BR112016012533B1 - Processo de preparação de gás de amoníaco e co2 para um processo de síntese de ureia - Google Patents

Processo de preparação de gás de amoníaco e co2 para um processo de síntese de ureia Download PDF

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Abstract

MÉTODO DE PREPARAÇÃO DE GÁS DE AMONÍACO E CO2 PARA UM PROCESSO DE SÍNTESE DE UREIA. A invenção refere-se a um processo de preparação de gás de amoníaco e CO2 para a síntese de ureia. No processo da invenção, um gás de processo (2) contendo azoto, hidrogênio e dióxido de carbono como componentes principais é produzido a partir de um gás metalúrgico (1) que contém gás de alto-forno pelo menos como componente da mistura ou consiste em gás de alto-forno. O gás de processo (2) é fracionado para se obter uma corrente de gás (6) contendo o componente CO2 e uma mistura gasosa (5) consistindo essencialmente em N2 e H2. Um gás de amoníaco (8) apropriado para a síntese de ureia (9) é produzido a partir da mistura gasosa (5) por síntese de amoníaco (7). O CO2 é separado da corrente de gás contendo CO2 com uma pureza e em uma quantidade adequadas para a síntese de ureia.

Description

[001] A invenção refere-se a um processo de preparação de amoníaco e CO2 para a síntese de ureia.
[002] Industrialmente, a ureia é obtida a partir de NH3 e CO2 através do intermediário carbamato de amônio. O carbamato de amônio é formado rápida e completamente quando a sua dissociação é evitada por uma pressão de reação suficientemente elevada. O carbamato de amônio exotermicamente formado é convertido endotermicamente em ureia em etapas subsequentes de decomposição a baixa pressão, com os gases em excesso podendo ser reciclados de volta ao reator. A reação de formação de carbamato de amônio é levada a cabo utilizando um excesso de NH3, com uma razão molar NH3/CO2 de cerca de 4 sendo frequentemente escolhida na prática.
[003] As matérias-primas para a síntese de ureia são CO2 e NH3. Uma vez que o dióxido de carbono é obtido como subproduto na síntese do amoníaco, a fábrica de ureia é frequentemente operada em conjunto com uma instalação de amoníaco. São utilizadas fábricas que fundamentalmente produzem ureia a partir de gás natural, ar e água através de etapas de processo de produção de hidrogênio, produção de amoníaco e síntese de ureia.
[004] Neste contexto, é um objeto da invenção proporcionar um processo eficiente de produção dos materiais gasosos de partida para a síntese de ureia. Para operar o processo, deverá ser utilizado um gás em bruto obtido como produto residual em um processo industrial. O gás em bruto e as etapas de processo deverão ser selecionados de modo que os componentes gasosos do gás em bruto sejam convertidos quase completamente em amoníaco e CO2, nas proporções necessárias para a síntese de ureia.
[005] Para atingir este objetivo, a invenção proporciona um processo tal como reivindicado na reivindicação 1. As formas de realização vantajosas do processo da invenção estão descritas nas reivindicações de 2 a 9.
[006] De acordo com a invenção, na preparação dos materiais gasosos de partida para a síntese de ureia é utilizado um gás metalúrgico contendo gás de alto-forno pelo menos como componente de mistura, ou consistindo em gás de alto-forno. O gás de alto-forno é obtido durante a produção de gusa, em um alto- forno. No alto-forno, a gusa é obtida a partir de minérios de ferro, aditivos, e também de coque e de outros agentes redutores, tais como carvão, óleo ou gás. Como produtos das reações de redução, são inevitavelmente formados CO2, hidrogênio e vapor de água. Um gás de alto-forno retirado do processo de alto- forno tem, para além dos componentes atrás referidos, um teor elevado de azoto. A composição do gás de alto-forno depende das matérias-primas e do modo de operação e está sujeita a flutuações. No entanto, o gás de alto-forno geralmente contém entre 35 a 60% em volume de N2, de 20 a 30% em volume de CO, de 20 a 30% em volume de CO2 e de 2 a 15% em volume de H2.
[007] Além disso, no processo da invenção, pode ser utilizado um gás metalúrgico consistindo de uma mistura gasosa constituída por gás de alto-forno e gás de conversor, ou de uma mistura gasosa constituída por gás de alto-forno, gás de conversor e gás do forno de coque. O gás de conversor, que é obtido em um conversor siderúrgico durante a conversão de gusa em aço bruto, tem um teor elevado de CO e também contém azoto, hidrogênio e CO2. Uma composição típica do gás de conversor é de 50 a 70% em volume de CO, de 10 a 20% em volume de N2, cerca de 15% em volume de CO2 e cerca de 2% em volume de H2. O gás do forno de coque é obtido durante a coqueificação do carvão e tem um teor elevado de hidrogênio, bem como quantidades apreciáveis de CH4. O gás do forno de coque contém tipicamente de 55 a 70% em volume de H2, de 20 a 30% em volume de CH4, de 5 a 10% em volume de N2 e de 5 a 10% em volume de CO. O gás do forno de coque compreende adicionalmente proporções de CO2, NH3 e H2S.
[008] No processo da invenção, um gás de processo contendo azoto, hidrogênio e dióxido de carbono como componentes principais é produzido a partir do gás metalúrgico e este gás de processo é subsequentemente fracionado para se obter uma corrente de gás contendo o componente CO2 e uma mistura gasosa consistindo essencialmente em N2 e H2. Um gás de amoníaco adequado para a síntese de ureia é produzido a partir da mistura gasosa por síntese de amoníaco. O CO2 é retirado da corrente de gás contendo CO2, com uma pureza e em uma quantidade adequadas para a síntese de ureia. O condicionamento do gás metalúrgico e os passos de separação descritos podem ser conjugados entre si de modo que o amoníaco e o CO2 sejam formados nas proporções necessárias para a síntese de ureia e que o gás metalúrgico possa ser utilizado quase completamente na preparação dos materiais de partida gasosos necessários para a síntese de ureia.
[009] A utilização do gás metalúrgico na produção de gás de processo é vantajosamente precedida por uma purificação de gás. A purificação de gás serve para separar os constituintes indesejáveis, em particular o alcatrão, enxofre e compostos sulfurosos, hidrocarbonetos aromáticos (BTX) e hidrocarbonetos de elevado ponto de ebulição.
[010] O componente CO do gás metalúrgico pode ser convertido em CO2 e H2 por uma reação de gás de água, formando-se um gás de processo contendo azoto, hidrogênio e dióxido de carbono como componentes principais.
[011] O gás de processo é subsequentemente fracionado, preferencialmente por adsorção com modulação da pressão (AMP), para se obter uma mistura gasosa constituída essencialmente por azoto e hidrogênio e um gás de saída, também referido como gás de saída da AMP, contendo o componente CO2. Uma utilização da adsorção com modulação da pressão (AMP) conhecida da técnica anterior é o isolamento e purificação de hidrogênio. No contexto do processo da invenção, a adsorção com modulação da pressão é operada em combinação com um condicionamento prévio do gás para se estabelecer uma desejada razão de concentrações de H2 para N2. Um aspeto do processo da invenção é, por conseguinte, a conjugação de uma etapa de condicionamento do gás, em particular uma reação de gás de água, com adsorção por modulação de pressão de modo a produzir um gás de síntese adequado para a síntese de amoníaco a partir de gás metalúrgico contendo gás de alto-forno pelo menos como componente da mistura, ou consistindo em gás de alto-forno. Além disso, os componentes secundários que são desfavoráveis à síntese do amoníaco, por exemplo, o árgon, o metano ou o monóxido de carbono, podem ser removidos ou a sua concentração pode ser reduzida por adsorção com modulação da pressão.
[012] A adsorção com modulação da pressão produz um gás de saída rico em energia (gás da AMP), que contém o componente CO2 do gás de processo e quaisquer proporções residuais de CO. O CO2 para a síntese da ureia é obtido a partir do gás de saída da AMP. Em uma forma de realização preferida do processo da invenção, o componente CO2 é separado do gás de saída da adsorção com modulação de pressão (gás de saída da AMP) e é subsequentemente separado em um gás contendo uma elevada concentração de CO2 para a síntese de ureia e em um gás residual com uma menor concentração de CO2.
[013] A invenção proporciona igualmente um processo para a preparação de ureia, no qual carbamato de amônio é produzido a partir de gás de amoníaco e CO2 utilizando um excesso de amoníaco, e o carbamato de amônio é então dissociado em água e ureia. De acordo com a invenção, o gás de amoníaco necessário para a síntese de ureia e o CO2 que é de igual modo requerido para a síntese de ureia são produzidos a partir de um gás metalúrgico que contém gás de alto-forno pelo menos como componente de mistura ou que consiste em gás de alto-forno. É essencial para o processo da invenção que os materiais gasosos de partida para a síntese da ureia sejam obtidos exclusivamente a partir do gás metalúrgico. Os materiais gasosos de partida para a síntese de ureia são obtidos pelo processo descrito atrás.
[014] O invento será ilustrado a seguir com a ajuda de um desenho que representa meramente um exemplo de trabalho. Esta única figura mostra esquematicamente, na forma de um diagrama de blocos muito simplificado, um processo de preparação de materiais de partida gasosos para a síntese de ureia.
[015] Um gás de processo 2 contendo azoto (N2), hidrogênio (H2) e dioxide de carbono (CO2) como componentes principais é produzido a partir de um gás metalúrgico 1 que contém gás de alto-forno pelo menos como componente da mistura, e no exemplo de trabalho consiste em gás de alto forno, de acordo com o processo representado na figura.
[016] O gás de alto-forno 1 tem, por exemplo, uma composição típica de 50% em volume de N2, 24% em volume de CO2, 21% em volume de CO e cerca de 4% em volume de H2. Após purificação do gás 3, na qual são separados constituintes indesejáveis como, por exemplo, alcatrão, enxofre e compostos sulfurosos, hidrocarbonetos aromáticos (BTX) e hidrocarbonetos de elevado ponto de ebulição, o gás metalúrgico 1, que consiste em gás de alto-forno, é convertido por uma etapa de condicionamento de gás 4 no gás de processo 2, o qual consiste principalmente em N2, H2 e CO2. O condicionamento de gás 4 inclui, em particular, uma conversão de CO, na qual o componente CO do gás metalúrgico 1 é convertido em CO2 e H2 por uma reação de gás de água.
[017] CO + H2O CO2 + H2
[018] Após a conversão ou reação de gás de água, o gás de processo tem uma composição de cerca de 37% em volume de CO2, 21% em volume de H2 e 42% em volume de N2.
[019] O gás de processo 2 é fracionado por meio de adsorção com modulação de pressão 16 para se obter uma mistura gasosa 5 consistindo essencialmente em N2 e H2 e um gás de saída 6 que contém o componente CO2. Um gás de amoníaco 8 adequado para a síntese de ureia é produzido a partir da mistura gasosa contendo N2 e H2 por uma síntese de amoníaco 7. Na síntese de amoníaco 7, a mistura gasosa constituída por hidrogênio e azoto pode, por exemplo, ser feita reagir em um catalisador misto de óxido de ferro a pressões na faixa de 150 a 200 bar e a uma temperatura de reação de 350 a 550 °C.
[020] O CO2 para a síntese de ureia 9 é obtido a partir do gás de saída 6 da adsorção com modulação de pressão. De acordo com o esquema do processo representado na figura, o componente CO2 11 é separado do gás de saída 6 da adsorção com modulação de pressão em uma primeira fase de separação 10. Subsequentemente, uma separação em um gás 13 com uma elevada concentração de dióxido de carbono e um gás residual 14 com uma baixa concentração de CO2 é levada a cabo em um segundo passo de separação 12. O gás 13 é, em particular, dióxido de carbono com a pureza necessária para a síntese de ureia.
[021] O CO2 e o NH3 são alimentados à unidade de ureia nas proporções requeridas para a síntese de ureia 9. Na fábrica de ureia, carbamato de amônio é produzido utilizando um excesso de amoníaco e o carbonato de amônio é convertido em ureia 15 em fases subsequentes de decomposição a baixa pressão.
[022] O processo ilustrado com o auxílio da figura também pode ser operado com uma mistura gasosa de gás de alto-forno e gás de conversor, ou usando uma mistura gasosa de gás de alto-forno, gás do conversor e gás do forno de coque como gás metalúrgico 1.

Claims (8)

1. Processo de preparação de gás de amoníaco e CO2 para a síntese de ureia, caracterizado por o gás de processo (2) contendo azoto, hidrogênio e dióxido de carbono como componentes principais ser produzido a partir de um gás metalúrgico (1) que consiste de uma mistura gasosa composta por gás de alto-forno e gás de conversor ou uma mistura gasosa composta por gás de alto-forno, gás de conversor e gás de coque, em que o gás de processo (2) é fracionado para se obter uma corrente de gás (6) que contém o componente CO2 e uma mistura gasosa (5) que consiste essencialmente em N2 e H2, em que um gás de amoníaco (8) apropriado para a síntese de ureia (9) é produzido a partir da mistura gasosa (5) por síntese de amoníaco (7) e em que o CO2é separado da corrente de gás contendo CO2 (6) com uma pureza e em uma quantidade adequada para a síntese de ureia (9).
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o gás metalúrgico (1) ser purificado antes de ser utilizado na produção de gás de processo.
3. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado por o componente CO do gás metalúrgico (1) ser convertido em CO2 e H2 por uma reação de gás-de-água (4).
4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado por o gás de processo (2) ser fracionado por adsorção com modulação de pressão (16) para se obter uma mistura gasosa (5) consistindo essencialmente em N2e H2 e um gás de saída (6) contendo o componente CO2 da adsorção com modulação de pressão.
5. Processo de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizado por a adsorção com modulação de pressão (16) ser operada de tal modo que o gás de processo (2) contém N2 e H2 em uma razão de concentrações apropriada para a síntese de amoníaco (7).
6. Processo de acordo com a reivindicação 4 ou 5, caracterizado por o CO2 para a síntese de ureia (9) ser obtido a partir do gás de saída (6) da adsorção com modulação de pressão (16).
7. Processo de acordo a reivindicação 6, caracterizado por o componente CO2 (11) ser separado do gás de saída (6) da adsorção com modulação da pressão e ser subsequentemente separado em um gás (13) com uma elevada concentração de dióxido de carbono para a síntese de ureia (9) e um gás residual (14) com uma menor concentração de CO2.
8. Processo para a preparação de ureia, em que é produzido carbamato de amônio a partir do gás de amoníaco e CO2 utilizando um excesso de amoníaco, e o carbamato de amônio é convertido em ureia em fases subsequentes de decomposição a baixa pressão, caracterizado por o gás de amoníaco necessário para a síntese de ureia e o CO2 que é de igual modo requerido para a síntese de ureia serem produzidos a partir de um gás metalúrgico que consiste de uma mistura gasosa composta por gás de alto- forno e gás de conversor ou uma mistura gasosa composta por gás de alto- forno, gás de conversor e gás de coque.
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