de leitos.The present invention can be applied to existing hydrogen production units by the steam reforming process, simply by adapting the pre-treatment section of the existing unit to the plurality of beds.

Além da corrente amoniacal, uma corrente de hidrocarbonetos também pode ser alimentada na primeira etapa do processo. A corrente de hidrocarbonetos corresponde à carga que é normalmente empregada em unidades industriais de produção de hidrogênio pelo processo de reforma a vapor. A corrente amoniacal corresponde a uma fração da carga de hidrocarbonetos, e encontra se na faixa entre 1% a 10% em volume. Os hidrocarbonetos podem ser escolhidos entre gás natural, gás liquefeito de petróleo, nafta e uma mistura destes, em quaisquer proporções.In addition to the ammonia stream, a hydrocarbon stream can also be fed in the first step of the process. The hydrocarbon stream corresponds to the load that is normally used in industrial hydrogen production units by the steam reforming process. The ammonia stream corresponds to a fraction of the hydrocarbon load, and is in the range between 1% to 10% by volume. Hydrocarbons can be chosen from natural gas, liquefied petroleum gas, naphtha and a mixture of these, in any proportions.

No processo de purificação, ocorre preferenciai mente a adição de hidrogênio à carga, com o objetivo de evitar a formação de coque no segundo leito catalítico.In the purification process, hydrogen is preferably added to the charge, in order to avoid the formation of coke in the second catalytic bed.

No terceiro leito, a inclusão de óxido de níquel na formulação do catalisador permite realizar a transformação parcial da amónia em hidrogênio e nitrogênio. O catalisador é sintetizado contendo óxido de níquel como fase ativa, suportado pelos materiais escolhidos entre óxido de zinco, alumina e uma mistura destes, e promovido por materiais escolhidos entre os metais alcalinos e alcalinos terrosos.In the third bed, the inclusion of nickel oxide in the catalyst formulation allows the partial transformation of ammonia into hydrogen and nitrogen. The catalyst is synthesized containing nickel oxide as the active phase, supported by materials chosen from zinc oxide, alumina and a mixture of these, and promoted by materials chosen from alkali and alkaline earth metals.

O catalisador é obtido por meio de técnica de impregnação a seco, a partir da impregnação de um suporte, selecionado entre alumina e óxido de zinco, com uma solução de hidróxido do metal, para obter um material do tipo K/alumina ou K/ZnO. O material é seco e calcinado. A seguir, o material calcinado é impregnado com solução de nitrato de níquel, seco e novamente calcinado, dando origem ao catalisador cujas características possibilitam seu emprego para a purificação da corrente amoniacal com uma reduzida taxa de desativação. A síntese do catalisador será apresentada em detalhe mais adiante.The catalyst is obtained by means of a dry impregnation technique, from the impregnation of a support, selected between alumina and zinc oxide, with a metal hydroxide solution, to obtain a material of the K/alumina or K/ZnO type. . The material is dried and calcined. Next, the calcined material is impregnated with nickel nitrate solution, dried and calcined again, giving rise to the catalyst whose characteristics allow its use for the purification of the ammoniacal stream with a reduced deactivation rate. The synthesis of the catalyst will be presented in detail later.

O quarto leito é composto por materiais que podem ser escolhidos entre óxidos de zinco e cobre em teores acima de 50% em massa. Podem ser usados, por exemplo, catalisadores comerciais de deslocamento a baixa temperatura (LTS), conhecidos na técnica pelo termo em inglês “low temperature shift”, utilizados em processos de produção de hidrogênio pela reforma a vapor.The fourth bed is composed of materials that can be chosen from zinc and copper oxides at levels above 50% by mass. For example, commercial low temperature shift (LTS) catalysts, known in the art by the English term “low temperature shift”, used in hydrogen production processes by steam reforming can be used.

Os leitos empregados na primeira etapa são montados dentro de reatores. Cada reator contém um único tipo de leito, somando quatro leitos e quatro reatores diferentes. Alternativamente, a pluralidade de leitos pode estar contida em um único reator. O arranjo dos leitos em um único reator, ou em vários, é determinado pela capacidade volumétrica da unidade e pelos custos relativos dos equipamentos. O volume de cada leito deve ser selecionado em função do teor de contaminantes presentes na corrente amoniacal, além do tempo de campanha projetado para uma unidade industrial.The beds used in the first stage are assembled inside reactors. Each reactor contains a single type of bed, totaling four beds and four different reactors. Alternatively, the plurality of beds can be contained in a single reactor. The arrangement of beds in a single reactor, or in several, is determined by the volumetric capacity of the unit and the relative costs of the equipment. The volume of each bed must be selected according to the content of contaminants present in the ammoniacal stream, in addition to the campaign time projected for an industrial unit.

O emprego do primeiro e do segundo leito, em uma configuração industrial da presente invenção, é determinado pelo tipo de contaminantes presentes. Assim, em uma carga livre de metais, o emprego do primeiro leito não é necessário. Em uma carga livre de enxofre orgânico, o emprego do segundo leito não é necessário. O emprego do quarto leito, para a remoção final de compostos inorgânicos e orgânicos contendo enxofre e cloretos, é determinado pelo teor de contaminantes permitido no produto, além do tempo objetivo de campanha do reformador de uma unidade industrial.The employment of the first and second beds, in an industrial configuration of the present invention, is determined by the type of contaminants present. Thus, in a metal-free load, the use of the first bed is not necessary. In an organic sulfur-free load, the use of the second bed is not necessary. The use of the fourth bed, for the final removal of inorganic and organic compounds containing sulfur and chlorides, is determined by the content of contaminants allowed in the product, in addition to the objective campaign time of the reformer of an industrial unit.

Na segunda etapa do processo, a reforma a vapor, a corrente amoniacal purificada é encaminhada para um pré-reformador, e, alternativamente, a um reformador primário, comumente empregado no processo de reforma a vapor. Nestes equipamentos ocorre a conversão da amónia residual oriunda do terceiro leito em hidrogênio e nitrogênio. A corrente obtida após a reação de conversão deve ser tratada para a retirada de impurezas misturadas ao hidrogênio.In the second stage of the process, steam reforming, the purified ammonia stream is sent to a pre-reformer, and, alternatively, to a primary reformer, commonly used in the steam reforming process. In these equipments, residual ammonia from the third bed is converted into hydrogen and nitrogen. The stream obtained after the conversion reaction must be treated to remove impurities mixed with hydrogen.

Os métodos de tratamento empregados são conhecidos do estado da técnica. A redução do teor de monóxido de carbono (CO) ocorre pela reação de deslocamento. A remoção de monóxido de carbono, dióxido de carbono, metano e nitrogênio, ocorre pelo emprego de um sistema de adsorção por variação de pressão (PSA).The treatment methods employed are known in the state of the art. The reduction of carbon monoxide (CO) content occurs by the displacement reaction. Removal of carbon monoxide, carbon dioxide, methane and nitrogen occurs through the use of a pressure variation adsorption (PSA) system.

O catalisador desenvolvido de acordo com a presente invenção é empregado no terceiro leito sendo capaz de decompor amónia e simultaneamente retirar cloreto (Cl) e enxofre (S) da corrente amoniacal. O catalisador pode ser escolhido entre um catalisador suportado em alumina, promovido por um metal alcalino ou alcalino terroso, preferencialmente o potássio, e com fase ativa de óxido de níquel (NiO/K/alumina) e um catalisador suportado em óxido de zinco, promovido por um metal alcalino ou alcalino terroso, preferencialmente o potássio, e com fase ativa de óxido de níquel (NiO/K/ZnO). Além da alumina e do óxido de zinco, pode-se utilizar como suporte a sílica-alumina, ou, ainda, misturas destes.The catalyst developed according to the present invention is used in the third bed being able to decompose ammonia and simultaneously remove chloride (Cl) and sulfur (S) from the ammonia stream. The catalyst can be chosen between an alumina supported catalyst, promoted by an alkali metal or alkaline earth metal, preferably potassium, and with an active phase of nickel oxide (NiO/K/alumina) and a zinc oxide supported catalyst, promoted by an alkali metal or alkaline earth metal, preferably potassium, and with an active phase of nickel oxide (NiO/K/ZnO). In addition to alumina and zinc oxide, silica-alumina, or even mixtures thereof, can be used as a support.

O teor de metal alcalino empregado no catalisador está na faixa de 1% a 7% em massa, preferencialmente entre 2% a 4% em massa. O teor de óxido de níquel empregado no catalisador está na faixa de 5% e 40% em massa, preferencialmente entre 10% e 20% em massa. São obtidos catalisadores com área especifica na faixa de 15 m2/g a 30 m2/g.The alkali metal content used in the catalyst is in the range of 1% to 7% by mass, preferably between 2% to 4% by mass. The content of nickel oxide used in the catalyst is in the range of 5% and 40% by mass, preferably between 10% and 20% by mass. Catalysts with specific area in the range of 15 m2/g to 30 m2/g are obtained.

Para síntese do catalisador são empregados procedimentos conhecidos da técnica e descritos detalhadamente nos exemplos que ilustram a presente invenção.For the synthesis of the catalyst, procedures known in the art and described in detail in the examples that illustrate the present invention are used.

EXEMPLO 1: Síntese do catalisador NiO/K/alumina.EXAMPLE 1: Synthesis of NiO/K/alumina catalyst.

Neste exemplo foi sintetizado o catalisador em suporte de alumina, promovido por potássio e fase ativa de óxido de níquel (NiO/K/alumina).In this example, the catalyst supported by alumina was synthesized, promoted by potassium and nickel oxide active phase (NiO/K/alumina).

O catalisador foi preparado com duzentos gramas de hidróxido de alumina Pural SB (Condea Chemie), impregnado com uma solução aquosa de 11,5 gramas de hidróxido de potássio (KOH) pela técnica da impregnação seca (técnica de volume de poros). O material assim obtido foi seco em temperaturas na faixa de 100°C a 120°C por um período de tempo na faixa de 8 horas a 12 horas e calcinado em temperatura em torno de 600°C por um período de tempo em torno de 4 horas. Após esse período de tempo, a temperatura de calcinação foi elevada para um valor 10 em torno de 1.200°C por um período de tempo em torno de 1 hora para obter um material do tipo K/alumina.The catalyst was prepared with two hundred grams of alumina hydroxide Pural SB (Condea Chemie), impregnated with an aqueous solution of 11.5 grams of potassium hydroxide (KOH) by the dry impregnation technique (pore volume technique). The material thus obtained was dried at temperatures in the range of 100°C to 120°C for a period of time in the range of 8 hours to 12 hours and calcined at a temperature of around 600°C for a period of time in the range of 4 hours. hours. After this period of time, the calcination temperature was raised to a value of 10 around 1200°C for a period of time around 1 hour to obtain a K/alumina type material.

Uma quantidade de cento e trinta e três gramas do material K/alumina foi impregnado com uma solução aquosa contendo 27,2 gramas de nitrato de níquel hexahidratado [Ni(NO3)2.6H2O] pela técnica da impregnação seca (técnica de volume de poros), seguido de secagem em temperatura na faixa de 100°C a 120°C por um período de tempo na faixa de 8 horas a 12 horas e calcinado em temperatura em torno de 450°C por um período de tempo em torno de 4 horas para obter um catalisador do tipo NiO/K/alumina. O catalisador assim obtido apresentou uma concentração de 3% em massa de potássio (K), 15% em massa de óxido de níquel (NiO) e área especifica de 27,7 m2/g, determinada pela técnica de adsorção de nitrogênio.One hundred and thirty-three grams of K/alumina material was impregnated with an aqueous solution containing 27.2 grams of nickel nitrate hexahydrate [Ni(NO3)2.6H2O] by the dry impregnation technique (pore volume technique) , followed by drying at a temperature in the range of 100°C to 120°C for a period of time in the range of 8 hours to 12 hours and calcined at a temperature of around 450°C for a period of time in the range of 4 hours to to obtain a NiO/K/alumina catalyst. The catalyst thus obtained showed a concentration of 3% by mass of potassium (K), 15% by mass of nickel oxide (NiO) and a specific area of 27.7 m2/g, determined by the technique of nitrogen adsorption.

O catalisador é empregado para a conversão de amônia e remoção de cloreto e de enxofre.The catalyst is used for the conversion of ammonia and the removal of chloride and sulfur.

EXEMPLO 2: Síntese do catalisador NiO/K/ZnO.EXAMPLE 2: Synthesis of NiO/K/ZnO catalyst.

Neste exemplo foi sintetizado o catalisador em suporte de óxido de zinco, promovido por potássio e fase ativa de óxido de níquel (NiO/K/ZnO).In this example, the catalyst supported by zinc oxide, promoted by potassium and nickel oxide active phase (NiO/K/ZnO) was synthesized.

O catalisador foi preparado com cento e cinquenta gramas de um óxido de zinco comercial, impregnado com uma solução aquosa de 3,01 gramas de hidróxido de potássio (KOH) pela técnica de volume de poros.The catalyst was prepared with one hundred and fifty grams of a commercial zinc oxide, impregnated with an aqueous solution of 3.01 grams of potassium hydroxide (KOH) by the pore volume technique.

O material assim obtido foi seco em temperatura em torno de 110°C e calcinado em temperatura em torno de 450°C por um período de tempo em torno de 4 horas para obter um material do tipo K/ZnO.The material thus obtained was dried at a temperature around 110°C and calcined at a temperature around 450°C for a period of time around 4 hours to obtain a material of the K/ZnO type.

Uma quantidade de noventa gramas do material K/ZnO foi impregnado com uma solução aquosa contendo 19,5 gramas de nitrato de níquel hexahidratado [Ni(NO3)2.6H2O] pela técnica de volume de poros, seguido de secagem em temperaturas na faixa de 100°C a 120°C por um período de tempo na faixa de 8 horas a 12 horas e calcinado em temperatura em torno de 450°C por um período de tempo em torno de 4 horas para obter um material do tipo NiO/K/ZnO. O catalisador assim obtido apresentou uma concentração de 2% em massa de potássio (K) e 15% em massa de óxido de níquel (NiO) e área especifica de 17,2 m2/g, determinada pela técnica de adsorção de nitrogênio.O catalisador é empregado para a conversão de amônia e remoção de cloreto e de enxofre.Ninety grams of K/ZnO material was impregnated with an aqueous solution containing 19.5 grams of nickel nitrate hexahydrate [Ni(NO3)2.6H2O] by the pore volume technique, followed by drying at temperatures in the range of 100 °C to 120 °C for a period of time in the range of 8 hours to 12 hours and calcined at a temperature of around 450 °C for a period of time around 4 hours to obtain a material of the NiO/K/ZnO type . The catalyst thus obtained showed a concentration of 2% by mass of potassium (K) and 15% by mass of nickel oxide (NiO) and a specific area of 17.2 m2/g, determined by the technique of nitrogen adsorption. It is used for the conversion of ammonia and the removal of chloride and sulfur.

EXEMPLO 3: Desempenho dos catalisadores - retenção de cloretos.EXAMPLE 3: Performance of catalysts - retention of chlorides.

Neste exemplo foi comparada a capacidade de retenção de cloretos dos catalisadores da invenção, preparados de acordo com os Exemplos 1 e 2, em relação a catalisadores comerciais usados em processos do estado da técnica. Um primeiro catalisador selecionado trata-se de um catalisador comercial à base de níquel. Um segundo catalisador selecionado para a etapa de deslocamento a baixa temperatura ("low temperature shift" ou LTS) no processo de produção de hidrogênio pela reforma a vapor, é um catalisador comercial do tipo CuO/ZnO/Al2O.In this example, the chloride retention capacity of the catalysts of the invention, prepared according to Examples 1 and 2, was compared with commercial catalysts used in prior art processes. A first catalyst selected is a commercial nickel-based catalyst. A second catalyst selected for the low temperature shift (LTS) step in the steam reforming hydrogen production process is a commercial CuO/ZnO/Al2O catalyst.

Os experimentos foram realizados em uma unidade de processo em escala de laboratório, contendo um reator de leito fixo de catalisador e empregando as seguintes condições experimentais:- pressão atmosférica;- temperatura de 350°C;- Massa de catalisador igual a 2,0 g; granulometria menor que 0,105 mm ou mesh 150.The experiments were carried out in a laboratory-scale process unit, containing a fixed-bed catalyst reactor and using the following experimental conditions:- atmospheric pressure;- temperature of 350°C;- Catalyst mass equal to 2.0 g ; granulometry less than 0.105 mm or mesh 150.

Os catalisadores foram inicialmente pré-tratados em fluxo de hidrogênio em temperatura de 400°C pelo período de tempo de 60 minutos e a seguir resfriados para a temperatura de 350°C.The catalysts were initially pre-treated in hydrogen flow at a temperature of 400°C for a period of time of 60 minutes and then cooled to a temperature of 350°C.

O experimento consiste em fazer passar um fluxo de 40 mL/min. de hidrogênio em um saturador contendo ácido clorídrico concentrado PA mantido a temperatura de 10°C e alimentá-lo ao reator.The experiment consists of passing a flow of 40 mL/min. of hydrogen in a saturator containing concentrated hydrochloric acid PA maintained at a temperature of 10°C and fed to the reactor.

Os catalisadores são comparados em relação ao tempo para se observar o aparecimento de cloreto no efluente do reator. Assumiu-se uma concentração média da solução de cloreto de hidrogênio de 34% (correspondendo a uma pressão de vapor do cloreto de hidrogênio sobre a solução de 26,4 mmHg conforme valores tabelados na literatura). O tempo para a ocorrência da “fuga” de cloreto foi utilizado para a estimativa da capacidade de retenção de cloreto (kg Cl/kg material).The catalysts are compared in terms of time to observe the appearance of chloride in the reactor effluent. An average concentration of the hydrogen chloride solution of 34% was assumed (corresponding to a vapor pressure of the hydrogen chloride over the solution of 26.4 mmHg, according to values tabulated in the literature). The time for the occurrence of chloride “leakage” was used to estimate the chloride holding capacity (kg Cl/kg material).

O efluente do reator foi acompanhado por espectrometria de massas, monitorando-se o fragmento com a relação massa/carga igual a 36.The reactor effluent was monitored by mass spectrometry, monitoring the fragment with a mass/charge ratio equal to 36.

Os resultados são apresentados na Tabela 1 abaixo.

Figure img0006
De acordo com a Tabela 1, o material sintetizado no Exemplo 1 possui capacidade de retenção de cloreto superior em 75% em relação ao catalisador de metanação comercial (caso base). O catalisador sintetizado no Exemplo 2 possui capacidade de retenção de cloreto superior em 875% em relação ao catalisador de metanação comercial.The results are shown in Table 1 below.
Figure img0006
According to Table 1, the material synthesized in Example 1 has a chloride retention capacity of 75% higher than the commercial methanation catalyst (base case). The catalyst synthesized in Example 2 has an 875% higher chloride retention capacity than the commercial methanation catalyst.

EXEMPLO 4: Desempenho dos catalisadores - retenção de enxofre.EXAMPLE 4: Performance of catalysts - sulfur retention.

Neste exemplo foi comparada a capacidade de retenção de enxofre dos catalisadores da invenção, preparados de acordo com os Exemplos 1 e 2, em relação a catalisadores do estado da técnica. Os catalisadores comerciais selecionados foram os mesmos empregados no Exemplo 3.In this example, the sulfur holding capacity of the catalysts of the invention, prepared according to Examples 1 and 2, was compared to catalysts of the state of the art. The commercial catalysts selected were the same as those used in Example 3.

Os experimentos foram realizados em uma unidade de processo em escala de laboratório, empregando as seguintes condições experimentais:- pressão atmosférica;- temperatura de 350°C;- massa de catalisador igual a 3,0 g; granulometria menor que 0,105 mm.The experiments were carried out in a laboratory-scale process unit, using the following experimental conditions:- atmospheric pressure;- temperature of 350°C;- catalyst mass equal to 3.0 g; granulometry less than 0.105 mm.

Os catalisadores foram inicialmente pré-tratados em fluxo de hidrogênio em temperatura de 400°C pelo período de tempo de 60 minutos e a seguir resfriados para a temperatura de 350°C.The catalysts were initially pre-treated in hydrogen flow at a temperature of 400°C for a period of time of 60 minutes and then cooled to a temperature of 350°C.

O enxofre foi alimentado ao reator através da passagem de um fluxo de 18 ml por minuto de uma mistura gasosa contendo 15% de sulfeto de hidrogênio em hidrogênio. A presença de sulfeto de hidrogênio foi detectada no efluente do reator pelo uso de ampolas para a detecção de sulfeto de hidrogênio, conhecido como ampola Drager. Os catalisadores são comparados em relação ao tempo para se observar o aparecimento de enxofre no efluente do reator e este valor utilizado para estimar a capacidade de retenção de enxofre (kg S / kg material). Os resultados são apresentados na Tabela 2 abaixo.

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Figure img0008
Sulfur was fed to the reactor by passing a flow of 18 ml per minute of a gas mixture containing 15% hydrogen sulfide in hydrogen. The presence of hydrogen sulfide was detected in the reactor effluent by using ampoules for the detection of hydrogen sulfide, known as Drager ampoule. The catalysts are compared in terms of time to observe the appearance of sulfur in the reactor effluent and this value is used to estimate the sulfur holding capacity (kg S / kg material). The results are shown in Table 2 below.
Figure img0007
Figure img0008

De acordo com a Tabela 2, o material sintetizado no Exemplo 2 possui capacidade de retenção de enxofre superior em 177% em relação ao catalisador de metanação comercial.According to Table 2, the material synthesized in Example 2 has 177% higher sulfur retention capacity than the commercial methanation catalyst.

O catalisador comercial LTS, de acordo com o processo da presente invenção, pode ser utilizado para compor a pluralidade de leitos de purificação da corrente de água ácida, visto que possui capacidade de retenção de cloreto superior em 200% e capacidade de retenção de enxofre superior em 205% em relação ao catalisador de metanação.The commercial LTS catalyst, according to the process of the present invention, can be used to compose the plurality of purification beds of the acidic water stream, as it has a chloride retention capacity of 200% and a sulfur retention capacity greater than 200%. by 205% compared to the methanation catalyst.

Estes exemplos ilustram a maior capacidade de retenção de cloretos e enxofre pelos catalisadores preparados de acordo com a presente invenção quando comparados aos catalisadores do estado da técnica. EXEMPLO 5: Desempenho dos catalisadores - decomposição de amónia.These examples illustrate the higher chloride and sulfur holding capacity of the catalysts prepared in accordance with the present invention when compared to prior art catalysts. EXAMPLE 5: Performance of catalysts - ammonia decomposition.

Neste exemplo foi comparada a atividade de decomposição da amónia por catalisadores da invenção, preparados de acordo com os Exemplos 1 e 2, em relação a catalisadores do estado da técnica. Os catalisadores comerciais selecionados foram os mesmos empregados nos exemplos anteriores.In this example, the decomposition activity of ammonia by catalysts of the invention, prepared according to Examples 1 and 2, was compared to catalysts of the state of the art. The commercial catalysts selected were the same as those used in the previous examples.

Os experimentos foram realizados em uma unidade de processo em escala de laboratório, empregando as seguintes condições experimentais:- pressão atmosférica;- temperatura na faixa de 450°C a 550°C;- massa de catalisador igual a 0,5 g; granulometria menor que 0,105 mm.The experiments were carried out in a laboratory-scale process unit, using the following experimental conditions:- atmospheric pressure;- temperature in the range of 450°C to 550°C;- catalyst mass equal to 0.5 g; granulometry less than 0.105 mm.

Os catalisadores foram inicialmente pré-tratados em fluxo de hidrogênio em temperatura de 450°C pelo período de tempo de 60 minutos. A amónia foi alimentada ao reator através da passagem de vazões situadas na faixa de 10 mL/min. a 40 mL/min. de hidrogênio em um saturador contendo hidróxido de amónio concentrado PA, na concentração situada na faixa de 28% a 30% de amónia, mantido a temperatura de 10°C. O efluente do reator foi acompanhado por espectrometria de massas, monitorando-se os fragmentos com a relação massa/carga de 17 e 28 para amónia e nitrogênio, respectivamente.The catalysts were initially pre-treated in hydrogen flow at a temperature of 450°C for a time period of 60 minutes. Ammonia was fed to the reactor through flow rates in the range of 10 mL/min. at 40 ml/min. of hydrogen in a saturator containing concentrated ammonium hydroxide PA, in the concentration situated in the range of 28% to 30% of ammonia, maintained at a temperature of 10°C. The reactor effluent was monitored by mass spectrometry, monitoring the fragments with a mass/charge ratio of 17 and 28 for ammonia and nitrogen, respectively.

Os catalisadores são comparados em relação à atividade de conversão da amónia (%), variando se o parâmetro velocidade espacial horária do gás (GHSV) e a temperatura de reação, conforme resultados apresentados na Tabela 3 adiante.The catalysts are compared in relation to the ammonia conversion activity (%), varying the hourly gas space velocity (GHSV) parameter and the reaction temperature, according to the results presented in Table 3 below.

Os resultados da Tabela 3 mostram que o catalisador sintetizado no Exemplo 1 apresenta atividade para a decomposição da amónia em hidrogênio e nitrogênio superior ao observado no catalisador de metanação. Ambos os catalisadores apresentam uma atividade significativa de decomposição da amónia somente em valores de temperatura acima de 450°C.

Figure img0009
The results of Table 3 show that the catalyst synthesized in Example 1 shows activity for the decomposition of ammonia into hydrogen and nitrogen higher than that observed in the methanation catalyst. Both catalysts show significant ammonia decomposition activity only at temperatures above 450°C.
Figure img0009

De acordo com a presente invenção, não é necessário que ocorra a reação de decomposição de amónia simultaneamente com o tratamento da corrente para remoção de contaminantes, tais como enxofre e cloreto, uma vez que tal reação irá ocorrer à jusante da etapa de purificação, na etapa de reforma primária do processo de produção de hidrogênio pela reforma a vapor. Em certas situações, no entanto, tais como a de limitado volume do catalisador de reforma primária ou elevada vazão de amónia em mistura com a corrente de hidrocarbonetos, é desejável que ocorra parte da transformação da amónia em hidrogênio simultaneamente à remoção de contaminantes, tais como cloretos e enxofre. Portanto, é possível conciliar uma elevada capacidade de retenção de contaminantes com uma alta conversão parcial da amónia empregando-se mistura de leitos dos materiais sintetizados de acordo com os Exemplos 1 e 2 e catalisador de LTS.According to the present invention, it is not necessary for the ammonia decomposition reaction to occur simultaneously with the treatment of the stream to remove contaminants, such as sulfur and chloride, since such a reaction will occur downstream of the purification step, in the primary reforming stage of the hydrogen production process by steam reforming. In certain situations, however, such as limited volume of the primary reforming catalyst or high flow rate of ammonia mixed with the hydrocarbon stream, it is desirable that part of the transformation of ammonia to hydrogen occur simultaneously with the removal of contaminants, such as chlorides and sulfur. Therefore, it is possible to reconcile a high capacity to retain contaminants with a high partial conversion of ammonia by employing bed mixtures of materials synthesized according to Examples 1 and 2 and LTS catalyst.

Os resultados confirmam o grande potencial da aplicação do processo para a produção de hidrogênio por decomposição catalítica de soluções amoniacais, bem como o potencial para a purificação da corrente amoniacal pelo catalisador sintetizado.The results confirm the great potential of the application of the process for the production of hydrogen by catalytic decomposition of ammonia solutions, as well as the potential for the purification of the ammoniacal stream by the synthesized catalyst.

Os exemplos demonstram que é possível aumentar a retenção de cloreto em até 875% e aumentar a retenção de enxofre em até 177%, com o emprego dos catalisadores sintetizados na presente invenção, em relação a catalisadores de metanação comerciais. O catalisador comercial LTS que de acordo com a presente invenção, pode ser utilizado para compor a pluralidade de leitos de purificação da corrente de água ácida, possui capacidade de retenção de cloreto superior em 200% e capacidade de retenção de enxofre superior em 205% em relação aos catalisadores de metanação comerciais.The examples demonstrate that it is possible to increase chloride retention by up to 875% and increase sulfur retention by up to 177%, with the use of the catalysts synthesized in the present invention, in relation to commercial methanation catalysts. The commercial LTS catalyst, which according to the present invention, can be used to compose the plurality of acid water stream purification beds, has a chloride retention capacity of 200% and a sulfur retention capacity of 205% in compared to commercial methanation catalysts.

Tornam-se evidentes, portanto, as vantagens da presente invenção em relação ao estado da técnica, a saber:- provê um método relativamente de baixo custo para a purificação de correntes amoniacais proveniente de unidades de água acida;- propicia a purificação de correntes amoniacais com alta concentração de contaminantes;- permite produzir hidrogênio a partir de correntes com alta concentração de amónia e outros contaminantes, empregando processo de reforma catalítica a vapor; e - pode ser aplicado em unidades já instaladas de produção de hidrogênio em larga escala pelo processo de reforma a vapor, sem necessidade de custos adicionais de capital.Therefore, the advantages of the present invention in relation to the state of the art become evident, namely:- it provides a relatively low-cost method for the purification of ammoniacal streams from acidic water units;- it provides the purification of ammoniacal streams with a high concentration of contaminants;- allows the production of hydrogen from streams with a high concentration of ammonia and other contaminants, using a steam catalytic reform process; and - can be applied to already installed large-scale hydrogen production units through the steam reforming process, without the need for additional capital costs.

Embora a presente invenção tenha sido descrita em sua forma de 5 realização preferida, o conceito principal que norteia a invenção, se mantém preservado quanto ao caráter inovador, onde aqueles usualmente versados na técnica poderão vislumbrar e praticar variações, modificações, alterações, adaptações e equivalentes cabíveis e compatíveis ao meio de trabalho em questão, sem, contudo se afastar da 10 abrangência do espírito e escopo da presente invenção, que estão representados pelas reivindicações que se seguem.Although the present invention has been described in its preferred embodiment, the main concept that guides the invention remains preserved regarding the innovative character, where those usually versed in the art will be able to envision and practice variations, modifications, alterations, adaptations and equivalents. suitable and compatible with the working environment in question, without, however, departing from the scope of the spirit and scope of the present invention, which are represented by the claims that follow.

Claims (8)

1- PROCESSO PARA PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO, caracterizado por compreender a decomposição catalítica de soluções amoniacais provenientes de unidades de águas ácidas, realizada em duas etapas, sendo uma primeira etapa de purificação da corrente amoniacal promovida em uma pluralidade de leitos catalíticos, e uma segunda etapa de reforma a vapor da corrente amoniacal purificada, segundo o qual:a primeira etapa de purificação da corrente amoniacal compreende os seguintes passos:- remover metais e cloretos existentes na corrente amoniacal em um primeiro leito, composto por materiais escolhidos entre alumina, sílica-aluminas, sílica, titânio, magnésio, zircônio e misturas destes, mantido a uma temperatura reacional na faixa de 300°C a 650°C, sob pressão na faixa de 1 kgf/cm2 (98,0665 kPa) a 40 kgf/cm2 (3922,66 kPa), para obter uma primeira corrente de efluente;- transformar compostos orgânicos de cloretos e enxofre, contaminantes da primeira corrente de efluente, em ácido clorídrico e sulfeto de hidrogênio, e, adicionalmente, hidrogenar compostos olefínicos, em um segundo leito, composto por catalisadores de hidrotratamento escolhidos entre cobalto-molibdênio e níquel- molibdênio, suportados em alumina, e alternativamente, suportados em óxidos de zinco, a uma temperatura reacional na faixa de 300°C a 650°C, sob pressão na faixa de 1 kgf/cm2 (98,0665 kPa) a 40 kgf/cm2 (3922,66 kPa), para obter uma segunda corrente de efluente;- remover sulfeto de hidrogênio e compostos inorgânicos de cloro, tais como ácido clorídrico, cloreto de amônia, contaminantes da segunda corrente de efluente e, adicionalmente, transformar parcialmente a amônia em hidrogênio e nitrogênio, em um terceiro leito, composto por catalisadores promovidos por materiais escolhidos entre os metais alcalinos e alcalinos terrosos, suportados em materiais escolhidos entre óxidos de zinco, alumina, sílicas-alumina e misturas destes, e tendo óxido de níquel como fase ativa, a uma temperatura reacional na faixa de 300°C a 650°C, sob pressão na faixa de 1 kgf/cm2 (98,0665 kPa) a 40 kgf/cm2 (3922,66 kPa), para obter uma terceira corrente de efluente;- remover compostos inorgânicos e orgânicos de enxofre e cloro existentes na terceira corrente de efluente, em um quarto leito, composto por catalisadores escolhidos entre aqueles contendo óxidos de zinco e cobre, a uma temperatura reacional na faixa de 300°C a 650°C, sob pressão na faixa de 1 kgf/cm2 (98,0665 kPa) a 40 kgf/cm2 (3922,66 kPa), para obter uma corrente amoniacal purificada;a segunda etapa compreende os seguintes passos:- alimentar a corrente amoniacal purificada em um reator, para a produção de hidrogênio pelo processo de reforma a vapor, para obter uma corrente gasosa rica em hidrogênio;- purificar a corrente gasosa rica em hidrogênio, para obter o produto final hidrogênio.1- PROCESS FOR HYDROGEN PRODUCTION, characterized by comprising the catalytic decomposition of ammonia solutions from acidic water units, carried out in two stages, with a first stage of purification of the ammoniacal stream promoted in a plurality of catalytic beds, and a second stage steam reforming of the purified ammoniacal stream, according to which: the first stage of purification of the ammoniacal stream comprises the following steps:- removing existing metals and chlorides in the ammoniacal stream in a first bed, composed of materials chosen from alumina, silica-aluminas , silica, titanium, magnesium, zirconium and mixtures thereof, maintained at a reaction temperature in the range of 300°C to 650°C, under pressure in the range of 1 kgf/cm2 (98.0665 kPa) to 40 kgf/cm2 (3922 .66 kPa), to obtain a first effluent stream;- transform organic compounds of chlorides and sulfur, contaminants of the first effluent stream, into hydrochloric acid and sulfur hydrogen, and, additionally, hydrogenate olefinic compounds, in a second bed, composed of hydrotreating catalysts chosen between cobalt-molybdenum and nickel-molybdenum, supported on alumina, and alternatively, supported on zinc oxides, at a reaction temperature in the range of 300°C to 650°C, under pressure in the range of 1 kgf/cm2 (98.0665 kPa) to 40 kgf/cm2 (3922.66 kPa), to obtain a second effluent stream; - remove hydrogen sulfide and compounds chlorine, such as hydrochloric acid, ammonium chloride, contaminants from the second effluent stream and, additionally, partially transform the ammonia into hydrogen and nitrogen, in a third bed, composed of catalysts promoted by materials chosen from alkali and alkaline metals earth, supported on materials chosen from zinc oxides, alumina, silica-alumina and mixtures thereof, and having nickel oxide as the active phase, at a reaction temperature in the range of 300°C at 650°C, under pressure in the range of 1 kgf/cm2 (98.0665 kPa) to 40 kgf/cm2 (3922.66 kPa), to obtain a third effluent stream; - remove inorganic and organic compounds of sulfur and chlorine existing in the third effluent stream, in a fourth bed, composed of catalysts chosen among those containing zinc and copper oxides, at a reaction temperature in the range of 300°C to 650°C, under pressure in the range of 1 kgf/cm2 ( 98.0665 kPa) at 40 kgf/cm2 (3922.66 kPa), to obtain a purified ammoniacal stream; the second stage comprises the following steps:- feeding the purified ammoniacal stream into a reactor, for the production of hydrogen by the process of steam reforming to obtain a hydrogen-rich gas stream;- purify the hydrogen-rich gas stream to obtain the final hydrogen product. 2- PROCESSO PARA PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela corrente de solução amoniacal corresponder entre 1% a 10% em volume da carga de hidrocarbonetos alimentada ao processo.2- PROCESS FOR PRODUCTION OF HYDROGEN, according to claim 1, characterized in that the current of ammonia solution corresponds between 1% to 10% by volume of the hydrocarbon load fed to the process. 3- PROCESSO PARA PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo arranjo dos leitos ser determinado pela capacidade volumétrica da unidade e o volume de cada leito ser selecionado em função do teor de contaminantes presentes na corrente amoniacal.3- PROCESS FOR PRODUCTION OF HYDROGEN, according to claim 1, characterized in that the arrangement of the beds is determined by the volumetric capacity of the unit and the volume of each bed is selected according to the content of contaminants present in the ammoniacal stream. 4- CATALISADOR PARA PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO, por decomposição catalítica de soluções amoniacais provenientes de unidades de águas ácidas, sendo tal catalisador empregado em pelo menos um leito catalítico da etapa de purificação da corrente amoniacal para a produção de hidrogênio de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por possuir área específica na faixa de 15 m2/g a 30 m2/g e consistir de materiais escolhidos entre os metais alcalinos e alcalinos terrosos, suportados em materiais escolhidos entre óxidos de zinco, sílicas-alumina e misturas destes, e tendo óxido de níquel como fase ativa.4- CATALYST FOR THE PRODUCTION OF HYDROGEN, by catalytic decomposition of ammonia solutions from acidic water units, such catalyst being used in at least one catalytic bed of the purification step of the ammoniacal stream for the production of hydrogen according to claim 1, characterized by having a specific area in the range of 15 m2/g to 30 m2/g and consisting of materials chosen from alkali metals and alkaline earth metals, supported on materials chosen from zinc oxides, silica-alumina and mixtures thereof, and having nickel oxide as active phase. 5- CATALISADOR PARA PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo teor de metal alcalino empregado no catalisador estar na faixa de 1% a 7% em massa e o teor de óxido de níquel empregado no catalisador estar na faixa de 5% e 40% em massa.5- CATALYST FOR THE PRODUCTION OF HYDROGEN, according to claim 4, characterized in that the alkali metal content used in the catalyst is in the range of 1% to 7% by mass and the content of nickel oxide used in the catalyst is in the range of 5 % and 40% by mass. 6- CATALISADOR PARA PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo teor de metal alcalino estar entre 2% a 4% em massa.6- CATALYST FOR THE PRODUCTION OF HYDROGEN, according to claim 5, characterized in that the alkali metal content is between 2% to 4% by mass. 7- CATALISADOR PARA PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo teor de óxido de níquel estar entre 10% e 20% em massa.7- CATALYST FOR THE PRODUCTION OF HYDROGEN, according to claim 5, characterized in that the content of nickel oxide is between 10% and 20% by mass. 8- SÍNTESE DO CATALISADOR PARA PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO, conforme definido na reivindicação 4, caracterizado por compreender as seguintes etapas:- impregnar o óxido de zinco com uma solução aquosa de hidróxido de potássio, e secar o material em temperatura de 110°C;- calcinar o material em temperatura de 450°C por um período de tempo de 4 horas, para obter um material K/ZnO;- impregnar o material K/ZnO com uma solução aquosa de nitrato de níquel hexahidratado, e secar o material em temperaturas na faixa de 100°C a 120°C por um período de tempo na faixa de 8 horas a 12 horas; - calcinar o material impregnado em temperatura de 450°C por um período de tempo de 4 horas para obter um catalisador do tipo NiO/K/ZnO.8- SYNTHESIS OF THE CATALYST FOR THE PRODUCTION OF HYDROGEN, as defined in claim 4, characterized in that it comprises the following steps:- impregnating zinc oxide with an aqueous solution of potassium hydroxide, and drying the material at a temperature of 110°C;- calcin the material at a temperature of 450°C for a period of time of 4 hours, to obtain a K/ZnO material; - impregnate the K/ZnO material with an aqueous solution of nickel nitrate hexahydrate, and dry the material at temperatures in the range of 100°C to 120°C for a period of time in the range of 8 hours to 12 hours; - calcining the impregnated material at a temperature of 450°C for a period of time of 4 hours to obtain a NiO/K/ZnO catalyst.
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