BR112017010983B1

BR112017010983B1 - Usina para síntese de ureia e método para renovar uma usina para síntese de ureia

Info

Publication number: BR112017010983B1
Application number: BR112017010983-2A
Authority: BR
Inventors: Andrea Scotto
Original assignee: Casale Sa
Priority date: 2014-11-26
Filing date: 2015-10-09
Publication date: 2021-09-14
Also published as: EP3224240A1; US20170362169A1; WO2016083005A1; CN107001247A; RU2675841C1; EP3224240B1; BR112017010983A2; CN107001247B; CA2969023A1; US10202336B2; SA517381584B1; CA2969023C; UA121400C2; EP3026040A1

Abstract

usina para produção de ureia. trata-se de uma usina para a síntese de ureia, que compreende: uma seção de síntese que compreende pelo menos um reator, um compressor para fornecer co2 à dita seção de síntese, uma turbina a gás para a operação do dito compressor de co2 e um gerador de vapor de recuperação de calor; a fonte de calor do dito gerador de vapor de recuperação de calor consiste nos gases de escape da dita turbina a gás, e pelo menos um fluxo de vapor produzido pelo dito gerador de vapor de recuperação de calor é usado como fonte de calor para pelo menos um componente da dita usina de ureia.

Description

DESCRIÇÃO CAMPO DE APLICAÇÃO

[0001] A presente invenção refere-se ao campo de usinas para síntese de ureia de amônia e dióxido de carbono.

TÉCNICA ANTERIOR

[0002] A ureia é produzida pela reação entre amônia e dióxido de carbono (CO2) em alta pressão. Descrevem-se, na literatura, métodos conhecidos para síntese de ureia, por exemplo, Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH Verlag, vol. A27.

[0003] Geralmente, uma síntese de ureia compreende uma seção de síntese em alta pressão, e a dita seção inclui um reator, um removedor de alta pressão e um condensador de alta pressão. O reator produz uma solução aquosa que compreende ureia e carbamato de amônio não reagido, que é fornecido ao removedor. O removedor produz uma solução de ureia e uma fase gasosa contendo principalmente amônia não reagida e CO2, que é condensada e reciclada ao reator. O processo de remoção pode ser realizado na presença de um agente de remoção, tipicamente CO2 fresco ou amônia. As usinas que usam CO2 como agente de remoção são conhecidas como usinas de remoção de CO2.

[0004] O dióxido de carbono é fornecido em alta pressão ao removedor e/ou ao reator, dependendo do tipo de usina. Em qualquer caso, requer-se um compressor de CO2 capaz de elevar a pressão do CO2 ao nível da seção de síntese, tipicamente, até acima de 10 MPa (100 bar). O dito compressor de CO2 constitui um dos consumidores de energia principais da usina.

[0005] Na técnica anterior, o dito compressor de CO2 é operado diretamente por uma turbina de vapor ou por um motor elétrico.

[0006] De fato, uma usina para a produção de ureia compreende um sistema de vapor complexo com vários níveis de vapor, incluindo geradores de vapor e consumidores de vapor. Em geral, o vapor é produzido durante os estágios que requerem remoção de calor de um fluido de processo, em um nível de pressão que depende da temperatura do calor disponível; pode-se usar vapor para propósitos de processos e para produzir trabalho mecânico para operação das máquinas.

[0007] Por exemplo, o removedor da seção de síntese, referido acima, é um consumidor de vapor visto que o processo de remoção deve fornecer calor à solução que compreende ureia e carbamato. Tipicamente, o removedor é um trocador de invólucro e tubo, no qual a solução é fornecida dentro dos tubos, e o feixe de tubos é aquecido externamente por vapor em cerca de 2 MPa (20 bar). Portanto, o removedor de alta pressão constitui um consumidor de energia importante (estando a energia sob a forma de calor). De preferência, o condensador de carbamato produz vapor, visto que o calor de condensação é tipicamente liberado para evaporar água. A pressão do vapor que pode ser obtida do condensador, no entanto, é genericamente baixa (por exemplo, 0,3 MPa (3 bar)).

[0008] A fim de produzir trabalho mecânico, uma ou mais turbinas de vapor são usadas. Uma turbina de vapor pode acionar diretamente uma máquina (por exemplo, um compressor ou uma bomba), ou pode acionar um gerador elétrico; logo, a energia pode ser usada pelas máquinas da usina.

[0009] Em alguns casos, o vapor gerado internamente não é suficiente para satisfazer todos os requerimentos da usina. A escassez de vapor pode ser transferida, por exemplo, importando-se vapor de fora ou introduzindo-se um gerador de vapor auxiliar. No entanto, o vapor externo nem sempre está disponível e um gerador auxiliar consome combustível e aumenta os custos.

[0010] Considerando-se o supracitado, pode-se compreender que a otimização do sistema de vapor e sua integração com o restante da usina são particularmente importantes para reduzir o consumo de energia, ou seja, para aumentar a produção de ureia por unidade de energia usada. Um dos problemas consiste em usar convenientemente o vapor dependendo do nível de energia no qual o mesmo está disponível. Por exemplo, um dos problemas consiste em encontrar um uso conveniente para o vapor com um nível de temperatura baixa e/ou baixa pressão, visto que pode conter uma quantidade significativa de calor, que, no entanto, não pode ser facilmente explorada. Na técnica anterior, esforços contínuos estão sendo feitos para aperfeiçoar esse aspecto as usinas de ureia.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0011] A invenção visa aperfeiçoar a eficiência energética das usinas para uma síntese de alta pressão de ureia de amônia e dióxido de carbono, em particular, reduzir o consumo do compressor necessário para elevar o dióxido de carbono à pressão de síntese, e otimizar a integração entre o processo e o respectivo sistema de vapor.

[0012] Esses objetivos são alcançados com uma usina de acordo com as reivindicações.

[0013] Uma usina para a síntese de ureia de acordo com a invenção compreende uma seção de síntese que inclui pelo menos um reator para a síntese de ureia e compreende um compressor de CO2 para fornecer CO2 à seção de síntese; a usina é caracterizada pelo fato de compreender uma turbina a gás para a operação do dito compressor de CO2, e pelo fato de que compreende um gerador de vapor de recuperação de calor, em que a fonte de calor do dito gerador de vapor de recuperação de calor consiste em gases de escape da dita turbina a gás e em que um fluxo de vapor produzido pelo dito gerador de vapor de recuperação de calor é usado como vapor de processo na dita usina.

[0014] De preferência, a seção de síntese compreende pelo menos um reator, um removedor e um condensador. Nesse caso, a seção de síntese é tipicamente referida como um “ciclo de síntese”.

[0015] Os recursos preferenciais são descritos nas reivindicações dependentes.

[0016] A ideia de formar a base da invenção consiste em operar o dito compressor de CO2 usando uma turbina a gás. A dita turbina a gás consome um combustível, mas apresenta uma vantagem considerável de liberar gases quentes que podem ser explorados em um gerador de vapor de recuperação de calor (HRSG). O dito gerador produz vapor que pode ser usado para o processo, e, com mais preferência, para fornecer vapor ao removedor de alta pressão da dita usina.

[0017] De modo mais vantajoso, o vapor produzido no gerador de vapor de recuperação de calor é obtido por meio de evaporação de um fluxo de água desmineralizada. O tratamento de desmineralização é realizado mais preferencialmente em um desgaseificador que usa, como fonte de calor, o vapor fornecido resfriando-se o condensador de carbamato da seção de síntese. O dito vapor de aquecimento do desgaseificador se encontra tipicamente em uma pressão baixa, por exemplo, menor que 0,5 MPa (5 bar) e, tipicamente, cerca de 0,3 MPa (3 bar). O tratamento de desmineralização água é realizado, por exemplo, a cerca de 100 a 120°C.

[0018] A turbina a gás pode operar o compressor de CO2 direta ou indiretamente. De preferência, a turbina a gás aciona diretamente o dito compressor, por exemplo, o eixo de turbina é mecanicamente conectado ao eixo de compressor.

[0019] A invenção proporciona a vantagem de uma integração aperfeiçoada entre o processo e o respectivo sistema de vapor, e um uso eficiente da energia.

[0020] A potência mecânica produzida pela turbina a gás, que constitui uma energia valiosa, é usada diretamente para operar o compressor, que forma um dos consumidores de energia principais da usina.

[0021] O calor recuperado dos gases de escape da turbina é usado para fornecer calor ao removedor. Como consequência, o combustível da turbina a gás é basicamente explorado duas vezes. O requerente constatou que a temperatura dos gases de escape de uma turbina a gás convencional (tipicamente, cerca de 400 a 500°C) permite que vapor seja gerado sob condições ótimas para o removedor de síntese-ciclo. Portanto, uma das vantagens da invenção é que o combustível da turbina a gás é suficiente para satisfazer as necessidades de dois dos consumidores de energia principais da usina, ou seja, o compressor de CO2 (que requer energia mecânica) e o removedor (que requer energia térmica).

[0022] De acordo com um aspecto adicional da invenção, a água fornecida ao gerador de recuperação, a fim de gerar vapor para o removedor, é submetida à desgaseificação com vapor em uma pressão baixa, por exemplo, 0,3 MPa (3 bar). Esse vapor de baixo calor é vantajosamente reciclado pelo condensador de carbamato. Consequentemente, a invenção proporciona um método eficaz para usar o vapor de pressão baixa fornecido pelo condensador de carbamato. De fato, esse vapor é usado para desgaseificar a água do gerador de vapor de recuperação de calor, e, dessa forma, contribui para a produção de vapor em pressão superior.

[0023] A invenção também se refere a um método para renovar uma usina para a síntese de ureia de amônia e CO2 de acordo com as reivindicações em anexo.

[0024] O método de renovação é caracterizado pela instalação adicional de uma turbina a gás para a operação do dito compressor de CO2, e pela instalação adicional de um gerador de vapor de recuperação de calor, em que a fonte de calor do dito gerador de vapor de recuperação de calor consiste em gases de escape da dita turbina a gás, e em que pelo menos um fluxo de vapor produzido pelo dito gerador de vapor de recuperação de calor é usado como uma fonte de calor para pelo menos um componente da dita usina, de preferência, para o removedor de ciclo de síntese.

[0025] O método de renovação é aplicável, em particular, a usinas de ureia mais antigas do tipo convencional, sem removedores, por exemplo, usinas conhecidas como usinas de “reciclagem total”, bem como usinas mais modernas que realizam remoção do efluente de reator, em particular, usinas de remoção de CO2.

[0026] Essas e outras vantagens se tornarão mais claras da descrição detalhada abaixo, com referência à Figura 1 que ilustra, de modo esquemático, uma modalidade preferencial da invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0027] A Figura 1 ilustra, de modo esquemático, um ciclo de síntese de ureia 1 que compreende um reator 2, um removedor 3, um condensador 4 e um purificador 31. O ciclo de síntese 1 é dotado de amônia 5 e dióxido de carbono 6.

[0028] O dito ciclo 1 é bem conhecido por indivíduos versados na técnica e não precisa ser descrito em detalhes. O exemplo se refere a uma usina de remoção de CO2 na qual a amônia 5 é fornecida ao condensador 4 e o dióxido de carbono 6 é fornecido ao removedor 3; em outras modalidades, a amônia e o CO2 podem ser fornecidos a outros pontos da usina. A solução aquosa contendo ureia 20 que deixa o reator 2 é concentrada no removedor 3 e a solução 21 que deixa o removedor é adicionalmente tratada em uma seção de recuperação usando uma técnica conhecida propriamente dita.

[0029] O removedor 3 é aquecido pelo vapor em cerca de 2 MPa (20 bar), entrando através da linha 7 e saindo através da linha 8. O condensador 4 libera calor, produzindo um fluxo de vapor 9 em uma pressão, por exemplo, 0,3 MPa (3 bar).

[0030] Os componentes do ciclo operam em uma alta pressão predefinida, que é substancialmente igual para o reator 2, o removedor 3 e o condensador 4.

[0031] O dióxido de carbono 6 é elevado à dita pressão do ciclo 1 por um compressor 10. O dito compressor é acionado mecanicamente por uma unidade de turbina a gás 11 que compreende essencialmente um compressor de ar 12, um incinerador 13 e uma turbina 14. Por exemplo, e, preferencialmente, o compressor de CO2 10 é montado no eixo da dita turbina 14. A unidade de turbina a gás é carregada com um combustível 15, por exemplo, gás natural ou um gás de síntese adequado.

[0032] Os gases de escape 16 da turbina a gás 14, que se encontram em alta temperatura, são transportados a um gerador de vapor de recuperação de calor (HRSG) 17. O dito gerador 17 produz o vapor 7 destinado a fornecer calor ao removedor. Em particular, o dito vapor 7 é obtido aquecendo-se a água de alimentação 30 previamente desgaseificada dentro de um desgaseificador 19; o dito desgaseificador 19 é aquecido pelo vapor 9 produzido no condensador 4 do ciclo 1. A linha 22 indica os gases resfriados que deixam o gerador 17.

[0033] Geralmente, a produção de vapor no condensador 4 excede o requerimento do desgaseificador 19, portanto, o vapor 9 que abastece o desgaseificador 19 pode ser uma fração do vapor que é realmente produzida. A parte restante 9’ do vapor pode ser usada por outros consumidores da usina ou exportados. Ademais, parte do vapor 7 também pode ser destinada a outros consumidores de usina ou exportada, conforme indicado pela linha 7’.

[0034] Conforme se pode compreender da figura, dessa forma, obtêm-se alta eficiência e boa integração entre o sistema de vapor e a usina de ureia. De fato, o combustível 15 proporciona tanto o trabalho mecânico do compressor 10 como o calor para o removedor 3, devido ao uso eficiente na montagem de gerador de vapor de recuperação de turbina; a invenção também garante um uso ótimo do vapor 9 com um nível de energia baixo.

Claims

1. Usina para síntese de ureia, compreendendo: uma seção de síntese (1) compreendendo pelo menos um reator (2), um compressor (10) alimentando CO2 à seção de síntese, a usina sendo caracterizada pelo fato de que compreende uma turbina a gás (11) para a operação do compressor de CO2 (10) e que compreende um gerador de vapor de recuperação de calor (17), em que a fonte de calor do gerador de vapor de recuperação de calor (17) é representada por gases de escape (16) da turbina a gás (11), e em que pelo menos um fluxo de vapor (7) produzido pelo gerador de vapor de recuperação de calor (17) é usado como fonte de calor para pelo menos um componente da usina de ureia.

2. Usina, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a turbina a gás (11) aciona diretamente o compressor de CO2 (10).

3. Usina, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que a seção de síntese (1) compreende adicionalmente pelo menos um removedor (3) e um condensador (4), e em que um fluxo de vapor (7) produzido pelo gerador de vapor de recuperação de calor (17) é usado como um fluido de aquecimento para o removedor (3).

4. Usina, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que o gerador de vapor de recuperação de calor (17) produz um fluxo de vapor saturado (7) em uma pressão entre 0,1 a 0,3 MPa, de preferência, cerca de 0,2 MPa, e o vapor saturado (7) é fornecido ao removedor (3) da seção de síntese de alta pressão como um fluido de aquecimento.

5. Usina, de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizada pelo fato de que: a usina compreende um desgaseificador (19) que produz um fluxo de água desmineralizada (30), o desgaseificador é fornecido com vapor (9) obtido do resfriamento do condensador (4) do ciclo de síntese, e o gerador de vapor de recuperação de calor (17) é fornecido com água desmineralizada (30) produzida no desgaseificador (19).

6. Usina, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que o vapor (9) que abastece o desgaseificador (19) tem uma pressão relativa menor que 0,6 MPa, e de preferência uma pressão relativa de cerca de 0,3 MPa.

7. Método para renovar uma usina para síntese de ureia, de amônia e CO2, a fim de obter uma usina como definido nas reivindicações 1 a 6, em que: a usina inclui uma seção de síntese (1), operando em uma pressão de síntese predefinida, compreendendo pelo menos um reator (2), a usina compreende adicionalmente um compressor de CO2 (10) para alimentar CO2 a pelo menos um dos componentes do ciclo de síntese; o método sendo caracterizado por instalar adicionalmente uma turbina a gás (11) para a operação do compressor de CO2 (10), e instalar adicionalmente um gerador de vapor de recuperação de calor (17), em que a fonte de calor do gerador de vapor de recuperação de calor é representada pelos gases de escape (16) da turbina a gás (11), e em que pelo menos um fluxo de vapor (7) produzido pelo gerador de vapor de recuperação de calor é usado como fonte de calor para pelo menos um componente da usina.

8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato da seção de síntese compreender um removedor (3) e um condensador (4), e o método prevê que um fluxo de vapor (17) produzido pelo gerador de vapor de recuperação de calor (17) é usado como fonte de calor para o removedor (3) da seção de síntese.